CN105526934B - 一种室内外一体化高精度定位导航***及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信网络技术领域，特别涉及一种室内外一体化高精度定位导航***及其定位方法，包括地图数据构建单元、室内超宽带定位导航单元、室外BD/GPS定位导航单元、室内外定位数据融合单元、中心服务器单元和终端显示单元，室内超宽带定位导航单元用于采用测距模式进行室内空间定位，室外BD/GPS定位导航单元用于通过北斗卫星导航/GPS卫星导航***进行室外空间定位，室内外定位数据融合单元用于判断定位标签是在室内还是室外，根据判断结果智能切换定位模式，对室内外定位方式进行融合。解决了目前大范围区域内人员及物品定位导航存在的难以实现以及精度不高等问题，采用测距模式可以避免大信号干扰以及信号间相互干扰而产生的定位偏差。

Description

一种室内外一体化高精度定位导航***及其定位方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，特别涉及一种室内外一体化高精度定位导航***及其定位方法。

背景技术

随着无线通信网络技术的不断发展，针对人员、物品的位置信息管理的应用软件在人员的定位与导航、货物的标定与追踪等领域已得到了初步应用，但是室内外一体化定位导航***基本还处于空白阶段，由于目前室内定位精度较低、多***融合较差都使得室内外一体化定位导航***应用无法广泛推广。现有的多种定位导航***还存在以下缺点：

(1)室内定位导航精度低，现有WiFi、蓝牙、zigbee等定位技术，但定位精度一般在3米以上；

(2)室内定位导航抗干扰能力差，现有WiFi、蓝牙、zigbee等定位技术，室内定位导航***都是采用信号强度来定位，容易受到外界无线电波的干扰，***稳定性较差；

(3)室内外一体化高精度定位***尚属空白，而且现有的GPS和WiFi一体化的方案实时性、稳定性和精准度都不能满足社会需求。

发明内容

本发明提供了一种室内外一体化高精度定位导航***及其定位方法，采用基于测距模式的超宽带室内定位和室外卫星定位相结合的联合定位方法，并采用智能切换机制，以解决目前大范围区域内人员及物品定位导航存在的难以实现以及精度不高等问题，采用测距模式可以避免大信号干扰以及信号间相互干扰而产生的定位偏差。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种室内外一体化高精度定位导航***，其特征在于：该***包括地图数据构建单元、室内超宽带定位导航单元、室外BD/GPS定位导航单元、室内外定位数据融合单元、中心服务器单元和终端显示单元；

所述地图数据构建单元用于通过加载室外电子地图以及利用三维建模构建室内三维地图场景，来实现地图数据的构建；

所述室内超宽带定位导航单元用于采用测距模式进行室内空间定位，输出室内超宽带定位数据；

所述室外BD/GPS定位导航单元用于通过北斗卫星导航/GPS卫星导航***进行室外空间定位，采用伪距坐标算法计算定位坐标，输出室外BD/GPS定位数据；

所述的室内外定位数据融合单元用于通过对定位标签的实际位置和建筑物的边界位置进行比对，判断出定位标签是在室内还是室外，根据判断结果智能切换定位模式，对室内外定位方式进行融合；

所述中心服务器单元用于通过内置数据提取、解密等单元配合定位引擎算法程序以及相应的应用软件，实现了集数据处理、数据分析、设备管理以及基于位置信息的多种应用功能于一身；

所述终端显示单元用于通过加载的室外电子地图和构建的室内三维地图来实现面向用户的定位信息的呈现。

一种室内外一体化高精度定位导航***的定位方法，其特征在于，按照如下方式实现：

步骤一：首先中心服务器通过对定位标签的实际位置和建筑物的边界位置进行比对，判断定位标签的当前位置是室内还是室外，并将判定的结果数据发送至定位标签，定位标签根据接收到的判定结果数据来选择定位方式；若室内超宽带定位导航单元发送数据至定位基站，则转入步骤二；若室外BD/GPS定位导航单元接收到北斗卫星导航/GPS卫星导航***的信号，则转入步骤三；

步骤二：所述室内超宽带定位导航单元通过持续向周围定位基站发送超宽带脉冲信号，用于实现定位区域的时钟同步，并将时间戳信息发送给定位基站，定位基站将时间戳信息发送给中心服务器，并转入步骤四；

步骤三：所述室外BD/GPS定位导航单元接收卫星信号，根据伪距坐标算法计算出定位标签的坐标，定位标签将坐标发送给中心服务器，并转入步骤四；

步骤四：所述中心服务器若接收到步骤二的数据信息则调用定位引擎，定位引擎根据标签到基站的时间戳信息建立双曲线方程，求解出定位标签的坐标，并转入步骤五；若所述中心服务器接收到步骤三的定位坐标，并转入步骤五；

步骤五：所述中心服务器将步骤四接收到的定位坐标信息发送给终端显示单元，并转入步骤六；

步骤六：所述终端显示单元通过加载的室外电子地图和构建的室内三维地图来实现面向用户的定位信息的呈现，并显示当前位置坐标。

进一步，所述步骤一中的将判定的结果数据发送至定位标签，其中发送数据采用AES128加密算法对数据进行加密。

进一步，所述步骤一中的定位标签根据接收到的判定结果数据来选择定位方式，其中接收的方式采用与加密算法相同的算法对数据进行解密。

进一步，所述步骤三中的定位标签将定位坐标发送给中心服务器，其中发送方式采用GPRS的传输方式，GPRS的传输方式同时采用加密方法对数据进行加密。

进一步，所述步骤三中的伪距是C/A码伪距或者P码伪距。

进一步，所述步骤四中的定位引擎根据标签到基站的时间戳信号建立双曲线方程求解定位标签的坐标，利用chan算法、卡尔曼滤波改进算法以及最小二乘等优化算法进行精准坐标估计，并实现了多种定位算法的优化组合，其算法原理如下：

中心服务器首先将接收到的时间戳信息，也即TDOA(到达时间差)测量值，就可得到定位标签和两个定位基站之间的距离差，以该定位标签坐标到两个定位基站定点坐标的距离差可建立一个双曲线方程，多个TDOA测量值构成一组关于定位标签坐标为参数的双曲线方程组，理论上三个定位基站就可以得到准确的定位标签坐标；由于实际定位时，会受到多种因素的干扰，所以根据信号强度的大小，采用4个以上的定位基站进行定位，将获得一个坐标区域，对多个方程进行估计，所得到的最优估计值就是标签的近似坐标，采用两步最大似然估计的方法得到双曲线方程组的最优解，即得到了最佳估计值，以此坐标来代替定位标签坐标就实现了定位标签的精准位置解算：

①首先在算法处理子单元入口处输入：定位标签ID、超宽带定位基站ID、基于TDOA距离差测量值，由超宽带定位基站ID得到其对应的超宽带定位基站的位置坐标；

②判断TDOA信息数目大于等于4并且相应的定位基站不在一条直线上，若是则进行步骤③，否则返回①；

③通过得到的TDOA距离差测量值和超宽带定位基站ID对应的超宽带定位基站坐标，可以得到一组双曲线方程，建立方程为：h＝G_az_a

其中：

h为距差信息，G_a为TDOA距离差测量值，z_a为超宽带定位基站ID对应的超宽带定位基站坐标；

④当考虑TDOA测量误差时，表达式h-G_az_a的距差误差ψ为：ψ＝h-G_az_a ⁰

距差误差ψ的协方差矩阵φ为：φ＝c²BQB

其中：c为光速，B＝diag{R₂ ⁰,R₃ ⁰,…,R_N ⁰}，Q为TDOA误差的协方差矩阵；

⑤输入距差信息、定位基站的位置坐标、距差误差的协方差矩阵得到Z_a的最大似然估计：

z_a＝(G_a ^Tφ^-1G_a)^-1G_a ^Tφ^-1h

⑥由于B未知，故ψ的协方差矩阵φ也未知，采用两步最大似然估计的方法，故算法根据距离假定目标的远近分为：

a)远距算法，进行第一次WLS估计：

假定目标点很远，这时用Q代替φ，可求得：

z_a＝(G_a ^TQ^-1G_a)^-1G_a ^TQ^-1h

b)近距算法：

利用远距算法求得的Z_a值估算B和φ，并再次利用Z_a的最大似然估计式

z_a＝(G_a ^Tφ^-1G_a)^-1G_a ^Tφ^-1h，可求得Z_a。

⑦估算结果修正算法如下：

远距算法和近距算法对Z_a的估计都是假定x,y和R₁相互独立为前提的，结合(x-x₁)²+(y-y₁)²＝R₁ ²进一步提高定位精度，Z_a表示为[z_a1,z_a2,z_a3]，

z_a1＝x⁰+e₁,z_a2＝y⁰+e₂,z_a3＝r₁ ⁰+e₃,其中e₁,e₂,e₃,是估计误差，将Z_a1和Z_a2分别减去x₁和y₁，再平方可得：

其中，

做加权最小二乘估计，可 得z'_a＝(G'_a ^Tφ'^-1G'_a)^-1G'_a ^Tφ'^-1h'

其中，φ'＝4B'cov(z_a)B',B'＝diag(x-x₁,y-y₁,r₁),cov(z_a)＝(G'_a ^TL'^-1G'_a)^-1

通过加权最小二乘估计可最终得到精确的定位标签坐标。

进一步，所述步骤六中室内三维地图，采用三维激光扫描和倾斜摄影的方法进行前期的数据扫描，并利用3DMAX平台进行数据构建。

进一步，所述定位标签采用的处理器为MPS430处理器。

本发明所产生的有益效果：

本发明利用室内超宽带定位导航技术和室外BD/GPS定位导航技术相结合的方法，采用智能切换模式，实现了室内外一体化的高精度定位导航。采用基于测距模式的超宽带室内定位和室外BD/GPS定位相结合的联合定位方法，并采用智能切换机制，以解决目前大范围区域内人员及物品定位导航存在的难以实现以及精度不高等问题，采用测距模式可以避免大信号干扰以及信号间相互干扰而产生的定位偏差；本发明从室内外大范围的角度，解决了人员、物品多角度立体查询、定位、导航、追踪的功能需求，即以室内外一体化的地图显示当前人员或者物品所在的具***置、以及其在任意时间内的历史轨迹，本发明具有极高的定位精度，室内定位精度为15cm，室外定位精度为3m，从而实现了高精度定位、导航、追踪功能，大幅度的提高了人员或者物品在大范围区域内的管理效率，实现了人员物品的精准管控，实现了高精度的室内外定位导航。

附图说明

图1为室内外一体化高精度定位导航***框架图；

图2为本发明的定位标签结构框图；

图3为本发明的定位基站结构框图；

图4为本发明的BD/GPS的加密传输机制；

图5为本发明的室内外定位数据融合单元的判定机制；

图6为室内外一体化高精度定位导航的方法流程图；

图7为本发明定位引擎算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体的实施例来详细地描述本发明，但本发明的保护范围不限于此：

如图1所示，一种室内外一体化高精度定位导航***，该***包括地图数据构建单元、室内超宽带定位导航单元、室外BD/GPS定位导航单元、室内外定位数据融合单元、中心服务器单元和终端显示单元；

地图数据构建单元用于通过加载室外电子地图以及利用三维建模构建室内三维地图场景，来实现地图数据的构建。构建室内地图的方法为采用三维激光扫描、倾斜摄影等方法进行前期的数据扫描，并利用3DMAX平台进行数据构建，首先利用获取的CAD的矢量数据，根据CAD底图，通过3DMAX对建筑物进行三维建模，最后将建筑物的纹理信息、高度信息整合到3DMAX平台中，完成建筑物内部的场景建模，为使室内外一体化地图平滑过渡在室内地图建模的基础上，完成室内地图模型的编辑、修改及整合，最终得到完整的室内三维地图，并和室外大地图进行平滑放大整合，实现采用鼠标滚轮放大缩小，左键拖动，双击进入建筑物内部地图的功能。

室内超宽带定位导航单元用于采用测距模式进行室内空间定位，输出室内超宽带定位数据。人员以及物品均设有定位标签，采用0.1Hz～100Hz的刷新速率，保证了人员位置信息以及重要物品监管的实时性和可靠性；将电子地图直接载入中心服务器中，并将室内地图与建筑物的地图进行配对，实现室内外地图一体化模式；利用超宽带高精度定位***，采集人员以及物品精确的位置信息，将位置信息在室内地图上显示，实现位置标定，为室内导航路径规划、重点区域的巡查提供精确的参考基准点。定位方式为：由定位标签的室内超宽带部分发送超宽带脉冲信号给周围定位基站，周围定位基站接收到脉冲信号后，计算其到达的时间差也即时间戳信息，并将所得到的信息发送给中心服务器，中心服务器利用定位引擎根据标签到基站的时间戳信号建立双曲线方程求解定位坐标，从而实现室内超宽带定位。

如图2所示，定位标签包括超宽带信号的发送和室外BD/GPS定位导航两大单元，采用同一个处理器MPS430，在MPS430的控制下实现了对两个单元的启动、关闭和模式切换，根据中心服务器的边界判断结果控制智能开启子单元对相应的模式进行切换；定位标签的超宽带定位单元是MPS430处理器发送控制信号给脉冲成型子单元，脉冲成型子单元产生脉冲信号发送给MPS430处理器，MPS430处理器通过室内定位数据加密子单元将脉冲信号加密后，由数据发送子单元将加密后的数据发送给周围定位基站，通过持续向周围定位基站发送信号，定位基站接收到信号后计算到达时间差，并将数据发送给中心服务器，中心服务器通过定位引擎解算出定位坐标，从而实现室内定位；定位标签的室外定位部分是通过BD/GPS定位导航单元不断接收多个卫星信号，通过卫星定位数据解密子单元进行解算得到定位标签的定位坐标信息，并通过GPRS数据传输子单元向中心服务器发送位置信息，来实现室外定位。

定位基站通过发射接收超宽带脉冲信号进行多定位基站同步和全局同步，并且能够接收定位标签所发出的超宽带脉冲信号，从中计算到达时间差，并将所得到的多种信息传送到中心服务器的设备。定位基站分为主定位基站和从定位基站两种，每个定位***包括一个主定位基站和若干从定位基站，每个较大区域设立最初的一个主定位基站，这个主定位基站在接收定位标签发送的时间戳信号的同时，进行每1ms一次的时钟同步信号的广播，为周围的从定位基站进行授时，周围的从定位基站按设定好的定位基站编号进行逐级时钟同步，每个得到校准的从定位基站又按编号向下一级定位基站发送时间同步信号，以此来实现全局时钟同步，另外，从定位基站主要负责接收超宽带脉冲信号，每个定位基站硬件完全一样，通过软件可以任意设定主定位基站和从定位基站，每个定位主定位基站都可以向周围从定位基站进行授时，每1ms进行一次广播保证了时间戳信息的准确性。

如图3所示，MPS430处理器在定位基站中处于主控地位，首先MPS430发送控制信号给脉冲成型子单元，使其产生皮秒级的脉冲信号，产生的脉冲信号被送入时间戳收发子单元，时间戳收发子单元将脉冲信号通过数据加密解密子单元进行数据加密，加密后的脉冲信号通过数据传输子单元和周围的定位基站进行收发脉冲信号；数据传输子单元将接收到的脉冲信号通过数据加密解密子单元进行数据解密，解密后的脉冲信号通过时间戳收发子单元发送给MPS430处理器，MPS430处理器通过时钟同步子单元，并根据接收到脉冲信号实现定位区域的时钟同步，同步后的定位基站就将接收到的定位标签发送的时间戳信息打包发送给中心服务器，中心服务器以此时间戳信息，通过定位引擎子单元，根据定位算法进行坐标解算，并进行估计和优化最终得出定位标签的最优坐标解。

室外BD/GPS定位导航单元用于通过北斗卫星导航/GPS卫星导航***进行室外空间定位，输出室外BD/GPS定位数据；定位标签的室外定位部分通过卫星数据信号接收子单元接收多个卫星信号，采用伪距坐标算法通过伪距坐标计算子单元计算定位坐标，定位标签通过数据加密子单元将数据加密后，通过GPRS数据子传输单元将定位坐标发送给中心服务器，中心服务器将定位坐标发送给终端显示单元，实现室外定位；卫星数据信号接收子单元，包括BD单模接收子单元、GPS单模接收子单元、双模混合接收子单元，通过两种模式卫星信号的接收获得更多的卫星数据保证室外定位的精度；伪距坐标计算子单元采用的计算方法有P码测量、C/A码码测量和测量值优化，GPRS数据子传输单元能够进行数据接收和发送，采用相应的编码校验机制，具有较强的数据纠错的能力。

如图4所示，BD/GPS的加密传输机制，BD/GPS定位导航单元通过卫星数据接收子单元从卫星上接收到数据信号，经过伪距坐标计算得到定位标签的大致位置，位置信息数据首先被寄存在存储器模块，定位标签采用MPS430处理器，MPS430处理器首先和GPRS模块进行应答信号对接，通过CPLD可编程逻辑模块实现对地址总线的控制，并传达控制命令，当数据总线被留出传输线路后，MPS430处理器将寄存在存储器模块的位置信息数据通过GPRS加密子单元加密后，经由SIM经数据上传至中心服务器，SIM和GPRS加密属于GPRS通信控制模块，采用看门狗定时电路模块以避免***错误，大幅增加了***的稳定性。为了能是数据稳定传输，在GPRS数据传输单元采用了电源模块，包括串行通信模块和电平转换模块。串行通信模块确保了了MPS430处理器对卫星定位数据的稳定传输；由于MPS430采用的是低电平逻辑，在***输入输出的电平信号容易出现电平不协调，采用电平转换模块可以有效的保证***内部输入输出电平的有效传输，避免了输入输出电平不协调问题，从而提高了***逻辑的可靠性。

室内外定位数据融合单元用于通过对定位标签的实际位置和建筑物的边界位置进行比对，判断出定位标签是在室内还是室外，根据判断结果智能切换定位模式，对室内外定位方式进行融合。

如图5所示，室内外定位数据融合单元，包括边界判断子单元和智能定位模式开启子单元，其中边界判断子单元分为进入建筑物判定子单元和离开建筑物判定子单元两个方面，进入建筑物判定子单元采用多重区域测算方法来判断定位标签是否进入建筑物，离开建筑物判定子单元采用建筑主要通道坐标检测方式来判断定位标签是否离开建筑物，一旦定位标签进入或离开事先设置的区域范围，如建筑物或者设定的电子围栏，中心服务器通过边界判断子单元对位置坐标进行精准比对，并将判定的结果数据采用加密的模式发送至定位标签，定位标签中的MPS430处理器接收到实时判定信号，根据事先设定的程序通过智能定位模式开启子单元进行定位模式的智能切换与相应模块的开关，以增加定位标签的续航能力。室内外定位数据融合主要采用在中心服务器中在建筑物边界区域加设智能定位模式开启子单元，主要针对定位标签从室外进入室内或者从室内到室外的过程，定位精度在1-3米。进入建筑物时，进入建筑物判定子单元判断定位标签运动方向在进入建筑物的入口方向，边缘区域坐标确定的阈值为5米，进入建筑物区域则开启室内超宽带定位导航单元；离开建筑物时，离开建筑物判定子单元判断定位标签在进出口通道小于50厘米，并且运动方向为离开建筑物时，则开启室外BD/GPS定位导航单元。

中心服务器单元用于通过内置数据提取、解密等单元配合定位引擎算法程序以及相应的应用软件，实现了集数据处理、数据分析、设备管理以及基于位置信息的多种应用功能于一身；中心服务器单元，采用JAVA、C++等技术进行定位数据的处理实现实时坐标的准确提取，包括定位数据处理、地图加载与调用、功能实现和管理，用来实现超宽带定位数据和BD/GPS定位数据的接收，并输出位置坐标，导航追踪的设定，电子围栏的划定、人员物品管理和大数据分析等多种功能。

终端显示单元用于通过加载的室外电子地图和构建的室内三维地图来实现面向用户的定位信息的呈现。通过定位应用软件能够根据定位引擎提供的定位标签的定位坐标在电子地图上标示出来，以无线超宽带定位技术和BD/GPS为核心，实现了定位标签位置显示、实时导航、定位基站管理、定位标签管理和历史轨迹记录等功能。无论何时定位标签最初显示均为大范围地图显示，需要定点显示或者对某个定位标签进行精确追踪时，采用切换机制，采用鼠标滑轮放大缩小地图，双击建筑物则可进入到室内地图，进入后只显示室内地图，但可以调用室外地图加以大范围定位比较，通过对室内外地图统一显示实现。通过室内外一体化的定位导航显示，能够实现人员以及物品的实时精准位置监管、实时运动轨迹显示、重点区域监管、规划路线检测、历史轨迹查询、指定路线导航以及定位标签管理的功能。将定位标签同待定位的人员或物品信息关联，可以实现人员物品的实时监控和实时运动轨迹显示。

一种室内外一体化高精度定位导航***的定位方法，如图6所示，按照如下方式实现：

步骤一：首先中心服务器通过对定位标签的实际位置和建筑物的边界位置进行比对，判断定位标签的当前位置是室内还是室外，并将判定的结果数据发送至定位标签，发送数据采用AES128加密算法对数据进行加密，定位标签采用的处理器为MPS430处理器定位标签根据接收到的判定结果数据来选择定位方式，接收的方式采用与加密算法相同的算法对数据进行解密；若室内超宽带定位导航单元发送数据至定位基站，则转入步骤二；若室外BD/GPS定位导航单元接收到北斗卫星导航/GPS卫星导航***的信号，则转入步骤三。

步骤二：室内超宽带定位导航单元通过持续向周围定位基站发送超宽带脉冲信号，用于实现定位区域的时钟同步，并将时间戳信息发送给定位基站，定位基站将时间戳信息发送给中心服务器，并转入步骤四。

步骤三：室外BD/GPS定位导航单元接收卫星信号，根据伪距坐标算法计算定位坐标，其中伪距是C/A码伪距或者P码伪距，定位标签将定位坐标发送给中心服务器，发送方式采用GPRS的传输方式，GPRS的传输方式同时采用加密方法对数据进行加密，并转入步骤四。

步骤四：中心服务器若接收到步骤二的数据信息则调用定位引擎，定位引擎根据标签到基站的时间戳信息建立双曲线方程，求解处定位坐标，并转入步骤五；若所述中心服务器接收到步骤三的定位坐标，并转入步骤五。

步骤五：中心服务器将步骤四接收到的定位坐标信息发送给终端显示单元，并转入步骤六。

步骤六：终端显示单元通过加载的室外电子地图和构建的室内三维地图来实现面向用户的定位信息的呈现，室内三维地图的构建方法为采用三维激光扫描和倾斜摄影的方法进行前期的数据扫描，并利用3DMAX平台进行数据构建，并显示当前位置坐标。

进一步，步骤四中定位引擎根据标签到基站的时间戳信号建立双曲线方程求解定位坐标，利用chan算法、卡尔曼滤波改进算法以及最小二乘等优化算法进行精准坐标估计，并实现了多种定位算法的优化组合，其算法原理如下：

如图7所示，中心服务器首先将接收到的时间戳信息，也即TDOA(到达时间差)测量值，就可得到定位标签和两个定位基站之间的距离差，以该定位标签坐标到两个定位基站定点坐标的距离差可建立一个双曲线方程，多个TDOA测量值构成一组关于定位标签坐标为参数的双曲线方程组，理论上三个定位基站就可以得到准确的定位标签坐标；由于实际定位时，会受到多种因素的干扰，所以根据信号强度的大小，采用4个以上的定位基站进行定位，将获得一个坐标区域，对多个方程进行估计，所得到的最优估计值就是标签的近似坐标，采用两步最大似然估计的方法得到双曲线方程组的最优解，即得到了最佳估计值，以此坐标来代替定位标签坐标就实现了定位标签的精准位置解算：

⑧首先在算法处理子单元入口处输入：定位标签ID、超宽带定位基站ID、基于TDOA距离差测量值，由超宽带定位基站ID得到其对应的超宽带定位基站的位置坐标；

⑨判断TDOA信息数目大于等于4并且相应的定位基站不在一条直线上，若是则进行步骤③，否则返回①；

⑩通过得到的TDOA距离差测量值和超宽带定位基站ID对应的超宽带定位基站坐标，可以得到一组双曲线方程，建立方程为：h＝G_az_a

其中：

h为距差信息，G_a为TDOA距离差测量值，z_a为超宽带定位基站ID对应的超宽带定位基站坐标；

当考虑TDOA测量误差时，表达式h-G_az_a的距差误差ψ为：ψ＝h-G_az_a ⁰

距差误差ψ的协方差矩阵φ为：φ＝c²BQB

其中：c为光速，B＝diag{R₂ ⁰,R₃ ⁰,…,R_N ⁰}，Q为TDOA误差的协方差矩阵；

输入距差信息、定位基站的位置坐标、距差误差的协方差矩阵得到Z_a的最大似然估计：

z_a＝(G_a ^Tφ^-1G_a)^-1G_a ^Tφ^-1h

由于B未知，故ψ的协方差矩阵φ也未知，采用两步最大似然估计的方法，故算法根据距离假定目标的远近分为：

c)远距算法，进行第一次WLS估计：

假定目标点很远，这时用Q代替φ，可求得：

z_a＝(G_a ^TQ^-1G_a)^-1G_a ^TQ^-1h

d)近距算法：

利用远距算法求得的Z_a值估算B和φ，并再次利用Z_a的最大似然估计式

z_a＝(G_a ^Tφ^-1G_a)^-1G_a ^Tφ^-1h，可求得Z_a。

估算结果修正算法如下：

远距算法和近距算法对Z_a的估计都是假定x,y和R₁相互独立为前提的，结合(x-x₁)²+(y-y₁)²＝R₁ ²进一步提高定位精度，Z_a表示为[z_a1,z_a2,z_a3]，z_a1＝x⁰+e₁,z_a2＝y⁰+e₂,z_a3＝r₁ ⁰+e₃,其中e₁,e₂,e₃,是估计误差，将Z_a1和Z_a2分别减去x₁和y₁，再平方可得：

其中，做加权最小二乘估计，可 得z'_a＝(G'_a ^Tφ'^-1G'_a)^-1G'_a ^Tφ'^-1h'

其中，φ'＝4B'cov(z_a)B',B'＝diag(x-x₁,y-y₁,r₁),cov(z_a)＝(G'_a ^TL'^-1G'_a)^-1

通过加权最小二乘估计可最终得到精确的定位标签坐标。

Claims (1)

1.一种室内外一体化高精度定位导航***的定位方法，其特征在于：该***包括地图数据构建单元、室内超宽带定位导航单元、室外BD/GPS定位导航单元、室内外定位数据融合单元、中心服务器单元和终端显示单元；

所述地图数据构建单元用于通过加载室外电子地图以及利用三维建模构建室内三维地图场景，来实现地图数据的构建；

所述室内超宽带定位导航单元采用超宽带定位模块的测距模式进行室内空间定位，输出室内超宽带定位数据，具有定位和导航功能；

所述室外BD/GPS定位导航单元用于通过北斗卫星导航/GPS卫星导航***进行室外空间定位，采用伪距坐标算法计算定位坐标，输出室外BD/GPS定位数据；

所述的室内外定位数据融合单元用于通过对定位标签的精确实际位置和建筑物的边界位置进行比对，能够准确判断出定位标签是在室内还是室外，根据判断结果智能切换定位模式，对室内外定位方式进行融合；

所述中心服务器单元用于通过内置数据提取、解密等单元配合定位引擎算法程序以及相应的应用软件，实现了集数据处理、数据分析、设备管理以及基于位置信息的多种应用功能于一身；

所述终端显示单元用于通过加载的室外电子地图和构建的室内三维地图来实现面向用户的定位信息的呈现；

所述的定位方法，其特征在于，按照如下方式实现：

步骤一：首先中心服务器通过对定位标签的实际位置和建筑物的边界位置进行比对，判断定位标签的当前位置是室内还是室外，并将判定的结果数据发送至定位标签，定位标签根据接收到的判定结果数据来选择定位方式；若室内超宽带定位导航单元发送数据至定位基站，则转入步骤二；若室外BD/GPS定位导航单元接收到北斗卫星导航/GPS卫星导航***的信号，则转入步骤三；

步骤二：所述室内超宽带定位导航单元通过持续向周围定位基站发送超宽带脉冲信号，用于实现定位区域的时钟同步，并将时间戳信息发送给定位基站，定位基站将时间戳信息发送给中心服务器，并转入步骤四；

步骤三：所述室外BD/GPS定位导航单元接收卫星信号，根据伪距坐标算法计算出定位标签的坐标，定位标签将坐标发送给中心服务器，并转入步骤四；

步骤四：所述中心服务器若接收到步骤二的数据信息则调用定位引擎，定位引擎根据标签到基站的时间戳信息建立双曲线方程，求解出定位标签的坐标，并转入步骤五；若所述中心服务器接收到步骤三的定位坐标，并转入步骤五；

步骤五：所述中心服务器将步骤四接收到的定位坐标信息发送给终端显示单元，并转入步骤六；

步骤六：所述终端显示单元通过加载的室外电子地图和构建的室内三维地图来实现面向用户的定位信息的呈现，并显示当前位置坐标；

步骤一中所述的将判定的结果数据发送至定位标签，其中发送数据采用AES128加密算法对数据进行加密；

步骤一中所述的定位标签根据接收到的判定结果数据来选择定位方式，其中接收的方式采用与加密算法相同的算法对数据进行解密；

步骤三中定位标签将定位坐标发送给中心服务器，其中发送方式采用GPRS的传输方式，GPRS传输数据的同时采用加密方法对数据进行加密；

步骤三中所述的伪距是C/A码伪距或者P码伪距；

步骤四中所述的定位引擎根据标签到基站的时间戳信号建立双曲线方程求解定位标签的坐标，利用chan算法、卡尔曼滤波改进算法以及最小二乘等优化算法进行精准坐标估计，并实现了多种定位算法的优化组合，其算法原理如下：

中心服务器将接收到的时间戳运算处理，得到定位标签信号到达不同定位基站的时间差，即TDOA信息，时间差更进一步转换为距离差，以该定位标签坐标到两个定位基站定点坐标的距离差可建立一个双曲线方程，多个TDOA测量值构成一组关于定位标签坐标为参数的双曲线方程组，理论上三个定位基站就可以得到准确的定位标签坐标；由于实际定位时，会受到多种因素的干扰，所以根据信号强度的大小，采用4个以上的定位基站进行定位，将获得一个坐标区域，对多个方程进行估计，所得到的最优估计值就是标签的近似坐标，采用两步最大似然估计的方法得到双曲线方程组的最优解，即得到了最佳估计值，此最佳估计值即为定位标签的位置：

①首先在算法处理子单元入口处输入：定位标签ID、超宽带定位基站ID、基于TDOA距离差测量值，由超宽带定位基站ID得到其对应的超宽带定位基站的位置坐标；

②判断TDOA信息数目是否大于等于4并且相应的定位基站不在一条直线上，若是则进行步骤③，否则返回①；

③通过得到的TDOA距离差测量值和超宽带定位基站ID对应的超宽带定位基站坐标，可以得到一组双曲线方程，建立方程为：h＝G_az_a

其中：

z_a＝[x,y,R₁]^T；

h为距差信息，G_a为TDOA距离差测量值，z_a为超宽带定位基站ID对应的超宽带定位基站坐标；

④当考虑TDOA测量误差时，表达式h-G_az_a的距差误差ψ为：ψ＝h-G_az_a ⁰距差误差ψ的协方差矩阵φ为：φ＝c²BQB

其中：c为光速，B＝diag{R₂ ⁰,R₃ ⁰,…,R_N ⁰}，Q为TDOA误差的协方差矩阵；

⑤输入距差信息、定位基站的位置坐标、距差误差的协方差矩阵得到Z_a的最大似然估计：z_a＝(G_a ^Tφ^-1G_a)^-1G_a ^Tφ^-1h

⑥由于B未知，故ψ的协方差矩阵φ也未知，采用两步最大似然估计的方法，故算法根据距离假定目标的远近分为：

a)远距算法，进行第一次WLS估计：

假定目标点很远，这时用Q代替φ，可求得：

z_a＝(G_a ^TQ^-1G_a)^-1G_a ^TQ^-1h

b)近距算法：

利用远距算法求得的Z_a值估算B和φ，并再次利用Z_a的最大似然估计式z_a＝(G_a ^Tφ^-1G_a)^{- 1}G_a ^Tφ^-1h，可求得Z_a；

⑦估算结果修正算法如下：

远距算法和近距算法对Z_a的估计都是假定x,y和R₁相互独立为前提的，结合(x-x₁)²+(y-y₁)²＝R₁ ²进一步提高定位精度，Z_a表示为[z_a1,z_a2,z_a3]，z_a1＝x⁰+e₁,z_a2＝y⁰+e₂,z_a3＝r₁ ⁰+e₃,其中e₁,e₂,e₃,是估计误差，将Z_a1和Z_a2分别减去x₁和y₁，再平方可得：

其中，

做加权最小二乘估计，可得

其中，φ'＝4B'cov(z_a)B',B'＝diag(x-x₁,y-y₁,r₁),

通过加权最小二乘估计可最终得到精确的定位标签坐标；

步骤六中所述的室内三维地图，采用三维激光扫描和倾斜摄影的方法进行前期的数据扫描，并利用3DMAX平台进行数据构建；

所述的定位标签采用的处理器为MPS430处理器。

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