基于UWB/PDR的無基礎設施行人協同導航研究

黎昱杰,黎蕾蕾,卜繼軍,許常燕,陽 洪

(1.中國電子科技集團公司第二十六研究所,重慶 400060;2重慶大學 航空航天學院,重慶 400044)

0 引言

如今在應急救援[1]、單兵作戰等場景下,常因GNSS受限或干擾問題而導致無法有效地獲取營救人員的位置信息,因此需要采用其他的導航方式。藍牙[2]、5G[3]等普遍的定位方式需要提前架設基站或建立數據庫,實時性較差,而行人航位推算技術(PDR)定位精度會隨著時間而降低,無法長時間使用。利用在此類任務中行動人員常為編隊作業的特點,在無足夠參考基準的環境下,通過成員間相互觀測構成約束關系,建立有效的相關性元素,并綜合自身導航信息進行協同導航,可達到增強系統定位精度的目的。

針對無導航定位基礎設施條件下行人編隊定位問題,本文以慣性傳感器為基礎實施PDR自主導航[4],通過超寬帶(UWB)進行編隊組網,網內節點間信息共享及相互測距。采用基于擴展卡爾曼濾波器(EKF)的集中式協同導航算法,以所有節點的坐標、步長和航向角作為狀態建立狀態方程,以網內UWB的測距信息作為觀測向量,建立觀測方程,對網內所有節點位置信息進行約束。該方法只需將UWB傳感器佩戴于行人即可,無需建立導航定位基準,能提高應急救援、單兵作戰等編隊任務的導航精度。3人協同試驗表明,基于超寬帶的集中式協同導航系統在不依靠基礎設施的情況下,可使編隊整體定位性能提高30%。

1 集中式協同導航系統模型

1.1 集中式協同導航狀態模型

(1)

(2)

由單個節點擴展到多個節點,此時集中式協同導航系統的狀態方程可表示為

(3)

其中任意一個節點都可自由移動而不受其他節點控制,因此,集中式協同定位的狀態轉移矩陣為一對角陣,表示為

(4)

1.2 集中式協同導航觀測模型

(5)

(6)

Zk=HkΔXk+R

(7)

式中Zk為觀測量;Hk為觀測矩陣;R為觀測噪聲。

其中,

(8)

(9)

2 試驗條件與方案設計

試驗中,試驗人員佩戴的試驗裝置包含MIMU模塊、UWB模塊、GNSS接收機和天線。MIMU模塊固定于試驗人員的腰部,其包含IMU模塊和磁力計模塊,測量試驗人員行走時的加速度、姿態角和磁場強度,采樣頻率為100 Hz。UWB模塊一般放置于試驗人員的頭頂,持續接收UWB測距信號,采樣頻率為1 Hz。試驗人員攜帶的GNSS接收機在實驗過程中持續接收GNSS數據,并通過與基站做差分GNSS得到試驗人員真實軌跡,差分GNSS后的軌跡精度可達厘米級,可作為參考軌跡。

選取在空曠的室外操場進行協同導航試驗,如圖1所示,操場最外圈周長為300 m。圖2為試驗軌跡與UWB測距示意圖。

圖1 試驗人員站位示意圖

圖2 試驗軌跡與UWB測距示意圖

試驗人員試驗起點分別為圖2中的1、2和3節點。試驗中,實驗人員按照站位固定編隊,并按各自跑道沿著操場跑道行走一周,試驗時間約為5 min。場景中無明顯遮擋物,UWB信號接收良好,衛星觀測條件較好,整個實驗過程中可觀測衛星數據保持在10顆以上。同時,MIMU模塊負責持續測量慣性數據,UWB模塊負責人員間的相互測距,測距信息傳播路徑見圖2。1、2、3節點互為測距關系,因此,試驗共有3對測距關系。

3 實驗測試與結果

圖3為PDR、協同導航及GNSS基準軌跡圖。由圖可知,協同導航相對PDR算法定位軌跡更優,但仍有一定的誤差。

圖3 PDR、協同導航與GNSS基準軌跡圖

以差分GNSS軌跡為基準,分析PDR與協同導航誤差。圖4分別給出了3個節點的PDR算法與協同導航誤差曲線,表1給出了各節點的最大誤差和平均誤差。

表1 PDR算法和協同導航算法誤差統計表

圖4 三節點PDR和協同導航誤差對比

由圖4、表1可知,節點1的PDR算法最大誤差和平均誤差分別為18.49 m和11.38 m,協同導航的最大誤差和平均誤差分別為10.28 m和6.40 m;節點3的PDR算法最大誤差和平均誤差分別為15.9 m和11.38 m,協同導航的最大誤差和平均誤差分別為10.60 m和6.45 m;節點1、3的協同導航精度相較PDR算法分別提高了43.8%和43.9%,但節點2的PDR算法最大誤差和平均誤差分別為10.35 m和5.58 m,協同導航的最大誤差和平均誤差分別為11.5 m和6.68 m,協同導航誤差增大至PDR誤差的119.7%,略大于PDR誤差,這是由于在無錨點條件下,協同導航犧牲了部分節點精度以換取總體精度的提高。

協同導航中一方面需要確定編隊中節點的絕對位置,另一方面獲取更優的節點間相對位置關系也是協同導航的關鍵問題,這將有利于隊員獲取全面的環境態勢信息,協同完成任務。圖5是協同導航以及PDR的節點間位置約束關系圖。由圖可見,在UWB技術的輔助下,節點間形成了穩定的相對位置關系。

圖5 節點間位置約束關系圖

4 結束語

本文針對GNSS受限以及基站設備建立難等無基礎設施的場所,利用其任務特點:小規模、編隊行動,將UWB組網測距與航位推算技術相結合,形成基于信息共享和測距約束的協同導航。3人協同導航試驗表明,在無導航參考基準條件下,編隊中各人員的定位性能可提高約30%。協同導航提高了編隊的整體定位精度,相對單人導航在時空覆蓋、時間效率、魯棒性、故障容錯與系統重構等方面具有獨特優勢,同時系統配置靈活,無需布設其它基礎設施,適用于應急救援和單兵作戰等編隊任務。