GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位方法研究

王 寧，宋偉中，郭海松

（黃河科技學(xué)院，河南 鄭州 450063）

1 GNSS定位技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與要點(diǎn)

GNSS定位技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的一種定位技術(shù)，在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中發(fā)揮的作用越來(lái)越受到人們的重視。由于GNSS技術(shù)本身的限制，其在精確定位等方面無(wú)法充分滿足人們的要求。

1.1 GNSS定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析

GNSS是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位的簡(jiǎn)稱。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位需利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間等觀測(cè)量，同時(shí)還必須利用用戶鐘差。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是能在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的三維坐標(biāo)、速度以及時(shí)間信息的空基無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。自從美國(guó)的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)投入使用后，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和研究一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)之一。我國(guó)出于國(guó)家安全與人們需求方面的考慮，也正在進(jìn)行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)活動(dòng)。但由于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)成熟，在民用市場(chǎng)中依然占有很大的份額。

GNSS就是利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星進(jìn)行精確定位的一種技術(shù)。利用GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星系統(tǒng)，可以測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)確定接收機(jī)的具體位置。

1.2 GNSS定位技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)分析

為實(shí)現(xiàn)GNSS定位技術(shù)的高效應(yīng)用，需要注意如下三點(diǎn)。

首先，GNSS系統(tǒng)空間部分的準(zhǔn)確度。應(yīng)用過(guò)程中，GNSS系統(tǒng)需要用戶的位置能夠隨時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。因此，GNSS系統(tǒng)需要提供至少24顆軌道衛(wèi)星，并沿著固定軌道進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。由于衛(wèi)星的建造、發(fā)射及運(yùn)行等都需要大量的技術(shù)支持和資金投入。所以這部分系統(tǒng)一般由國(guó)家部門負(fù)責(zé)建設(shè)。為了滿足系統(tǒng)運(yùn)行的需要，國(guó)家需要每隔一定的時(shí)間，對(duì)在軌衛(wèi)星進(jìn)行一次更換。

其次，地面控制系統(tǒng)也是需要重點(diǎn)注意的一部分。該系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信息的收集、星歷、相對(duì)距離的計(jì)算及大氣校正等工作的重要基礎(chǔ)，一般也有國(guó)家進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃和管理。

最后，對(duì)GNSS定位技術(shù)影響最大的是用戶設(shè)備。用戶設(shè)備一般為GNSS信號(hào)接收機(jī)。該設(shè)備最主要的功能是捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星，并對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)行進(jìn)行跟蹤。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，就可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)定位的重要基礎(chǔ)。

GNSS定位技術(shù)應(yīng)用廣泛，且應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)比較成熟。但由于自身技術(shù)特點(diǎn)的限制，GNSS定位技術(shù)在室內(nèi)的精確定位還存在一定的問(wèn)題。

2 UWB技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與特點(diǎn)

2.1 UWB技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析

UWB技術(shù)是一種無(wú)載波通信技術(shù)，是超寬帶技術(shù)的簡(jiǎn)稱。近年來(lái)，UWB技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越受到人們的關(guān)注，UWB技術(shù)更被稱為是無(wú)線電領(lǐng)域的一次革命性進(jìn)展，并被認(rèn)為是未來(lái)短距離無(wú)線通信的主流技術(shù)。目前，國(guó)外已經(jīng)突破UWB技術(shù)傳統(tǒng)的近距離高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用限制，開始利用其亞納秒級(jí)超窄脈沖來(lái)做近距離精確室內(nèi)定位。為了進(jìn)一步提高UWB技術(shù)的實(shí)用性，人們正在推動(dòng)G赫茲級(jí)頻譜的應(yīng)用[1]。

2.2 UWB技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)分析

目前，UWB技術(shù)表現(xiàn)出的應(yīng)用特點(diǎn)具體如下。

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比更加簡(jiǎn)單。傳統(tǒng)的通信技術(shù)需要大量的技術(shù)設(shè)備的支持，而UWB技術(shù)則不需要這些技術(shù)設(shè)備。兩者最大的區(qū)別在于UWB技術(shù)不用通過(guò)載波的變化等進(jìn)行信息傳輸，主要通過(guò)發(fā)送納秒級(jí)脈沖來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)。

（2）UWB技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率更高。為了進(jìn)一步提高技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率，UWB技術(shù)采用了比較寬的頻率帶寬。UWB技術(shù)不需要單獨(dú)占用已經(jīng)擁擠不堪的頻帶資源。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的UWB技術(shù)可以提供高達(dá)500 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

（3）安全性強(qiáng)。由于UWB技術(shù)采用了納秒級(jí)脈沖進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的傳輸，所以抗干擾能力更強(qiáng)。UWB技術(shù)的安全性比傳統(tǒng)的通信技術(shù)更高。

（4）定位準(zhǔn)確。UWB技術(shù)憑借著納秒級(jí)脈沖的傳輸特點(diǎn)，在室內(nèi)的高精度定位方面有更好的表現(xiàn)。

此外，UWB技術(shù)還具有多徑分辨能力強(qiáng)、建設(shè)使用成本低等特點(diǎn)。由于UWB技術(shù)的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)GNSS/UWB技術(shù)的組合應(yīng)用，可以有效地推動(dòng)現(xiàn)有定位技術(shù)的發(fā)展。

3 GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 GNSS定位技術(shù)與UWB技術(shù)的相結(jié)合

GNSS定位技術(shù)目前在室內(nèi)精確定位中的應(yīng)用受到了很大的限制。分析工作原理可知，GNSS定位技術(shù)需要對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)進(jìn)行分析和處理。在此過(guò)程中，信號(hào)的強(qiáng)弱與接收有效性等都直接關(guān)系到精確定位的效果。室內(nèi)干擾大，用戶設(shè)備一般很難獲取到高質(zhì)量的衛(wèi)星信號(hào)，因此經(jīng)常發(fā)生在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境或者隧道中丟失GNSS定位信號(hào)的現(xiàn)象。

由于自身主要依靠納秒級(jí)脈沖進(jìn)行信號(hào)傳輸，UWB技術(shù)可以很好地克服GNSS定位技術(shù)在室內(nèi)應(yīng)用受限的問(wèn)題。利用UWB技術(shù)作為GNSS定位的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精確定位的研究越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

3.2 GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位的關(guān)鍵要點(diǎn)

UWB技術(shù)可以很好地彌補(bǔ)GNSS定位技術(shù)在定位精度等方面的缺陷。但由于兩者在應(yīng)用過(guò)程中有一定的區(qū)別性，要實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)外組合定位，還需要注意其方法。

組合應(yīng)用的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮兩者的長(zhǎng)處。GNSS定位技術(shù)憑借著環(huán)繞地球的導(dǎo)航衛(wèi)星，可以實(shí)現(xiàn)大范圍的實(shí)時(shí)性定位。UWB技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，則容易受到信號(hào)傳輸距離有限的困擾。因此，在GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位的過(guò)程中，在室外的定位應(yīng)當(dāng)主要依靠GNSS定位技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。GNSS覆蓋的范圍大，響應(yīng)速度快，可以充分滿足人們的要求。復(fù)雜環(huán)境下，則依靠UWB技術(shù)進(jìn)行精度彌補(bǔ)，確保定位準(zhǔn)確性。

GNSS定位技術(shù)和UWB技術(shù)在工作的過(guò)程中有不同的工作模式，需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行信息傳輸。為了實(shí)現(xiàn)兩者的融合工作，需要在工作平臺(tái)上建設(shè)可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)融合定位接口。該平臺(tái)的接口需要能夠兼容多種定位信息，并進(jìn)行相應(yīng)的處理工作。

4 GNSS/UWB組合室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用方法

為了推動(dòng)GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，需要對(duì)GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位的系統(tǒng)模型建立方法進(jìn)行研究。

系統(tǒng)模型建立是實(shí)現(xiàn)信息有效處理的重要基礎(chǔ)。特別是要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外的高精度定位，將運(yùn)動(dòng)信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的空間信息是工作重點(diǎn)。因此，建立了一種高時(shí)效性的系統(tǒng)模型，以進(jìn)一步提高定位的精確度。

建立GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位系統(tǒng)模型的過(guò)程中，應(yīng)明確GNSS定位技術(shù)為應(yīng)用主體，以充分發(fā)揮GNSS定位技術(shù)的大覆蓋范圍、操作便捷的優(yōu)點(diǎn)；UWB技術(shù)則做為補(bǔ)償技術(shù)。此外，系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)的過(guò)程中，應(yīng)該充分考慮兩者的運(yùn)行兼容度，提高兩者共同工作的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位技術(shù)的應(yīng)用對(duì)未來(lái)社會(huì)的發(fā)展有著重要的意義。本文分析了GNSS定位技術(shù)和UWB技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其技術(shù)特點(diǎn)。同時(shí)，本文對(duì)GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位的關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行了探討，并對(duì)系統(tǒng)模型建立方法和應(yīng)用要點(diǎn)進(jìn)行了研究。