超寬帶定位融合GNSS 一體化定位技術研究＊

肖巖 張繪軍 李冀 劉麗珍

（1.廣州中海達衛星導航技術股份有限公司，廣東廣州 510000；2.鄭州聯睿電子科技有限公司，河南鄭州 450000)

0.引言

隨著無線定位技術的發展，特別是基于IEEE802.15.4a、4z 協議[1]的超寬帶無線定位技術的發展，高精度位置服務逐步從室外延伸到了室內，滿足了日益增長的室內位置服務需求。超寬帶室內定位技術目前雖然已廣泛應用于工廠、物流、電力、無人機等領域，但通常只構建單一的室內定位系統，缺乏能夠有效覆蓋室外環境與復雜室內環境的一體化定位服務[2]。本文研究一種超寬帶定位融合GNSS 的一體化定位技術，定位終端集成超寬帶和GNSS 模塊，利用超寬帶無線定位技術，構建室內類GNSS 超寬帶定位系統，室外使用衛星定位技術，通過結合時空對準，無縫融合技術，從而實現室內外一體化定位。

1.室內類GNSS 超寬帶定位系統

對于GNSS 系統來說，GNSS 衛星向GNSS 模塊發送用于導航定位的調制波，GNSS 模塊接收GNSS 衛星發出的信號后，通過偽距測量法、載波相位法等方法確定定位終端的位置，GNSS 模塊根據NMEA-0183 協議規范[3]，將位置信息傳送到定位終端。借鑒GNSS 系統的定位模式，用超寬帶無線定位技術，即基站分時隙廣播式發送，定位終端接收，構建了室內類GNSS 超寬帶定位系統，具有定位終端無線容量，在定位終端解算，類似于室內的GNSS模塊，易于和GNSS 模塊結合構建室內外一體化定位。

1.1 超寬帶基站分時隙發送

不同于GNSS 信號體制，超寬帶定位接收機不能同時接收多個基站的信號，超寬帶基站需要分時隙發送，才能在接收端無沖突的進行接收。我們定義了廣播周期T，每隔時間T，各個基站發送一次超寬帶調制波，在廣播周期T 內，各個基站按照兩跳內不沖突的原則分配時隙[4]，并在指定時隙內進行發送，從而避免定位終端的接收碰撞。如圖1 所示。

1.2 超寬帶基站時鐘同步

GNSS 衛星使用原子鐘，比如銫原子鐘、銣原子鐘、氫原子鐘等，GNSS 衛星的時鐘可以維持上億年時間誤差不超1s。并且地面站可以通過地球同步軌道衛星作為中繼對系統中其他軌道衛星進行同步[5]，而對于類GNSS 超寬帶定位系統來說，也需要基站間時鐘同步，并且超寬帶基站所使用的晶振有較大的時鐘漂移，所以需要周期性的時鐘同步，我們利用兩個廣播周期的超寬帶調制波信號，進行相偏及頻偏估計，完成超寬帶基站間的時鐘同步[6]。

1.3 超寬帶終端定位

圖1 室內類GNSS超寬帶定位系統時隙分配策略

圖3 考慮運動情況下定位終端接收基站分時隙調制波信號的示意圖

圖2 定位終端接收基站分時隙調制波信號的示意圖

2.室內類GNSS 超寬帶定位系統和GNSS 一體化定位融合機制

2.1 超寬帶位置信息和GNSS 位置信息的時空配準

室內類GNSS 系統和室外GNSS 系統定位融合的前提是具有統一的坐標系和時間基準。室內類GNSS 超寬帶定位系統采用基站發送，終端接收并解算的定位機制，基站坐標通過在室外利用RTK 標記參考點，在室外標記參考點的基礎上通過全站儀測量，獲取室內基站的大地坐標，從而類GNSS 超寬帶定位系統所輸出的定位坐標為大地坐標。定位終端集成超寬帶和GNSS 模塊，通過GNSS 模塊給超寬帶模塊提供授時，使得室內類GNSS 超寬帶定位系統輸出和GNSS 模塊輸出具有相同的時間基準。經過時空配準后的定位終端可認為是雙模的GNSS 模塊。

2.2 雙模位置信息融合

在室外區域通常只有GNSS 模塊輸出定位信息，在室內區域通常只有超寬帶模塊輸出定位信息，但在臨界區域通常會有雙模位置信息并存，涉及雙模位置信息融合問題，并且由于定位終端處理延遲不一致，會出現GNSS 模塊和超寬帶模塊輸出位置信息在時間上錯序，我們采用卡爾曼濾波結合卡爾曼平滑技術對雙模位置信息融合，當位置信息的時間是增加的情況下采用卡爾曼濾波技術進行融合，當位置信息的時間出現錯序時采用卡爾曼平滑進行反向濾波再進行前向卡爾曼濾波，從而有效實現雙模位置信息融合。

3.結語

本文在借鑒GNSS 定位方式的基礎上，結合超寬帶定位的特性，構建了類GNSS 室內超寬帶定位系統，并考慮了和GNSS 模塊融合的融合機制，構建了一體化定位系統，能夠有效在覆蓋室內室外混合場景下提供一體化的定位服務。