一种基于多源信息融合的车辆无缝定位方法
【专利摘要】本发明属于无线通信【技术领域】，涉及的是一种基于多源信息融合的车辆无缝定位方法。主要步骤是主滤波器中采用Kalman滤波器对基于UWB(Ultra?Wide?Band，超宽带)的短距离高精度无线定位信息、BDS+GPS(Bei?Dou?Navigation?Satellite?System+Global?Positioning?System)的双模GNSS(Global?Navigation?Satellite?System，全球卫星定位系统)定位信息、SINS+CAN(Strapdown?Intertial?Navigation?System+Controller?Area?Network，捷联惯性导航系统+控制器局域网)融合航位推算信息，三类不同信号源定位数据不断融合、逐步求精，并对定位结果进行反馈、校正，实现车辆的高精度、无缝定位。本发明可以适应各种公路特殊环境，实现车辆无缝、精确的定位，为智能交通系统提供技术支撑，为避免车辆连环碰撞提供高精度的位置信息。
【专利说明】一种基于多源信息融合的车辆无缝定位方法
【技术领域】
[0001]本发明属于无线通信【技术领域】，涉及的是一种基于多源信息融合的车辆无缝定位方法。
【背景技术】
[0002]智能交通系统是未来交通系统的发展方向，它是将先进的导航定位技术、数据通信技术、电子传感技术等有效地集成，而建立的实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。智能交通是《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)》交通运输业的六大重点领域及其优先发展主题之一，同时也是《交通运输“十二五”发展规划》中的五大重大科技研发专项、六大科技成果推广应用重点领域之一。
[0003]目前的车辆防碰撞系统仅仅是采用后车根据雷达信号测量与前车距离的简单单车防碰撞系统，只有获得了远距离多辆车的精确位置信息，并根据相对车速、加速度、距离等进行联合判断才有可能实现多车辆的连环碰撞预警，从而降低车祸发生率，尤其是连环追尾碰撞事故的发生率。
[0004]目前车辆定位技术主要有三种:①GNSS定位(Global Navigat1n SatelliteSystem,全球卫星定位系统):理想情况下虽然可以实现10米左右定位精度的广域定位,但是由于信号容易受到遮挡和多径衰减等影响，所以在城市密集城区和室内封闭空间无法保证可靠的定位精度和可用性。②短距离无线定位技术:已有的基于UWB (Ultra Wide Band,超宽带)、Wi_F1、WLAN(Wireless Local Area Networks,无线局域网)、红外线、超声波等无线电定位技术虽然可以达到厘米、米级的高定位精度，但是只能局限于小范围区域，不适合车辆的定位。③SINS (Strapdown Intertial Navigat1n System,捷联惯性导航系统):虽然可以在无GNSS信号的情况下依靠惯性测量单元(IMU, Inertial Measurement Unit)测得车辆定位参数，利用运动学定律进行自主定位，但是由于误差具有时间累积性，因而无法实现长时间较高精度的定位。
[0005]UWB无线通信技术是一种不用载波，采用小于纳秒时长的不连续脉冲进行通信的一种无线通信技术。由于UWB使用小于纳秒时长的超短脉冲进行通信，其信号功率被扩散在从O到数十GHz的超宽频带范围内，这种独特的通信机制使其与目前频域通信技术相比具有对信道衰落不敏感、发射功率低、与其它无线系统可以共存、多径分辨能力强、抗干扰能力强、系统复杂度低、穿透能力强等优点，因而在全球范围内受到广泛关注，特别是在精确测距和定位、短距离高速通信(100Mbps -1Gbps)、雷达探测、防侦听抗干扰保密通信等多个军用和民用领域均有广泛的应用前景。
[0006]所以，任何单一的定位系统均具有各自的局限性，均不能满足高精度、在复杂场景下的无缝定位的要求。因此寻求一种“高精度”、“无缝”的定位技术一直是车辆定位领域研究的主要目标。本发明提出了基于UWB、GNSS等多源信息融合的方法对车辆进行定位，以满足在不同应用场景的使用要求，实现车辆的多信息融合的无缝定位。
【发明内容】
[0007]鉴于任何单一的定位系统均具有各自的局限性，均不能满足高精度、在复杂场景下的车辆无缝定位的要求，本发明提出了一种基于多源信息融合的车辆无缝定位方法，从而可以为避免高速公路上车辆连环碰撞提供无缝的高精度的位置信息。
[0008]本发明的技术方案如下:
[0009]一种基于多源信息融合的车辆无缝定位方法，包括以下步骤:
[0010]1.在主滤波器中采用Kalman滤波器对基于UWB的短距离高精度无线定位信息、BDS+GPS(Bei Dou Navigat1n Satellite System+Global Posit1ning System)双模GNSS 定位信息、SINS+CAN (Strapdown Intertial Navigat1n System+Controller AreaNetwork，控制器局域网)融合航位推算信息，三类不同信号源定位数据进行融合处理，并对定位结果进行反馈、校正，实现车辆高精度无缝定位，三类信号源的定位方法如下:
[0011]I)基于UWB的短距离高精度无线定位
[0012]米用常用的TOA(Time of Arrival,到达时间)、TDOA(Time Difference OfArrival,到达时间差)、A0A(Angle Of Arrival,到达角度)等各类短距离无线定位方法,利用路边定位基站发射的UWB信号进行短距离无线定位，得到车辆的速度V1和位置信息L1 ；
[0013]2) BDS+GPS 双模 GNSS 定位
[0014]利用中国的BDS以及美国的GPS卫星通过离子滤波器进行融合定位，离子滤波时要去除权值小的粒子， 保留并复制权值较大的粒子即采用重采样的方法，得到车辆的速度V2和位置信息L2 ；
[0015]3) SINS+CAN融合航位推算
[0016](I)将SINS系统中陀螺仪的角增量与CAN总线提取的车速、方向盘转角、里程增量等组成航位推算(Dead Reckoning, DR)系统；
[0017](2)将DR系统与SINS系统的位置与姿态误差通过Sage-husa自适应滤波得到系统误差校正值；
[0018](3)根据得到的误差校正值去补偿SINS系统、消除时间累计误差得到姿态P3、位置L3和速度V3 ；
[0019]2.进一步，Kalman滤波实现多源信息融合车辆定位方法为:
[0020]利用Kalman滤波对位置信息和速度(U、V1)、(L2, V2)、(L3> V3)三个定位信息进行融合定位，如公式(I)所示，
【权利要求】
1.一种基于多源信息融合的车辆无缝定位方法，其特征在于，在主滤波器中采用Kalman滤波器对基于UWB(Ultra Wide Band,超宽带)的短距离高精度无线定位信息、BDS+GPS(Bei Dou Navigat1n Satellite System+Global Posit1ning System)双模GNSS (Global Navigat1n Satellite System,全球卫星定位系统)定位信息、SINS+CAN(Strapdown Intertial Navigat1n System+Controller Area Network,捷联惯性导航系统+控制器局域网)融合航位推算信息，三类不同信号源定位数据进行融合处理，实现车辆高精度无缝定位，三类信号源采用的定位方法分别如下: 1)基于UWB的短距离高精度无线定位 米用常用的 TOA(Time of Arrival,到达时间)、TDOA(Time Difference Of Arrival,到达时间差)、AOA(Angle Of Arrival,到达角度)等短距离无线定位方法,利用路边定位基站发射的UWB信号进行短距离无线定位，得到车辆的速度V1和位置信息L1 ；
2)BDS+GPS 双模 GNSS 定位 接收BDS和GPS卫星的信号，通过离子滤波器进行融合定位，离子滤波时要去除权值小的粒子，保留并复制权值较大的粒子，即采用重采样的方法，得到车辆的速度V2和位置信息1.3)SINS+CAN融合航位推算 (1)将SINS系统中陀螺仪的角增量与CAN总线提取的车速、方向盘转角、里程增量等输入到航位推算(Dead Reckoning, DR)系统进行计算； (2)将DR系统与SINS系统得到的位置与姿态误差通过Sage-husa自适应滤波计算得到系统误差校正值； (3)根据得到的误差校正值去补偿SINS系统、消除时间累计误差，得到姿态P3、位置L3和速度V3。
2.根据权利要求1所述，其特征在于上述Kalman滤波实现多源信息融合的计算方法为: 利用Kalman滤波对位置信息和速度(Q、V1)、(L2、V2)、(L3、V3)三个定位信息进行融合定位，如公式(I)所示，
(Q-1 二 QI1 + Qf + 佐1
QI1 = ^1Q-1,Q^1 = A2Q-1,Q^1 = A3Q-1,p-l = p-Ι + p-Ι + p-Ι⑴
P — I — ID-1 — I 0— I D-1 — 2 D~1
I ^2 — A2^— A3^
,P-1X = P^1X1 + P^1X2 + P3_1^3 其中，Xi表示第i个子滤波器的状态估计矢量，Qi表示第i个子滤波器的系统协方差阵，Pi表示第i个子滤波器的状态矢量协方差阵，λ i表示各子滤波器的定位结果的可信度或者权值,i = 1，2，3,而且I ；X表示主滤波器的状态估计量,Q表示主滤波器的系统协方差阵，P表不主滤波器的状态矢量协方差阵。
【文档编号】G01S19/49GK104076382SQ201410348844
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】崔学荣, 李娟 , 李忠伟, 张 浩, 吴春雷, 刘建航, 叶兴根 申请人:中国石油大学(华东), 北京中斗科技股份有限公司