朱洪達(dá) ，羅 強(qiáng) ，辛 琪

（重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 404100）

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，定位技術(shù)已經(jīng)滲透到了人們生活的方方面面，無論是自動(dòng)駕駛、無人機(jī)、語音聊天等領(lǐng)域，還是交通、旅游、工業(yè)生產(chǎn)、緊急救援等領(lǐng)域，都離不開定位技術(shù)。定位技術(shù)分為室外定位和室內(nèi)定位兩類，但都無法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無縫連續(xù)定位。室內(nèi)定位存在應(yīng)用范圍的限制，以移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)為例，在室外時(shí)，受到不同環(huán)境的影響，如在隧道、山頂?shù)刃盘?hào)不好的地方，不能實(shí)現(xiàn)高精度定位；室外定位由于衛(wèi)星信號(hào)不能穿透障礙物，所以室內(nèi)定位也無法使用GNSS 技術(shù)或者GPS 技術(shù)[1]。如何實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外的連續(xù)定位成為導(dǎo)航定位領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也是未來定位發(fā)展的趨勢(shì)。近年來，多傳感器融合的定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外無縫的連續(xù)定位，也成為當(dāng)下導(dǎo)航定位領(lǐng)域的主流定位方式。本研究列舉了幾種具有代表性的多傳感器融合定位方法，并對(duì)比了其中三種定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，探討了定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，提出了多傳感器融合定位技術(shù)的優(yōu)化方向。

1 多傳感器融合定位技術(shù)

目前常用的多傳感器融合定位技術(shù)包括GNSS/IMU傳感器融合、GPS/INS/磁力計(jì)傳感器融合、里程計(jì)/LiDAR/GNSS傳感器融合。三類多傳感器融合定位技術(shù)的相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)如表1所示，隨著更多傳感器的組合定位，其定位精度越高，但是定位成本也逐漸增大，并且多傳感器的組合定位普遍存在著室內(nèi)外信號(hào)源不能平穩(wěn)切換的問題，束縛了定位精度的進(jìn)一步提高。多傳感器的組合定位是大勢(shì)所趨，未來會(huì)有更多類別的傳感器應(yīng)用在導(dǎo)航定位領(lǐng)域，不斷提高無縫定位的精度和完整度。通過對(duì)比三類傳感器融合定位技術(shù)發(fā)現(xiàn)，里程計(jì)/LiDAR/GNSS傳感器融合定位技術(shù)定位精度高。

表1 三類傳感器融合定位技術(shù)對(duì)比

1.1 GNSS/IMU傳感器融合定位技術(shù)

GNSS 和IMU 是目前比較流行的定位技術(shù)和航位推算系統(tǒng)相輔相成的導(dǎo)航傳感器。GNSS 只要用4顆衛(wèi)星建立瞄準(zhǔn)線（LOS）就能提供準(zhǔn)確的位置和速度信息，但受信號(hào)中斷、信號(hào)干擾和多徑效應(yīng)影響，這種精度可能會(huì)降低。IMU 具有高頻更新測(cè)量平臺(tái)方向的優(yōu)勢(shì)，并且不受環(huán)境條件的影響，但漂移效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差累積。一些研究已經(jīng)證明了兩種傳感器在擴(kuò)展卡爾曼濾波器（EKF）方面的融合，為了提高傳感器融合性能，可以采用預(yù)處理GNSS 和IMU數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。

GNSS/IMU 傳感器融合用于定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：GNSS 具有長(zhǎng)期高精度的特點(diǎn)，可以補(bǔ)償IMU 的快速誤差漂移。同時(shí)，IMU 測(cè)量可以為組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供高速率速度和姿態(tài)，并可在GNSS 測(cè)量不可用時(shí)進(jìn)行航位推算，獲得短期定位解決方案。近年來，GNSS/IMU 集成技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展，如通過添加磁傳感器、里程計(jì)、光探測(cè)與測(cè)距（LiDAR）或攝像機(jī)等輔助傳感器，以改進(jìn)集成算法。在低成本GNSS和IMU 傳感器的研究中，通常以集成算法的改進(jìn)，來獲得無需額外傳感器的最優(yōu)導(dǎo)航解決方案。

1.2 GPS/INS/磁力計(jì)傳感器融合定位技術(shù)

此類定位技術(shù)通過采用GPS、INS 和磁力計(jì)三類傳感器進(jìn)行有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外的無縫連續(xù)定位。當(dāng)外部環(huán)境進(jìn)行室內(nèi)外切換時(shí)，如何平穩(wěn)進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換成為關(guān)鍵，該定位技術(shù)運(yùn)用卡爾曼濾波器對(duì)GPS 和INS 的組合信號(hào)進(jìn)行濾波[2]；在室內(nèi)環(huán)境中，通過INS 傳感器和磁力計(jì)的相互配合，采集得到運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，包括航向角和加速度等信息，并借助軌跡推算法進(jìn)行高精度的定位。

該定位技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)較高精度的定位，通過比對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)三類傳感器的綜合定位方式優(yōu)于任意單傳感器定位和任意兩類傳感器融合定位。在定位精度方面，該方法提高了定位技術(shù)的核心功能，拓寬了多傳感器融合定位的研究思路。該定位技術(shù)缺點(diǎn)：磁力計(jì)的不穩(wěn)定性使得磁力計(jì)測(cè)量的航向角數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，容易受到外部環(huán)境的干擾，這就使得必須對(duì)航向角進(jìn)行修正，對(duì)相關(guān)算法的改進(jìn)優(yōu)化提出了要求，增加了研究難度。只要涉及室內(nèi)外切換，必然會(huì)考慮過渡點(diǎn)的自動(dòng)切換問題，使得過渡點(diǎn)附近的定位信號(hào)精度不高，這也是所有多傳感器融合定位技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)，只有掌握了室內(nèi)外無縫定位的平滑過渡方法，才能實(shí)現(xiàn)真正的高精度無縫定位。

1.3 里程計(jì)/LiDAR/GNSS傳感器融合定位技術(shù)

該定位技術(shù)采用了三類傳感器進(jìn)行融合定位，其創(chuàng)新點(diǎn)在于采用了擴(kuò)展卡爾曼濾波算法來提高室內(nèi)外的連續(xù)定位精度。在室內(nèi)環(huán)境中，LiDAR 信標(biāo)定位算法不僅可以準(zhǔn)確計(jì)算定位數(shù)據(jù)，而且還可以實(shí)時(shí)更新量測(cè)方程和卡爾曼增益系數(shù)，對(duì)系統(tǒng)做出新的姿態(tài)最優(yōu)估計(jì)，并以此作為下一時(shí)刻系統(tǒng)方程的初始位置，循環(huán)迭代，不斷更新定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)定位[3]；在室外環(huán)境中，GNSS 可以獲得定位數(shù)據(jù)并計(jì)算量測(cè)方程，以此為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲得傳感器的協(xié)方差矩陣，從而計(jì)算出卡爾曼增益系數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的位姿估計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。

這種定位技術(shù)在定位精度和定位穩(wěn)定性上都有了明顯的提高，并創(chuàng)新性地提出了一種室內(nèi)外信號(hào)源平滑濾波算法[3]，較好地解決了過渡點(diǎn)的信號(hào)切換問題，然而由于傳感器數(shù)量的增加，會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)外定位切換時(shí)不同傳感器之間的平穩(wěn)過渡存在誤差，需要進(jìn)一步對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化，這既是定位領(lǐng)域后續(xù)的研究重點(diǎn)，也是定位精度提升的潛在空間。

2 多傳感器定位技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前主流的定位方法是根據(jù)場(chǎng)景的具體需求和各類傳感器的技術(shù)特點(diǎn)，融合各種傳感器的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)在各種復(fù)雜環(huán)境下，對(duì)目標(biāo)位置做出高精度的最優(yōu)估計(jì)。除了GNSS/IMU 傳感器融合、GPS/INS/磁力計(jì)傳感器融合、里程計(jì)/LiDAR/GNSS 傳感器融合三種多傳感器融合定位技術(shù)之外，還有許多不同的融合定位方法，如劉家宏等[4]使用GPS 與WiFi 融合進(jìn)行室內(nèi)外定位，能夠?qū)崿F(xiàn)95%綜合場(chǎng)景定位誤差低于2.5 m；關(guān)維國等[5]應(yīng)用北斗偽距差分與WiFi 融合室內(nèi)外定位，融合定位平均均方根誤差為1.963 m，其精度可滿足一般民用需要。在智能化、網(wǎng)聯(lián)化、微型化發(fā)展潮流下，傳感器技術(shù)的升級(jí)具有了深厚基礎(chǔ)，傳感器的集成化趨勢(shì)正日趨凸顯，更多高精度傳感器的融合組合是現(xiàn)代多傳感器定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，將高精度定位技術(shù)與北斗進(jìn)行融合是當(dāng)今時(shí)代的風(fēng)向標(biāo)[6]。因此，將北斗系統(tǒng)融入到導(dǎo)航定位領(lǐng)域是大勢(shì)所趨，也是科研者的心之所向。

3 優(yōu)化方向

只要涉及多傳感器的組合定位，就會(huì)存在室內(nèi)外信號(hào)源如何平滑切換的問題，這也是該領(lǐng)域在未來發(fā)展中需要解決的核心問題。無論是從定位算法方面進(jìn)行改進(jìn)，還是從傳感器接收機(jī)的性能方面進(jìn)行提升，都是多傳感器融合定位技術(shù)的優(yōu)化方向，也是實(shí)現(xiàn)更高定位精度的必由之路。以里程計(jì)/LiDAR/GNSS 傳感器融合定位技術(shù)為例，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，主要分為兩個(gè)方面，一是如何實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無縫定位的平滑過渡，二是如何提高定位精度。

3.1 室內(nèi)外無縫定位平滑過渡優(yōu)化

在進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)，避免不了室內(nèi)外的切換。從室外環(huán)境進(jìn)入室內(nèi)環(huán)境時(shí)，在過渡點(diǎn)附近由于靠近建筑物，使得衛(wèi)星信號(hào)不能很好地被接收到，即使接收到信號(hào)也可能失真，直接導(dǎo)致GNSS 系統(tǒng)產(chǎn)生較大的誤差，幾何精度因子（GDOP）會(huì)逐漸增大，GNSS 系統(tǒng)接收到的衛(wèi)星數(shù)會(huì)逐漸減少[3]；而當(dāng)人們從室內(nèi)環(huán)境進(jìn)入室外環(huán)境時(shí)，在過渡點(diǎn)周圍接收到的衛(wèi)星信號(hào)十分微弱，GNSS 定位方法在此處無法正常工作，繼續(xù)往外走，系統(tǒng)接收到越來越多的衛(wèi)星信號(hào)，GDOP值逐漸減小，同樣導(dǎo)致了定位誤差的增大。

本研究為了保證信號(hào)源在室內(nèi)外定位切換時(shí)保持平滑穩(wěn)定，提出了一種優(yōu)化方法[7-10]，即通過找到室內(nèi)外定位精度臨界點(diǎn)的GDOP 值，以此最優(yōu)轉(zhuǎn)化范圍值為閾值，進(jìn)行信號(hào)的平穩(wěn)切換。當(dāng)人們從室外走向室內(nèi)時(shí)，GDOP值會(huì)逐漸增大，當(dāng)GDOP值增加到閾值范圍時(shí)自動(dòng)切換定位方式，這樣的平滑過渡方法可以大大提高系統(tǒng)的定位精度。具體切換方式如圖1所示。

3.2 定位精度優(yōu)化

高定位精度是核心的導(dǎo)航服務(wù)性能需求，提高定位精度也是定位技術(shù)優(yōu)化的關(guān)鍵。除了選擇更加優(yōu)化的算法來實(shí)現(xiàn)高精度的定位之外，還可以設(shè)計(jì)高效的信息融合方案，以提高系統(tǒng)的定位性能。比如以高精度或高可靠性的定位源為基準(zhǔn)，采用緊耦合的方式融合其他定位源以獲得位置的最優(yōu)估計(jì)。此外，還可以選擇目前市場(chǎng)上最新的高精度定位測(cè)向終端產(chǎn)品，比如P3-DU北斗高精度定位測(cè)向接收機(jī)，它不僅可以支持北斗單系統(tǒng)獨(dú)立定位測(cè)向和多系統(tǒng)聯(lián)合定位測(cè)向，還能夠提供厘米級(jí)RTK 定位精度和毫米級(jí)載波相位觀測(cè)值，可以應(yīng)用于交通、農(nóng)林、電力、金融等領(lǐng)域。

4 結(jié)語

多傳感器融合的定位技術(shù)在5G 時(shí)代有著舉足輕重的作用，如何將定位技術(shù)與更多數(shù)字化和智能化的傳感器進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)領(lǐng)域的研究趨勢(shì)。本研究概述了三類多傳感器融合的定位技術(shù)，歸納總結(jié)了三類傳感器組合定位的技術(shù)特點(diǎn)以及定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，分析了當(dāng)前多傳感器融合定位技術(shù)的優(yōu)化方向，即室內(nèi)外無縫定位平滑過渡優(yōu)化和高精度優(yōu)化。