基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位方法及系统，包括：获取控制点的位置信息；将t时刻采集到的东方向和北方向的惯性导航系统INS的位置误差和速度误差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器的状态向量；当GNSS数据可用时，以控制点到GNSS之间距离的估计值与控制点到INS参考节点之间距离的估计值的平方差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器观测向量；当GNSS数据不可用时，以控制点到UWB参考节点之间距离的估计值与控制点到INS参考节点之间距离的估计值的平方差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器观测向量；基于状态向量和观测向量，利用自适应迭代扩展卡尔曼滤波器进行滤波，得到控制点与导航卫星或者控制点与UWB定位基站之间的距离。定位基站之间的距离。定位基站之间的距离。

【技术实现步骤摘要】
基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位方法及系统


[0001]本专利技术涉及复杂环境下GNSS/INS/UWB融合定位
，尤其涉及一种基于自适应迭代EKF(扩展卡尔曼滤波器)的施工现场控制点定位方法及系统。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。
[0003]近年来，随着科学技术的发展，复杂的建筑工程技术的研究与应用取得了长足的进步，这其中就包括施工现场控制点的精确定位。控制点是做为施工控制的测量坐标点，在建筑工程的施工阶段，必须进行各种测量以保障建筑工程项目的高质量实施。如已知长度的测量、已知角度的测量、建筑细节点的平面测量及建筑物细节点的位置测量等。而施工现场控制点的准确定位测量是高质量地完成这些测量工作的重要前提。
[0004]在现有的定位方式中，全球卫星导航系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)是最为常用的一种方式。虽然GNSS能够通过精度持续稳定的位置信息，但是其易受电磁干扰、遮挡等外界环境影响的缺点限制了其应用范围，特别是在室内、地下巷道等一些密闭的空间，或者大雾等环境复杂的场景，GNSS信号被严重遮挡，无法进行有效的工作。近年来，在短距离局部定位领域，超宽带(UltraWideBand，UWB)技术得到了广泛应用。UWB技术是一种无线载波通信技术，其不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽，故被称作超宽带技术。UWB技术具有系统复杂度低，发射信号功率谱密度较低，对信道的衰弱不敏感，定位精度较高等优点。
[0005]现有技术提出将基于UWB的目标跟踪应用于GNSS失效环境下的施工现场控制点的定位。这种方式虽然能够实现施工现场控制点的定位，但是由于施工现场环境复杂多变，UWB信号十分容易受到干扰而导致定位精度下降甚至失锁；与此同时，由于UWB采用的通信技术通常为短距离无线通信技术，因此若想完成大范围的施工现场控制点的定位，需要大量的网络节点共同完成，这必将引入网络组织结构优化设计、多节点多簇网络协同通信等一系列问题。因此现阶段基于UWB的施工现场控制点的定位仍旧面临很多挑战。
[0006]随着技术的发展，卡尔曼滤波器(KF)已被广泛用于数据融合领域。需要指出的是，卡尔曼滤波器仅适用于线性模型。为了保障系统在处理非线性问题时仍能具有良好的性能，扩展卡尔曼滤波器(EKF)应运而生。然而，尽管扩展卡尔曼滤波器能够适用于非线性系统，但由一阶泰勒展开而引起的截断误差仍然会影响最终的滤波精度。
[0007]在导航模型方面，目前在建筑工程领域应用较多的为松组合导航模型，因此，该模型具有容易实现的优点。但是，该模型的实现需要参与组合导航的多种技术能够独立的完成导航定位，并且每种技术的导航信息都可以提升导航定位系统的定位精度。现有技术在定位精度上还有很大的进步空间，这种情况在GNSS信号不佳时尤为明显。

技术实现思路

[0008]为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位方法及系统，基于期望最大化的IEKF前向滤波器和R
‑
T
‑
S(Rauch
‑
Tung
‑
Striebel)后向平滑器的AIEKF算法，可以紧密融合INS、GNSS和UWB的距离参数实现控制点的定位。
[0009]在一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0010]一种基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位方法，包括：
[0011]通过GNSS获取施工现场控制点到卫星的距离；通过UWB获取施工现场控制点到UWB参考节点之间距离，通过INS获取控制点的位置信息；
[0012]将t时刻采集到的东方向和北方向的惯性导航系统INS的位置误差和速度误差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器的状态向量；
[0013]当GNSS数据可用时，以控制点到GNSS之间距离的估计值与控制点到INS参考节点之间距离的估计值的平方差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器观测向量；
[0014]当GNSS数据不可用时，以控制点到UWB参考节点之间距离的估计值与控制点到INS参考节点之间距离的估计值的平方差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器观测向量；
[0015]基于所述状态向量和观测向量，利用自适应迭代扩展卡尔曼滤波器进行滤波，得到控制点与导航卫星或者控制点与UWB定位基站之间的距离，从而实现控制点的定位。
[0016]在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0017]一种基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位系统，包括：
[0018]用于获取施工现场控制点到卫星的距离的GNSS；用于获取施工现场控制点到UWB参考节点之间距离的UWB，用于获取控制点的位置信息的INS；
[0019]用于将t时刻采集到的东方向和北方向的惯性导航系统INS的位置误差和速度误差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器的状态向量的装置；
[0020]用于当GNSS数据可用时，以控制点到GNSS之间距离的估计值与控制点到INS参考节点之间距离的估计值的平方差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器观测向量；当GNSS数据不可用时，以控制点到 UWB参考节点之间距离的估计值与控制点到INS参考节点之间距离的估计值的平方差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器观测向量的装置；
[0021]用于基于所述状态向量和观测向量，利用自适应迭代扩展卡尔曼滤波器进行滤波，得到控制点与导航卫星或者控制点与UWB定位基站之间的距离，从而实现控制点的定位的装置。
[0022]在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0023]一种终端设备，其包括处理器和存储器，处理器用于实现各指令；存储器用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位方法。
[0024]在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
[0025]一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位方法。
[0026]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0027](1)本专利技术方法在位置误差、速度误差的基础上，构建相应的状态方程；根据GNSS数据是否可用，构建相对应的观测方程，即当GNSS 数据可用时，使用GNSS数据作为测量值；
当GNSS数据不可用时，使用UWB数据作为测量值；通过GNSS/INS/UWB三者的融合，能够有效解决因为复杂环境场景下由于遮挡导致的GNSS数据获取不准确的问题，有效提高系统的定位精度。
[0028](2)本专利技术改进的自适应迭代扩展卡尔曼滤波器算法，通过噪声统计的自适应更新，提供准确的噪声统计数据，能够提高噪声统计的精度，从而提升系统性能。
[0029](3)本专利技术通过计算马氏距离(Mahalanobis距离)确定迭代是否终止本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位方法，其特征在于，包括：通过GNSS获取施工现场控制点到卫星的距离；通过UWB获取施工现场控制点到UWB参考节点之间距离，通过INS获取控制点的位置信息；将t时刻采集到的东方向和北方向的惯性导航系统INS的位置误差和速度误差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器的状态向量；当GNSS数据可用时，以控制点到GNSS之间距离的估计值与控制点到INS参考节点之间距离的估计值的平方差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器观测向量；当GNSS数据不可用时，以控制点到UWB参考节点之间距离的估计值与控制点到INS参考节点之间距离的估计值的平方差作为自适应迭代扩展卡尔曼滤波器观测向量；基于所述状态向量和观测向量，利用自适应迭代扩展卡尔曼滤波器进行滤波，得到控制点与导航卫星或者控制点与UWB定位基站之间的距离，从而实现控制点的定位。2.如权利要求1所述的一种基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位方法，其特征在于，所述自适应迭代扩展卡尔曼滤波器的状态向量具体为：其中，(δPx
t
‑1,δPy
t
‑1)为t
‑
1时刻的东方向和北方向的惯性导航系统的位置误差，(δVx
t
‑1,δVy
t
‑1)为t
‑
1时刻的东方向和北方向的惯性导航系统的速度误差；为东方向和北方向上t时刻的惯性导航系统的位置误差的预测值，为东方向和北方向上t时刻的惯性导航系统的速度误差的预测值；ΔT是系统的采样周期，w
t
为系统噪声，其协方差矩阵为Q，X
t
‑1为t
‑
1时刻的状态向量，A是系统矩阵。3.如权利要求1所述的一种基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位方法，其特征在于，当GNSS数据可用时，自适应迭代扩展卡尔曼滤波器观测向量具体为：其中，表示测量噪声，其协方差矩阵为R；分别表示的是控制点到卫星的距离估计值，表示的是控制点和INS参考节点之间距离的估计值，g表示卫星的数量；是t时刻控制点到INS参考节点之间距离的估计值与t时刻控制点到卫星的距离估计值的平方差。4.如权利要求1所述的一种基于自适应迭代EKF的施工现场控制点定位方法，其特征在于，当GNSS数据不可用时，自适应迭代扩展卡尔曼滤波器观测向量具体为：
其中，表示测量噪声，其协方差矩阵为R；表示的是控制点和UWB参考节点之间距离的估计值，表示的是控制点和INS参考节点之间距离的估计值，g表示卫星的数量；是t时刻控制点到INS参考节点之间距离的估计值与t时刻控控制点和UWB参考节点之间距离的估计值的平方差。5.如权利要求1所述的一种基于自适应迭代EKF的施工现场控制...

【专利技术属性】
技术研发人员：张文一，周茂祥，张国燕，姚元华，翁程亮，刘元强，荆霖，潘光科，周建国，朱昊清，徐元，李晨曦，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：