本发明涉及一种北斗导航与uwb(ultrawideband)技术结合的室内外无缝定位系统及方法。
背景技术：
目前近年来市场上对室内外无缝定位技术需求日益增加。伴随着商场室内定位及无人驾驶汽车的发展，室内外无缝定位的市场将爆发。通过室内外定位技术解决了北斗导航定位、rfid定位、zigbee定位等只能用于室内或室外定位技术的不足，将其几种组成一个有机整体，能够应用于各种环境场景。对于散杂货码头来说，存在作业设备在室内外高精度连续定位需求。
北斗卫星导航系统(beidounavigationsatellitessystem，bds)是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，是国家略性重大空间基础设施。在港口导航中，卫星定位凭借其精度高，使用和维护简单，不受外界气候条件影响等因素，应用极为普遍。但目前常用的港口导航都是针对gps系统，而随着北斗卫星导航系统的逐步建设与完善，北斗卫星在港口导航中的应用条件也逐渐成熟。采用我国自主建设的北斗卫星导航系统、实现精确可靠的导航定位对港口的安全保障具有重要意义。
超宽频实时定位系统，包括传感器、网络交换机、定位处理器、网线等组成部分。其中，传感器是定位单元的最重要组成部分，在软件平台中有主、从传感器之分，主传感器通过时间同步线连接到每台从传感器，每台从传感器接收主传感器的时间同步信号。从传感器将定位数据传输到主传感器共同处理数据，每个从传感器有时间同步线连接到主传感器。传感器定位单元是由一个或多个传感器组成的区域。在定位单元注册过的标签进入定位单元时，标签发出的uwb信号会被一个或多个传感器接收，从传感器解码uwb信号和发送到达的角度及时间差信息，并将这些数据传输到主传感器，主传感器汇集所有数据最终计算出标签的位置信息。
目前市场上针对散货码头机械高精度定位多为室外定位，并没有针对室内外的连续高精度定位产品。
技术实现要素：
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种室内外无缝定位系统及方法，利用北斗导航定位、超宽频实时定位系统的最新技术，结合室内外的作业设备实时作业，旨在解决以下问题：
(1)室内的作业设备实时高精度定位应用；
(2)室外的作业设备实时高精度定位应用；
(3)室内外的作业设备连续实时高精度定位应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种室内外无缝定位系统，包括数据处理中心分系统和分别与数据处理中心分系统连接的北斗基准站分系统、室内uwb定位分系统、北斗/uwb移动站分系统和系统监控分系统，其中：
所述北斗基准站分系统用于接收北斗卫星定位观测数据，生成差分改正数，并通过数据处理中心分系统转发给北斗/uwb移动站分系统；
所述室内uwb定位分系统用于确定uwb标签位置，并通过数据处理中心分系统转发给北斗/uwb移动站分系统；
所述北斗/uwb移动站分系统接收数据处理中心分系统转发的数据实现北斗定位和uwb定位功能，确定作业设备当前位置坐标，并将坐标发送到数据处理中心系统；
所述数据处理中心分系统将北斗定位和uwb定位确定的作业设备当前位置坐标发送给系统监控分系统进行可视化显示，同时根据作业设备当前位置坐标计算作业设备与入口标识点、出口标识点和切换判断标识区的空间位置关系，实现室内外组合定位的双向自适应切换。
本发明还提供了一种室内外无缝定位方法，包括如下步骤：
步骤一、将室内外空间坐标系统一到wgs-84坐标系统；
步骤二、根据室内外定位覆盖及切换区域特点，确定定位切换过程中的入口标识点、出口标识点和切换判断标识区；
步骤三、根据北斗定位功能模块或uwb定位功能模块确定的作业设备当前位置坐标计算作业设备与入口标识点或出口标识点的距离值；
步骤四、根据作业设备与入口标识点或出口标识点的距离值变化趋势判断作业设备是否逐步从室外向室内或从室内向室外运行，当确定作业设备正在从室外向室内或从室内室外运行时，则继续判断该距离值是否小于从室外到室内或从室内到室外切换时的距离阀值，如果小于，则判断作业设备即将从室外到室内或从室内到室外，则进行室外到室内定位或室内到室外定位的自动切换。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：通过北斗导航定位、超宽频实时定位系统的融合，实现室内外机械设备的连续定位，从而实现机械设备的不间断定位与监控。具体表现如下：
1.采用uwb技术实现室内高精度定位；
2.采用北斗导航定位技术实现室外高精度定位；
3.采用uwb与北斗导航定位技术实现室内外连续无缝定位。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本室内外无缝定位系统的结构示意图；
图2为室内超宽频定位系统示意图；
图3是wgs84坐标系定义示意图。
具体实施方式
基于北斗导航与uwb技术结合的室内外无缝定位系统，如图1所示，包括北斗基准站分系统、数据处理中心分系统、北斗/uwb移动站分系统、室内uwb定位分系统、系统监控分系统。
北斗基准站分系统设备主要包括北斗基准站接收机，北斗天线和电源模块。北斗基准站接收机选用高精度北斗接收机；电源模块将220v交流市电转换为稳压的直流电源，向北斗基准站接收机供电。北斗基准站天线安装在开阔地点，如码头办公楼楼顶。安装时应保证其周围两百米范围内没有较高的遮拦物和影响北斗正常工作的电磁干扰源。实现高精度rtk定位的基准站差分有效距离约10km，一个基准站可满足整个码头作业区的差分需要。
北斗/uwb移动站包括北斗定位与uwb定位功能，主要包含定位控制器、北斗天线、uwb定位标签、电源模块等，定位控制器集成高精度北斗板卡与逻辑运算单元、存储单元及wifi通讯模块。北斗/uwb移动站接收数据处理中心系统转发的差分改正数，确定当前位置坐标，并将坐标发送到数据处理中心系统。
室内uwb定位分系统包含多个分布安装在室内建筑顶棚的uwb定位信号接收器及一个uwb定位处理器，定位处理器具有多个以太网接口与信号接收器网线连接，并与数据处理中心通过网络相连。uwb定位信号接收器用于标定位置并接收uwb定位标签信号，并将信息发送到uwb定位处理器。uwb定位处理器结合uwb定位信号接收器位置及uwb定位标签信息，确定uwb定位标签位置，并将其发送到数据处理中心系统。
系统监控分系统部署在码头中控室，用于在码头地图上可视化显示北斗/uwb移动站位置。
数据处理中心分系统部署在码头机房，通过码头工业网络与北斗基准站分系统、北斗/uwb移动站分系统、室内uwb定位分系统、系统监控分系统连接，负责数据转发与北斗/uwb定位数据融合处理，是系统的核心处理单元。
一、北斗定位(室外定位)
北斗基准站接收北斗卫星定位观测数据，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出修正数，即差分改正数，并通过数据处理中心系统转发到北斗/uwb移动站。
北斗/uwb移动站的定位控制器通过wifi技术实现无线网络连接，接收北斗基准站分系统播发的观测数据及测站坐标信息等北斗差分数据，并转发给移动站内部的高精度北斗板卡，高精度北斗板卡收到差分改正数后与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到高精度定位数据，包括经度、纬度、高度，从而实现北斗高精度定位。
二、uwb定位(室内定位)
当作业设备进入室内后，实时高精度定位无法使用卫星导航技术，且rfid、wifi等定位手段无法达到分米级定位精度的要求。所以采用北斗导航与超宽频无线定位技术结合。
在室内顶棚上以格状安置uwb定位信号接收器，并将北斗/uwb移动站中的uwb标签固定在作业设备上顶部，通过定位接收器实时接收标签的信息，并转发到uwb定位处理器进行处理，通过接收到标签位置信息的至少3个接收器位置信息、到标签的距离及角度信息，可以计算其中每个标签的实时三维位置，然后根据车辆上所有标签的位置，实时计算出作业设备的位置及姿态数据，从而实现移动站在室内的定位。
将定位接收器安装在顶棚下，间隔50米形成格状分布，接收器使用防尘罩保护，并且固定在一个安装箱上，安装箱内放置电源设备，现场的各个定位接收器使用屏蔽电缆串联连接，最后连接到现场的定位处理器。在100mx460m的棚内大致安装28个接收器。有源定位标签：将有源定位标签安装于作业设备的顶部的方便部位，大型的作业设备如堆取料机等，可以在大机的尾端，机顶、悬臂上每10米左右放一个，这样有效地进行位置检测。标签全封闭封装，安装非常简便。每台大机可安装4-5个标签。如图2所示。
三、室内外无缝定位
1、室内外空间坐标系统一
系统需要统一室内与室外的空间坐标系统，以便于对室内外地物信息的可视化表达并为机械定位提供前提条件。系统以wgs-84坐标系统(如图3)作为坐标系统基准。借助于室内定位系统和其他测绘设备及仪器，实现在不同定位方式、不同坐标体系下对室外北斗定位系统与室内定位的统一空间信息表达，为室内外定位切换和服务提供前提条件。系统将室内局部坐标系进行实时转化，并旋转，使两个坐标系方向一致。同时将室内坐标系的原点移动到wgs-84的坐标系原点。
2、室内外组合定位切换
室内外定位切换是实现室内与室外之间定位方式的有效转化。对于室外和室内定位系统而言，不同的定位信号覆盖区域决定了各自的定位作用范围，定位切换通过分别开启与关闭处理实现从一种定位方式到另一种定位方式的过渡，同时融合这些作用范围，支持适应室内、室外更大范围区域的定位服务集成系统。系统根据当前的定位信号情况决定采用何种定位技术的一种方式。
根据室内外定位覆盖及切换区域特点，设置定位切换过程中的入口标识点、出口标识点和切换判断标识区。
通过室内外定位模块，判断当前位置在室内或者室外，并且获取机械实时位置信息，计算当前位置与入口标识点、出口标识点和切换判断标识区的空间位置关系，并将上述关系作为切换定位方法的依据。
将当前计算的空间关系及其量化值与预先设定的切换阈值进行比较，依据室内外定位切换规则，实现室内外组合定位的双向自适应切换。
(1)室外到室内定位切换
系统获取当前北斗系统空间坐标，判断当前位置与室内入口标识、标识区的空间位置的空间关系，记录三组数据，根据距离值变化趋势判断机械是否逐步向室内运行。如正在向室内运行，则将计算出的距离值与从室外到室内切换时的距离阀值进行比较，用作判定机械是否正打算进入到室内的标志。如判断机械已进入室内，则系统开启uwb室内定位模式，关闭北斗定位，完成室外到室内定位的自动切换。
(2)室内到室外定位切换
系统获取当前uwb系统位置坐标，判断当前位置与室内出口标识、标识区的空间位置的空间关系，记录三组数据，根据距离值变化趋势判断机械是否逐步向室外运行。如正在向室外运行，则将计算出的距离值与从室内到室外切换时的距离阀值进行比较，用作判定机械是否正打算进入到室外的标志。如判断机械已进入室外，则系统开启室外北斗定位模式，关闭uwb定位，完成室内到室外定位的自动切换。