GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位方法研究

王 寧，宋偉中，郭海松

（黃河科技學院，河南 鄭州 450063）

1 GNSS定位技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與要點

GNSS定位技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的一種定位技術(shù)，在現(xiàn)代生產(chǎn)生活中發(fā)揮的作用越來越受到人們的重視。由于GNSS技術(shù)本身的限制，其在精確定位等方面無法充分滿足人們的要求。

1.1 GNSS定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析

GNSS是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位的簡稱。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位需利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時間等觀測量，同時還必須利用用戶鐘差。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是能在地球表面或近地空間的任何地點為用戶提供全天候的三維坐標、速度以及時間信息的空基無線電導航定位系統(tǒng)。自從美國的GPS導航系統(tǒng)投入使用后，衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)和研究一直是人們關(guān)注的重點之一。我國出于國家安全與人們需求方面的考慮，也正在進行北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設(shè)活動。但由于GPS導航系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗成熟，在民用市場中依然占有很大的份額。

GNSS就是利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星進行精確定位的一種技術(shù)。利用GNSS導航系統(tǒng)的衛(wèi)星系統(tǒng)，可以測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)確定接收機的具體位置。

1.2 GNSS定位技術(shù)的應(yīng)用要點分析

為實現(xiàn)GNSS定位技術(shù)的高效應(yīng)用，需要注意如下三點。

首先，GNSS系統(tǒng)空間部分的準確度。應(yīng)用過程中，GNSS系統(tǒng)需要用戶的位置能夠隨時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。因此，GNSS系統(tǒng)需要提供至少24顆軌道衛(wèi)星，并沿著固定軌道進行運轉(zhuǎn)。由于衛(wèi)星的建造、發(fā)射及運行等都需要大量的技術(shù)支持和資金投入。所以這部分系統(tǒng)一般由國家部門負責建設(shè)。為了滿足系統(tǒng)運行的需要，國家需要每隔一定的時間，對在軌衛(wèi)星進行一次更換。

其次，地面控制系統(tǒng)也是需要重點注意的一部分。該系統(tǒng)是實現(xiàn)衛(wèi)星信息的收集、星歷、相對距離的計算及大氣校正等工作的重要基礎(chǔ)，一般也有國家進行統(tǒng)一的規(guī)劃和管理。

最后，對GNSS定位技術(shù)影響最大的是用戶設(shè)備。用戶設(shè)備一般為GNSS信號接收機。該設(shè)備最主要的功能是捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并對衛(wèi)星的運行進行跟蹤。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是實現(xiàn)定位的重要基礎(chǔ)。

GNSS定位技術(shù)應(yīng)用廣泛，且應(yīng)用經(jīng)驗比較成熟。但由于自身技術(shù)特點的限制，GNSS定位技術(shù)在室內(nèi)的精確定位還存在一定的問題。

2 UWB技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與特點

2.1 UWB技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析

UWB技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，是超寬帶技術(shù)的簡稱。近年來，UWB技術(shù)的發(fā)展越來越受到人們的關(guān)注，UWB技術(shù)更被稱為是無線電領(lǐng)域的一次革命性進展，并被認為是未來短距離無線通信的主流技術(shù)。目前，國外已經(jīng)突破UWB技術(shù)傳統(tǒng)的近距離高速數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用限制，開始利用其亞納秒級超窄脈沖來做近距離精確室內(nèi)定位。為了進一步提高UWB技術(shù)的實用性，人們正在推動G赫茲級頻譜的應(yīng)用[1]。

2.2 UWB技術(shù)的應(yīng)用特點分析

目前，UWB技術(shù)表現(xiàn)出的應(yīng)用特點具體如下。

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比更加簡單。傳統(tǒng)的通信技術(shù)需要大量的技術(shù)設(shè)備的支持，而UWB技術(shù)則不需要這些技術(shù)設(shè)備。兩者最大的區(qū)別在于UWB技術(shù)不用通過載波的變化等進行信息傳輸，主要通過發(fā)送納秒級脈沖來傳輸數(shù)據(jù)信號。

（2）UWB技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率更高。為了進一步提高技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率，UWB技術(shù)采用了比較寬的頻率帶寬。UWB技術(shù)不需要單獨占用已經(jīng)擁擠不堪的頻帶資源。經(jīng)過優(yōu)化的UWB技術(shù)可以提供高達500 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

（3）安全性強。由于UWB技術(shù)采用了納秒級脈沖進行信息數(shù)據(jù)的傳輸，所以抗干擾能力更強。UWB技術(shù)的安全性比傳統(tǒng)的通信技術(shù)更高。

（4）定位準確。UWB技術(shù)憑借著納秒級脈沖的傳輸特點，在室內(nèi)的高精度定位方面有更好的表現(xiàn)。

此外，UWB技術(shù)還具有多徑分辨能力強、建設(shè)使用成本低等特點。由于UWB技術(shù)的優(yōu)越性，實現(xiàn)GNSS/UWB技術(shù)的組合應(yīng)用，可以有效地推動現(xiàn)有定位技術(shù)的發(fā)展。

3 GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位的關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 GNSS定位技術(shù)與UWB技術(shù)的相結(jié)合

GNSS定位技術(shù)目前在室內(nèi)精確定位中的應(yīng)用受到了很大的限制。分析工作原理可知，GNSS定位技術(shù)需要對導航衛(wèi)星的信號進行分析和處理。在此過程中，信號的強弱與接收有效性等都直接關(guān)系到精確定位的效果。室內(nèi)干擾大，用戶設(shè)備一般很難獲取到高質(zhì)量的衛(wèi)星信號，因此經(jīng)常發(fā)生在復雜室內(nèi)環(huán)境或者隧道中丟失GNSS定位信號的現(xiàn)象。

由于自身主要依靠納秒級脈沖進行信號傳輸，UWB技術(shù)可以很好地克服GNSS定位技術(shù)在室內(nèi)應(yīng)用受限的問題。利用UWB技術(shù)作為GNSS定位的補償，實現(xiàn)室內(nèi)精確定位的研究越來越受到人們的關(guān)注。

3.2 GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位的關(guān)鍵要點

UWB技術(shù)可以很好地彌補GNSS定位技術(shù)在定位精度等方面的缺陷。但由于兩者在應(yīng)用過程中有一定的區(qū)別性，要實現(xiàn)高精度室內(nèi)外組合定位，還需要注意其方法。

組合應(yīng)用的過程中，應(yīng)當充分發(fā)揮兩者的長處。GNSS定位技術(shù)憑借著環(huán)繞地球的導航衛(wèi)星，可以實現(xiàn)大范圍的實時性定位。UWB技術(shù)在應(yīng)用過程中，則容易受到信號傳輸距離有限的困擾。因此，在GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位的過程中，在室外的定位應(yīng)當主要依靠GNSS定位技術(shù)得以實現(xiàn)。GNSS覆蓋的范圍大，響應(yīng)速度快，可以充分滿足人們的要求。復雜環(huán)境下，則依靠UWB技術(shù)進行精度彌補，確保定位準確性。

GNSS定位技術(shù)和UWB技術(shù)在工作的過程中有不同的工作模式，需要相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口進行信息傳輸。為了實現(xiàn)兩者的融合工作，需要在工作平臺上建設(shè)可擴展的數(shù)據(jù)融合定位接口。該平臺的接口需要能夠兼容多種定位信息，并進行相應(yīng)的處理工作。

4 GNSS/UWB組合室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用方法

為了推動GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，需要對GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位的系統(tǒng)模型建立方法進行研究。

系統(tǒng)模型建立是實現(xiàn)信息有效處理的重要基礎(chǔ)。特別是要實現(xiàn)室內(nèi)外的高精度定位，將運動信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的空間信息是工作重點。因此，建立了一種高時效性的系統(tǒng)模型，以進一步提高定位的精確度。

建立GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位系統(tǒng)模型的過程中，應(yīng)明確GNSS定位技術(shù)為應(yīng)用主體，以充分發(fā)揮GNSS定位技術(shù)的大覆蓋范圍、操作便捷的優(yōu)點；UWB技術(shù)則做為補償技術(shù)。此外，系統(tǒng)模型設(shè)計的過程中，應(yīng)該充分考慮兩者的運行兼容度，提高兩者共同工作的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位技術(shù)的應(yīng)用對未來社會的發(fā)展有著重要的意義。本文分析了GNSS定位技術(shù)和UWB技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其技術(shù)特點。同時，本文對GNSS/UWB高精度室內(nèi)外組合定位的關(guān)鍵要點進行了探討，并對系統(tǒng)模型建立方法和應(yīng)用要點進行了研究。