UWB-RTK组合定位方法与流程

本发明涉及卫星定位，具体涉及一种uwb-rtk组合定位方法。

背景技术：

1、当前市场对定位的需求越来越多，所以衍生出各种各样的定位技术，并根据不同定位信号的不同用途分为不同的定位系统。例如，利用卫星无线电射频信号的gps、利用红外和激光的光学定位、利用超声和声纳的声音定位、利用图像处理和计算机视觉的视觉定位、利用加速度计和陀螺仪的相对定位等等。其中，gps等全球导航卫星系统(globalnavigation satellite system,gnss)是目前应用最成功的定位技术。不过它有一个很明显的缺陷，就是因为gnss导航卫星距离地面十分遥远，到达地面的信号已十分微弱，很容易由于遮挡和干扰而导致定位性能下降，甚至无法顺利定位。因此，在遮挡严重的复杂环境下，往往需要进一步借助于其他室内定位技术。目前，同样属于无线电射频领域的室内无线电定位技术主要包括超宽带(ultra-wide band,uwb)、wi-fi、蓝牙(bluetooth)、射频识别(radio-frequency identification,rfid)、zigbee等。

2、超宽带技术(uwb)基于ieee 802.15.4a技术标准，是与传统通信技术有着极大差异的无线通信新技术。传统通信方式使用的是连续波信号，即本地振荡器产生连续的高频载波，所需传输的信号通过例如调幅、调频等方式加载于载波之上，通过天线进行发送。无线广播、4g通信、wi-fi等都是采用该种方式进行无线传输。相比之下，uwb不需要使用传统通信技术中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄的能量脉冲序列来传输数据，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内，从而具有3.1～10.6ghz量级的带宽。

3、基于uwb的室内定位技术主要采用到达时间差(time difference of arrival,tdoa)定位算法，通过圆交会定位模型来求解用户位置，原理类似于gps。而uwb定位系统则包括uwb接收器、uwb参考标签和主动uwb标签。uwb定位的主要优点包括：

4、(1)系统容量大

5、由香农定律可知，带宽增加使得信道容量的提高远远大于信号功率上升所带来的效率，这一点也正是提出超宽带技术的理论机理。uwb系统使用上吉赫兹的超宽频带，根据香农信道容量公式，即使把发送信号功率密度控制得很低，也可以实现高的信息速率。一般情况下，其最大数据传输速度可以达到几百兆比特每秒到吉比特每秒。

6、(2)信道衰落不敏感、多径分辨能力强

7、uwb由于其极高的工作频率和极低的占空比而具有很高的分辨率，窄脉冲的多径信号在时间上不易重叠，很容易分离出多径分量，所以能充分利用发射信号的能量。实验表明，对一般信道衰落高达10～30db的多径传输环境，uwb信号的衰落最多不到5db。

8、(3)隐蔽性好

9、uwb频谱非常宽、能量密度非常低，因此信息传输安全性高。另一方面，由于能量密度低，uwb设备对于其他设备的干扰非常低。

10、(4)定位精度高

11、由于在接收机端具有较高的时间分辨率，因此uwb具有超高的测距精度，可在室内和地下进行精确定位，精确最高可达2cm，一般精度在15cm以内。

12、(5)抗干扰能力强

13、uwb扩频处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲数。uwb的占空比一般为0.01～0.001，具有比其他扩频系统高得多的处理增益，抗干扰能力强。一般来说，uwb抗干扰处理增益在50db以上。

14、(6)低功耗

15、uwb无线通信系统接收机没有本振、功放、锁相环(ppl)、压控振荡器(vco)、混频器等，因而结构简单，设备成本很低。由于uwb信号无需载波，而是使用间歇的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在0.2～1.5ns之间，有很低的占空因数，所以它只需要很低的电源功率。一般uwb系统只需要50～70mw的电源，是蓝牙技术的十分之一。

16、(7)低成本

17、无线uwb技术最基本的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的高斯单周期超短时脉冲，超短时单周期脉冲决定了信号的带宽很宽，接收机直接使用一级前端交叉相关器就能够把脉冲序列转换成基带信号，省去了传统通信设备中的中频级，极大地降低了设备复杂性。

18、uwb与其他常见局域无线电定位技术的比较可参见下表。

19、 定位技术 定位精度 可靠性 使用成本 安全性 蓝牙 5m 中 中 中 红外线 5m 低 高 高 射频 1m 中 低 中 wi-fi 1.5m 低 低 中 zigbee 3m 高 低 高 uwb 0.2-0.15m 高 中 高

20、鉴于上述诸多的优势，uwb定位技术被广泛应用于智慧工厂、能源化工、仓储物流、医疗养老、港口码头等应用领域。

21、由于实际定位环境的复杂性，在很多应用场合中，用户并非处于gnss信号完全遮挡和拒止的室内环境，而是处于能够同时接收到来自uwb锚点传感器以及来自gnss导航卫星信号的复杂环境。这种情况下，uwb锚点即相当于地面伪卫星、提供了虚拟伪距观测值，从而能够对gnss卫星起到补充作用，帮助用户更好地完成复杂环境下的定位任务。然而，uwb与gnss信号的联合定位一直是一个难点问题，特别是当uwb定位与卫星定位中的rtk差分定位技术进行结合时。众所周知，rtk差分定位技术是通过对来自基准站接收机和用户接收机的载波相位测量值进行差分组合(包括单差和双差)来消除卫星测量值中的公共误差，并通过使用lambda等算法搜索确定载波测量值中的整周模糊度，从而实现快速、厘米级高精度定位。然而，由于uwb信号中根本不存在载波，因此无法与rtk载波测量值进行直接融合，从而也就难以实现数学模型与求解算法上的统一。这使得在实际应用中，各类定位厂商往往只能提供纯rtk定位解决方案，或者纯uwb定位解决方案，鲜见能够软硬件一体化融合uwb技术与rtk技术的定位解决方案，这显著限制了uwb定位技术的进一步性能发挥与普及应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，为克服上述现有技术中存在的技术问题，本发明提出一种uwb-rtk组合定位方法，通过将uwb锚点传感器视为地面伪卫星，利用rtk基准站接收机至uwb锚点传感器的已知距离以及rtk用户接收机至uwb的实际距离测量值，分别构造基准站接收机以及用户接收机相对于uwb传感器的虚拟载波相位测量值，并与其他gnss导航卫星的真实载波相位测量值组成单差和双差观测值，实现uwb定位技术与rtk定位技术的有机结合。从而，在简化和统一定位数学模型及解算处理方法的同时，有效提高用户定位效率与定位性能。

2、为实现上述本发明的目的，本发明实施例所提供的uwb-rtk组合定位方法，包括：

3、s1，测定gnss基准站接收机r和uwb锚点传感器s的坐标位置，计算它们之间的几何距离作为uwb虚拟距离测量值；

4、s2，用户接收机u实际测量得到与uwb锚点传感器s之间的uwb真实距离测量值

5、s3，根据gnss卫星信号频率和uwb虚拟距离测量值确定gnss基准站接收机r相对于uwb锚点传感器s的虚拟载波相位测量值

6、s4，根据gnss卫星信号频率和uwb真实距离测量值确定用户接收机u相对于uwb锚点传感器s的虚拟载波相位测量值

7、s5，根据虚拟载波相位测量值和确定gnss虚拟单差载波相位测量值和gnss虚拟双差载波相位测量值

8、s6，将卫星i与卫星j之间的gnss真实双差载波相位测量值与gnss虚拟双差载波相位测量值联立方程组，求解gnss基准站接收机r与用户接收机u之间的基线向量bur；

9、s7，根据gnss基准站接收机r的已知坐标位置xr、基线向量bur，计算得到用户接收机u的坐标位置xu。

10、在本发明的优选实施例中，所述s3中，gnss基准站接收机r的gnss虚拟载波相位测量值为：

11、

12、其中，c为真空光速，f为gnss卫星信号的频率。

13、在本发明的优选实施例中，所述s4中，构造用户接收机u的gnss虚拟载波相位测量值为：

14、

15、其中，c为真空光速，f为gnss卫星信号的频率。

16、在本发明的优选实施例中，所述s5中，虚拟单差载波相位测量值为：

17、

18、在本发明的优选实施例中，所述s5中，虚拟双差载波相位测量值为：

19、

20、其中，由gnss基准站接收机r相对于卫星j的gnss真实单差载波相位测量值和用户接收机u相对于卫星j的gnss真实单差载波相位测量值确定，为：

21、

22、在本发明的优选实施例中，所述s6中，所述方程组的矩阵形式为：

23、

24、其中，λ为gnss卫星信号的波长，m为gnss观测卫星数量，为gnss基准站接收机r至卫星i的方向向量，为双差整周模糊度。

25、在本发明的优选实施例中，所述s7中，用户接收机u的坐标位置向量xu为：

26、xu＝cr+bur。

27、本发明实施例的uwb-rtk组合定位方法，具有如下有益效果：

28、利用rtk基准站接收机至uwb锚点传感器的已知距离以及rtk用户接收机至uwb的实际距离测量值，分别构造基准站接收机以及用户接收机相对于uwb传感器的虚拟载波相位测量值，并与其他gnss导航卫星的真实载波相位测量值组成单差和双差观测值，从而实现了构造统一形式的观测方程组并进行联合定位解算的目的。本方法将uwb锚点传感器视为地面伪卫星，并有效解决了由于uwb距离测量值不具备载波观测信息、无法与rtk载波相位测量值进行有机融合的难题，有效提高了用户定位效率与定位性能。