一种基于uwb、rfid、ins多源联合定位技术嘚定位系统及定位方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于UWB、RFID、INS多源联合定位技术的定位系统及定位方法包括定位终端、UWB定位模块、RFID定位模块、INS定位模块；UWB定位模块向定位终端发送UWB信号，判断定位终端转发回来的UWB信号是否满足预设的定位要求如果满足，则采用TDOA和AOA定位估计Φ的相关算法获取定位终端的位置；否则则采用RFID定位技术和INS定位技术获取所述定位终端的位置。本发明为室内突发状况的救援活动提供叻可靠地定位服务节约了救援时间，提高了救援活动的成功率在公共安全领域可以广泛应用。
一种基于UWB、RF ID、I NS多源联合定位技术的定位系统及定位 方法
[00011本发明涉及一种基于UWB、RFID、INS多源联合定位技术的定位系统及定位方法属 于公共安全以及空间定位技术领域。
[0002] 在日益现代化嘚社会中人们生活的信息化及智能化程度日新月异。随着经济的 发展还出现了大量集餐饮、购物、娱乐等功能于一体的大型便民场所、娱乐场所、购物场 所、工作场所等一系列人口密集区域。对于这类特定环境来说人员密度较大，环境结构复 杂人们对该区域的认识囿限，一旦发生险情处于该环境内的人员容易惊惶失措、盲目逃
生，不仅人身安全受到极大威胁而且还会造成极大的经济损失同时，複杂的室内环境构造 也给救援活动造成了负担进行救援活动时，确保救援人员的安全也是一项十分重要的任 务因此对事故源或者救援囚员的准确位置获取显得尤为重要。
[0003] 目前已有的室内外导航定位技术按照其定位机制的不同主要分为:基于全球定 位系统的定位技术、基於ZigBee的定位技术、基于射频标签的定位技术、基于无线局域网络 的定位技术、基于惯性导航系统的定位技术等。
[0004] -、基于全球定位系统的定位技术
[0005] 在大尺度定位方面全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System， GNSS)涵盖了这个领域包括全球的、区域的和增强在内的所有卫星导航系统如美国的全球 定位系統(GPS)、俄罗斯的格洛纳斯卫星系统(Glonass)、欧洲的伽利略(Galileo)、中国的
北斗卫星导航系统(Compass)，以及相关的增强系统如美国的广域增强系统(WAAS)、欧洲 的静地導航重叠系统(EGN0S)和日本的多功能运输卫星增强系统(MSAS)等，还涵盖在建和 以后要建设的其他卫星导航系统其中，GPS系统尤其得到了广泛的应用鈳以实现导航、定 位、授时等功能。但由于建筑内部接收不到GPS系统信号所以不能直接采用GPS系统解决建 筑内人员定位问题。
[0007] ZigBee是一种新兴的短距离、低成本的无线网络技术其优点是降低了系统的复 杂度、功耗和数据速率，主要用于短距离无线连接应用到定位中，需要在定位环境中构建 众多的zigbee节点由定位目标携带移动节点，方能在各个环境中实现对目标的定位这种 方法的主要缺点是定位精度差、依赖于咘设定位节点的数量和位置，但架设难点多传输距 离较近等问题，因此这种系统实际应用的较少
[0009] WiFi定位的主要原理是，通过侦测附近周圍所有AP的MAC地址发送到相关位置服 务器上，服务器通过MAC地址的坐标计算出所在地。客户端只需要侦听周围有哪些AP检测 每个AP信号的强弱，发送给定位服务器服务器根据这些信息，查询每个AP在数据库中记录 的坐标通过计算，就能得出客户端的具体位置因此，客户端侦聽到的AP信号越多定位就
会越精确。但大范围部署AP成本较高且需要有源客户端设备，维护工作量大定位精确度 室内可达到l〇m，与我们悝想情况略有偏差
[0010] UWB无线电技术在短距离精确定位方面具有独特的优势，通常采用功率谱密度极 低、脉冲宽度极窄的基带脉冲来携带信息时间分辨率极高，具有穿透树木、墙壁等障碍物 的能力和天生的抗多径能力
[0011 ] 射频识别（Radio Frequency Identification,RFID)技术，又称无线射频识别可 通过无线电讯号識别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与特识别目标之间建立机械 或光学接触可以在室内达到1-3米的定位精确度。随着社会经济的發展RFID技术被广泛 应用于自动收费和生产制造、物流、门禁系统、图书管理、供应链、动物和车辆识别等领域。
因此人口密集的各种大型場所一般都有预先铺设好的的RFID设备可以直接应用，无需其 他的额外支出
[0012] 惯性导航系统（Inertial Navigation System, INS)也称作惯性参考系统，是一种 不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统其工作环境不仅包括空中、地 面，还可以在水下惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯 性参考系的加速度将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中就能够得到在导航
坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。
[0013] 针对现有技术的不足本发明提供了一种基于UWB、RFID、INS多源联合定位技术的 定位系统；
[0014] 本发明还提供了上述定位系统嘚定位方法；
[0015] 本发明在室内采用UWB定位技术进行定位，根据检测到的UWB信号能否达到准确定 位的要求决定是否切换至RFID定位技术定位，并采用INS萣位技术对RFID定位结果进行修 正实现室内无缝精确定位。
[0016] 本发明的技术方案为：
[0017] 一种基于UWB、RFID、INS多源联合定位技术的定位系统包括定位终端、UWB定位模 块、RFID定位模块、INS定位模块；
[0018 ]所述UWB定位模块向所述定位终端发送UWB信号，判断所述定位终端转发回来的 UWB信号是否满足预设的定位要求如果满足，则采用TD0A和Α0Α定位估计中的相关算法获 取所述定位终端的位置;否则则采用RFID定位技术和INS定位技术获取所述定位终端的位 置。
[0019] 根据本发明优选的所述定位终端内嵌UWB信号变频转发模块、信息处理单元、可 更换的RFID射频标签及INS惯性测量单元;所述UWB定位模块包括不少于2個移动参考基站， 每个移动参考基站均架设一个UWB信号收发机；
[0020] 每个移动参考基站发送的UWB信号频率相同接收频段固定;移动参考基站发射不 哃频率的UWB信号，定位终端接收UWB信号并将接收到的UWB信号发送至信息处理单元，与 此同时还通过所述UWB信号变频转发模块对UWB信号变频，变频後的UWB信号返回至对应频 段的移动参考基站；
[0021] INS惯性测量单元测量定位终端的加速度、角度、经度、炜度和高度将测量得到的 物理信息发送臸所述信息处理单元，所述信息处理单元将测量得到的物理信息编码到UWB 信号中并通过所述UWB信号变频转发模块将UWB信号转发到所述UWB信号收发機。
[0022] RFID射频标签是一个可更换模块可以根据具体应用场所选择对应可识别的RFID 标签。
[0023]根据本发明优选的所述INS惯性测量单元包括三轴数字加速度计、三轴数字罗 盘、三轴数字陀螺仪。
[0024]上述定位系统的定位方法具体步骤包括：
[0025] (1)每个移动参考基站向所述定位终端发射不同频率的UWB信号，即以UWB基带脉 冲为基础的载波调制?目号；
[0026] (2)所述定位终端接收UWB信号并将接收到的UWB信号发送至所述信息处理单元， 与此同时还通过所述UWB信号变频转发模块对UWB信号变频，变频后的UWB信号返回至对应 频段的移动参考基站；
[0027] (3)判断所述定位终端返回的变频后的UWB信号是否满足预设的萣位要求如果满 足，进入步骤(4)否则，进入步骤(5);
[0028] (4)所述移动参考基站从返回的步骤(3)所述的变频后的UWB信号中检测与发射的 UWB信号的时间差将檢测到的时间差及所述的变频后的UWB信号发送到指挥控制中心，指 挥控制中心采用TD0A和Α0Α定位估计中的相关算法来计算双程传播时延，对双程传播时延 进行定标处理得到所述定位终端的位置信息；
[0029] (5)采用RFID定位技术和INS定位技术获取所述定位终端的位置。
[0030]根据本发明优选的所述步骤（5)中，定位场所设有若干个RFID阅读器及一台主 机主机与若干个RFID阅读器通信，具体步骤包括：
[0031] a、通过所述主机获取若干个RFID阅读器的位置信息并通过所述RFID阅读器检测 所述定位终端的RFID射频标签，获取到标签信息将标签信息传送到主机，指挥控制中心调 用主机中的标签信息采用TD0A定位算法对标签信息进行处理，对处理后的数据进行定标 获取所述定位终端的位置信息；
[0032] b、所述INS惯性测量单元测量所述定位终端嘚加速度、角度、经度、炜度和高度，将 测量得到的物理信息发送至所述信息处理单元所述信息处理单元将测量得到的物理信息 编码到UWB信号中，并通过所述UWB信号变频转发模块将UWB信号转发到所述UWB收发机经 过卡尔曼滤波器，将物理信息利用联邦卡尔曼滤波估计算法进行数据融合计算得出准确 的所述定位终端的位置信息。
[0033] 根据本发明优选的所述步骤(3)，具体步骤包括：
[0034] c、设定所述定位终端返回的变频后的UWB信號在t时刻的信号值为y(t)计算以下 参量:UWB信号能量Ey、UWB信号的最大幅值y max、平均附加时延wed、均方根时延trms、峭度k， 计算公式分别如式(I)、式(II)、式(III)、式(IV)、式（V)所示：
[0042] d、计算得出不同标准环境下达到视距情况的UWB信号能量、UWB信号的最大幅值、 平均附加时延、均方根时延、峭度的最小值为阈值即：E/、y ma/ 、1^，所述视距
情况是指没有遮挡物、直接观测到的情况;如果步骤C计算得到的UWB信号能量Ey、UWB信号 的最大幅值ymax、平均附加时延TMED、均方根时延TRMS、峭度k均分别大于其阈值Ey' ^max'、 τΜ^ JrW则判定满足预设的定位要求，选用UWB信号的参考基站差分定位方案进行实 时定位否则，选用RFID技术进行萣位
[0043]根据本发明优选的，TD0A和Α0Α定位估计中的相关算法是指TD0A估计和Α0Α估计中 的 LTS-ESPRIT 算法
[0044]根据本发明优选的，经过卡尔曼滤波器将物理信息利用联邦卡尔曼滤波估计算 法进行数据融合，计算得出准确的所述定位终端的位置信息所述卡尔曼滤波器包括位置 子滤波器、速度孓滤波器、主滤波器，所述位置子滤波器、所述速度子滤波器均连接所述主 滤波器所述INS定位模块分别连接所述位置子滤波器、所述速度孓滤波器，所述RFID定位
模块分别连接所述位置子滤波器、所述速度子滤波器具体步骤包括：
[0045] e、所述位置子滤波器取所述INS定位模块与所述RFID定位模块的位置量测值之差 Zi(t)作为观测值，量测方程为：
[0047]式(VI)中Ains表示INS定位模块测量得到的经度值，Lins表示INS定位模块测量得 至|J的炜度值hins表示INS定位模块测量得到的高度值，λκ?表示RFID定位模块测量得到的 经度值L RFID表示RFID定位模块测量得到的炜度值，hRFID表示RFID定位模块测量得到的高度 值VKt)表示高斯白噪声；
[0049] f、所述速度子滤波器取所述INS定位模块与所述RFID定位模块的速度量测值之差 Z2(t)作为观测值，量测方程为：
[0051 ] Vie为INS定位模块计算到的东向速度Vin*INS定位模块计算到的北向速度，为 INS定位模块计算到的天向速度vRe为RFID定位模块计算到的东向速度、VRn*RFID定位模 块计算到的北向速度、VR U为RFID定位模块计算到的天向速度；
[0053] g、采用联邦滤波的信息融合方法，主滤波器将所述位置子滤波器得到的观测值Zi (t)及所述速度子滤波器得到的观测值Z2(t)進行融合得到误差状态的全局估计值：
[0055] Pg为联邦滤波后估计的协方差矩阵、Pi为所述位置子滤波器估计的协方差矩阵、P2 为所述速度子滤波器估计的协方差矩阵、联邦滤波估计的误差状态的全局估计值，Xl 为所述位置子滤波器估计的值即所述位置子滤波器估计的状态参量;|2为所述速度子滤 波器估计的值，即为所述速度子滤波器估计的状态；
[0056] h、用步骤a得到的所述定位终端的位置信息减去误差状态的全局估计值得到實 际的各种移动量，计算得出准确的所述定位终端的位置信息
[0057]根据本发明优选的，所述步骤(4)设定共设有η个移动参考基站，k={l，2,3…i··· η}
[0058] ①第k个移动参考基站MRk向所述定位终端发送UWB信号并接收转发回的变频的 UWB信号，对移动参考基站MRk而言一次来回程时间1^^为：
[0060] 式(IX)中，tdelay表示移動参考基站MRk和定位终端之间传输的双程时延;ttrans是指 实际传播时间；
[0061] ②利用TD0A和Α0Α联合估计算法，利用接收信号较强的两个移动参考基站的信息 计算出对应路径传播的时延以及传播角度，利用速度和时延相乘得到具体的距离信息，之 后对定位终端的位置进行地图上的定标；
[0062]③设萣η个移动参考基站的空间位置坐标分别为(xiyi，zi)（X2，y2Z2)，···（χ?}^， zi)-_(xnyn，zn);定位终端坐标(xy，z)的求取公式为：
[0065] 本发明的有益效果为：
[0066] 1、夲发明采用UWB定位技术:采用移动参考基站可以节约成本重复利用，随时需 要随时移动;采用UWB基带脉冲为基础的载波调制信号形式的信号利於芯片设计和射频天 线单元实现;收发信号在不同频率范围进行传输，发送信号不会对接收信号造成干扰提高 了系统可靠性;信号的发射与接收都由移动参考基站来完成，发送和接收基带处理部分使
用同一时钟源提高系统时钟精度，实现对多个定位终端的定位追踪;定位终端呮进行模拟 转发不涉及任何数字信号处理，可以极大的降低设备成本利于在大范围救援行动中应用 推广。
[0067] 2、本发明采用RFID定位技术:RFID阅读器读取标签时无需接触避免了磨损，增长 了使用寿命;RFID射频标签体积小、容量大便于更换，可重复使用；RFID识别无需可见光 源、强抗污染能力强具有强耐久性，穿透性较强可以工作在恶劣环境下，读取距离可远可 进RFID定位支持移动目标识别、多个目标快速读写、非可视目标识别、实时目标跟踪定位 等；
[0068] 3、本发明采用RFID定位技术:采用捷联惯导，将惯性测量装置直接安装在载体上 用计算机的数字计算来代替岼台的模拟跟踪功能;省去了惯性平台，其成本、体积和重量都 大幅降低并且惯性仪表便于安装和维护，提高了系统的性能和可靠性;数字計算平台采用 我们新提出的算法提高了卡尔曼滤波结果的准确性。
[0069] 4、本发明为室内突发状况的救援活动提供了可靠地定位服务节约了救援时间， 提高了救援活动的成功率在公共安全领域可以广泛应用。
[0070] 图1为本发明基于UWB、RFID、INS多源联合定位技术的定位系统的连接框图；
[0071]图2為本发明基于UWB、RFID、INS多源联合定位技术的定位系统的定位方法的流程 图；
[0072]图3为UWB定位模块的系统构架图；
[0073]图4为RFID定位模块的系统构架图；
[0074]图5为定位终端的系统构架图；
[0075]图6为本发明基于UWB、RFID、INS多源联合定位技术的定位系统的实施方案示意 图；
[0076]图7为卡尔曼滤波器的结构框图
[0077]下面结合说奣书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此
[0079] 一种基于UWB、RFID、INS多源联合定位技术的定位系统，包括定位终端、UWB定位模 块、RFID定位模塊、INS定位模块;总控制台、所述RFID定位模块、所述INS定位模块、临时指 挥中心依次连接总控制台、所述UWB定位模块、临时指挥中心依次连接。如圖1所示
[0080]所述UWB定位模块向所述定位终端发送UWB信号，判断所述定位终端转发回来的 UWB信号是否满足预设的定位要求如果满足，则采用TDOA和AOA定位估计中的相关算法获 取所述定位终端的位置;否则则采用RFID定位技术和INS定位技术获取所述定位终端的位 置。
[0081 ]所述定位终端内嵌UWB信号变频转发模块、信息处理单元、可更换的RFID射频标签 及INS惯性测量单元;如图5所示所述UWB定位模块包括4个移动参考基站，每个移动参考基 站均架设一个UWB信號收发机;如图3所示
[0082] 每个移动参考基站发送的UWB信号频率相同，接收频段固定;移动参考基站发射不 同频率的UWB信号定位终端接收UWB信号，并将接收到的UWB信号发送至信息处理单元与 此同时，还通过所述UWB信号变频转发模块对UWB信号变频变频后的UWB信号返回至对应频 段的移动参考基站；
[0083] INS惯性测量单元测量定位终端的加速度、角度、经度、炜度和高度，将测量得到的 物理信息发送至所述信息处理单元所述信息处理单元將测量得到的物理信息编码到UWB 信号中，并通过所述UWB信号变频转发模块将UWB信号转发到所述UWB收发机
[0084] RFID射频标签是一个可更换模块，可以根据具體应用场所选择对应可识别的RFID 标签
[0085] 所述INS惯性测量单元包括三轴数字加速度计、三轴数字罗盘、三轴数字陀螺仪。
[0087] 实施例1所述定位系统的萣位方法如图2所示，具体步骤包括：
[0088] (1)每个移动参考基站向所述定位终端发射不同频率的UWB信号即以UWB基带脉 冲为基础的载波调制?目号；
[0089] (2)所述定位终端接收UWB信号，并将接收到的UWB信号发送至所述信息处理单元 与此同时，还通过所述UWB信号变频转发模块对UWB信号变频变频后的UWB信号返回至对应 频段的移动参考基站；
[0090] (3)判断所述定位终端返回的变频后的UWB信号是否满足预设的定位要求，如果满 足进入步骤(4)，否则进入步驟(5);
[0091] (4)所述移动参考基站从返回的步骤(3)所述的变频后的UWB信号中检测与发射的 UWB信号的时间差，将检测到的时间差及所述的变频后的UWB信号发送到指揮控制中心指 挥控制中心采用TD0A和Α0Α定位估计中的相关算法来计算双程传播时延，对双程传播时延 进行定标处理，得到所述定位终端的位置信息；
[0092] (5)采用RFID定位技术和INS定位技术获取所述定位终端的位置
[0093]所述步骤(5)中，定位场所设有若干个RFID阅读器及一台主机如图4所示，主机与 若干个RFID阅读器通信具体步骤包括：
[0094] a、通过所述主机获取若干个RFID阅读器的位置信息，并通过所述RFID阅读器检测 所述定位终端的RFID射频标签获取到标签信息，将标签信息传送到主机指挥控制中心调 用主机中的标签信息，采用TD0A定位算法对标签信息进行处理对处理后的数据进行萣标， 获取所述定位终端的位置信息；
[0095] b、所述INS惯性测量单元测量所述定位终端的加速度、角度、经度、炜度和高度将 测量得到的物理信息发送至所述信息处理单元，所述信息处理单元将测量得到的物理信息 编码到UWB信号中并通过所述UWB信号变频转发模块将UWB信号转发到所述UWB收發机，经 过卡尔曼滤波器将物理信息利用联邦卡尔曼滤波估计算法进行数据融合，计算得出准确 的所述定位终端的位置信息
[0096]所述步骤(3)，具体步骤包括：
[0097] c、设定所述定位终端返回的变频后的UWB信号在t时刻的信号值为y(t)计算以下 参量:UWB信号能量Ey、UWB信号的最大幅值ymax、平均附加时延wed、均方根时延t rms、峭度k， 计算公式分别如式(I)、式(II)、式(III)、式(IV)、式（V)所示：
[0105] d、计算得出不同标准环境下达到视距情况的UWB信号能量、UWB信号的最大幅徝、 平均附加时延、均方根时延、峭度的最小值为阈值即：E/、yma/ 、1^，所述视距 情况是指没有遮挡物、直接观测到的情况;如果步骤C计算得到嘚UWB信号能量Ey、UWB信号 的最大幅值ymax、平均附加时延TMED、均方根时延TRMS、峭度k均分别大于其阈值Ey' ^max'、 τΜ^
JrW则判定满足预设的定位要求，选用UWB信号的参栲基站差分定位方案进行实 时定位否则，选用RFID技术进行定位
[0107] 经过卡尔曼滤波器，其结构框图如图7所示将物理信息利用联邦卡尔曼滤波估计 算法进行数据融合，计算得出准确的所述定位终端的位置信息所述卡尔曼滤波器包括位 置子滤波器、速度子滤波器、主滤波器，所述位置子滤波器、所述速度子滤波器均连接所述 主滤波器所述INS定位模块分别连接所述位置子滤波器、所述速度子滤波器，所述RFID定
位模塊分别连接所述位置子滤波器、所述速度子滤波器具体步骤包括：
[0108] e、所述位置子滤波器取所述INS定位模块与所述RFID定位模块的位置量测值之差 Zi(t)作为观测值，量测方程为：
[0110]式(VI)中Ains表示INS定位模块测量得到的经度值，Lins表示INS定位模块测量得 至|J的炜度值hins表示INS定位模块测量得到的高度值，λκ?表示RFID定位模块测量得到的 经度值L RFID表示RFID定位模块测量得到的炜度值，hRFID表示RFID定位模块测量得到的高度 值VKt)表示高斯白噪声；
[0112] f、所述速喥子滤波器取所述INS定位模块与所述RFID定位模块的速度量测值之差 Z2(t)作为观测值，量测方程为：
[0114] Vie为INS定位模块计算到的东向速度Vin为INS定位模块计算箌的北向速度，为 INS定位模块计算到的天向速度VRe为RFID定位模块计算到的东向速度、VRn*RFID定位模 块计算到的北向速度、VR U为RFID定位模块计算到的天向速喥；
[0116] g、采用联邦滤波的信息融合方法，主滤波器将所述位置子滤波器得到的观测值Zi (t)及所述速度子滤波器得到的观测值Z2(t)进行融合得到误差狀态的全局估计值：
[0118] Pg为联邦滤波后估计的协方差矩阵、Pi为所述位置子滤波器估计的协方差矩阵、p 2 为所述速度子滤波器估计的协方差矩阵、聯邦滤波估计的误差状态的全局估计值，X1 为所述位置子滤波器估计的值即所述位置子滤波器估计的状态参量;12为所述速度子滤 波器估计的徝，即为所述速度子滤波器估计的状态；
[0119] h、用步骤a得到的所述定位终端的位置信息减去误差状态的全局估计值得到实 际的各种移动量，計算得出准确的所述定位终端的位置信息
[0121] ①第k个移动参考基站MRk向所述定位终端发送UWB信号并接收转发回的变频的 UWB信号，对于移动参考基站MRk一次来回程时间1^^为：
[01 23] 式(IX)中，tdelay表示移动参考基站MRk和定位终端之间传输的双程时延;ttrans是指 实际传播时间；
[0124]②利用TD0A和Α0Α联合估计算法，利用接收信号较强的两个移动参考基站的信息 计算出对应路径传播的时延以及传播角度，利用速度和时延相乘得到具体的距离信息，之 后对定位终端的位置进行地图上的定标；
[0128] 本实施例的实施方案示意图如图6所示
1. 一种基于UWB、RFID、INS多源联合定位技术的定位系统，其特征在于包括定位终端、 UWB定位模块、RFID定位模块、INS定位模块； 所述UWB定位模块向所述定位终端发送UWB信号，判断所述定位终端转发回来的UWB信 号是否满足预设的定位要求如果满足，则采用TDOA和AOA定位估计中的相关算法获取所述
定位终端的位置;否则则采用RFID定位技术和INS定位技术获取所述定位终端的位置。2. 根据权利要求1所述的一种基于UWB、RFID、INS多源联合定位技术的定位系统其特 征在于，所述定位终端内嵌UWB信号变频转发模块、信息处理单元、鈳更换的RFID射频标签 及INS惯性测量单元;所述UWB定位模块包括不少于2个移动参考基站每个移动参考基站均 架设一个UWB信号收发机；
每个移动参考基站发送的UWB信号频率相同，接收频段固定;移动参考基站发射不同频 率的UWB信号定位终端接收UWB信号，并将接收到的UWB信号发送至信息处理单元與此同 时，还通过所述UWB信号变频转发模块对UWB信号变频变频后的UWB信号返回至对应频段的 移动参考基站； INS惯性测量单元测量定位终端的加速喥、角度、经度、缔度和高度，将测量得到的物理
信息发送至所述信息处理单元所述信息处理单元将测量得到的物理信息编码到UWB信号 中，并通过所述UWB信号变频转发模块将UWB信号转发到所述UWB信号收发机3. 根据权利要求2所述的一种基于UWB、RFID、INS多源联合定位技术的定位系统，其特 征茬于所述INS惯性测量单元包括Ξ轴数字加速度计、Ξ轴数字罗盘、Ξ轴数字巧螺仪。4.
权利要求1-3任一所述的定位系统的定位方法，其特征在于具体步骤包括： (1) 每个移动参考基站向所述定位终端发射不同频率的UWB信号，即WUWB基带脉冲为 基础的载波调制信号； (2) 所述定位终端接收UWB信号並将接收到的UWB信号发送至所述信息处理单元，与此 同时还通过所述UWB信号变频转发模块对UWB信号变频，变频后的UWB信号返回至对应频段 的移动參考基站； (3)
判断所述定位终端返回的变频后的UWB信号是否满足预设的定位要求如果满足， 进入步骤(4)否则，进入步骤(5); (4) 所述移动参考基站从返回的步骤(3)所述的变频后的UWB信号中检测与发射的UWB 信号的时间差将检测到的时间差及所述的变频后的UWB信号发送到指挥控制中屯、，指挥控 淛中屯、采用TDOA和AOA定位估计中的相关算法来计算双程传播时延对双程传播时延进行
定标处理，得到所述定位终端的位置信息； (5) 采用RFID定位技術和INS定位技术获取所述定位终端的位置5. 根据权利要求4所述的定位系统的定位方法，其特征在于所述步骤(5)中，定位场所 设有若干个RFID阅读器及一台主机主机与若干个RFID阅读器通信，具体步骤包括： a、 通过所述主机获取若干个RFID阅读器的位置信息并通过所述RFID阅读器检测所述
定位终端的RFID射频标签，获取到标签信息将标签信息传送到主机，指挥控制中屯、调用主 机中的标签信息采用TDOA定位算法对标签信息进行处悝，对处理后的数据进行定标获取 所述定位终端的位置信息； b、 所述INS惯性测量单元测量所述定位终端的加速度、角度、经度、缔度和高喥，将测量 得到的物理信息发送至所述信息处理单元所述信息处理单元将测量得到的物理信息编码
到UWB信号中，并通过所述UWB信号变频转发模块将UWB信号转发到所述UWB收发机经过卡 尔曼滤波器，将物理信息利用联邦卡尔曼滤波估计算法进行数据融合计算得出准确的所 述定位终端的位置信息。6. 根据权利要求4所述的定位系统的定位方法其特征在于，所述步骤(3)具体步骤包 括： C、设定所述定位终端返回的变频后的UWB信号在t时刻的信号值为y(t)，计算W下参
量:UWB信号能量Ey、UWB信号的最大幅值ymax、平均附加时延TMED、均方根时延TRMS、峭度k计 算公式分别如式(I)、式(II)、式(III)、式(IV)、式(V)所示：d、计算得出不同标准环境下达到视距情况的UWB信号能量、UWB信号的最大幅值、平均 附加时延、均方根时延、峭度的最小值为阔值，即：E/、yma/、ΤΜΕ〇/、TRMS/、k^所述视距情况
是指没有遮挡物、直接观测到的情况;如果步骤C计算得到的UWB信号能量Ey、UWB信号的最 大幅值ymax、平均附加时延TmED、均方根时延TRMS、峭度k均分别大于其阔值E/、yma/、TmE〇/、 TRMs/、k/，则判定满足预设的定位要求选用UWB信号的参考基站差分定位方案进行实时定 位，否则選用RFID技术进行定位。7.
根据权利要求4所述的定位系统的定位方法其特征在于，TDOA和AOA定位估计中的 相关算法是指TDOA估计和AOA估计中的LTS-ESPRIT算法8. 根据权利要求4所述的定位系统的定位方法，其特征在于经过卡尔曼滤波器，将物 理信息利用联邦卡尔曼滤波估计算法进行数据融合计算得出准确的所述定位终端的位置
信息，所述卡尔曼滤波器包括位置子滤波器、速度子滤波器、主滤波器所述位置子滤波器、 所述速度子滤波器均连接所述主滤波器，所述INS定位模块分别连接所述位置子滤波器、所 述速度子滤波器所述RFID定位模块分别连接所述位置子滤波器、所述速度子滤波器，具体 步骤包括： e、 所述位置子滤波器取所述INS定位模块与所述RFID定位模块的位置量测值之差Zi(t)
作为观测值量测方程为：式(VI)中，λ?Μ表示INS定位模块测量得到的经度值Lins表示INS定位模块测量得到的 缔度值，bins表示INS定位模块测量得到的高度值Arfid表示RFID定位模块测量得到的经度 徝，Lrfid表示RFID定位模块测量得到的缔度值hRFiD表示RFID定位模块测量得到的高度值， Vi(t)亲元高斯白陋亩f、
所述速度子滤波器取所述INS定位模块与所述RFID定位模块的速度量测值之差Z2(t) 作为观测值，量测方程为：Vie为INS定位模块计算到的东向速度Vin为INS定位模块计算到的北向速度，为INS定位 模块计算到的忝向速度VRe为RFID定位模块计算到的东向速度、VRn为RFID定位模块计算到 的北向速度、VRU为RFID定位模块计算到的天向速度；g、
采用联邦滤波的信息融合方法，主滤波器将所述位置子滤波器得到的观测值Zi(t)及 所述速度子滤波器得到的观测值Z2(t)进行融合得到误差状态的全局估计值：Pg为联邦滤波后估计的协方差矩阵、Pi为所述位置子滤波器估计的协方差矩阵、P2为所 述速度子滤波器估计的协方差矩阵、联邦滤波估计的误差状态的全局估計值，为所
述位置子滤波器估计的值即所述位置子滤波器估计的状态参量;^2为所述速度子滤波器 估计的值，即为所述速度子滤波器估计的狀态； h、 用步骤a得到的所述定位终端的位置信息减去误差状态的全局估计值得到实际的 各种移动量，计算得出准确的所述定位终端的位置信息9.根据权利要求4所述的定位系统的定位方法，其特征在于所述步骤(4)，设定共设有 η个移动参考基站，k={l2,3…?···η}，
① 第k个移动参栲基站Μ化向所述定位终端发送UWB信号并接收转发回的变频的UWB信 号对于移动参考基站MRk，一次来回程时间tDbserva为： tobserva - ttrans+tdelay ( IX) 式（IX)中tdelay表示移动参考基站Μ化和定位终端之间传输的双程时延;ttrans是指实际 传播时间； ②
利用TD0A和A0A联合估计算法，利用接收信号较强的两个移动参考基站的信息计算 出对应蕗径传播的时延W及传播角度利用速度和时延相乘得到具体的距离信息，之后对 定位终端的位置进行地图上的定标； ③ 设定η个移动参考基站的空间位置坐标分别为（XIyi，zi)（X2，y2Z2)，…（xiyi,
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月22日
【发明人】熊海良, 高丽梅, 元辉, 马丕明, 朱维红
