一种室内外无缝定位系统及其定位方法技术方案

本发明专利技术公开了一种室内外无缝定位系统，包括室外定位模块、室内定位模块、室内外定位融合切换模块以及定位结果显示模块；室外定位模块的信号输出端、室内定位模块的信号输出端与室内外定位融合切换模块的信号输入端连接，室内外定位融合切换模块的信号输出端与定位结果显示模块的信号输入端连接。本发明专利技术有效将室内室外两种定位方式结合了起来。

【技术实现步骤摘要】
一种室内外无缝定位系统及其定位方法
本专利技术属于定位
，具体涉及一种室内外无缝定位系统及其定位方法。
技术介绍
随着通信和导航定位技术的迅速发展，人们对基于位置信息的服务LBS(LocationBasedServices)的需求也不断提高，在未来的LBS中必定要求定位服务不会随着位置的变化而中断，这就要求对用户的定位服务不会因该室内外的位置变化而出现定位失败的问题，需要实现两种定位环境的无缝切换。室外环境下，全球定位系统、北斗卫星导航系统等全球导航卫星系统能够为终端用户提供高精度的位置信息，但是在室内环境下，由于受墙体的阻挡影像，卫星信号会被严重衰减而无法用于室内的定位和导航。针对室内环境的定位问题，当前具有代表性的室内定位技术主要包括：射频识别定位、蓝牙定位、Wi-Fi定位、磁场定位、超宽带定位、激光定位、LED可见光定位、音频定位和视觉定位等，但是仍然有许多问题需要解决，比如：系统定位复杂度高、实现成本高、精度差等。同时，由于室外环境的定位是基于卫星导航系统的绝对位置信息的定位方式，而室内环境的定位是基于定位系统构建的坐标系下的相对位置信息的定位方式，因此如何有效的将两种结合起来仍是目前工程应用的难点。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术公开了一种室内外无缝定位系统及其定位方法，有效将室内室外两种定位方式结合了起来。具体方案如下：一种室内外无缝定位系统，其特征在于，包括室外定位模块、室内定位模块、室内外定位融合切换模块以及定位结果显示模块；室外定位模块的信号输出端、室内定位模块的信号输出端与室内外定位融合切换模块的信号输入端连接，室内外定位融合切换模块的信号输出端与定位结果显示模块的信号输入端连接；所述室外定位模块包括GNSS定位模块、INS定位模块和室外定位融合模块，所述GNSS定位模块用于接收卫星定位观测数据，并将GNSS信号定位数据输出给室外定位融合模块处理；所述INS定位模块用于采集惯性测量数据，并将惯性测量数据输出给室外定位融合模块处理；所述室外定位融合模块用于通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，将得到的室外定位数据输出给室内外定位融合切换模块处理；所述室内定位模块包括激光雷达定位模块、UWB定位模块和室内定位融合模块，所述激光雷达定位模块用于绘制室内点云数据，并将估算的激光雷达定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述UWB定位模块通过测距信息估计定位数据，并将估算的UWB定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述室内定位融合模块用于通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，将得测量到的室内定位数据输出给室内外定位融合切换模块处理；所述室内外定位融合切换模块通过对GNSS定位模块接收到的卫星数量进行判断，判断出待定位目标所在的位置区域；所述定位结果显示模块通过加载的室外电子地图和构建的室内三维地图实现待定位目标的定位信息的呈现。作为本专利技术的进一步改进，所述的一种室内外无缝定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：所述室内外定位融合切换模块通过对GNSS定位模块接收到的卫星数量进行判断，判断出待定位目标所在的位置区域，对所述位置区域进行区域识别，得到区域识别结果，当GNSS定位模块接收到的卫星数量大于4颗时，所述区域识别结果为室外区域，所述待定位目标的定位模式为室外定位模式，并转入步骤2；当GNSS定位模块接收到的卫星数量不大于4颗时，所述区域识别结果为室内区域，所述待定位目标的定位模式为室内定位模式，并转入步骤3；步骤2：所述GNSS定位模块接收卫星定位观测数据，输出GNSS信号定位数据给室外定位融合模块处理；所述INS定位模块采集惯性测量数据，输出惯性测量数据给室外定位融合模块处理；所述室外定位融合模块通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，输出室外定位数据，并转入步骤4；步骤3：所述激光雷达定位模块绘制室内点云数据，并将估算的激光雷达定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述UWB定位模块通过测量UWB基站到待定位目标的距离解算出待定位目标的定位数据，将估算的UWB定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述室内定位融合模块用于通过采用基于粒子滤波器的方式，建立基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，输出室内定位数据，并转入步骤4；步骤4：所述室内外定位融合切换模块通过室内外绝对位置解算算法实现室外和室内定位方式的融合、切换和集成，完成室内外的平滑过渡；步骤5：所述定位结果显示模块根据所述区域识别结果显示待定位目标的定位信息，当所述区域识别结果为室外区域时，通过加载的室外电子地图实时显示室内外定位融合切换模块输出的待定位目标的定位信息；当所述区域识别结果为室内区域时，通过构建的室内三维地图实时显示室内外定位融合切换模块输出的待定位目标的定位信息；返回步骤1。作为本专利技术的进一步改进，所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤2中所述的基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，为GNSS/INS紧组合导航定位算法，所述融合模型的状态方程由GNSS定位模块的时钟误差和INS定位模块系统误差共同组成，可以表示为：所述INS定位模块的状态向量：过程噪声向量：WSINS(t)＝[wgx，wgy，wgz，wax，way，waz]T式中，为三个平台误差角，δVE、δVN、δVU分别为东、北、天三个方向的速度误差，δL、δλ、δh分别为纬度、经度和高度误差，∈gx、εgy、εgz分别为沿b系三个轴向的陀螺常值零偏，分别为沿b系三个轴向的加速度计常值零偏，wgi、wai(i＝x，y，z)分别为载体体系三个轴向的陀螺零均值白噪声和加速度计零均值白噪声；所述GNSS定位模块的系统矩阵：过程噪声矩阵：式中，式中，ωie为地球自转角速度，L为纬度，λ为经度，h为高度，RM和RN别为地球子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半径，VE、VN、VU分别为东、北、天三个方向的速度，fi、分别表示比力和加速度计零偏在地理坐标系中东北天向的分量，θ、γ、分别为载体的俯仰角、横滚角和航向角；所述GNSS定位模块的状态向量：XGNSS(t)＝[δtu，δtru]T过程噪声向量：WGNSS(t)＝[wtu，wtru]T式中，δtu为钟差等效距离误差，δtru为钟漂等效距离变化率误差，wtu、wtru分别为钟差等效距离和钟漂等效距离变化率对应的白噪声；所述GNSS定位模块的系统矩阵：过程噪声矩阵：式中，βtru为一阶马尔可夫过程的反相关时间；所述融合模型的卡尔曼滤波器的观测采用基于伪距、伪距率紧耦合组合的量测方程：式中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种室内外无缝定位系统，其特征在于，包括室外定位模块、室内定位模块、室内外定位融合切换模块以及定位结果显示模块；所述室外定位模块和室内定位模块的信号输出端均与室内外定位融合切换模块的信号输入端连接，所述室内外定位融合切换模块的信号输出端与定位结果显示模块的信号输入端连接；/n所述室外定位模块包括GNSS定位模块、INS定位模块和室外定位融合模块，所述GNSS定位模块用于接收卫星定位观测数据，并将GNSS信号定位数据输出给室外定位融合模块处理；所述INS定位模块用于采集惯性测量数据，并将惯性测量数据输出给室外定位融合模块处理；所述室外定位融合模块用于通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，将得到的室外定位数据输出给室内外定位融合切换模块处理；/n所述室内定位模块包括激光雷达定位模块、UWB定位模块和室内定位融合模块，所述激光雷达定位模块用于绘制室内点云数据，并将估算的激光雷达定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述UWB定位模块通过测距信息估计定位数据，并将估算的UWB定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述室内定位融合模块用于通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，将得测量到的室内定位数据输出给室内外定位融合切换模块处理；/n所述室内外定位融合切换模块通过对GNSS定位模块接收到的卫星数量进行判断，判断出待定位目标所在的位置区域；/n所述定位结果显示模块通过加载的室外电子地图和构建的室内三维地图实现待定位目标的定位信息的呈现。/n...

【技术特征摘要】
1.一种室内外无缝定位系统，其特征在于，包括室外定位模块、室内定位模块、室内外定位融合切换模块以及定位结果显示模块；所述室外定位模块和室内定位模块的信号输出端均与室内外定位融合切换模块的信号输入端连接，所述室内外定位融合切换模块的信号输出端与定位结果显示模块的信号输入端连接；
所述室外定位模块包括GNSS定位模块、INS定位模块和室外定位融合模块，所述GNSS定位模块用于接收卫星定位观测数据，并将GNSS信号定位数据输出给室外定位融合模块处理；所述INS定位模块用于采集惯性测量数据，并将惯性测量数据输出给室外定位融合模块处理；所述室外定位融合模块用于通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，将得到的室外定位数据输出给室内外定位融合切换模块处理；
所述室内定位模块包括激光雷达定位模块、UWB定位模块和室内定位融合模块，所述激光雷达定位模块用于绘制室内点云数据，并将估算的激光雷达定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述UWB定位模块通过测距信息估计定位数据，并将估算的UWB定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述室内定位融合模块用于通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，将得测量到的室内定位数据输出给室内外定位融合切换模块处理；
所述室内外定位融合切换模块通过对GNSS定位模块接收到的卫星数量进行判断，判断出待定位目标所在的位置区域；
所述定位结果显示模块通过加载的室外电子地图和构建的室内三维地图实现待定位目标的定位信息的呈现。


2.根据权利要求1所述的一种室内外无缝定位系统的定位方法，其特征在于,包括以下步骤：
步骤1：所述室内外定位融合切换模块通过对GNSS定位模块接收到的卫星数量进行判断，判断出待定位目标所在的位置区域，对所述位置区域进行区域识别，得到区域识别结果，当GNSS定位模块接收到的卫星数量大于4颗时，所述区域识别结果为室外区域，所述待定位目标的定位模式为室外定位模式，并转入步骤2；当GNSS定位模块接收到的卫星数量不大于4颗时，所述区域识别结果为室内区域，所述待定位目标的定位模式为室内定位模式，并转入步骤3；
步骤2：所述GNSS定位模块接收卫星定位观测数据，输出GNSS信号定位数据给室外定位融合模块处理；所述INS定位模块采集惯性测量数据，输出惯性测量数据给室外定位融合模块处理；所述室外定位融合模块通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，输出室外定位数据，并转入步骤4；
步骤3：所述激光雷达定位模块绘制室内点云数据，并将估算的激光雷达定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述UWB定位模块通过测量UWB基站到待定位目标的距离解算出待定位目标的定位数据，将估算的UWB定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述室内定位融合模块用于通过采用基于粒子滤波器的方式，建立基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，输出室内定位数据，并转入步骤4；
步骤4：所述室内外定位融合切换模块通过室内外绝对位置解算算法实现室外和室内定位方式的融合、切换和集成，完成室内外的平滑过渡；
步骤5：所述定位结果显示模块根据所述区域识别结果显示待定位目标的定位信息，当所述区域识别结果为室外区域时，通过加载的室外电子地图实时显示室内外定位融合切换模块输出的待定位目标的定位信息；当所述区域识别结果为室内区域时，通过构建的室内三维地图实时显示室内外定位融合切换模块输出的待定位目标的定位信息；返回步骤1。


3.根据权利要求2所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤2中所述的基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，为GNSS/INS紧组合导航定位算法，所述融合模型的状态方程由GNSS定位模块的时钟误差和INS定位模块系统误差共同组成，可以表示为：



所述INS定位模块的状态向量：



过程噪声向量：
WSINS(t)＝[wgx，wgy，wgz，wax，way，waz]T
式中，为三个平台误差角，δVE、δVN、δVU分别为东、北、天三个方向的速度误差，δL、δλ、δh分别为纬度、经度和高度误差，∈gx、εgy、εgz分别为沿b系三个轴向的陀螺常值零偏，分别为沿b系三个轴向的加速度计常值零偏，wgi、wai，其中i＝x，y，z；分别为载体体系三个轴向的陀螺零均值白噪声和加速度计零均值白噪声；
所述GNSS定位模块的系统矩阵：



过程噪声矩阵：



式中，













F31＝03×3，






式中，wie为地球自转角速度，L为纬度，λ为经度，h为高度，RM和RN别为地球子午圈曲率半径和卯酉圈曲率半...

【专利技术属性】
技术研发人员：王庆，刘鹏飞，张欢，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32