文摘
室内定位仍然是一个开放的挑战,一些对开发实现无缝定位服务基于一些商业化GNSS芯片。然而,大多数的室内定位技术往往不能在合理解决的关键问题,如低成本和高度精确和高效的为用户。在本文中,我们提出基于集成伪卫星和超宽频的室内定位方法;虚拟的伪距离测量超宽频是用来取代伪卫星的伪距离测量解决室内多路径问题,这是紧密耦合修正载波相位测量的伪卫星。然后,channel-difference观测方程和UWB-aided消除歧义提出了精确定位。为了测试该方法,进行几个实验。结果表明,虚拟伪距离从超宽频小于GNSS的错误,和这么小的偏见会更好的快速修复歧义。此外,提出了室内定位方法的定位精度提高了厘米级的浮动的解决方案为固定mm-level解决方案;这些表演更令人信服的用户比最伪卫星和超宽频。
1。介绍
全球导航卫星系统(GNSS)是无法提供室内位置服务,因为他们的信号可以被建筑和室内定位,仍然是一个悬而未决的问题。一些室内定位方法基于不同的技术,如超宽带(UWB) (1,2伪卫星[技术],3,蓝牙4,5],wi - fi [6),建立摄像机(7,8),已经开发了基于位置的服务(LBS)。室内定位的最困难的挑战是找到一个准确的定位系统,它可以使用相同的接收机从室外到室内。因此,许多研究人员正在开发一种室内伪卫星实现室内外无缝定位服务,如室内的消息传递系统(ime)和Locata [9,10),带内GNSS-like信号可以收到一些商业化GNSS芯片和输出伪距离和载波相位测量。
一些对室内高精度定位也被开发出来。多通道伪卫星与阵列天线间距提出了半波长(11],它不需要时间同步和室内多路径问题和定位精度随厘米——meter-level根据天线阵和接收者之间的几何关系。然而,多通道伪卫星很难支持动态定位和只有一个4米×4米定位覆盖范围。联合的方法与多通道多普勒和舰载双曲定位全球定位系统(GPS)伪卫星对室内定位也被提出12),状态方程和三维(3 d)位置和姿态,建立和歧义,伪卫星载波相位的非线性观测方程区别是用来估计模棱两可,但是很难克服消除歧义等问题。介绍了一个新的室内多通道伪卫星系统(13],它克服了时间同步的问题,基站,和消除歧义的传统的室内伪卫星;多通道发射器有相同的时钟源和时钟漂移的也可以是相同的。高精度多普勒速度测量和定位方法是发达没有消除歧义的在这工作,和动态定位精度优于0.3米。Locata伪卫星由一个网络时间同步收发器(LocataNet),这有可能使点定位与sub-centimeter (cm)精密(利用载波相位和消除歧义)移动单位14]。之间实现同步伪卫星的时钟,TimeLoc技术可以提供一个自动同步网络,这就需要额外的测距信号和可见性。因此,LocataNet非常昂贵,很难适用于室内环境。
由于室内多径的影响在上述伪卫星的伪距离测量,最大测量误差可能是几十米的生成和在不同的数据在不同的室内场景15),不能用于解决基于最小二乘模糊和修复整数模糊解相关调整(λ)方法。因此,已知点初始化(KPI)方法(16,17)来解决歧义普遍采用,但它有三个缺点,对于大多数用户来说是不可接受的或无法使用(18:一是调查大量已知点的精确坐标;另一个是开始定位在一个已知点;使它更糟糕的是,一旦定位误差超过2 m,定位结果使用KPI算法将仍有分歧,需要从新的认识点,和定位过程不是连续;此外,即使KPI的点是厘米级精度,模棱两可的验证仍不能通过。
最近,ultrawide带宽技术已经引起了极大的兴趣在室外/室内位置应用程序。许多超宽频系统现在可以在商业水平和一组四个主持人和一个标签成本只有几百美元。最近的研究讨论与GPS(紧密耦合超宽频的巨大潜力19]。紧密耦合的GPS和超宽频范围测量的有效性是用于演示产生一种改进的能力解决整数歧义在运动学和静态应用程序(20.,21),浮动的准确性改善解决方案是明显的超宽频测量包括时,和LAMBDA法修复解决方案。超宽频集成到实时运动(RTK)算法实现一个高度精确的定位有两个GPS接收器和减少LAMBDA方法消除歧义的搜索空间(22]。定位策略提出了超宽频、低成本GPS和MEMS机载传感器和一个无味卡尔曼滤波器用于度量模型没有任何线性化(23]。这些研究提出额外的测量超宽频可以直接用来帮助消除歧义的相位测量;因此,室内伪卫星系统还可以与超宽频紧密耦合。考虑到伪卫星的伪距离测量误差远远大于GNSS由于多路径效应;然后,超宽频的伪距离的测量需要转化成伪卫星。
一个室内精确定位算法在本文中,使用伪卫星的载波相位测量和超宽频的伪距离的测量。的贡献总结如下:(1)伪卫星/超宽频技术的室内定位系统,提出了利用超宽频标记和GNSS接收机实现精密单点定位芯片。因此,该系统是高效、低成本、高精度的用户(2)融合的伪卫星和虚拟技术的载波相位pseudo-ranges超宽频,channel-difference观测方程,提出了可以有效降低时钟偏移,和硬件相位延迟(3)改善室内伪卫星的传统KPI方法,提出了UWB-aided消除歧义的为了使用载波相位伪卫星的厘米级定位,哪些不需要已知点初始化
本文的组织结构如下:部分2提供了讨论的基本条件包括伪卫星/超宽频室内定位系统的构成和定位策略。部分3介绍了伪卫星组合导航模型的系统观测方程,虚拟伪距离模型,相位测量模型和整数消除歧义。部分4提供了讨论该算法的实验结果。部分5描述了结果和结论。
2。室内定位系统基于伪卫星和超宽频
2.1。伪卫星/超宽频技术的室内定位系统
伪卫星/超宽频室内定位系统由三部分组成:室内同步伪卫星,低成本的超宽频系统和伪卫星/超宽频接收机,如图1。(1)室内同步伪卫星集成多通道信号发射机和多个天线,室内伪卫星的时间同步与户外的伪卫星不同,Locata,或GNSS,它使用相同的1脉冲每秒(1 pps)生成多路信号,以及每个通道的时钟偏移可以相等,但硬件延迟是不同的,必须纠正(2)低成本的超宽频系统使用DecaWave DW1000 ieee802.15.4 - 2011兼容的芯片,这是基于飞行时间测量到获得一个精确的位置,和95%的3 d位置有错误等于或小于50厘米(24- - - - - -27]。(3)伪卫星/超宽频接收机包括超宽频标签,GNSS接收机芯片(如ublox M8T / F9P),和各自的天线。GNSS芯片跟踪室内伪卫星信号和载波相位观测提供了在每个时代,和超宽频标签提供了范围和估计的位置。分别从每个收集的数据进行后处理和分析通过一台笔记本电脑,这是GPS时间同步
2.2。伪卫星和UWB-Aided位置策略
基于伪卫星/超宽频室内定位系统的组成,讨论了提高室内定位策略;UWB-aided消除歧义的使用伪卫星需要解决以下问题:(1)载波相位消除歧义是关键问题,室内多路径上伪距离测量误差远远大于室外,这可能是几十米;因此,伪卫星的伪距离测量不能用于消除歧义。现在,超宽频不仅便宜,而且还可以提供以下厘米级精度,可用于解决模糊伪卫星并生成一个虚拟的伪距离测量的伪卫星/超宽频接收机伪卫星(2)硬件延迟的接收机和发射机也是GNSS或伪卫星定位的一个重要影响因素28- - - - - -30.];相位延迟测量和校准的方法是使用一个参考接收器,和相位测量模型pseudolite-based定位需要修改的反应器内硬件延迟的偏见
该战略包括以下步骤,如图2:首先,我们需要估计未知的超宽频用户接收机的位置,然后从用户虚拟伪距离的测量计算伪卫星接收机。其次,硬件相位延迟的伪卫星也可以获得基于参考接收机的载波相位测量,用于正确的用户接收机的载波相位测量。第三,建立室内高精度定位的观测方程;修正后的载波相位测量的伪卫星是紧耦合的超宽频的虚拟伪距离的测量。最后,载波相位进行精确定位在用户接收机在每个时代,基于完整性消除歧义和验证。
3所示。方法
3.1。虚拟与超宽频伪距离的度量模型
用户接收机由超宽频模块和一个GNSS /伪卫星接收机模块,一旦超宽频接收机的位置计算的系统,它可以用来计算几何接收机和伪卫星之间的距离。与此同时,这个距离是用来代替伪卫星的伪距离测量系统。超宽频的定位误差方程可以写成: 在哪里 , ,和用户接收机的坐标,计算了超宽频系统; , ,和用户接收机的真实坐标吗 ; , ,和虚拟测量误差。
虚拟伪距离测量是建立: 在哪里虚拟之间的伪距离测量接收机吗和伪卫星 ; 接收机之间的几何范围吗和通道伪卫星; , ,和伪卫星的发射天线坐标,频道号码;是虚拟的噪声伪距离测量。
3.2。阶段测量模型BDS / GPS伪卫星
3.2.1之上。阶段测量模型
我们认为从伪卫星到接收机的载波相位测量;载波相位测量模型被描述为: 在哪里和是信道的载波相位测量米和伪卫星的分别;接收机之间的几何范围吗和通道伪卫星;接收机的时钟偏移,是伪卫星时钟偏移,光的速度;和相位模糊,是载波波长;是接收器的相位延迟和通道伪卫星,是接收器的相位延迟和通道伪卫星;和载波相位噪声的测量。
考虑到接收机的时钟偏移和伪卫星是一样的,一个通道之间的区别和取消的伪卫星时钟偏移是建立: 在哪里相位差测量;是几何范围不同,模棱两可的区别;是硬件相位延迟的区别;通过形成方程(4),相位延迟由于用户接收机可以被消除。
几何距离可以计算: 在哪里是几何矩阵。
然后,用几何距离差分方程: 在哪里的区别是几何矩阵。
3.2.2。硬件的相位延迟
硬件可以实时计算相位延迟参考接收机(31日]。当参考接收机的天线和伪卫星的发射天线由全站仪准确地调查,接收机和伪卫星之间的距离被认为是一个已知的参数;然后,相位延迟的差分方程可以表示为: 在哪里是真正的几何距离差异;是真正的模棱两可的区别,这是一部分的 。我们可以获得方程如下: 在哪里小数部分的吗 ; 使用单独的组成部分和小数部分一个实数。
真正的几何距离差异可以写成: 在哪里 , ,和是真正的坐标参考接收机的r。
3.3。伪卫星/超宽频观测方程
用户接收机的观测方程可以表示如下: 在哪里 , , 与硬件差的相位测量相位延迟校正;传输通道的数量。
观测方程可以写成:
3.4。整数消除歧义
LAMBDA方法是采用快速消除歧义的(32- - - - - -34),然后方程(10)可以被描述为以下形式: 在哪里是差观测;和和相应的系数;是未知的向量坐标;是整数值未知模棱两可;是测量噪声。
LAMBDA方法求解方程最小化标准(12): 在哪里 和是可见的协方差矩阵。
过程可分为三个步骤:第一步为浮动的解决方案,通过一个普通的最小二乘法,这需要作为出发点和作为真实值。
第二步为整数和最小化问题解决方案: 在哪里是整数值模棱两可的协方差矩阵;LAMBDA方法与模糊解相关( - - - - - -变换)和实际利用整数模糊评估。
在第三步中,固定的模棱两可正确的浮动参数和相应的variance-covariance矩阵:
最小二乘估计和方程的解(13)。
4所示。实现和评价
在本节中,几个实验是为了验证伪卫星和UWB-aided位置的算法。一个是一个静态测试分析伪卫星载波相位测量技术的特性,超宽频的虚拟pseudo-ranges和静态定位的结果。另一个是动态测试Only-UWB, Only-pseudolite和伪卫星/超宽频。
4.1。实验设置
评估我们的方法,我们在图进行田间试验3。为了获得高精度载波相位伪卫星/超宽频技术的定位,有必要在视距(LOS)环境。我们的现场试验系统包括四个超宽频锚,一个室内同步伪卫星,一个与超宽频标记和GNSS接收机芯片。室内同步伪卫星有八个信号传输通道,每个连接用右手偏振传输天线。同时,四个超宽频锚安装在广场上测试区域;它可以提供三维位置。GNSS芯片(ublox F9P)和四臂螺旋天线是用来接收伪卫星的信号和输出伪距离和载波相位测量根据UBX通过串口协议。在测试的开始,所有伪卫星的坐标和超宽频天线需要知道。GNSS接收机和超宽频标记在1赫兹;模棱两可的频率分辨率和位置的解决方案是按照GNSS接收器1 Hz。
4.2。静态测试和分析
4.2.1。准备伪卫星载波相位特性
在静态测试情况下,载波相位测量的数据质量分析epoch-by-epoch不同的方程(4),这被称为CCD-EED方法和可以写成: 在哪里是时代的计数。
图4的数据质量是载波相位测量使用CCD-EED方法,厘米代表了伪卫星的信道m, C1是参考通道。首先,利用载波相位测量数据,计算每个通道,通道1的区别。表1显示统计结果CCD-EED方法更稳定,最大误差是0.0034米(0.018周期),最小误差为-0.0036米(-0.019周期),平均误差在5.71×10 - 7 m 1.90×10 - 6 m,结果标准误差在7.32×身手m 4到9.39×打败m,尤其这些代表一个可接受的相位测量误差对精密单点定位的伪卫星。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
4.2.2。虚拟伪距离的超宽频特性
根据方程(2),虚拟测量误差可以写成
图5是超宽频虚拟伪距离的测试。几乎没有任何来源的信号反射之外的其他设备和地面。11点的坐标建立了每1米至11米从超宽频锚;每个点十分钟或更多占领和几千超宽频范围测量收集。
超宽频范围偏差校准一个多项式曲线拟合方法,如图6。均值不等错误基于独立测试从超宽频锚超宽频标签如图7作为真正的距离函数。可以看出,超宽频范围偏见可能0.6初始校准之前,但小于0.02 m校准完成后。
(一)
(b)
(c)
与超宽频测量数据定位后,我们可以获得虚拟pseudo-ranges从用户接收机伪卫星。图8超宽频虚拟伪距离误差,评价超宽频虚拟伪距离的特征错误;统计结果表执行2。结果表明,虚拟伪距离的最大误差约为0.051米,最小误差从0.001米到0.011米,平均误差从0.001米到0.020米,和标准差是0.002米到0.009米,这意味着超宽频虚拟伪距离可能有偏差小于1的循环(GPS L1)。GNSS伪距离相比,数据质量有了很大提高;因此,这么小的偏差不会影响歧义修复,但更模棱两可的快速修复。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
4.2.3。静态定位结果
伪卫星和超宽频范围数据收集在一个静态的点,和浮动方案定位错误如图9。固定的解决方案如图定位错误10,统计结果如表所示3。浮动的平均三维定位误差的解决方案是84毫米,34毫米和121毫米,分别;和max三维定位误差是211毫米,231毫米和137毫米。integer-fixed解决方案的平均定位误差是1毫米的X设在,0.5毫米Y设在,28毫米的Z设在。总之,通过这些实验结果,我们得出这样的结论:静态定位精度的提高室内定位系统基于伪卫星和超宽频厘米级的浮动解mm-level固定解决方案;这些性能规范更令人信服的用户比规范中给出最伪卫星系统(11- - - - - -14]。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
4.3。动态测试和分析
实验是建立在室内空间,如图11,超宽频锚放在四个角落的矩形区域,和测试测试区域的大小大约是6米长,5米宽。实验设置两个途径,一个是一个线性从3点到5点,另一个是一个矩形组成的路线3点,4点,5点,6点。由于缺少参考仪器毫米(mm)水平的定位精度,我们只能计算定位精度在起始点和结束点,估计轨迹之间的一致性和真正的路线,以及是否可以在矩形闭环轨迹。
图12显示了两条路径的动态定位结果,黑线是真正的轨迹,粉色线的轨迹估计是使用伪卫星和UWB-aided位置固定解决方案方法,绿线是使用KPI方法估计轨迹Only-pseudolite [18,35),红线是Only-UWB估计轨迹。表4显示统计结果在开始/结束点的动态测试。integer-fixed解决方案,平均定位误差是5.4毫米的X设在,6.2毫米的Y设在;最大值位置误差是7.5毫米的X设在,10.1毫米的Y设在;最小位置误差是0.3毫米的X设在,0.4毫米的Y设在;的标准偏差X设在2.2毫米,Y分别设在2.4毫米。KPI方法,平均定位误差是160.1毫米的X设在,20.8毫米的Y设在;最大值位置误差是167.9毫米的X设在,26.7毫米的Y设在;最小位置误差是154.4毫米的X设在,13.2毫米的Y设在;的标准偏差X设在3毫米,Y分别设在4.3毫米。超宽频方法,平均定位误差是38.5毫米的X设在,155.8毫米的Y设在;最大值位置误差是66.2毫米的X设在,185.4毫米的Y设在;最小位置误差是20.1毫米的X设在和119毫米Y设在;的标准偏差X设在12毫米,Y分别设在19毫米。可以看出,该固定解法与Only-pseudolite和Only-UWB的KPI方法相比,平均到毫米的位置精度从decimeter-level增加或厘米级。
(一)
(b)
(c)
图12 (c)显示矩形的闭环路线,粉色的椭圆的闭环固定方法,提出绿色椭圆Only-pseudolite的KPI方法的闭环,和红色的椭圆是超宽频的闭环。Only-pseudolite的KPI方法和Only-UWB闭环偏差,但提议的固定解决方案方法几乎可以闭环。
5。结论
本文提出了一种伪卫星/超宽频集成方法改善室内的位置精度,基于伪卫星载波相位测量的融合和虚拟pseudo-ranges超宽频。验证了该方法的性能,分析了载波相位测量的数据质量,CCD-EED方法,和平均误差在5.71×10 - 7 m 1.90×10 - 6 m,结果这对高精度室内定位是可以接受的。超宽频的虚拟伪距离误差从0.001米到0.020米,这意味着超宽频虚拟伪距离可能有偏差小于1的循环(GPS L1),和这么小的偏见会更好的快速修复歧义。根据静态和运动试验,结果表明,基于伪卫星的室内定位系统的定位精度和提高超宽频厘米级的浮动解决mm-level固定解决方案,并与Only-pseudolite和Only-UWB KPI方法,该方法的平均位置精度增加decimeter-level或厘米级到毫米。
在未来,伪卫星/超宽频集成方法的研究将集中在MIMO伪卫星系统(36,37),伪卫星/超宽频组合导航和深learning-aided周跳探测和修复(38,39]。预见,精确定位结果将有利于精度高、低成本的室内定位。
数据可用性
繁殖所需的数据处理这些发现也不能在这个时候作为数据共享一个正在进行的研究的一部分。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
作者的贡献
X.G.构思和设计研究;X.G.和z H计算提供支持;L.S.和林亭汝分析数据和解释结果。
确认
这项工作是由中国国家自然科学基金(62101088)和广东基础研究和应用基础研究基金会资助下2019 a1515111193。