一种决策切换的室内外联合定位方法

1.本发明涉及组合导航技术领域，具体涉及一种决策切换的室内外联合定位方法。


背景技术：

2.随着现代科学技术的快速发展，定位技术已经渗透到了人们生活的方方面面，成为人们不可或缺的应用。它在用于自然灾害搜寻、急救人员定位、交通运输、车辆导航等应用场景发挥着重要作用。在一些自然灾害频繁发生的无人值守区域，如地震和泥石流滑坡地区，通过无人机与无线定位技术的结合，实时监控和及时通报能够减少灾害发生所造成的财产损失。根据定位技术应用的场景不同，定位技术可以划分为室内定位和室外定位。室外定位具有定位场景多样、范围广和距离远的特点。目前应用最广泛的室外定位技术主要为卫星定位。室内环境复杂多样，具有较多的建筑障碍物，定位时更容易受到信号折射与信号衰减问题的影响。常见的室内定位技术有uwb、rfid和zigbee等。
3.定位技术的不断发展对室内外联合定位技术提出更迫切的需求，尤其是当前定位技术在室内外信号重叠区域的定位难题亟待解决。现有的室内外联合定位技术主要有加权策略和自适应滤波，这些方法将系统不同模式下的定位信息融合为一个相对精准的定位点。加权策略的权值需根据环境因素及时更改，其误差较大且用户体验差。自适应滤波法多应用于线性系统融合滤波，但是在处理强非线性系统时存在发散性和精度较差的问题


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种决策切换的室内外联合定位方法，通过合理的安排整个室内外定位切换方法的结构，使得组合观测量优化模块、组合判决模块和模式切换模块一齐完成无缝高精度定位切换过程，节省了计算资源，有效提高了室内外交织区域的定位精度，同时，采用基于决策切换的方法，根据接收的信号制定特定的优化策略对观测量进行判定并制定模式切换方案，根据设计好的决策变量实现特定的切换方案，有效提高了室内外定位切换方案的可靠性。
5.本发明所解决的技术问题为：
6.(1)在开阔的室外环境下，卫星定位系统可提供较精确的定位服务。而在建筑物内部，由于卫星信号穿透减弱的影响，从而必须在这些场景中采用一些室内定位方法，为了弥补在室内外交织区域定位结果不平滑的缺陷，需在这些区域中采取联合定位方式，实现室内外无缝高精度定位，以满足不断提升的客户需求；
7.(2)室内定位和室外定位的无缝切换是指由于用户的移动，使用户接收到的信号强度发生变化，无缝切换的实质是定位模式的选择过程，这种重新选择过程要求需时短、切换频率低、切换次数少等原则。
8.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
9.一种决策切换的室内外联合定位方法，包括以下步骤:
10.步骤一：ins解算单元获取当前采样点的室内/外原始观测量，室内/外原始观测量
包括角速度值和加速度值，通过积分算子连续测出运动体的当前位置；
11.步骤二：组合观测量优化模块对ins解算单元获取的室内/外原始观测量的误差进行鉴别，采用滤波算法得到估计误差对观测量进行修正；
12.步骤三：组合判决模块对修正后的观测量进行决策分析，得到判决指标；
13.步骤四：模式切换模块根据判决指标得到的决策结果，并制定内外交织区域的定位模式。
14.作为本发明进一步的方案：步骤一中角速度值和加速度值的获取是通过陀螺仪和加速度计处理获得。
15.作为本发明进一步的方案：组合观测量优化模块包括uwb/ins组合观测量优化和bd/ins组合观测量优化；
16.uwb/ins组合观测量优化对观测量的处理，包括以下步骤：
17.s21：采用差分法对室内定位模式的uwb定位值和惯导单元得到ins定位值进行处理，得到uwb/ins组合观测量；
18.s22：uwb/ins组合观测量经误差估计滤波器处理后得到ins定位误差估计值；
19.s23：将s22中得到的ins定位误差估计值反馈至ins解算单元进行补偿，形成闭环反馈；
20.s24：将误差估计滤波器输出的优化结果和uwb/ins组合观测量传送至组合判决模块；
21.bd/ins组合观测量优化对观测量的处理，包括以下步骤：
22.s211：采用差分法对室内定位模式的bd定位值和惯导单元得到ins定位值进行处理，得到bd/ins组合观测量；
23.s222：bd/ins组合观测量经误差估计滤波器处理后得到ins定位误差；估计值
24.s233：将s222得到的定位误差估计值反馈至ins单元模块进行补偿，形成闭环反馈
25.s244：将滤波器输出的优化结果和bd/ins组合观测量传输给组合判决模块。
26.作为本发明进一步的方案：组合判决模块对修正后的观测量处理，包括以下步骤：
27.s31：首次迭代时，根据室内外联合定位方案设置合理的决策周期，当ins解算单元运行时间大于决策周期时，执行下述操作并为后续的切换方案确定提供决策变量；
28.s32：采用ins误差修正判决方法：
29.若ins和uwb定位结果的差值超过设定的误差门限，则判定ins单元的漂移误差较大，输出决策变量a＝1，继续执行以下步骤；
30.否则输出决策变量a＝0，转到s34；
31.s33：为防止漂移误差在模式切换中影响系统判断，引入ins累计误差修正模块，对涉及到ins单元漂移误差的定位结果加以修正；
32.s34：若ins和bd定位结果的差值超过设定的误差门限，则判定ins单元的漂移误差较大，输出决策变量b＝1，继续执行以下步骤；
33.否则输出决策变量b＝0，转到s36；
34.s35：为防止漂移误差在模式切换中影响系统判断，引入ins累计误差修正模块，对涉及到ins单元漂移误差的定位结果加以修正；
35.s36：比较uwb/ins组合观测量和bd/ins组合观测量的定位精度：
36.若uwb/ins定位方式的可信度较高，则室内定位信号与ins单元的联合定位具有更高的定位精度和可靠性，输出决策变量c＝1；
37.若bd/ins定位方式的可信度较高，则室外定位信号与ins单元的联合定位具有更高的定位精度和可靠性，输出决策变量c＝0；
38.s37：运行时间每达到最小决策周期一次，执行s32-s36步骤。
39.作为本发明进一步的方案：步骤四中的模式切换模块根据室内定位信号和室外定位信号的可用情况划分为多种模式，每种模式采用不同的定位方案：
40.s41:uwb定位模式，即靠近室内定位环境，uwb定位精度较高，将uwb定位标签向周围发送纳秒级的脉冲信号，周围的uwb基站接收并测量上述脉冲信号，采集到的定位测量信息作为tdoa定位算法的输入进行高精度位置计算；
41.s42：bd定位模式，即接近室外定位环境，则通过北斗模块提供的位置信息获取定位数据；
42.s43：uwb/ins定位模式，即处于室内外交织区域且uwb/ins定位方式精度高；
43.s44：bd/ins定位模式，即处于室内外交织区域且bd/ins定位方式精度高；
44.s45：uwb/ins&bd/ins联合定位模式，即处于室内外交织区域，uwb/ins和bd/ins定位方式的解算结果相近，采用自适应滤波和最小二乘法获得逼近后的定位结果。
45.本发明的有益效果：
46.(1)本发明通过合理设计决策切换方法，使得该方法对于不同的室内/室外组合定位应用场景具有良好的兼容性，减少了计算复杂度，提高了定位精度；
47.(2)本发明通过决策分析来稳定获取定位模式切换规则，有效降低了切换频率并且优化了模式间的平滑过渡，有效解决模式反复切换的问题，满足各种场景下的定位连续性需求。
附图说明
48.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
49.图1是本发明决策切换的室内外联合定位方法框图；
50.图2是本发明uwb/ins组合观测量模块框图；
51.图3是本发明bd/ins组合观测量模块框图；
52.图4是本发明模式切换模块流程图。
具体实施方式
53.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
54.请参阅图1-图4所示，本发明为一种决策切换的室内外联合定位方法，其特征在于，包括以下步骤:
55.步骤一：ins解算单元获取当前采样点的室内/外原始观测量，室内/外原始观测量包括角速度值和加速度值，通过积分算子连续测出运动体的当前位置；
56.ins解算单元包括uwb/ins组合观测量优化和bd/ins组合观测量优化；
57.其中，uwb/ins组合观测量优化的数据基于uwb解算位置值进行处理，uwb解算位置值通过uwb室内定位系统经uwb基站和uwb标签处理得到；
58.bd/ins组合观测量优化的数据基于对北斗定位的解算进行坐标转换及高程拟合得到；
59.具体的，bd接手机接受北斗定位系统传输的位置数据，并通过tdoa解算得到坐标转换及高程拟合数据；
60.步骤二：组合观测量优化模块对ins解算单元获取的室内/外原始观测量的误差进行鉴别，采用滤波算法得到估计误差对观测量进行修正；
61.组合观测量优化模块包括uwb/ins组合观测量优化和bd/ins组合观测量优化；
62.uwb/ins组合观测量优化对观测量的处理，包括以下步骤：
63.s21：采用差分法对室内定位模式的uwb定位值和惯导单元得到ins定位值进行处理，得到uwb/ins组合观测量；
64.s22：uwb/ins组合观测量经误差估计滤波器处理后得到ins定位误差估计值；
65.s23：将s22中得到的ins定位误差估计值反馈至ins解算单元进行补偿，形成闭环反馈；
66.s24：将误差估计滤波器输出的优化结果和uwb/ins组合观测量传送至组合判决模块；
67.bd/ins组合观测量优化对观测量的处理，包括以下步骤：
68.s211：采用差分法对室内定位模式的bd定位值和惯导单元得到ins定位值进行处理，得到bd/ins组合观测量；
69.s222：bd/ins组合观测量经误差估计滤波器处理后得到ins定位误差；估计值
70.s233：将s222得到的定位误差估计值反馈至ins单元模块进行补偿，形成闭环反馈
71.s244：将滤波器输出的优化结果和bd/ins组合观测量传输给组合判决模块；
72.步骤三：组合判决模块对步骤二修正后的观测量进行决策分析，得到判决指标；
73.组合判决模块对修正后的观测量处理，包括以下步骤：
74.s31：首次迭代时，根据室内外联合定位方案设置合理的决策周期，当ins解算单元运行时间大于决策周期时，执行下述操作并为后续的切换方案确定提供决策变量；
75.s32：采用ins误差修正判决方法：
76.若ins和uwb定位结果的差值超过设定的误差门限，则判定ins单元的漂移误差较大，输出决策变量a＝1，继续执行以下步骤；
77.否则输出决策变量a＝0，转到s34；
78.s33：为防止漂移误差在模式切换中影响系统判断，引入ins累计误差修正模块，对涉及到ins单元漂移误差的定位结果加以修正；
79.s34：若ins和bd定位结果的差值超过设定的误差门限，则判定ins单元的漂移误差较大，输出决策变量b＝1，继续执行以下步骤；
80.否则输出决策变量b＝0，转到s36；
81.s35：为防止漂移误差在模式切换中影响系统判断，引入ins累计误差修正模块，对涉及到ins单元漂移误差的定位结果加以修正；
82.s36：比较uwb/ins组合观测量和bd/ins组合观测量的定位精度：
83.若uwb/ins定位方式的可信度较高，则室内定位信号与ins单元的联合定位具有更高的定位精度和可靠性，输出决策变量c＝1；
84.若bd/ins定位方式的可信度较高，则室外定位信号与ins单元的联合定位具有更高的定位精度和可靠性，输出决策变量c＝0；
85.s37：运行时间每达到最小决策周期一次，执行s32-s36步骤；
86.步骤四：模式切换模块根据判决指标得到的决策结果，并制定内外交织区域的定位模式；
87.其中，模式切换模块包括两个部分，第一部分为模式认定，根据室内定位信号和室外定位信号的可用情况划分为五种模式，每种模式采用不同的定位方案；
88.s41:uwb定位模式，即靠近室内定位环境，uwb定位精度较高，将uwb定位标签向周围发送纳秒级的脉冲信号，周围的uwb基站接收并测量上述脉冲信号，采集到的定位测量信息作为tdoa定位算法的输入进行高精度位置计算；
89.s42：bd定位模式，即接近室外定位环境，则通过北斗模块提供的位置信息获取定位数据；
90.s43：uwb/ins定位模式，即处于室内外交织区域且uwb/ins定位方式精度高；
91.s44：bd/ins定位模式，即处于室内外交织区域且bd/ins定位方式精度高；
92.s45：uwb/ins&bd/ins联合定位模式，即处于室内外交织区域，uwb/ins和bd/ins定位方式的解算结果相近，采用自适应滤波和最小二乘法获得逼近后的定位结果；
93.第二部分为模式划分，根据组合判决模块得到的决策变量，定量分析和定性分析相结合的方式给出决策变量与定位模式的对应关系如表1；
94.基于室内外信号重叠区域的定位结果的稳定性及可靠性，本发明根据组合判决模块得到的决策变量给出对应的定位模式，最后采用自适应滤波处理输出的定位结果；
95.表1模式切换准则
[0096][0097]
步骤一中角速度值和加速度值的获取是通过陀螺仪和加速度计处理获得具体的：包括三个相互正交的单轴加速度计和三个相互正交的单轴陀螺仪。
[0098]
本发明的核心要点之一：可根据接收的信号情况及特定的决策切换策略进行环境判定并进行定位方案的转换，实现室外和室内的无缝定位需求，具有良好的兼容性，只需作出适当改变就能够适应不同的室内/室外组合定位方式；
[0099]
本发明的核心要点之二：采用基于误差优化与决策分析实现定位系统的直接切换，充分融合室内外的定位优势，实现定位模式的平滑过渡。在组合观测量优化模块，引入惯导单元可稳定获取相对独立的定位结果，有效提高了定位精度，并且考虑到随时间累积的漂移误差，采用自适应滤波法作进一步改进，极大的提高了组合定位系统的全局稳定性。在组合判决模块中，以误差门限和定位可靠性作为基准合理的安排决策分析流程，有效减少了定位模式的过渡不平滑现象。
[0100]
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。