連小勇，王茂森，戴勁松

( 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

相較于室外環(huán)境定位技術(shù)成熟的商業(yè)化應(yīng)用，室內(nèi)定位技術(shù)至今仍不具備普適化的技術(shù)進(jìn)行全面推廣[1-3]。隨著人們對(duì)位置服務(wù)需求的不斷增強(qiáng)，室內(nèi)外無縫定位技術(shù)已經(jīng)成為眾多國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]提出了利用GPS和WIFI技術(shù)，基于計(jì)數(shù)器和閾值，設(shè)計(jì)室內(nèi)外定位智能切換算法，能夠避免定位模式在室內(nèi)外交界地帶反復(fù)切換，但是沒有對(duì)定位精度進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[5]采用北斗和WIFI技術(shù)設(shè)計(jì)融合定位算法為室內(nèi)外定位服務(wù)，但融合后的算法在室內(nèi)的定位精度僅為3～5 m，無法滿足室內(nèi)定位需求；文獻(xiàn)[6]提出了基于GPS和UWB技術(shù)的組合定位，獲取目標(biāo)室內(nèi)外坐標(biāo)，但沒有研究目標(biāo)在室內(nèi)外環(huán)境切換時(shí)定位精度的變化以及算法的可靠性；文獻(xiàn)[7]提出利用導(dǎo)航模擬器和偽衛(wèi)星技術(shù)搭建室內(nèi)外定位系統(tǒng)，但由于不曾考慮軌道參數(shù)優(yōu)化以及室內(nèi)多徑效應(yīng)的影響，定位精度穩(wěn)定性不高。

由于近年來UWB技術(shù)以其定位精度高、功耗低和多徑分辨能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)迅速獲得眾多研究者的關(guān)注[8-9]。本文提出了一種利用GPS和UWB定位技術(shù)設(shè)計(jì)的定位平臺(tái)，在特定場(chǎng)所下對(duì)目標(biāo)實(shí)行室內(nèi)外無縫定位。該定位平臺(tái)由以下幾部分組成：1) GPS模組在室外環(huán)境中獲取定位標(biāo)簽的大地坐標(biāo)，并轉(zhuǎn)換為局部絕對(duì)坐標(biāo)；2) 利用基于UWB定位技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)獲取定位標(biāo)簽的室內(nèi)三維坐標(biāo)；3)提出一種基于閾值和權(quán)重的GPS-UWB融合算法，應(yīng)用于室內(nèi)外環(huán)境的交界地帶。該定位平臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下的高精度定位和不同定位場(chǎng)景的平滑過渡提供了基礎(chǔ)研究。

1 無縫定位平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該定位平臺(tái)中的無縫定位系統(tǒng)根據(jù)定位工作場(chǎng)景分為3個(gè)部分：當(dāng)定位標(biāo)簽在室外環(huán)境，且處于GPS衛(wèi)星信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)，由定位標(biāo)簽攜帶的GPS模組作為信號(hào)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收定位目標(biāo)的位置信息；當(dāng)定位標(biāo)簽進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境，無GPS衛(wèi)星信號(hào)，且處于定位基站信號(hào)覆蓋范圍，利用定位標(biāo)簽和定位基站均內(nèi)置的DWM1000作為無線信號(hào)收發(fā)器，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)距和位置解算；當(dāng)定位標(biāo)簽在室內(nèi)外交界地帶，GPS衛(wèi)星信號(hào)和定位基站信號(hào)重疊，應(yīng)用本文提出的GPS-UWB定位算法，對(duì)定位目標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)外無縫定位。無縫定位平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

無縫定位平臺(tái)主要由4個(gè)定位基站、定位標(biāo)簽(含GPS模組)、定位數(shù)據(jù)傳輸通道、定位服務(wù)器(PC上位機(jī))組成。本定位平臺(tái)主要應(yīng)用于有定位需求的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行室內(nèi)外環(huán)境無縫定位、定位目標(biāo)位置信息獲取以及室內(nèi)外無縫定位技術(shù)研究。

圖1 無縫定位平臺(tái)系統(tǒng)組成示意圖

2 無縫定位平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

定位平臺(tái)中需要對(duì)定位基站和定位標(biāo)簽進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。定位基站與定位標(biāo)簽除了GPS模組之外，基本采用結(jié)構(gòu)組成和功能特性相似的硬件結(jié)構(gòu)。定位標(biāo)簽?zāi)軌蛟谑彝猸h(huán)境按照固定頻率接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，在室內(nèi)環(huán)境下定位標(biāo)簽和定位基站采用單一固定周期的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。圖2為定位標(biāo)簽的硬件組成總體設(shè)計(jì)框圖。

圖2 定位標(biāo)簽硬件組成框圖

定位標(biāo)簽主要由微控制處理器模塊、GPS模組、無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、外圍電路、數(shù)據(jù)傳輸接口以及電源模塊等部分組成。以STM32F407為核心的微控制處理器模塊與GPS模組通過USART連接，完成對(duì)GPS模組內(nèi)部芯片初始化和接收到的定位報(bào)文解碼。數(shù)據(jù)傳輸接口模塊將通過集成了完善的TCP/IP協(xié)議的LAN8720A芯片和微處理器單元連接，同時(shí)利用RJ45作為以太網(wǎng)接口，將數(shù)據(jù)上傳至定位服務(wù)器，基站節(jié)點(diǎn)MAC 地址、PHY地址也存儲(chǔ)在該芯片中。SPI總線實(shí)現(xiàn)了將外圍電路模塊中的各控制電路均并聯(lián)在該總線上，完成器件間信息交互。最后設(shè)計(jì)有電源模塊，采用AMS1086CD穩(wěn)壓芯片向系統(tǒng)提供3.3 V電源。

3 無縫定位平臺(tái)算法設(shè)計(jì)

當(dāng)定位標(biāo)簽自身從室外環(huán)境向室內(nèi)環(huán)境移動(dòng)時(shí)，GPS模組接收到的衛(wèi)星數(shù)目將發(fā)生變化，同時(shí)隨著定位標(biāo)簽不斷靠近室內(nèi)環(huán)境，定位標(biāo)簽接收到的基站數(shù)目也將增多，因此會(huì)出現(xiàn)定位平臺(tái)的定位模式發(fā)生反復(fù)切換，從而降低室內(nèi)外交界區(qū)域的定位精度和實(shí)用性。本次結(jié)合GPS和UWB的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出GPS-UWB閾值權(quán)重定位算法，實(shí)現(xiàn)定位平臺(tái)的無縫定位模式。室內(nèi)外定位模式切換如圖3所示。

圖3 定位模式切換圖

3.1 GPS-UWB權(quán)重閾值定位算法原理

在室內(nèi)外環(huán)境過渡地帶，定位目標(biāo)很有可能會(huì)同時(shí)接收到GPS和UWB等2種定位信息[10-12]，因此本文設(shè)計(jì)了定位系統(tǒng)將基于接收到的GPS可用衛(wèi)星數(shù)目、基站數(shù)目自動(dòng)確定當(dāng)前環(huán)境下最佳定位模式。定位平臺(tái)無縫定位的過程如下：

1) 當(dāng)接收到GPS可用衛(wèi)星數(shù)小于4，基站數(shù)大于等于3時(shí)，采用室內(nèi)UWB定位模式；

2) 當(dāng)接收到GPS可用衛(wèi)星數(shù)大于等于4基站數(shù)小于3時(shí)，采用室外GPS定位模式；

3) 當(dāng)接收到GPS可用衛(wèi)星數(shù)小于4，基站數(shù)小于3時(shí)，采用GPS-UWB組合定位模式。

在定位目標(biāo)進(jìn)入室內(nèi)外交界區(qū)域時(shí)，GPS-UWB組合定位模式將接收到的GPS經(jīng)緯度信息通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化，將WGS84大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為平面直角坐標(biāo)。將GPS和UWB定位系統(tǒng)進(jìn)行加權(quán)平均融合，為GPS定位結(jié)果分配權(quán)值q，則UWB定位系統(tǒng)的權(quán)值為(1-q)，組合定位結(jié)果R為：

R=qRg+(1-q)Ru

(1)

式中：Rg為GPS定位位置；Ru為UWB定位位置。由于2種定位模式均存在定位誤差，故式(1)轉(zhuǎn)化為：

R=q(R1+Eg)+(1-q)(R1+Eu)

(2)

式中：R1為用戶實(shí)際位置；Eg為GPS定位誤差；Eu為UWB定位誤差。由文獻(xiàn)[13-15]可知，這2種定位誤差均服從二維正態(tài)分布，且定位誤差在X軸和Y軸上相互獨(dú)立，以X軸為例，融合后總的定位誤差為：

(3)

若令GPS定位精度更高，則有：

(4)

可得權(quán)重：

(5)

當(dāng)精度更高的定位系統(tǒng)權(quán)值在區(qū)間(q2，1)內(nèi)時(shí)，融合結(jié)果比任何單一定位系統(tǒng)的定位結(jié)果更高。令GPS定位精度更高，則有εg<εu，可得權(quán)值的最優(yōu)解為：

(6)

與式(3)聯(lián)立可得：

(7)

由式(7)可知，當(dāng)GPS定位系統(tǒng)和UWB定位系統(tǒng)的定位精度越接近，融合后對(duì)定位精度提供的改善就越顯著，反之改善程度會(huì)減小。因此當(dāng)GPS和UWB定位系統(tǒng)中任意一方變得極不穩(wěn)定時(shí)，則采用單一定位系統(tǒng)，不采用GPS-UWB融合定位。

3.2 基于GPS-UWB權(quán)重閾值定位算法的無縫定位

為實(shí)現(xiàn)定位目標(biāo)在不同環(huán)境下高精度定位以及保證室內(nèi)外交界地帶定位信息的連續(xù)性和過渡的平滑性，定位平臺(tái)采用GPS-UWB權(quán)重閾值定位算法，在室內(nèi)采用UWB定位模式，室外采用GPS定位模式，室內(nèi)外交界地帶采用GPS-UWB聯(lián)合定位模式，并設(shè)置切換閾值，避免定位平臺(tái)在單一定位模式和聯(lián)合定位模式反復(fù)切換，造成系統(tǒng)運(yùn)算量的浪費(fèi)并提高定位平臺(tái)的功耗。算法實(shí)現(xiàn)的流程如圖4所示。

圖4 GPS-UWB權(quán)重閾值定位算法流程框圖

假定定位目標(biāo)當(dāng)前處于室外環(huán)境，只接收到GPS定位源。當(dāng)目標(biāo)逐漸靠近室內(nèi)環(huán)境，若下一刻仍舊只接收到GPS單一定位源信號(hào)，則無需改變定位模式，只需返回定位信息。當(dāng)GPS信號(hào)逐漸變?nèi)?，且定位目?biāo)開始收到UWB定位源信號(hào)時(shí)，定位程序?qū)⑼瑫r(shí)接收到2種定位源。當(dāng)接收到的衛(wèi)星數(shù)目Num1<4且接收到的基站數(shù)目Num2<3時(shí)，計(jì)數(shù)器將開始計(jì)數(shù)即Count值加1。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到設(shè)定的切換臨界閾值N時(shí)，將當(dāng)前所用定位源從室外GPS切換到GPS-UWB融合定位并將計(jì)數(shù)器置零。同理適用于當(dāng)前所處環(huán)境為室內(nèi)，所用定位源為UWB的情況。

4 定位系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景與設(shè)備

為測(cè)試本文提出的基于GPS-UWB權(quán)重閾值定位算法的定位效果，本次室內(nèi)外無縫定位實(shí)驗(yàn)設(shè)備為集成了UWB模塊、GPS接收模組的Tag定位標(biāo)簽、4個(gè)安放在室內(nèi)環(huán)境的UWB定位基站。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景選取在南京理工大學(xué)引信樓，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景平面圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景示意圖

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了明顯區(qū)分有無GPS-UWB權(quán)重閾值算法的無縫定位系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)外定位的性能影響，本文將進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，設(shè)定固定的運(yùn)動(dòng)路線，在2次試驗(yàn)中定位目標(biāo)在相同時(shí)間內(nèi)按照既定運(yùn)動(dòng)軌跡由室外向室內(nèi)移動(dòng)，定位平臺(tái)上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示目標(biāo)定位圖如圖6所示。

圖6 上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示定位界面

定位目標(biāo)攜帶定位標(biāo)簽在計(jì)時(shí)0 s時(shí)從室外向室內(nèi)運(yùn)動(dòng)，于15 s時(shí)進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境。2個(gè)實(shí)驗(yàn)下的定位誤差對(duì)比圖和定位模式切換對(duì)比圖如圖7和圖8所示。

圖7 兩種系統(tǒng)下室內(nèi)外定位誤差曲線

圖8 定位模式切換效果圖

當(dāng)采用傳統(tǒng)定位算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位時(shí)，當(dāng)定位目標(biāo)處于室內(nèi)外交界地帶活動(dòng)時(shí)，定位系統(tǒng)將在2種定位模式間頻繁切換，且定位精度也在厘米級(jí)至米級(jí)上下波動(dòng)，如圖7和圖8(a)所示。當(dāng)采用本文研制的GPS-UWB定位系統(tǒng)進(jìn)行定位時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)能夠有效提升室內(nèi)外過渡地帶的定位精度，實(shí)現(xiàn)定位模式的準(zhǔn)確切換和平滑過渡，且室內(nèi)外整體定位精度也有了一定的提升。因此從整體看來，本文設(shè)計(jì)的基于GPS-UWB的室內(nèi)外無縫定位平臺(tái)能夠有效對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠且準(zhǔn)確的定位。

5 結(jié)論

1) 本文設(shè)計(jì)的基于GPS-UWB無縫定位平臺(tái)能夠有效對(duì)定位目標(biāo)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外高精度定位，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握目標(biāo)所處位置信息。

2) 應(yīng)用GPS-UWB權(quán)重閾值定位算法后定位目標(biāo)的定位信息具有連續(xù)性，在保證精度前提下實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無縫定位，不同定位場(chǎng)景下定位模式的平滑過渡。

3) 本文設(shè)計(jì)的無縫定位平臺(tái)有效提高了現(xiàn)有GPS和UWB無縫定位技術(shù)的定位性能，為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外不同場(chǎng)景下高精度且定位連續(xù)的無縫定位技術(shù)提供了一種可行的技術(shù)研究方向。