一種室內(nèi)外一體化高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)及其定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種室內(nèi)外一體化高精度定位導(dǎo)航 系統(tǒng)及其定位方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，針對(duì)人員、物品的位置信息管理的應(yīng)用軟件 在人員的定位與導(dǎo)航、貨物的標(biāo)定與追蹤等領(lǐng)域已得到了初步應(yīng)用，但是室內(nèi)外一體化定 位導(dǎo)航系統(tǒng)基本還處于空白階段，由于目前室內(nèi)定位精度較低、多系統(tǒng)融合較差都使得室 內(nèi)外一體化定位導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用無(wú)法廣泛推廣。現(xiàn)有的多種定位導(dǎo)航系統(tǒng)還存在W下缺點(diǎn)：
[0003] (1)室內(nèi)定位導(dǎo)航精度低，現(xiàn)有WiFi、藍(lán)牙、Z igbee等定位技術(shù)，但定位精度一般在 3米W上；
[0004] (2)室內(nèi)定位導(dǎo)航抗干擾能力差，現(xiàn)有WiFi、藍(lán)牙、Zigbee等定位技術(shù)，室內(nèi)定位導(dǎo) 航系統(tǒng)都是采用信號(hào)強(qiáng)度來(lái)定位，容易受到外界無(wú)線電波的干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差；
[0005] (3)室內(nèi)外一體化高精度定位系統(tǒng)尚屬空白，而且現(xiàn)有的GPS和WiFi-體化的方案 實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度都不能滿足社會(huì)需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種室內(nèi)外一體化高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)及其定位方法，采用基于測(cè) 距模式的超寬帶室內(nèi)定位和室外衛(wèi)星定位相結(jié)合的聯(lián)合定位方法，并采用智能切換機(jī)制， W解決目前大范圍區(qū)域內(nèi)人員及物品定位導(dǎo)航存在的難W實(shí)現(xiàn)W及精度不高等問(wèn)題，采用 測(cè)距模式可W避免大信號(hào)干擾W及信號(hào)間相互干擾而產(chǎn)生的定位偏差。
[0007] 為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種室內(nèi)外一體化高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)， 其特征在于:該系統(tǒng)包括地圖數(shù)據(jù)構(gòu)建單元、室內(nèi)超寬帶定位導(dǎo)航單元、室外抓/GPS定位導(dǎo) 航單元、室內(nèi)外定位數(shù)據(jù)融合單元、中屯、服務(wù)器單元和終端顯示單元；
[000引所述地圖數(shù)據(jù)構(gòu)建單元用于通過(guò)加載室外電子地圖W及利用=維建模構(gòu)建室內(nèi) =維地圖場(chǎng)景，來(lái)實(shí)現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的構(gòu)建；
[0009] 所述室內(nèi)超寬帶定位導(dǎo)航單元用于采用測(cè)距模式進(jìn)行室內(nèi)空間定位，輸出室內(nèi)超 寬帶定位數(shù)據(jù)；
[0010] 所述室外抓/GPS定位導(dǎo)航單元用于通過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行室 外空間定位，采用偽距坐標(biāo)算法計(jì)算定位坐標(biāo)，輸出室外抓/GPS定位數(shù)據(jù)；
[0011] 所述的室內(nèi)外定位數(shù)據(jù)融合單元用于通過(guò)對(duì)定位標(biāo)簽的實(shí)際位置和建筑物的邊 界位置進(jìn)行比對(duì)，判斷出定位標(biāo)簽是在室內(nèi)還是室外，根據(jù)判斷結(jié)果智能切換定位模式，對(duì) 室內(nèi)外定位方式進(jìn)行融合；
[0012] 所述中屯、服務(wù)器單元用于通過(guò)內(nèi)置數(shù)據(jù)提取、解密等單元配合定位引擎算法程序 W及相應(yīng)的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了集數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備管理W及基于位置信息的多種應(yīng) 用功能于一身；
[0013] 所述終端顯示單元用于通過(guò)加載的室外電子地圖和構(gòu)建的室內(nèi)=維地圖來(lái)實(shí)現(xiàn) 面向用戶的定位信息的呈現(xiàn)。
[0014] -種室內(nèi)外一體化高精度定位導(dǎo)航系統(tǒng)的定位方法，其特征在于，按照如下方式 實(shí)現(xiàn)：
[0015] 步驟一:首先中屯、服務(wù)器通過(guò)對(duì)定位標(biāo)簽的實(shí)際位置和建筑物的邊界位置進(jìn)行比 對(duì)，判斷定位標(biāo)簽的當(dāng)前位置是室內(nèi)還是室外，并將判定的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送至定位標(biāo)簽，定位 標(biāo)簽根據(jù)接收到的判定結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)選擇定位方式;若室內(nèi)超寬帶定位導(dǎo)航單元發(fā)送數(shù)據(jù)至 定位基站，則轉(zhuǎn)入步驟二;若室外抓/GPS定位導(dǎo)航單元接收到北斗衛(wèi)星導(dǎo)航/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航 系統(tǒng)的信號(hào)，則轉(zhuǎn)入步驟
[0016] 步驟二:所述室內(nèi)超寬帶定位導(dǎo)航單元通過(guò)持續(xù)向周圍定位基站發(fā)送超寬帶脈沖 信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)定位區(qū)域的時(shí)鐘同步，并將時(shí)間戳信息發(fā)送給定位基站，定位基站將時(shí)間戳 信息發(fā)送給中屯、服務(wù)器，并轉(zhuǎn)入步驟四；
[0017] 步驟所述室外抓/GPS定位導(dǎo)航單元接收衛(wèi)星信號(hào)，根據(jù)偽距坐標(biāo)算法計(jì)算出 定位標(biāo)簽的坐標(biāo)，定位標(biāo)簽將坐標(biāo)發(fā)送給中屯、服務(wù)器，并轉(zhuǎn)入步驟四；
[0018] 步驟四：所述中屯、服務(wù)器若接收到步驟二的數(shù)據(jù)信息則調(diào)用定位引擎，定位引擎 根據(jù)標(biāo)簽到基站的時(shí)間戳信息建立雙曲線方程，求解出定位標(biāo)簽的坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)入步驟五;若 所述中屯、服務(wù)器接收到步驟=的定位坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)入步驟五；
[0019] 步驟五:所述中屯、服務(wù)器將步驟四接收到的定位坐標(biāo)信息發(fā)送給終端顯示單元， 并轉(zhuǎn)入步驟六；
[0020] 步驟六:所述終端顯示單元通過(guò)加載的室外電子地圖和構(gòu)建的室內(nèi)=維地圖來(lái)實(shí) 現(xiàn)面向用戶的定位信息的呈現(xiàn)，并顯示當(dāng)前位置坐標(biāo)。
[0021] 進(jìn)一步，所述步驟一中的將判定的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送至定位標(biāo)簽，其中發(fā)送數(shù)據(jù)采用 AESl 28加密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。
[0022] 進(jìn)一步，所述步驟一中的定位標(biāo)簽根據(jù)接收到的判定結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)選擇定位方式， 其中接收的方式采用與加密算法相同的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密。
[0023] 進(jìn)一步，所述步驟=中的定位標(biāo)簽將定位坐標(biāo)發(fā)送給中屯、服務(wù)器，其中發(fā)送方式 采用GPRS的傳輸方式，GPRS的傳輸方式同時(shí)采用加密方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。
[0024] 進(jìn)一步，所述步驟S中的偽距是C/A碼偽距或者P碼偽距。
[0025] 進(jìn)一步，所述步驟四中的定位引擎根據(jù)標(biāo)簽到基站的時(shí)間戳信號(hào)建立雙曲線方程 求解定位標(biāo)簽的坐標(biāo)，利用Chan算法、卡爾曼濾波改進(jìn)算法W及最小二乘等優(yōu)化算法進(jìn)行 精準(zhǔn)坐標(biāo)估計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了多種定位算法的優(yōu)化組合，其算法原理如下：
[0026] 中屯、服務(wù)器首先將接收到的時(shí)間戳信息，也即TDOA巧Ij達(dá)時(shí)間差）測(cè)量值，就可得 到定位標(biāo)簽和兩個(gè)定位基站之間的距離差，W該定位標(biāo)簽坐標(biāo)到兩個(gè)定位基站定點(diǎn)坐標(biāo)的 距離差可建立一個(gè)雙曲線方程，多個(gè)TDOA測(cè)量值構(gòu)成一組關(guān)于定位標(biāo)簽坐標(biāo)為參數(shù)的雙曲 線方程組，理論上=個(gè)定位基站就可W得到準(zhǔn)確的定位標(biāo)簽坐標(biāo)；由于實(shí)際定位時(shí)，會(huì)受到 多種因素的干擾，所W根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度的大小，采用4個(gè)W上的定位基站進(jìn)行定位，將獲得一 個(gè)坐標(biāo)區(qū)域，對(duì)多個(gè)方程進(jìn)行估計(jì)，所得到的最優(yōu)估計(jì)值就是標(biāo)簽的近似坐標(biāo)，采用兩步最 大似然估計(jì)的方法得到雙曲線方程組的最優(yōu)解，即得到了最佳估計(jì)值，W此坐標(biāo)來(lái)代替定 位標(biāo)簽坐標(biāo)就實(shí)現(xiàn)了定位標(biāo)簽的精準(zhǔn)位置解算：
[0027] ①首先在算法處理子單元入口處輸入:定位標(biāo)簽ID、超寬帶定位基站ID、基于TDOA 距離差測(cè)量值，由超寬帶定位基站ID得到其對(duì)應(yīng)的超寬帶定位基站的位置坐標(biāo)；
[0028] ②判斷TDOA信息數(shù)目大于等于4并且相應(yīng)的定位基站不在一條直線上，若是則進(jìn) 行步驟③，否則返回①；
[0029] ③通過(guò)得到的TDOA距離差測(cè)量值和超寬帶定位基站ID對(duì)應(yīng)的超寬帶定位基站坐 標(biāo)，可W得到一組雙曲線方程，建立方程為:h = GaZa
[0030] 其中：
[0031] h為距差信息，Ga為TDOA距離差測(cè)量值，Za為超寬帶定位基站ID對(duì)應(yīng)的超寬帶定位 基站坐標(biāo)；
[00創(chuàng)④當(dāng)考慮TDOA測(cè)量誤差時(shí)，表達(dá)式h-GaZa的距差誤差(6為:(6 = h-GaZa*^
[0033] 距差誤差4的協(xié)方差矩陣4為：4 =C2BQB
[0034] 其中：(3為光速，B = diag{R3V? ?，，9為1004誤差的協(xié)方差矩陣；
[0035] ⑤輸入距差信息、定位基站的位置坐標(biāo)、距差誤差的協(xié)方差矩陣得到Za的最大似 然估計(jì)：
[0036] Za=(GaT(I)-IGa)-IGaT(I)-Ih
[0037] ⑥由于B未知，故4的協(xié)方差矩陣d)也未知，采用兩步最大似然估計(jì)的方法，故算法 根據(jù)距離假定目標(biāo)的遠(yuǎn)近分為：
[0038] a)遠(yuǎn)距算法，進(jìn)行第一次WLS估計(jì)：
[0039] 假定目標(biāo)點(diǎn)很遠(yuǎn)，運(yùn)時(shí)用Q代替d)，可求得：
[0040] Za= (Ga VGa)
[0041 ] b)近距算法：
[0042] 利用遠(yuǎn)距算法求得的Za值估算B和(1)，并再次利用Za的最大似然估計(jì)式
[0043] Za= (GaT d)-吃3)-吃3了 d) -Ih，可求得Za。
[0044] ⑦估算結(jié)果修正算法如下：
[0045] 遠(yuǎn)距算法和近距算法對(duì)Za的估計(jì)都是假定x，y和Ri相互獨(dú)立為前提的，結(jié)合(X-Xi )2+(y-yl)2 = Rl2進(jìn)一步提高定位精度，Z康示為[Zal，Za2，Za3]，
[0046] Zal = X〇+ei , Za2 = yO+62，Za3 = ri〇+e3，其中 ei , 62，63，是估計(jì)誤差，將Zal和Za2分別減去 Xi和yi，再平方可得：伊=々-
[0047] 其中，
，做加權(quán)最小二乘估計(jì)，可