本發(fā)明涉及一種北斗導(dǎo)航與uwb(ultrawideband)技術(shù)結(jié)合的室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

目前近年來市場上對(duì)室內(nèi)外無縫定位技術(shù)需求日益增加。伴隨著商場室內(nèi)定位及無人駕駛汽車的發(fā)展，室內(nèi)外無縫定位的市場將爆發(fā)。通過室內(nèi)外定位技術(shù)解決了北斗導(dǎo)航定位、rfid定位、zigbee定位等只能用于室內(nèi)或室外定位技術(shù)的不足，將其幾種組成一個(gè)有機(jī)整體，能夠應(yīng)用于各種環(huán)境場景。對(duì)于散雜貨碼頭來說，存在作業(yè)設(shè)備在室內(nèi)外高精度連續(xù)定位需求。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(beidounavigationsatellitessystem，bds)是我國正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是國家略性重大空間基礎(chǔ)設(shè)施。在港口導(dǎo)航中，衛(wèi)星定位憑借其精度高，使用和維護(hù)簡單，不受外界氣候條件影響等因素，應(yīng)用極為普遍。但目前常用的港口導(dǎo)航都是針對(duì)gps系統(tǒng)，而隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步建設(shè)與完善，北斗衛(wèi)星在港口導(dǎo)航中的應(yīng)用條件也逐漸成熟。采用我國自主建設(shè)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)精確可靠的導(dǎo)航定位對(duì)港口的安全保障具有重要意義。

超寬頻實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)，包括傳感器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、定位處理器、網(wǎng)線等組成部分。其中，傳感器是定位單元的最重要組成部分，在軟件平臺(tái)中有主、從傳感器之分，主傳感器通過時(shí)間同步線連接到每臺(tái)從傳感器，每臺(tái)從傳感器接收主傳感器的時(shí)間同步信號(hào)。從傳感器將定位數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鱾鞲衅鞴餐幚頂?shù)據(jù)，每個(gè)從傳感器有時(shí)間同步線連接到主傳感器。傳感器定位單元是由一個(gè)或多個(gè)傳感器組成的區(qū)域。在定位單元注冊過的標(biāo)簽進(jìn)入定位單元時(shí)，標(biāo)簽發(fā)出的uwb信號(hào)會(huì)被一個(gè)或多個(gè)傳感器接收，從傳感器解碼uwb信號(hào)和發(fā)送到達(dá)的角度及時(shí)間差信息，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鱾鞲衅?，主傳感器匯集所有數(shù)據(jù)最終計(jì)算出標(biāo)簽的位置信息。

目前市場上針對(duì)散貨碼頭機(jī)械高精度定位多為室外定位，并沒有針對(duì)室內(nèi)外的連續(xù)高精度定位產(chǎn)品。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提供了一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)及方法，利用北斗導(dǎo)航定位、超寬頻實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的最新技術(shù)，結(jié)合室內(nèi)外的作業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)作業(yè)，旨在解決以下問題：

(1)室內(nèi)的作業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)高精度定位應(yīng)用；

(2)室外的作業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)高精度定位應(yīng)用；

(3)室內(nèi)外的作業(yè)設(shè)備連續(xù)實(shí)時(shí)高精度定位應(yīng)用。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)和分別與數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)連接的北斗基準(zhǔn)站分系統(tǒng)、室內(nèi)uwb定位分系統(tǒng)、北斗/uwb移動(dòng)站分系統(tǒng)和系統(tǒng)監(jiān)控分系統(tǒng)，其中：

所述北斗基準(zhǔn)站分系統(tǒng)用于接收北斗衛(wèi)星定位觀測數(shù)據(jù)，生成差分改正數(shù)，并通過數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給北斗/uwb移動(dòng)站分系統(tǒng)；

所述室內(nèi)uwb定位分系統(tǒng)用于確定uwb標(biāo)簽位置，并通過數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)給北斗/uwb移動(dòng)站分系統(tǒng)；

所述北斗/uwb移動(dòng)站分系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)北斗定位和uwb定位功能，確定作業(yè)設(shè)備當(dāng)前位置坐標(biāo)，并將坐標(biāo)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)；

所述數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)將北斗定位和uwb定位確定的作業(yè)設(shè)備當(dāng)前位置坐標(biāo)發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)控分系統(tǒng)進(jìn)行可視化顯示，同時(shí)根據(jù)作業(yè)設(shè)備當(dāng)前位置坐標(biāo)計(jì)算作業(yè)設(shè)備與入口標(biāo)識(shí)點(diǎn)、出口標(biāo)識(shí)點(diǎn)和切換判斷標(biāo)識(shí)區(qū)的空間位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外組合定位的雙向自適應(yīng)切換。

本發(fā)明還提供了一種室內(nèi)外無縫定位方法，包括如下步驟：

步驟一、將室內(nèi)外空間坐標(biāo)系統(tǒng)一到wgs-84坐標(biāo)系統(tǒng)；

步驟二、根據(jù)室內(nèi)外定位覆蓋及切換區(qū)域特點(diǎn)，確定定位切換過程中的入口標(biāo)識(shí)點(diǎn)、出口標(biāo)識(shí)點(diǎn)和切換判斷標(biāo)識(shí)區(qū)；

步驟三、根據(jù)北斗定位功能模塊或uwb定位功能模塊確定的作業(yè)設(shè)備當(dāng)前位置坐標(biāo)計(jì)算作業(yè)設(shè)備與入口標(biāo)識(shí)點(diǎn)或出口標(biāo)識(shí)點(diǎn)的距離值；

步驟四、根據(jù)作業(yè)設(shè)備與入口標(biāo)識(shí)點(diǎn)或出口標(biāo)識(shí)點(diǎn)的距離值變化趨勢判斷作業(yè)設(shè)備是否逐步從室外向室內(nèi)或從室內(nèi)向室外運(yùn)行，當(dāng)確定作業(yè)設(shè)備正在從室外向室內(nèi)或從室內(nèi)室外運(yùn)行時(shí)，則繼續(xù)判斷該距離值是否小于從室外到室內(nèi)或從室內(nèi)到室外切換時(shí)的距離閥值，如果小于，則判斷作業(yè)設(shè)備即將從室外到室內(nèi)或從室內(nèi)到室外，則進(jìn)行室外到室內(nèi)定位或室內(nèi)到室外定位的自動(dòng)切換。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果是：通過北斗導(dǎo)航定位、超寬頻實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)的融合，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外機(jī)械設(shè)備的連續(xù)定位，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的不間斷定位與監(jiān)控。具體表現(xiàn)如下：

1.采用uwb技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高精度定位；

2.采用北斗導(dǎo)航定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)室外高精度定位；

3.采用uwb與北斗導(dǎo)航定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外連續(xù)無縫定位。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1是本室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為室內(nèi)超寬頻定位系統(tǒng)示意圖；

圖3是wgs84坐標(biāo)系定義示意圖。

具體實(shí)施方式

基于北斗導(dǎo)航與uwb技術(shù)結(jié)合的室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，如圖1所示，包括北斗基準(zhǔn)站分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)、北斗/uwb移動(dòng)站分系統(tǒng)、室內(nèi)uwb定位分系統(tǒng)、系統(tǒng)監(jiān)控分系統(tǒng)。

北斗基準(zhǔn)站分系統(tǒng)設(shè)備主要包括北斗基準(zhǔn)站接收機(jī)，北斗天線和電源模塊。北斗基準(zhǔn)站接收機(jī)選用高精度北斗接收機(jī)；電源模塊將220v交流市電轉(zhuǎn)換為穩(wěn)壓的直流電源，向北斗基準(zhǔn)站接收機(jī)供電。北斗基準(zhǔn)站天線安裝在開闊地點(diǎn)，如碼頭辦公樓樓頂。安裝時(shí)應(yīng)保證其周圍兩百米范圍內(nèi)沒有較高的遮攔物和影響北斗正常工作的電磁干擾源。實(shí)現(xiàn)高精度rtk定位的基準(zhǔn)站差分有效距離約10km，一個(gè)基準(zhǔn)站可滿足整個(gè)碼頭作業(yè)區(qū)的差分需要。

北斗/uwb移動(dòng)站包括北斗定位與uwb定位功能，主要包含定位控制器、北斗天線、uwb定位標(biāo)簽、電源模塊等，定位控制器集成高精度北斗板卡與邏輯運(yùn)算單元、存儲(chǔ)單元及wifi通訊模塊。北斗/uwb移動(dòng)站接收數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的差分改正數(shù)，確定當(dāng)前位置坐標(biāo)，并將坐標(biāo)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)。

室內(nèi)uwb定位分系統(tǒng)包含多個(gè)分布安裝在室內(nèi)建筑頂棚的uwb定位信號(hào)接收器及一個(gè)uwb定位處理器，定位處理器具有多個(gè)以太網(wǎng)接口與信號(hào)接收器網(wǎng)線連接，并與數(shù)據(jù)處理中心通過網(wǎng)絡(luò)相連。uwb定位信號(hào)接收器用于標(biāo)定位置并接收uwb定位標(biāo)簽信號(hào)，并將信息發(fā)送到uwb定位處理器。uwb定位處理器結(jié)合uwb定位信號(hào)接收器位置及uwb定位標(biāo)簽信息，確定uwb定位標(biāo)簽位置，并將其發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)。

系統(tǒng)監(jiān)控分系統(tǒng)部署在碼頭中控室，用于在碼頭地圖上可視化顯示北斗/uwb移動(dòng)站位置。

數(shù)據(jù)處理中心分系統(tǒng)部署在碼頭機(jī)房，通過碼頭工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與北斗基準(zhǔn)站分系統(tǒng)、北斗/uwb移動(dòng)站分系統(tǒng)、室內(nèi)uwb定位分系統(tǒng)、系統(tǒng)監(jiān)控分系統(tǒng)連接，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)與北斗/uwb定位數(shù)據(jù)融合處理，是系統(tǒng)的核心處理單元。

一、北斗定位(室外定位)

北斗基準(zhǔn)站接收北斗衛(wèi)星定位觀測數(shù)據(jù)，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測值進(jìn)行比較，從而得出修正數(shù)，即差分改正數(shù)，并通過數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)到北斗/uwb移動(dòng)站。

北斗/uwb移動(dòng)站的定位控制器通過wifi技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)連接，接收北斗基準(zhǔn)站分系統(tǒng)播發(fā)的觀測數(shù)據(jù)及測站坐標(biāo)信息等北斗差分?jǐn)?shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)站內(nèi)部的高精度北斗板卡，高精度北斗板卡收到差分改正數(shù)后與自身的觀測值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到高精度定位數(shù)據(jù)，包括經(jīng)度、緯度、高度，從而實(shí)現(xiàn)北斗高精度定位。

二、uwb定位(室內(nèi)定位)

當(dāng)作業(yè)設(shè)備進(jìn)入室內(nèi)后，實(shí)時(shí)高精度定位無法使用衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)，且rfid、wifi等定位手段無法達(dá)到分米級(jí)定位精度的要求。所以采用北斗導(dǎo)航與超寬頻無線定位技術(shù)結(jié)合。

在室內(nèi)頂棚上以格狀安置uwb定位信號(hào)接收器，并將北斗/uwb移動(dòng)站中的uwb標(biāo)簽固定在作業(yè)設(shè)備上頂部，通過定位接收器實(shí)時(shí)接收標(biāo)簽的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)到uwb定位處理器進(jìn)行處理，通過接收到標(biāo)簽位置信息的至少3個(gè)接收器位置信息、到標(biāo)簽的距離及角度信息，可以計(jì)算其中每個(gè)標(biāo)簽的實(shí)時(shí)三維位置，然后根據(jù)車輛上所有標(biāo)簽的位置，實(shí)時(shí)計(jì)算出作業(yè)設(shè)備的位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)站在室內(nèi)的定位。

將定位接收器安裝在頂棚下，間隔50米形成格狀分布，接收器使用防塵罩保護(hù)，并且固定在一個(gè)安裝箱上，安裝箱內(nèi)放置電源設(shè)備，現(xiàn)場的各個(gè)定位接收器使用屏蔽電纜串聯(lián)連接，最后連接到現(xiàn)場的定位處理器。在100mx460m的棚內(nèi)大致安裝28個(gè)接收器。有源定位標(biāo)簽：將有源定位標(biāo)簽安裝于作業(yè)設(shè)備的頂部的方便部位，大型的作業(yè)設(shè)備如堆取料機(jī)等，可以在大機(jī)的尾端，機(jī)頂、懸臂上每10米左右放一個(gè)，這樣有效地進(jìn)行位置檢測。標(biāo)簽全封閉封裝，安裝非常簡便。每臺(tái)大機(jī)可安裝4-5個(gè)標(biāo)簽。如圖2所示。

三、室內(nèi)外無縫定位

1、室內(nèi)外空間坐標(biāo)系統(tǒng)一

系統(tǒng)需要統(tǒng)一室內(nèi)與室外的空間坐標(biāo)系統(tǒng)，以便于對(duì)室內(nèi)外地物信息的可視化表達(dá)并為機(jī)械定位提供前提條件。系統(tǒng)以wgs-84坐標(biāo)系統(tǒng)(如圖3)作為坐標(biāo)系統(tǒng)基準(zhǔn)。借助于室內(nèi)定位系統(tǒng)和其他測繪設(shè)備及儀器，實(shí)現(xiàn)在不同定位方式、不同坐標(biāo)體系下對(duì)室外北斗定位系統(tǒng)與室內(nèi)定位的統(tǒng)一空間信息表達(dá)，為室內(nèi)外定位切換和服務(wù)提供前提條件。系統(tǒng)將室內(nèi)局部坐標(biāo)系進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化，并旋轉(zhuǎn)，使兩個(gè)坐標(biāo)系方向一致。同時(shí)將室內(nèi)坐標(biāo)系的原點(diǎn)移動(dòng)到wgs-84的坐標(biāo)系原點(diǎn)。

2、室內(nèi)外組合定位切換

室內(nèi)外定位切換是實(shí)現(xiàn)室內(nèi)與室外之間定位方式的有效轉(zhuǎn)化。對(duì)于室外和室內(nèi)定位系統(tǒng)而言，不同的定位信號(hào)覆蓋區(qū)域決定了各自的定位作用范圍，定位切換通過分別開啟與關(guān)閉處理實(shí)現(xiàn)從一種定位方式到另一種定位方式的過渡，同時(shí)融合這些作用范圍，支持適應(yīng)室內(nèi)、室外更大范圍區(qū)域的定位服務(wù)集成系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的定位信號(hào)情況決定采用何種定位技術(shù)的一種方式。

根據(jù)室內(nèi)外定位覆蓋及切換區(qū)域特點(diǎn)，設(shè)置定位切換過程中的入口標(biāo)識(shí)點(diǎn)、出口標(biāo)識(shí)點(diǎn)和切換判斷標(biāo)識(shí)區(qū)。

通過室內(nèi)外定位模塊，判斷當(dāng)前位置在室內(nèi)或者室外，并且獲取機(jī)械實(shí)時(shí)位置信息，計(jì)算當(dāng)前位置與入口標(biāo)識(shí)點(diǎn)、出口標(biāo)識(shí)點(diǎn)和切換判斷標(biāo)識(shí)區(qū)的空間位置關(guān)系，并將上述關(guān)系作為切換定位方法的依據(jù)。

將當(dāng)前計(jì)算的空間關(guān)系及其量化值與預(yù)先設(shè)定的切換閾值進(jìn)行比較，依據(jù)室內(nèi)外定位切換規(guī)則，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外組合定位的雙向自適應(yīng)切換。

(1)室外到室內(nèi)定位切換

系統(tǒng)獲取當(dāng)前北斗系統(tǒng)空間坐標(biāo)，判斷當(dāng)前位置與室內(nèi)入口標(biāo)識(shí)、標(biāo)識(shí)區(qū)的空間位置的空間關(guān)系，記錄三組數(shù)據(jù)，根據(jù)距離值變化趨勢判斷機(jī)械是否逐步向室內(nèi)運(yùn)行。如正在向室內(nèi)運(yùn)行，則將計(jì)算出的距離值與從室外到室內(nèi)切換時(shí)的距離閥值進(jìn)行比較，用作判定機(jī)械是否正打算進(jìn)入到室內(nèi)的標(biāo)志。如判斷機(jī)械已進(jìn)入室內(nèi)，則系統(tǒng)開啟uwb室內(nèi)定位模式，關(guān)閉北斗定位，完成室外到室內(nèi)定位的自動(dòng)切換。

(2)室內(nèi)到室外定位切換

系統(tǒng)獲取當(dāng)前uwb系統(tǒng)位置坐標(biāo)，判斷當(dāng)前位置與室內(nèi)出口標(biāo)識(shí)、標(biāo)識(shí)區(qū)的空間位置的空間關(guān)系，記錄三組數(shù)據(jù)，根據(jù)距離值變化趨勢判斷機(jī)械是否逐步向室外運(yùn)行。如正在向室外運(yùn)行，則將計(jì)算出的距離值與從室內(nèi)到室外切換時(shí)的距離閥值進(jìn)行比較，用作判定機(jī)械是否正打算進(jìn)入到室外的標(biāo)志。如判斷機(jī)械已進(jìn)入室外，則系統(tǒng)開啟室外北斗定位模式，關(guān)閉uwb定位，完成室內(nèi)到室外定位的自動(dòng)切換。