一種基于uwb、rfid、ins多源聯合定位技術的定位系統及定位方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于UWB、RFID、INS多源聯合定位技術的定位系統及定位方法，包括定位終端、UWB定位模塊、RFID定位模塊、INS定位模塊；UWB定位模塊向定位終端發送UWB信號，判斷定位終端轉發回來的UWB信號是否滿足預設的定位要求，如果滿足，則采用TDOA和AOA定位估計中的相關算法獲取定位終端的位置；否則，則采用RFID定位技術和INS定位技術獲取所述定位終端的位置。本發明為室內突發狀況的救援活動提供了可靠地定位服務，節約了救援時間，提高了救援活動的成功率，在公共安全領域可以廣泛應用。
【專利說明】
一種基于UWB、RF ID、I NS多源聯合定位技術的定位系統及定位 方法
技術領域
[00011本發明涉及一種基于UWB、RFID、INS多源聯合定位技術的定位系統及定位方法，屬 于公共安全以及空間定位技術領域。
【背景技術】
[0002] 在日益現代化的社會中，人們生活的信息化及智能化程度日新月異。隨著經濟的 發展，還出現了大量集餐飲、購物、娛樂等功能于一體的大型便民場所、娛樂場所、購物場 所、工作場所等一系列人口密集區域。對于這類特定環境來說，人員密度較大，環境結構復 雜，人們對該區域的認識有限，一旦發生險情，處于該環境內的人員容易驚惶失措、盲目逃 生，不僅人身安全受到極大威脅而且還會造成極大的經濟損失。同時，復雜的室內環境構造 也給救援活動造成了負擔。進行救援活動時，確保救援人員的安全也是一項十分重要的任 務，因此對事故源或者救援人員的準確位置獲取顯得尤為重要。
[0003] 目前，已有的室內外導航定位技術按照其定位機制的不同主要分為:基于全球定 位系統的定位技術、基于ZigBee的定位技術、基于射頻標簽的定位技術、基于無線局域網絡 的定位技術、基于慣性導航系統的定位技術等。
[0004] -、基于全球定位系統的定位技術
[0005] 在大尺度定位方面，全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System， GNSS)涵蓋了這個領域包括全球的、區域的和增強在內的所有衛星導航系統，如美國的全球 定位系統(GPS)、俄羅斯的格洛納斯衛星系統(Glonass)、歐洲的伽利略(Galileo)、中國的 北斗衛星導航系統(Compass)，以及相關的增強系統，如美國的廣域增強系統(WAAS)、歐洲 的靜地導航重疊系統(EGN0S)和日本的多功能運輸衛星增強系統(MSAS)等，還涵蓋在建和 以后要建設的其他衛星導航系統。其中，GPS系統尤其得到了廣泛的應用，可以實現導航、定 位、授時等功能。但由于建筑內部接收不到GPS系統信號，所以不能直接采用GPS系統解決建 筑內人員定位問題。
[0006] 二、基于ZigBee的定位技術
[0007] ZigBee是一種新興的短距離、低成本的無線網絡技術，其優點是降低了系統的復 雜度、功耗和數據速率，主要用于短距離無線連接。應用到定位中，需要在定位環境中構建 眾多的zigbee節點，由定位目標攜帶移動節點，方能在各個環境中實現對目標的定位。這種 方法的主要缺點是定位精度差、依賴于布設定位節點的數量和位置，但架設難點多，傳輸距 離較近等問題，因此這種系統實際應用的較少。
[0008] 三、基于WiFi的定位技術
[0009] WiFi定位的主要原理是，通過偵測附近周圍所有AP的MAC地址，發送到相關位置服 務器上，服務器通過MAC地址的坐標，計算出所在地。客戶端只需要偵聽周圍有哪些AP，檢測 每個AP信號的強弱，發送給定位服務器，服務器根據這些信息，查詢每個AP在數據庫中記錄 的坐標，通過計算，就能得出客戶端的具體位置。因此，客戶端偵聽到的AP信號越多，定位就 會越精確。但大范圍部署AP成本較高，且需要有源客戶端設備，維護工作量大。定位精確度 室內可達到l〇m，與我們理想情況略有偏差。
[0010] UWB無線電技術在短距離精確定位方面具有獨特的優勢，通常采用功率譜密度極 低、脈沖寬度極窄的基帶脈沖來攜帶信息，時間分辨率極高，具有穿透樹木、墻壁等障礙物 的能力和天生的抗多徑能力。
[0011 ] 射頻識別（Radio Frequency Identification,RFID)技術，又稱無線射頻識別，可 通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，無需識別系統與特識別目標之間建立機械 或光學接觸，可以在室內達到1-3米的定位精確度。隨著社會經濟的發展，RFID技術被廣泛 應用于自動收費和生產制造、物流、門禁系統、圖書管理、供應鏈、動物和車輛識別等領域。 因此人口密集的各種大型場所一般都有預先鋪設好的的RFID設備，可以直接應用，無需其 他的額外支出。
[0012] 慣性導航系統（Inertial Navigation System, INS)也稱作慣性參考系統，是一種 不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統。其工作環境不僅包括空中、地 面，還可以在水下。慣性導航的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣 性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航 坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。

【發明內容】

[0013] 針對現有技術的不足，本發明提供了一種基于UWB、RFID、INS多源聯合定位技術的 定位系統；
[0014] 本發明還提供了上述定位系統的定位方法；
[0015] 本發明在室內采用UWB定位技術進行定位，根據檢測到的UWB信號能否達到準確定 位的要求，決定是否切換至RFID定位技術定位，并采用INS定位技術對RFID定位結果進行修 正，實現室內無縫精確定位。
[0016] 本發明的技術方案為：
[0017] 一種基于UWB、RFID、INS多源聯合定位技術的定位系統，包括定位終端、UWB定位模 塊、RFID定位模塊、INS定位模塊；
[0018 ]所述UWB定位模塊向所述定位終端發送UWB信號，判斷所述定位終端轉發回來的 UWB信號是否滿足預設的定位要求，如果滿足，則采用TD0A和Α0Α定位估計中的相關算法獲 取所述定位終端的位置;否則，則采用RFID定位技術和INS定位技術獲取所述定位終端的位 置。
[0019] 根據本發明優選的，所述定位終端內嵌UWB信號變頻轉發模塊、信息處理單元、可 更換的RFID射頻標簽及INS慣性測量單元;所述UWB定位模塊包括不少于2個移動參考基站， 每個移動參考基站均架設一個UWB信號收發機；
[0020] 每個移動參考基站發送的UWB信號頻率相同，接收頻段固定;移動參考基站發射不 同頻率的UWB信號，定位終端接收UWB信號，并將接收到的UWB信號發送至信息處理單元，與 此同時，還通過所述UWB信號變頻轉發模塊對UWB信號變頻，變頻后的UWB信號返回至對應頻 段的移動參考基站；
[0021] INS慣性測量單元測量定位終端的加速度、角度、經度、煒度和高度，將測量得到的 物理信息發送至所述信息處理單元，所述信息處理單元將測量得到的物理信息編碼到UWB 信號中，并通過所述UWB信號變頻轉發模塊將UWB信號轉發到所述UWB信號收發機。
[0022] RFID射頻標簽是一個可更換模塊，可以根據具體應用場所選擇對應可識別的RFID 標簽。
[0023]根據本發明優選的，所述INS慣性測量單元包括三軸數字加速度計、三軸數字羅 盤、三軸數字陀螺儀。
[0024]上述定位系統的定位方法，具體步驟包括：
[0025] (1)每個移動參考基站向所述定位終端發射不同頻率的UWB信號，即以UWB基帶脈 沖為基礎的載波調制?目號；
[0026] (2)所述定位終端接收UWB信號，并將接收到的UWB信號發送至所述信息處理單元， 與此同時，還通過所述UWB信號變頻轉發模塊對UWB信號變頻，變頻后的UWB信號返回至對應 頻段的移動參考基站；
[0027] (3)判斷所述定位終端返回的變頻后的UWB信號是否滿足預設的定位要求，如果滿 足，進入步驟(4)，否則，進入步驟(5);
[0028] (4)所述移動參考基站從返回的步驟(3)所述的變頻后的UWB信號中檢測與發射的 UWB信號的時間差，將檢測到的時間差及所述的變頻后的UWB信號發送到指揮控制中心，指 揮控制中心采用TD0A和Α0Α定位估計中的相關算法來計算雙程傳播時延，對雙程傳播時延 進行定標處理，得到所述定位終端的位置信息；
[0029] (5)采用RFID定位技術和INS定位技術獲取所述定位終端的位置。
[0030]根據本發明優選的，所述步驟（5)中，定位場所設有若干個RFID閱讀器及一臺主 機，主機與若干個RFID閱讀器通信，具體步驟包括：
[0031] a、通過所述主機獲取若干個RFID閱讀器的位置信息，并通過所述RFID閱讀器檢測 所述定位終端的RFID射頻標簽，獲取到標簽信息，將標簽信息傳送到主機，指揮控制中心調 用主機中的標簽信息，采用TD0A定位算法對標簽信息進行處理，對處理后的數據進行定標， 獲取所述定位終端的位置信息；
[0032] b、所述INS慣性測量單元測量所述定位終端的加速度、角度、經度、煒度和高度，將 測量得到的物理信息發送至所述信息處理單元，所述信息處理單元將測量得到的物理信息 編碼到UWB信號中，并通過所述UWB信號變頻轉發模塊將UWB信號轉發到所述UWB收發機，經 過卡爾曼濾波器，將物理信息利用聯邦卡爾曼濾波估計算法進行數據融合，計算得出準確 的所述定位終端的位置信息。
[0033] 根據本發明優選的，所述步驟(3)，具體步驟包括：
[0034] c、設定所述定位終端返回的變頻后的UWB信號在t時刻的信號值為y(t)，計算以下 參量:UWB信號能量Ey、UWB信號的最大幅值y max、平均附加時延wed、均方根時延trms、峭度k， 計算公式分別如式(I)、式(II)、式(III)、式(IV)、式（V)所示：
[0042] d、計算得出不同標準環境下達到視距情況的UWB信號能量、UWB信號的最大幅值、 平均附加時延、均方根時延、峭度的最小值為閾值，即：E/、y ma/ 、1^，所述視距
情況是指沒有遮擋物、直接觀測到的情況;如果步驟C計算得到的UWB信號能量Ey、UWB信號 的最大幅值ymax、平均附加時延TMED、均方根時延TRMS、峭度k均分別大于其閾值Ey' ^max'、 τΜ^ JrW，則判定滿足預設的定位要求，選用UWB信號的參考基站差分定位方案進行實 時定位，否則，選用RFID技術進行定位。
[0043]根據本發明優選的，TD0A和Α0Α定位估計中的相關算法是指TD0A估計和Α0Α估計中 的 LTS-ESPRIT 算法。
[0044]根據本發明優選的，經過卡爾曼濾波器，將物理信息利用聯邦卡爾曼濾波估計算 法進行數據融合，計算得出準確的所述定位終端的位置信息，所述卡爾曼濾波器包括位置 子濾波器、速度子濾波器、主濾波器，所述位置子濾波器、所述速度子濾波器均連接所述主 濾波器，所述INS定位模塊分別連接所述位置子濾波器、所述速度子濾波器，所述RFID定位 模塊分別連接所述位置子濾波器、所述速度子濾波器，具體步驟包括：
[0045] e、所述位置子濾波器取所述INS定位模塊與所述RFID定位模塊的位置量測值之差 Zi(t)作為觀測值，量測方程為：
[0047]式(VI)中，Ains表示INS定位模塊測量得到的經度值，Lins表示INS定位模塊測量得 至|J的煒度值，hins表示INS定位模塊測量得到的高度值，λκ?表示RFID定位模塊測量得到的 經度值，L RFID表示RFID定位模塊測量得到的煒度值，hRFID表示RFID定位模塊測量得到的高度 值，VKt)表示高斯白噪聲；
[0049] f、所述速度子濾波器取所述INS定位模塊與所述RFID定位模塊的速度量測值之差 Z2(t)作為觀測值，量測方程為：
[0051 ] Vie為INS定位模塊計算到的東向速度，Vin*INS定位模塊計算到的北向速度，為 INS定位模塊計算到的天向速度，vRe為RFID定位模塊計算到的東向速度、VRn*RFID定位模 塊計算到的北向速度、VR U為RFID定位模塊計算到的天向速度；
[0053] g、采用聯邦濾波的信息融合方法，主濾波器將所述位置子濾波器得到的觀測值Zi (t)及所述速度子濾波器得到的觀測值Z2(t)進行融合，得到誤差狀態的全局估計值：
[0055] Pg為聯邦濾波后估計的協方差矩陣、Pi為所述位置子濾波器估計的協方差矩陣、P2 為所述速度子濾波器估計的協方差矩陣、聯邦濾波估計的誤差狀態的全局估計值，Xl 為所述位置子濾波器估計的值，即所述位置子濾波器估計的狀態參量;|2為所述速度子濾 波器估計的值，即為所述速度子濾波器估計的狀態；
[0056] h、用步驟a得到的所述定位終端的位置信息減去誤差狀態的全局估計值，得到實 際的各種移動量，計算得出準確的所述定位終端的位置信息。
[0057]根據本發明優選的，所述步驟(4)，設定共設有η個移動參考基站，k={l，2,3…i··· η}，
[0058] ①第k個移動參考基站MRk向所述定位終端發送UWB信號并接收轉發回的變頻的 UWB信號，對移動參考基站MRk而言，一次來回程時間1^^為：
[0059] tobserva-ttrans+tdelay ( IX)
[0060] 式(IX)中，tdelay表示移動參考基站MRk和定位終端之間傳輸的雙程時延;ttrans是指 實際傳播時間；
[0061] ②利用TD0A和Α0Α聯合估計算法，利用接收信號較強的兩個移動參考基站的信息 計算出對應路徑傳播的時延以及傳播角度，利用速度和時延相乘得到具體的距離信息，之 后對定位終端的位置進行地圖上的定標；
[0062]③設定η個移動參考基站的空間位置坐標分別為(xi，yi，zi)，（X2，y2，Z2)，···（χ?，}^， zi)-_(xn，yn，zn);定位終端坐標(x，y，z)的求取公式為：
[0064] C 指的是光速，SP3X108m/s。
[0065] 本發明的有益效果為：
[0066] 1、本發明采用UWB定位技術:采用移動參考基站可以節約成本，重復利用，隨時需 要，隨時移動;采用UWB基帶脈沖為基礎的載波調制信號形式的信號利于芯片設計和射頻天 線單元實現;收發信號在不同頻率范圍進行傳輸，發送信號不會對接收信號造成干擾，提高 了系統可靠性;信號的發射與接收都由移動參考基站來完成，發送和接收基帶處理部分使 用同一時鐘源，提高系統時鐘精度，實現對多個定位終端的定位追蹤;定位終端只進行模擬 轉發，不涉及任何數字信號處理，可以極大的降低設備成本，利于在大范圍救援行動中應用 推廣。
[0067] 2、本發明采用RFID定位技術:RFID閱讀器讀取標簽時無需接觸，避免了磨損，增長 了使用壽命;RFID射頻標簽體積小、容量大，便于更換，可重復使用；RFID識別無需可見光 源、強抗污染能力強，具有強耐久性，穿透性較強，可以工作在惡劣環境下，讀取距離可遠可 進，RFID定位支持移動目標識別、多個目標快速讀寫、非可視目標識別、實時目標跟蹤定位 等；
[0068] 3、本發明采用RFID定位技術:采用捷聯慣導，將慣性測量裝置直接安裝在載體上， 用計算機的數字計算來代替平臺的模擬跟蹤功能;省去了慣性平臺，其成本、體積和重量都 大幅降低，并且慣性儀表便于安裝和維護，提高了系統的性能和可靠性;數字計算平臺采用 我們新提出的算法，提高了卡爾曼濾波結果的準確性。
[0069] 4、本發明為室內突發狀況的救援活動提供了可靠地定位服務，節約了救援時間， 提高了救援活動的成功率，在公共安全領域可以廣泛應用。
【附圖說明】
[0070] 圖1為本發明基于UWB、RFID、INS多源聯合定位技術的定位系統的連接框圖；
[0071]圖2為本發明基于UWB、RFID、INS多源聯合定位技術的定位系統的定位方法的流程 圖；
[0072]圖3為UWB定位模塊的系統構架圖；
[0073]圖4為RFID定位模塊的系統構架圖；
[0074]圖5為定位終端的系統構架圖；
[0075]圖6為本發明基于UWB、RFID、INS多源聯合定位技術的定位系統的實施方案示意 圖；
[0076]圖7為卡爾曼濾波器的結構框圖。
【具體實施方式】
[0077]下面結合說明書附圖和實施例對本發明作進一步限定，但不限于此。
[0078] 實施例1
[0079] 一種基于UWB、RFID、INS多源聯合定位技術的定位系統，包括定位終端、UWB定位模 塊、RFID定位模塊、INS定位模塊;總控制臺、所述RFID定位模塊、所述INS定位模塊、臨時指 揮中心依次連接，總控制臺、所述UWB定位模塊、臨時指揮中心依次連接。如圖1所示。
[0080]所述UWB定位模塊向所述定位終端發送UWB信號，判斷所述定位終端轉發回來的 UWB信號是否滿足預設的定位要求，如果滿足，則采用TDOA和AOA定位估計中的相關算法獲 取所述定位終端的位置;否則，則采用RFID定位技術和INS定位技術獲取所述定位終端的位 置。
[0081 ]所述定位終端內嵌UWB信號變頻轉發模塊、信息處理單元、可更換的RFID射頻標簽 及INS慣性測量單元;如圖5所示，所述UWB定位模塊包括4個移動參考基站，每個移動參考基 站均架設一個UWB信號收發機;如圖3所示。
[0082] 每個移動參考基站發送的UWB信號頻率相同，接收頻段固定;移動參考基站發射不 同頻率的UWB信號，定位終端接收UWB信號，并將接收到的UWB信號發送至信息處理單元，與 此同時，還通過所述UWB信號變頻轉發模塊對UWB信號變頻，變頻后的UWB信號返回至對應頻 段的移動參考基站；
[0083] INS慣性測量單元測量定位終端的加速度、角度、經度、煒度和高度，將測量得到的 物理信息發送至所述信息處理單元，所述信息處理單元將測量得到的物理信息編碼到UWB 信號中，并通過所述UWB信號變頻轉發模塊將UWB信號轉發到所述UWB收發機。
[0084] RFID射頻標簽是一個可更換模塊，可以根據具體應用場所選擇對應可識別的RFID 標簽。
[0085] 所述INS慣性測量單元包括三軸數字加速度計、三軸數字羅盤、三軸數字陀螺儀。
[0086] 實施例2
[0087] 實施例1所述定位系統的定位方法，如圖2所示，具體步驟包括：
[0088] (1)每個移動參考基站向所述定位終端發射不同頻率的UWB信號，即以UWB基帶脈 沖為基礎的載波調制?目號；
[0089] (2)所述定位終端接收UWB信號，并將接收到的UWB信號發送至所述信息處理單元， 與此同時，還通過所述UWB信號變頻轉發模塊對UWB信號變頻，變頻后的UWB信號返回至對應 頻段的移動參考基站；
[0090] (3)判斷所述定位終端返回的變頻后的UWB信號是否滿足預設的定位要求，如果滿 足，進入步驟(4)，否則，進入步驟(5);
[0091] (4)所述移動參考基站從返回的步驟(3)所述的變頻后的UWB信號中檢測與發射的 UWB信號的時間差，將檢測到的時間差及所述的變頻后的UWB信號發送到指揮控制中心，指 揮控制中心采用TD0A和Α0Α定位估計中的相關算法來計算雙程傳播時延，對雙程傳播時延 進行定標處理，得到所述定位終端的位置信息；
[0092] (5)采用RFID定位技術和INS定位技術獲取所述定位終端的位置。
[0093]所述步驟(5)中，定位場所設有若干個RFID閱讀器及一臺主機，如圖4所示，主機與 若干個RFID閱讀器通信，具體步驟包括：
[0094] a、通過所述主機獲取若干個RFID閱讀器的位置信息，并通過所述RFID閱讀器檢測 所述定位終端的RFID射頻標簽，獲取到標簽信息，將標簽信息傳送到主機，指揮控制中心調 用主機中的標簽信息，采用TD0A定位算法對標簽信息進行處理，對處理后的數據進行定標， 獲取所述定位終端的位置信息；
[0095] b、所述INS慣性測量單元測量所述定位終端的加速度、角度、經度、煒度和高度，將 測量得到的物理信息發送至所述信息處理單元，所述信息處理單元將測量得到的物理信息 編碼到UWB信號中，并通過所述UWB信號變頻轉發模塊將UWB信號轉發到所述UWB收發機，經 過卡爾曼濾波器，將物理信息利用聯邦卡爾曼濾波估計算法進行數據融合，計算得出準確 的所述定位終端的位置信息。
[0096]所述步驟(3)，具體步驟包括：
[0097] c、設定所述定位終端返回的變頻后的UWB信號在t時刻的信號值為y(t)，計算以下 參量:UWB信號能量Ey、UWB信號的最大幅值ymax、平均附加時延wed、均方根時延t rms、峭度k， 計算公式分別如式(I)、式(II)、式(III)、式(IV)、式（V)所示：
[0105] d、計算得出不同標準環境下達到視距情況的UWB信號能量、UWB信號的最大幅值、 平均附加時延、均方根時延、峭度的最小值為閾值，即：E/、yma/ 、1^，所述視距 情況是指沒有遮擋物、直接觀測到的情況;如果步驟C計算得到的UWB信號能量Ey、UWB信號 的最大幅值ymax、平均附加時延TMED、均方根時延TRMS、峭度k均分別大于其閾值Ey' ^max'、 τΜ^ JrW，則判定滿足預設的定位要求，選用UWB信號的參考基站差分定位方案進行實 時定位，否則，選用RFID技術進行定位。
[0106] TD0A和Α0Α定位估計中的相關算法是指TD0A估計和Α0Α估計中的LTS-ESPRIT算法。
[0107] 經過卡爾曼濾波器，其結構框圖如圖7所示，將物理信息利用聯邦卡爾曼濾波估計 算法進行數據融合，計算得出準確的所述定位終端的位置信息，所述卡爾曼濾波器包括位 置子濾波器、速度子濾波器、主濾波器，所述位置子濾波器、所述速度子濾波器均連接所述 主濾波器，所述INS定位模塊分別連接所述位置子濾波器、所述速度子濾波器，所述RFID定 位模塊分別連接所述位置子濾波器、所述速度子濾波器，具體步驟包括：
[0108] e、所述位置子濾波器取所述INS定位模塊與所述RFID定位模塊的位置量測值之差 Zi(t)作為觀測值，量測方程為：
[0110]式(VI)中，Ains表示INS定位模塊測量得到的經度值，Lins表示INS定位模塊測量得 至|J的煒度值，hins表示INS定位模塊測量得到的高度值，λκ?表示RFID定位模塊測量得到的 經度值，L RFID表示RFID定位模塊測量得到的煒度值，hRFID表示RFID定位模塊測量得到的高度 值，VKt)表示高斯白噪聲；
[0112] f、所述速度子濾波器取所述INS定位模塊與所述RFID定位模塊的速度量測值之差 Z2(t)作為觀測值，量測方程為：
[0114] Vie為INS定位模塊計算到的東向速度，Vin為INS定位模塊計算到的北向速度，為 INS定位模塊計算到的天向速度，VRe為RFID定位模塊計算到的東向速度、VRn*RFID定位模 塊計算到的北向速度、VR U為RFID定位模塊計算到的天向速度；
[0116] g、采用聯邦濾波的信息融合方法，主濾波器將所述位置子濾波器得到的觀測值Zi (t)及所述速度子濾波器得到的觀測值Z2(t)進行融合，得到誤差狀態的全局估計值：
[0118] Pg為聯邦濾波后估計的協方差矩陣、Pi為所述位置子濾波器估計的協方差矩陣、p 2 為所述速度子濾波器估計的協方差矩陣、聯邦濾波估計的誤差狀態的全局估計值，X1 為所述位置子濾波器估計的值，即所述位置子濾波器估計的狀態參量;12為所述速度子濾 波器估計的值，即為所述速度子濾波器估計的狀態；
[0119] h、用步驟a得到的所述定位終端的位置信息減去誤差狀態的全局估計值，得到實 際的各種移動量，計算得出準確的所述定位終端的位置信息。
[0120] 所述步驟(4)，共設有4個移動參考基站，k = {1，2，3，4}，
[0121] ①第k個移動參考基站MRk向所述定位終端發送UWB信號并接收轉發回的變頻的 UWB信號，對于移動參考基站MRk，一次來回程時間1^^為：
[01 22] tobserva-ttrans+tdelay ( IX)
[01 23] 式(IX)中，tdelay表示移動參考基站MRk和定位終端之間傳輸的雙程時延;ttrans是指 實際傳播時間；
[0124]②利用TD0A和Α0Α聯合估計算法，利用接收信號較強的兩個移動參考基站的信息 計算出對應路徑傳播的時延以及傳播角度，利用速度和時延相乘得到具體的距離信息，之 后對定位終端的位置進行地圖上的定標；
[0125]③設定η個移動參考基站的空間位置坐標分別為(xi，yi，zi)，（X2，y2，Z2)，'"（xi，yi, zi)-_(xn,yn,zn);定位終端坐標(x,y,z)的求取公式為：
[0127] C 指的是光速，SP3X108m/s。
[0128] 本實施例的實施方案示意圖如圖6所示。
【主權項】
1. 一種基于UWB、RFID、INS多源聯合定位技術的定位系統，其特征在于，包括定位終端、 UWB定位模塊、RFID定位模塊、INS定位模塊； 所述UWB定位模塊向所述定位終端發送UWB信號，判斷所述定位終端轉發回來的UWB信 號是否滿足預設的定位要求，如果滿足，則采用TDOA和AOA定位估計中的相關算法獲取所述 定位終端的位置;否則，則采用RFID定位技術和INS定位技術獲取所述定位終端的位置。2. 根據權利要求1所述的一種基于UWB、RFID、INS多源聯合定位技術的定位系統，其特 征在于，所述定位終端內嵌UWB信號變頻轉發模塊、信息處理單元、可更換的RFID射頻標簽 及INS慣性測量單元;所述UWB定位模塊包括不少于2個移動參考基站，每個移動參考基站均 架設一個UWB信號收發機； 每個移動參考基站發送的UWB信號頻率相同，接收頻段固定;移動參考基站發射不同頻 率的UWB信號，定位終端接收UWB信號，并將接收到的UWB信號發送至信息處理單元，與此同 時，還通過所述UWB信號變頻轉發模塊對UWB信號變頻，變頻后的UWB信號返回至對應頻段的 移動參考基站； INS慣性測量單元測量定位終端的加速度、角度、經度、締度和高度，將測量得到的物理 信息發送至所述信息處理單元，所述信息處理單元將測量得到的物理信息編碼到UWB信號 中，并通過所述UWB信號變頻轉發模塊將UWB信號轉發到所述UWB信號收發機。3. 根據權利要求2所述的一種基于UWB、RFID、INS多源聯合定位技術的定位系統，其特 征在于，所述INS慣性測量單元包括Ξ軸數字加速度計、Ξ軸數字羅盤、Ξ軸數字巧螺儀。4. 權利要求1-3任一所述的定位系統的定位方法，其特征在于，具體步驟包括： (1) 每個移動參考基站向所述定位終端發射不同頻率的UWB信號，即WUWB基帶脈沖為 基礎的載波調制信號； (2) 所述定位終端接收UWB信號，并將接收到的UWB信號發送至所述信息處理單元，與此 同時，還通過所述UWB信號變頻轉發模塊對UWB信號變頻，變頻后的UWB信號返回至對應頻段 的移動參考基站； (3) 判斷所述定位終端返回的變頻后的UWB信號是否滿足預設的定位要求，如果滿足， 進入步驟(4)，否則，進入步驟(5); (4) 所述移動參考基站從返回的步驟(3)所述的變頻后的UWB信號中檢測與發射的UWB 信號的時間差，將檢測到的時間差及所述的變頻后的UWB信號發送到指揮控制中屯、，指揮控 制中屯、采用TDOA和AOA定位估計中的相關算法來計算雙程傳播時延，對雙程傳播時延進行 定標處理，得到所述定位終端的位置信息； (5) 采用RFID定位技術和INS定位技術獲取所述定位終端的位置。5. 根據權利要求4所述的定位系統的定位方法，其特征在于，所述步驟(5)中，定位場所 設有若干個RFID閱讀器及一臺主機，主機與若干個RFID閱讀器通信，具體步驟包括： a、 通過所述主機獲取若干個RFID閱讀器的位置信息，并通過所述RFID閱讀器檢測所述 定位終端的RFID射頻標簽，獲取到標簽信息，將標簽信息傳送到主機，指揮控制中屯、調用主 機中的標簽信息，采用TDOA定位算法對標簽信息進行處理，對處理后的數據進行定標，獲取 所述定位終端的位置信息； b、 所述INS慣性測量單元測量所述定位終端的加速度、角度、經度、締度和高度，將測量 得到的物理信息發送至所述信息處理單元，所述信息處理單元將測量得到的物理信息編碼 到UWB信號中，并通過所述UWB信號變頻轉發模塊將UWB信號轉發到所述UWB收發機，經過卡 爾曼濾波器，將物理信息利用聯邦卡爾曼濾波估計算法進行數據融合，計算得出準確的所 述定位終端的位置信息。6. 根據權利要求4所述的定位系統的定位方法，其特征在于，所述步驟(3)，具體步驟包 括： C、設定所述定位終端返回的變頻后的UWB信號在t時刻的信號值為y(t)，計算W下參 量:UWB信號能量Ey、UWB信號的最大幅值ymax、平均附加時延TMED、均方根時延TRMS、峭度k，計 算公式分別如式(I)、式(II)、式(III)、式(IV)、式(V)所示：d、計算得出不同標準環境下達到視距情況的UWB信號能量、UWB信號的最大幅值、平均 附加時延、均方根時延、峭度的最小值為闊值，即：E/、yma/、ΤΜΕ〇/、TRMS/、k^，所述視距情況 是指沒有遮擋物、直接觀測到的情況;如果步驟C計算得到的UWB信號能量Ey、UWB信號的最 大幅值ymax、平均附加時延TmED、均方根時延TRMS、峭度k均分別大于其闊值E/、yma/、TmE〇/、 TRMs/、k/，則判定滿足預設的定位要求，選用UWB信號的參考基站差分定位方案進行實時定 位，否則，選用RFID技術進行定位。7. 根據權利要求4所述的定位系統的定位方法，其特征在于，TDOA和AOA定位估計中的 相關算法是指TDOA估計和AOA估計中的LTS-ESPRIT算法。8. 根據權利要求4所述的定位系統的定位方法，其特征在于，經過卡爾曼濾波器，將物 理信息利用聯邦卡爾曼濾波估計算法進行數據融合，計算得出準確的所述定位終端的位置 信息，所述卡爾曼濾波器包括位置子濾波器、速度子濾波器、主濾波器，所述位置子濾波器、 所述速度子濾波器均連接所述主濾波器，所述INS定位模塊分別連接所述位置子濾波器、所 述速度子濾波器，所述RFID定位模塊分別連接所述位置子濾波器、所述速度子濾波器，具體 步驟包括： e、 所述位置子濾波器取所述INS定位模塊與所述RFID定位模塊的位置量測值之差Zi(t) 作為觀測值，量測方程為：式(VI)中，λ?Μ表示INS定位模塊測量得到的經度值，Lins表示INS定位模塊測量得到的 締度值，bins表示INS定位模塊測量得到的高度值，Arfid表示RFID定位模塊測量得到的經度 值，Lrfid表示RFID定位模塊測量得到的締度值，hRFiD表示RFID定位模塊測量得到的高度值， Vi(t)親元高斯白陋畝，f、 所述速度子濾波器取所述INS定位模塊與所述RFID定位模塊的速度量測值之差Z2(t) 作為觀測值，量測方程為：Vie為INS定位模塊計算到的東向速度，Vin為INS定位模塊計算到的北向速度，為INS定位 模塊計算到的天向速度，VRe為RFID定位模塊計算到的東向速度、VRn為RFID定位模塊計算到 的北向速度、VRU為RFID定位模塊計算到的天向速度；g、 采用聯邦濾波的信息融合方法，主濾波器將所述位置子濾波器得到的觀測值Zi(t)及 所述速度子濾波器得到的觀測值Z2(t)進行融合，得到誤差狀態的全局估計值：Pg為聯邦濾波后估計的協方差矩陣、Pi為所述位置子濾波器估計的協方差矩陣、P2為所 述速度子濾波器估計的協方差矩陣、聯邦濾波估計的誤差狀態的全局估計值，為所 述位置子濾波器估計的值，即所述位置子濾波器估計的狀態參量;^2為所述速度子濾波器 估計的值，即為所述速度子濾波器估計的狀態； h、 用步驟a得到的所述定位終端的位置信息減去誤差狀態的全局估計值，得到實際的 各種移動量，計算得出準確的所述定位終端的位置信息。9.根據權利要求4所述的定位系統的定位方法，其特征在于，所述步驟(4)，設定共設有 η個移動參考基站，k={l，2,3…?···η}， ① 第k個移動參考基站Μ化向所述定位終端發送UWB信號并接收轉發回的變頻的UWB信 號，對于移動參考基站MRk，一次來回程時間tDbserva為： tobserva - ttrans+tdelay ( IX) 式（IX)中，tdelay表示移動參考基站Μ化和定位終端之間傳輸的雙程時延;ttrans是指實際 傳播時間； ② 利用TD0A和A0A聯合估計算法，利用接收信號較強的兩個移動參考基站的信息計算 出對應路徑傳播的時延W及傳播角度，利用速度和時延相乘得到具體的距離信息，之后對 定位終端的位置進行地圖上的定標； ③ 設定η個移動參考基站的空間位置坐標分別為（XI，yi，zi)，（X2，y2，Z2)，…（xi，yi, Zi)'''（Xn，yn，Zn);定位終端坐標(X，y，Z)的求取公式為：巧旨的是光速，即3 X lOV/s。
【文檔編號】G01S5/10GK106093858SQ201610459042
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月22日
【發明人】熊海良, 高麗梅, 元輝, 馬丕明, 朱維紅
【申請人】山東大學