一种室内外无缝统一基准构建方法及装置与流程

本发明涉及无线定位，尤其涉及一种室内外无缝统一基准构建方法及装置。

背景技术：

1、室内外无缝定位是基于位置服务(location based service，lbs)的关键技术，如物联网、智慧城市、应急救援、地下空间施工及人员管理等，随着传感器技术的快速发展以及智能时代的到来，这一技术也得到工业界和学术界前所未有的关注。统一的坐标参考框架(celestial reference frame，crf)是实现室内外无缝定位的前提，室外可以依靠卫星导航系统(global navigation satellite system，gnss)技术方便地实现统一的全局crf，在没有gnss信号的室内环境，目前使用最多的是基于无线电的室内定位技术，如wifi，蓝牙，uwb等。

2、以上室内定位方案，一般需要在室内提前部署相应的设备，并利用全站仪或卷尺等工具测量出其全局坐标系下的精确位置，较为耗时且增加了系统部署的成本，尤其是针对应急救援等临时部署的未知及变化的环境，也难以拓展到大规模的室内场景。

3、可见，现有的无缝crf实现仍主要依靠人工提前测量，系统部署实现较为困难。

技术实现思路

1、本发明提供一种室内外无缝统一基准构建方法及装置，用以解决现有技术中无缝crf实现仍主要依靠人工提前测量，系统部署实现较为困难的缺陷。

2、第一方面，本发明提供一种室内外无缝统一基准构建方法，包括：

3、步骤1：根据室内外所有锚点相互之间构成的测距网络，构建图优化模型；所述图优化模型可表示为：

4、其中，表示图优化模型，表示所有锚点，为所述图优化模型的节点，表示设置在室外的gnss/uwb混合锚点，为所述图优化模型的全局节点，表示设置在室内的单uwb锚点，为所述图优化模型的局部节点；eij∈ε表示任意两个局部节点(i，j)构成所述图优化模型的边，测距记为dij；在地心坐标系下，全局节点的坐标记为pg，局部节点的坐标记为p；

5、步骤2：以所述局部节点组成的边的测距残差之和最小为目标，构建代价函数，以利用最优化算法对局部节点的坐标进行优化；

6、步骤3：获取使得所述代价函数取得最小值的局部节点的优化坐标，以实现室内外无缝统一基准的构建。

7、根据本发明提供的室内外无缝统一基准构建方法，在所述图优化模型为平面图的情况下，所述全局节点的个数至少为两个；在所述图优化模型为三维超图的情况下，所述全局节点的个数至少为三个。

8、根据本发明提供的室内外无缝统一基准构建方法，所述代价函数的具体公式为：

9、

10、其中，f(p)表示代价函数，f(p)～n(0，∑)，∑为对应的方差-协方差矩阵；v＝{f(pi，pj)|eij∈ε}；f(pi，pj)表示测距残差；λ＝∑-1，表示信息矩阵。

11、根据本发明提供的室内外无缝统一基准构建方法，还包括：利用预设权重系数对所述信息矩阵进行重构；其中，所述预设权重系数具体为：

12、

13、其中，k0，k1为预设常数；所述进行重构的方式具体为：

14、

15、其中，表示重构后的新的信息矩阵的对角元素，aij为重构前的信息矩阵的对角元素。

16、根据本发明提供的室内外无缝统一基准构建方法，在利用levenberg-marquardt算法对局部节点的坐标进行优化之前，还包括：利用chan算法获取局部节点的初始坐标作为坐标初值，以便于levenberg-marquardt算法利用所述坐标初值进行坐标优化。

17、根据本发明提供的室内外无缝统一基准构建方法，在室内场景为隧道场景的情况下，将所述全局节点设置在隧道的两个出口侧。

18、第二方面，本发明还提供一种室内外无缝统一基准构建装置，包括：

19、图优化模型构建模块，用于根据室内外所有锚点相互之间构成的测距网络，构建图优化模型；所述图优化模型可表示为：

20、其中，表示图优化模型，表示所有锚点，为所述图优化模型的节点，表示设置在室外的gnss/uwb混合锚点，为所述图优化模型的全局节点，表示设置在室内的单uwb锚点，为所述图优化模型的局部节点；eij∈ε表示任意两个局部节点(i，j)构成所述图优化模型的边，测距记为dij；在地心坐标系下，全局节点的坐标记为pg，局部节点的坐标记为p；

21、代价函数构建模块，用于以所述局部节点组成的边的测距残差之和最小为目标，构建代价函数，以利用最优化算法对局部节点的坐标进行优化；

22、统一基准构建模块,用于获取使得所述代价函数取得最小值的局部节点的优化坐标，以实现室内外无缝统一基准的构建。

23、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述室内外无缝统一基准构建方法的步骤。

24、第四方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述室内外无缝统一基准构建方法的步骤。

25、本发明提供的室内外无缝统一基准构建方法及装置，将室内外gnss/uwb混合基站及其形成的测距网络抽象为图模型，其中gnss测站以及uwb锚点位置为图的节点，uwb之间测距为图的二元边，基于通用图优化框架(g2o)，通过固定全局gnss节点，利用lm非线性优化算法实现室内uwb基站全局坐标的快速求解，克服了现有技术的缺陷。

技术特征：

1.一种室内外无缝统一基准构建方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的室内外无缝统一基准构建方法，其特征在于，在所述图优化模型为平面图的情况下，所述全局节点的个数至少为两个；在所述图优化模型为三维超图的情况下，所述全局节点的个数至少为三个。

3.根据权利要求1所述的室内外无缝统一基准构建方法，其特征在于，所述代价函数的具体公式为：

4.根据权利要求3所述的室内外无缝统一基准构建方法，其特征在于，所述最优化算法为levenberg–marquardt算法。

5.根据权利要求3所述的室内外无缝统一基准构建方法，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求4所述的室内外无缝统一基准构建方法，其特征在于，在利用levenberg–marquardt算法对局部节点的坐标进行优化之前，还包括：

7.根据权利要求1所述的室内外无缝统一基准构建方法，其特征在于，在室内场景为隧道场景的情况下，将所述全局节点设置在隧道的两个出口侧。

8.一种室内外无缝统一基准构建装置，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述室内外无缝统一基准构建方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述室内外无缝统一基准构建方法的步骤。

技术总结
本发明提供一种室内外无缝统一基准构建方法及装置，属于无线定位技术领域，所述方法包括：根据室内外所有锚点相互之间构成的测距网络，构建图优化模型；以所述局部节点组成的边的测距残差之和最小为目标，构建代价函数，以利用最优化算法对局部节点的坐标进行优化；所述测距残差为任意两个局部节点对应的边的理论测距与实际测距之差；获取使得所述代价函数取得最小值的局部节点的优化坐标，以实现室内外无缝统一基准的构建。本发明将室内外GNSS/UWB混合基站及其形成的测距网络抽象为图优化模型，基于通用图优化模型，通过固定全局GNSS节点，利用LM非线性优化算法实现室内UWB基站全局坐标的快速求解。

技术研发人员：王波,曹成度,费亮,马俊,夏旺,马龙,童思奇,许诗旋,李昭熹
受保护的技术使用者：中铁第四勘察设计院集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15