專利名稱：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)RTD、MEMS-IMU、ZigBee組合高精度無(wú)縫導(dǎo)航新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
“GNSS RTD/MEMS MU/ZIGBEE組合高精度無(wú)縫導(dǎo)航新方法”(簡(jiǎn)稱AnyPos)，綜合利用GNSS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)RTD技術(shù)、無(wú)線電定位技術(shù)、基于MEMS的慣性導(dǎo)航組件進(jìn)行有效組合；在室外充分利用GNSS地面增強(qiáng)設(shè)施獲取差分電文進(jìn)行高精度實(shí)時(shí)定位解算，在室內(nèi)外場(chǎng)合通過(guò)預(yù)先布設(shè)的ZIGBEE傳感器基站進(jìn)行無(wú)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)覆蓋場(chǎng)合的高精度實(shí)時(shí)定位解算，同時(shí)利用基于MEMS的慣性模塊，提供定位盲區(qū)下輔助的姿態(tài)、速度、加速度信息。本發(fā)明的主要?jiǎng)?chuàng)造點(diǎn)是提供一種高精度無(wú)縫定位方法，可以有效的將室內(nèi)定位，室外定位，和定位盲區(qū)下輔助姿態(tài)信息結(jié)合在一起。組合的方式是兩兩綁定，即“RTD+MEMS”及“MEMS + ZIGBEE”，應(yīng)用場(chǎng)景包括1)貴重物品或者設(shè)備如文物、珍藏藝術(shù)品等的實(shí)時(shí)監(jiān)控、引導(dǎo)過(guò)程，當(dāng)被監(jiān)測(cè)對(duì)象從出發(fā)地前往某一展覽館博物館的時(shí)候，在現(xiàn)場(chǎng)GNSS信號(hào)往往無(wú)法接收，此時(shí)則需要使用到MU/ZIGBEE信號(hào)進(jìn)行室內(nèi)定位，并且被監(jiān)測(cè)對(duì)象的位置往往需要精確已知，才能提高監(jiān)測(cè)方的判斷決策的效率。2)老人、兒童、病人的監(jiān)護(hù)，一旦發(fā)生迷路、走失等現(xiàn)象時(shí)可得到實(shí)時(shí)的救助。3)礦工井下安全監(jiān)測(cè)，為礦山實(shí)時(shí)救護(hù)提供技術(shù)支持。根據(jù)這些需求，便提出此方法。對(duì)以上信息進(jìn)行融合處理，從而在任何場(chǎng)合的應(yīng)用情景下，實(shí)時(shí)地獲取用戶所關(guān)心的高精度位置、速度、姿態(tài)等參數(shù)，該種技術(shù)尤其適用于在室內(nèi)外任何切換過(guò)渡的高精度實(shí)時(shí)定位場(chǎng)合，如精密設(shè)備移動(dòng)的智能引導(dǎo)、貴重資產(chǎn)的移動(dòng)管理等。
背景技術(shù)：
高精度無(wú)縫定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)前提是在有/無(wú)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的環(huán)境、場(chǎng)合下，充分利用廣泛存在的無(wú)線電信號(hào)如GNSS、W1-F1、ZIGBEE等，并以MEMS的慣性器件所提供的速度、加速度、姿態(tài)等信息為基礎(chǔ)，綜合進(jìn)行融合處理，從而在任何場(chǎng)合的應(yīng)用情景下，實(shí)時(shí)地獲取用戶所關(guān)心的高精度位置、速度、姿態(tài)等參數(shù)；其背景技術(shù)主要分為以下幾類。I)室外定位(GNSS RTD)技術(shù)
在室外定位場(chǎng)合，通過(guò)已經(jīng)固化的GNSS手持機(jī)模塊，充分依托全球覆蓋的導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，聯(lián)合GNSS地面增強(qiáng)系統(tǒng)如連續(xù)運(yùn)行參考站提供的高精度衛(wèi)星差分改正信號(hào)，基于精密測(cè)量的載波相位測(cè)量值，利用差分技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高達(dá)厘米量級(jí)的定位結(jié)果的輸出。2)室內(nèi)定位(ZIGBEE RSSI)技術(shù)
在室內(nèi)定位場(chǎng)合，通過(guò)廣泛布設(shè)的ZigBee基站，在設(shè)備充分同步的基礎(chǔ)上，基于信號(hào)強(qiáng)度衰減觀測(cè)-距離關(guān)系模型，獲得的距離值，結(jié)合預(yù)先精確標(biāo)定的傳感器基站坐標(biāo)，通過(guò)距離交會(huì)的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)米級(jí)的定位結(jié)果輸出。3)輔助定位(MEMS IMU)技術(shù)
在室內(nèi)外無(wú)線電信號(hào)受限制的定位盲區(qū)，利用嵌入的MEMS器件加以輔助，一般利用IMU組件，通過(guò)慣性測(cè)量的原理，輸出短時(shí)高精度的三維位置、加速度/速度、姿態(tài)等參數(shù)。該種輔助定位技術(shù)，可在室內(nèi)定位和/或室外定位處于盲區(qū)的情況下，幫助室內(nèi)定位和室外定位執(zhí)行定位操作。4)數(shù)據(jù)融合技術(shù)
利用計(jì)算機(jī)對(duì)按時(shí)序獲得的若干觀測(cè)信息如GNSS、IMU、ZIGBEE等，在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合，以完成所需的決策和評(píng)估任務(wù)而進(jìn)行的信息處理。包括對(duì)各種信息源給出的有用信息的采集、傳輸、綜合、過(guò)濾、相關(guān)及合成。

發(fā)明內(nèi)容
目前，室外定位的場(chǎng)合及應(yīng)用越發(fā)普遍且手段不多，主要集中在衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性設(shè)備等，從簡(jiǎn)單的個(gè)人/大眾電子消費(fèi)品，如GNSS/DR/COMPASS組合的移動(dòng)電話、PDA等手持終端，到復(fù)雜的專業(yè)定位設(shè)備，如RTD接收機(jī)終端、多功能專業(yè)GNSS手持機(jī)等。而在室內(nèi)定位場(chǎng)景方面，主要是HS-GNSS、CDMA、W1-F1、RFID、ZigBee等無(wú)線電技術(shù)，在相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施依托下，室內(nèi)定位的設(shè)備尚未專門制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品，常見的主要是WhereNet、Ekahau> Ubisense等公司根據(jù)單一無(wú)線電信號(hào)制定的產(chǎn)品，且定位精度不聞。該發(fā)明瞄準(zhǔn)室內(nèi)/室外任意切換、無(wú)縫過(guò)渡的高精度定位應(yīng)用、生產(chǎn)服務(wù)場(chǎng)合。在上述場(chǎng)景中，如精密設(shè)備移動(dòng)的智能引導(dǎo)、貴重資產(chǎn)的移動(dòng)管理等，目標(biāo)載體的位置信息尤為至關(guān)重要，因此對(duì)定位的精確度提出了很高的要求，一般均達(dá)到了分米量級(jí)；同時(shí)，定位的場(chǎng)景往往需要在室內(nèi)/室外之間任意切換及無(wú)縫過(guò)渡。這里的過(guò)渡是指在無(wú)信號(hào)覆蓋的盲區(qū)里，利用輔助MEMS進(jìn)行短暫過(guò)渡的過(guò)程。綜上，單一地依靠導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)或者某一種室內(nèi)定位信號(hào)，難以滿足以上需求；并且，在某些短暫的定位盲區(qū)，任何無(wú)線電信號(hào)都無(wú)法發(fā)揮作用的時(shí)候，往往需要自主定位的手段來(lái)加以輔助，以實(shí)現(xiàn)定位過(guò)程的過(guò)渡，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外的無(wú)縫定位。因此還需引入MEMS器件，如IMU等，提供必要的三維位置、加速度/速度、姿態(tài)等參數(shù)。為了克服上述不足之處，本發(fā)明的主要目的旨在通過(guò)RTD、MU、ZigBee各自實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，提供一種多傳感器組合的融合算法，這種算法可以有效地將導(dǎo)航衛(wèi)星定位中的實(shí)時(shí)偽距差分算法，和ZigBee定位中RSSI的算法以及輔助的慣性姿態(tài)方位測(cè)量結(jié)果緊密結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)無(wú)縫高精度高可靠導(dǎo)航定位。本發(fā)明的另一目的旨在提供一種靈活的定位模式切換方法，通過(guò)可見衛(wèi)星數(shù)閾值、強(qiáng)弱信號(hào)的跟蹤與否這兩種條件的判斷，來(lái)執(zhí)行無(wú)縫定位的模式，該判斷方法簡(jiǎn)單、可靠、有效。一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)行GNSS定位的必要條件是衛(wèi)星數(shù)目不少于4顆，以完成導(dǎo)航定位計(jì)算，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)少于4顆時(shí)候，GNSS定位精度明顯下降；而另一種情況是即便衛(wèi)星數(shù)大于4顆當(dāng)由于受到遮擋屏蔽等環(huán)境影響使得衛(wèi)星信噪比很弱，一般在20dB-Hz以下的時(shí)候，需采用MEMS輔助定位模式；而當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)完全失去的時(shí)候，即進(jìn)入室內(nèi)定位場(chǎng)合，就需執(zhí)行ZigBee/IMU定位模式。本發(fā)明還提出了一種針對(duì)不同傳感器種類的高精度時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一方法，主要是在無(wú)縫定位基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中實(shí)施的，在ZigBee基站布設(shè)的時(shí)候，需要對(duì)其坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，作為先驗(yàn)信息；另外在數(shù)據(jù)融合過(guò)程中，ZigBee & MEMS以及RTD & MEMS兩種模式下定位結(jié)果數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系也不一致，因此需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。
由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)使用的是地心地固空間坐標(biāo)系,而ZigBee系統(tǒng)使用的是自定義坐標(biāo)系，同時(shí)IMU是慣性坐標(biāo)系，因此將GNSS世界坐標(biāo)系作為這些空間坐標(biāo)系的唯一坐標(biāo)系，即將其他坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到WGS 84坐標(biāo)系下面。這里通過(guò)精密測(cè)量?jī)x器如全站儀的手段，將傳感器位置坐標(biāo)推算轉(zhuǎn)換至全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的坐標(biāo)中，從而實(shí)現(xiàn)了兩種室內(nèi)外定位信號(hào)源的空間基準(zhǔn)一致，而慣性坐標(biāo)系歸化至地心地固坐標(biāo)系的方法，主要是基于姿態(tài)轉(zhuǎn)換的方法。對(duì)于時(shí)間基準(zhǔn)，由于全球?qū)Ш叫l(wèi)星信號(hào)是基于自定義的一套時(shí)間系統(tǒng)，主要參數(shù)為周數(shù)及周秒，而ZigBee系統(tǒng)使用的是不同的時(shí)間基準(zhǔn)，因此兩種時(shí)間系統(tǒng)需要作一種互相歸化的推算方法，本發(fā)明使用的是先將GNSS信號(hào)的時(shí)間標(biāo)記進(jìn)行連續(xù)記錄，在對(duì)采樣平滑的基礎(chǔ)上，將平滑的時(shí)間結(jié)果歸化為UTC時(shí)間格式，同時(shí)與ZigBee上的時(shí)間進(jìn)行互差判斷，在連續(xù)采樣100個(gè)時(shí)間標(biāo)記的前提上，對(duì)其100個(gè)互差數(shù)值進(jìn)行平均，最后結(jié)果納入到時(shí)間同步輸出上。時(shí)間同步在于從室外到室內(nèi)的過(guò)渡場(chǎng)合中，以及輔助定位模式中的時(shí)間信息校準(zhǔn)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)載體從室外進(jìn)入室內(nèi)的時(shí)候，此時(shí)需要使用之前的GNSS定位信息，定位信息往往是具有時(shí)間標(biāo)記的，并且GNSS時(shí)間系統(tǒng)要比ZigBee時(shí)間系統(tǒng)精確，因此需要將ZigBee時(shí)間歸化至GNSS時(shí)間上，以實(shí)現(xiàn)同步。在上述工作的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供了一種有效的數(shù)據(jù)融合算法，通過(guò)使用擴(kuò)展卡爾曼濾波等技術(shù)，將多種傳感器的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行判斷及匹配，如在室外環(huán)境下僅使用GNSS/IMU的組合，在室內(nèi)環(huán)境下僅使用ZigBee/MU的組合，本發(fā)明僅限于上述兩種組合方式。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)融合，利用各自傳感器輸出的三維地理坐標(biāo)參數(shù)、速度、方位角等姿態(tài)參數(shù)，進(jìn)行可擴(kuò)展的卡爾曼濾波器處理，使得最后輸出的定位參數(shù)穩(wěn)定、可靠、有效。另外，本發(fā)明提供了一種基于服務(wù)器的計(jì)算處理工作模式，及用戶設(shè)備本身不進(jìn)行基于某種傳感器的計(jì)算，而是通過(guò)發(fā)送計(jì)算請(qǐng)求及計(jì)算所需的觀測(cè)數(shù)據(jù)至服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)計(jì)算類型進(jìn)行具體的計(jì)算引擎選擇進(jìn)行處理，再將計(jì)算結(jié)果發(fā)送至用戶，用戶結(jié)合各種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行具體的數(shù)據(jù)融合處理。該發(fā)明的主要技術(shù)流程圖如下。

圖1定位模式匹配判斷在用戶終端中通過(guò)相關(guān)設(shè)置啟動(dòng)，判斷此時(shí)GNSS信號(hào)是否可以，若不可用(即GNSS信號(hào)完全無(wú)法接收，可用衛(wèi)星數(shù)為零)，則默認(rèn)為室內(nèi)定位模式，轉(zhuǎn)入步驟2.，執(zhí)行ZigBee定位計(jì)算。啟動(dòng)ZIGBEE定位計(jì)算引擎此時(shí)啟動(dòng)終端中ZigBee定位標(biāo)簽，標(biāo)簽將其ID信息發(fā)送至ZigBee計(jì)算服務(wù)器中，服務(wù)器將對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，并同步確定其鄰近基站的信息，使得ZigBee定位計(jì)算引擎就緒。啟動(dòng)GNSS定位計(jì)算引擎在GNSS信號(hào)可用的情況下，終端通過(guò)無(wú)線通信鏈路，將其偽距觀測(cè)值、概略坐標(biāo)通過(guò)RTCM差分電文格式，發(fā)送至RTD計(jì)算服務(wù)器，服務(wù)器將對(duì)其進(jìn)行辨別，并同步向CORS網(wǎng)服務(wù)器下載網(wǎng)絡(luò)RTD數(shù)據(jù)。工作狀態(tài)激活當(dāng)ZigBee信號(hào)不可用，或者GNSS信號(hào)不可用的情況下，激活MEMS模塊進(jìn)行工作，進(jìn)行輔助定位計(jì)算。執(zhí)行RSSI計(jì)算ZigBee主要定位算法是RSSI模式，此時(shí)ZigBee計(jì)算服務(wù)器將判斷接收端與發(fā)射端之間的信號(hào)功率衰減，根據(jù)功率-距離模型計(jì)算出幾何距離，按加權(quán)質(zhì)心算法和RSSI位置指紋定位計(jì)算，并將結(jié)果發(fā)送至用戶終端。執(zhí)行RTD定位計(jì)算此時(shí)RTD計(jì)算服務(wù)器，將用戶終端以及CORS服務(wù)器兩者數(shù)據(jù)進(jìn)行同步以及匹配，從而執(zhí)行RTD差分計(jì)算，并將結(jié)果發(fā)送至用戶終端。執(zhí)行MEMS輔助定位此時(shí)通過(guò)配置命令，將ZigBee定位信息或者GNSS定位信息作為初始化輸入，通過(guò)峰值探測(cè)以及方位角推估等，獲得定位盲區(qū)下的定位信息。數(shù)據(jù)融合計(jì)算用戶終端將各種定位結(jié)果數(shù)據(jù)輸入?yún)R總，啟動(dòng)卡爾曼濾波器，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合計(jì)算過(guò)程。本發(fā)明技術(shù)方案的詳細(xì)闡述。I)該發(fā)明的工作基礎(chǔ)主要依托于RTD、MU、ZigBee各模塊的高度組合上，主要組成有GNSS-RTD模塊、ZigBee定位標(biāo)簽、IMU模塊、信號(hào)轉(zhuǎn)接電路板、主控版、GPRS無(wú)線通信模塊、計(jì)算服務(wù)器等。對(duì)于主控板，其主要組成有微控制單元、電源轉(zhuǎn)換電力、信號(hào)指示電路等。以下詳述。2)上電后，設(shè)備進(jìn)行初始化工作，GNSS模塊將進(jìn)行搜星、捕獲、跟蹤等工作，ZigBee定位標(biāo)簽將自動(dòng)搜索附近的傳感器基站信號(hào)，而MEMS模塊將進(jìn)行自檢。自檢就是初始化，檢查模塊的工作狀態(tài)等。3)初始化結(jié)束后，GNSS模塊將給出具體的可視衛(wèi)星數(shù)量，以及對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星信號(hào)接收功率，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行一系列的處理及計(jì)算，得到用戶大致的GNSS坐標(biāo)值，并轉(zhuǎn)換成為N/E/U的本地坐標(biāo)系形式，此時(shí)用以判斷定位環(huán)境的具體狀態(tài)。4)若導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)可用，觀測(cè)到4顆以上GNSS衛(wèi)星，并且衛(wèi)星信號(hào)信噪比強(qiáng)度不低于20dBHz，則執(zhí)行室外定位計(jì)算模式(否則跳轉(zhuǎn)是第7)步)，此時(shí)模塊利用RTCM定義的Type 17/18/19電文標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，通過(guò)GNSS模塊的串行通信接口(該串口符合RS-232電平標(biāo)準(zhǔn))輸出實(shí)時(shí)的衛(wèi)星偽距觀測(cè)值、載噪比等有用內(nèi)容，并通過(guò)GPRS無(wú)線通信模塊發(fā)送基于以上觀測(cè)值的RTCM電文至計(jì)算服務(wù)器。5)計(jì)算服務(wù)器在收到用戶RTCM電文請(qǐng)求后，根據(jù)用戶的位置向網(wǎng)絡(luò)差分服務(wù)發(fā)送授權(quán)請(qǐng)求，自動(dòng)生成一個(gè)基于參考站網(wǎng)絡(luò)的高精度偽距差分改正數(shù)據(jù)，同時(shí)基于RTD的特定定位模型進(jìn)行處理計(jì)算，從而計(jì)算出該用戶的高精度位置，并將定位結(jié)果發(fā)送至用戶，該坐標(biāo)數(shù)據(jù)包含在按照NMEA-0183定義的$GPGGA語(yǔ)句中，$GPGGA語(yǔ)句是一個(gè)以逗號(hào)為分隔符的字符串。6)用戶在收到計(jì)算服務(wù)器精確處理的定位結(jié)果后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)融合計(jì)算引擎，連同MEMS輸出的姿態(tài)、速度、步長(zhǎng)等有用信息，最終輸出用戶可靠、精確、全面的定位信息。7)在導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)不可用時(shí)，用戶設(shè)備通過(guò)GPRS通信鏈路向計(jì)算服務(wù)器發(fā)送具體狀態(tài)請(qǐng)求，此時(shí)計(jì)算服務(wù)器將啟動(dòng)超寬帶計(jì)算處理引擎，該引擎將查詢授權(quán)用戶上的ZigBee定位標(biāo)簽身份狀態(tài)，并連同定位標(biāo)簽附近可用的傳感器基站數(shù)據(jù)，進(jìn)行時(shí)間同步處理，繼而進(jìn)行距離計(jì)算處理，同時(shí)判斷標(biāo)簽與基站之間的通視狀態(tài)，若可用，輸出精確的N/E/U三維坐標(biāo)值，并發(fā)送至用戶設(shè)備上。8)用戶在收到計(jì)算服務(wù)器精確處理的定位結(jié)果后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)融合計(jì)算引擎，連同MEMS輸出的姿態(tài)、速度、步長(zhǎng)等有用信息，最終輸出用戶可靠、精確、全面的定位信息。系統(tǒng)工作原理2具體工作流程，見以上步驟。
權(quán)利要求
1.導(dǎo)航定位模式的判斷方法。
2.導(dǎo)航系統(tǒng)定位計(jì)算中數(shù)據(jù)同步方法。
3.ZigBee實(shí)時(shí)定位算法。
4.不同傳感器的高精度時(shí)空基準(zhǔn)統(tǒng)一方法。
5.一種基于服務(wù)器的計(jì)算處理工作模式。
6 GNSS RTD/MEMS MU/ZIGBEE組合系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種多傳感器組合的無(wú)縫定位方法，適合多種應(yīng)用領(lǐng)域。利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、慣性器件等多種傳感器，構(gòu)建一種最佳的組合策略，通過(guò)在無(wú)GNSS信號(hào)環(huán)境合理使用慣性器件等無(wú)線傳感器及輔助傳感器，同時(shí)建立GNSS信號(hào)可用性及異常等綜合判別準(zhǔn)則，進(jìn)行無(wú)縫定位的可用性選擇；在此基礎(chǔ)上，采用擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫定位的最優(yōu)估計(jì)輸出。
文檔編號(hào)G01S19/48GK103048671SQ20111036234
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
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