基于北斗与超宽带的通导融合模型研究
时间：2023-06-13 09:40:27 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
岳 鹏，刘怀远，党 方
基于北斗与超宽带的通导融合模型研究
岳 鹏，刘怀远，党 方
（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）
传统的北斗定位可以解决大部分场景下的位置定位问题，设计了一种北斗与超宽带的组合定位模型，主要应用在卫星信号受到严重遮蔽的区域，此时利用超宽带辅助定位可以对缺少的北斗观测量进行补足，同时对超宽带基站的合理布设进行进一步分析，使其在复杂的区域内依旧满足用户的定位需求。
北斗；
超宽带；
伪距融合模型
近年来，国内外学者针对传统全球定位系统（Global Positioning System，GPS）与中国北斗卫星导航系统（Beidou Navigation Satellite System， BDS）定位的不足，从各个角度研究了GPS/BDS与超宽带技术（Ultra Wide Band，UWB）组合定位的可能性，在BDS和UWB组合定位系统中要想实现真正意义的紧耦合需要建立它们的紧耦合综合观测方程，要想实现高精度定位需要选择合适的UWB基站布设位置以及合适的融合定位算法。
BDS/UWB组合定位主要应用在卫星信号受到严重遮蔽的区域，此时利用UWB辅助定位可以对缺少的BDS观测量进行补足，使其在复杂的区域内依旧满足用户的定位需求。为了实现BDS/UWB的组合定位，首先要建立其组合定位的伪距融合模型，然后根据各个模块开展详细的研究。而要想实现BDS和UWB真正意义上的紧耦合，就必须通过建立综合观测方程对它们的数据进行融合。与此同时，UWB基站的合理布设对BDS/UWB组合系统的定位性能也有着很大的影响。本文将对BDS/UWB伪距融合模型和UWB基站的布设方案开展详细的研究。
北斗超宽带组合定位的伪距融合模型如图1所示。在每个需要定位的目的点上放置一个处理器，该处理器不同于一般的北斗接收机，它是一个综合多功能处理器，可以接收北斗信号，并将接收到的北斗信号所携带的卫星坐标、伪距和钟差校正等信息解析出来，然后将这些信息传递给数据处理中心。同时定位目的点上的综合多功能处理器也可以发射UWB信号，各个UWB接收基站会接收来自定位目的点的UWB信号并根据测距算法从中解析出测距信息，然后将该距离信息以及相对应的UWB基站坐标转发到数据处理中心，这样数据处理中心就同时接收到了来自于BDS和UWB两个定位子系统的信息数据。
图1 BDS/UWB组合定位的伪距融合模型
数据处理中心是BDS/UWB组合定位系统的核心，是该系统拥有高精度定位性能至关重要的一部分。如图1所示的数据处理中心包含的数据处理过程为：首先，在每一个观测历元下数据处理中心都会接收来自BDS以及UWB子系统的定位准备数据，将这些准备数据包括伪距、星坐标等信息进行初步的筛选、剔除、模型补偿的工作。然后，用筛选补偿后的定位准备数据建立各自子系统的观测方程，最终融合形成新的BDS/UWB综合观测方程，真正地实现北斗定位系统以及UWB子系统数据的紧耦合。最后，需要特定的智能优化定位算法将BDS/UWB综合观测方程进行解算。数据处理中心在每一个观测历元下经过上述数据的处理过程才可以得到我们所需要的目的定位点的三维坐标信息。
当BDS信号出现遮蔽等而导致定位观测量不足时，单独的BDS系统无法完成用户的定位需求。而UWB的定位原理和BDS定位原理有着诸多相似之处，可以采用UWB的观测量对BDS缺少的定位观测量进行补足。采用BDS伪距和UWB测距信息紧耦合的方式来进行BDS/UWB系统的组合，进而建立综合观测方程来进行定位坐标的解算。
BDS定位解算实际上就是求解非线性方程组的过程，如式（1）所示：
伪卫星是一类安装在地面上、舰船上或者天空中的类似于卫星的设备，伪卫星技术能够通过增加卫星数量以及合适的伪卫星布设位置人为地改善空中卫星的几何分布，对于那些处于遮蔽的复杂环境下的定位服务有着重要的应用价值。对于UWB定位子系统来说，正是采用UWB伪卫星的定位辅助方式来对BDS缺失的观测量进行补足的。
在采用UWB伪卫星定位系统对BDS进行辅助增强定位时，首先根据卫星的几何分布选择合适的UWB基站布设位置，将UWB伪卫星定位系统的局部坐标进行绝对坐标的转化，使其和BDS的坐标进行统一，让二者都采用我国标准大地坐标系（CGCS2000），这也就是组合定位系统中的空间同步；
然后通过相应的钟差校正技术对UWB伪卫星基站的时钟进行校正，使其和BDS时间进行同步，从而实现BDS和UWB伪卫星系统的时空同步。最后根据到达时间（Time of Arrival，TOA）定位方式建立UWB子系统的定位观测方程。
UWB伪卫星基站通常布设在用户的上方或者需要定位的环境内部，因此UWB信号不会存在电离层时延和对流层时延的问题。UWB的定位观测方程如式（2）所示：
同理，可以得到UWB伪卫星辅助定位系统的观测方程如式（4）所示：
只有将BDS的数据和UWB伪卫星的数据进行融合，建立BDS/UWB综合观测方程，才算是将BDS和UWB进行了紧耦合处理。可以将两个子系统的方程进行联立来求解，以获得高精度的定位结果，将各自子定位系统的方程进行组合能够得到BDS/UWB综合观测方程如式（5）所示：
将式（5）中的对流程误差、电离层误差以及钟差等建立相应的补偿校正模型进行补偿，校正后的BDS/UWB综合观测方程如式（6）所示：
定位算法采用的是牛顿迭代—最小二乘定位算法。对BDS伪距来说设定的用户测距误差是均值为0，方差为1的正态分布；
对于UWB测距误差来说设定的误差是均值为0，方差为0.2的正态分布。对于定位性能的评定，采用每一个定位点在300个观测历元下的平均定位误差以及均方根误差两种评定标准。
当A、 B、C、D四颗卫星都可以观测时的定位性能如图2所示。
图2 BDS4下的定位误差
在用户接收机观测到4颗北斗卫星时，它们所形成的几何构型的集合精度因子值（Geometric Dilution Precision， GDOP）为8.876 5。对于定位系统来说，该GDOP的值是偏大的，这是因为只有4颗卫星观测量，在实际的北斗定位中，卫星观测量一般都是在5颗以上的，因为研究的定位系统是为存在遮蔽的复杂环境下的定位提供服务的，所以在这里只选取了4颗卫星。通过仿真结果能够看出，此时定位误差的均值是5.87 m，定位的均方根误差为6.89 m。
UWB基站布设在不同的位置时，会给BDS/UWB组合定位系统带来不同的GDOP值，而不同的GDOP值，会影响最终的定位性能。
将UWB基站布设在不同的位置时所对应的GDOP值、平均定位误差以及定位的均方根误差如表1～表3所示。从表1中仿真结果可以看出，随着GDOP值的增大，相应的定位性能会相应的下降。使GDOP最小的UWB基站布设位置，也会使BDS/UWB组合定位系统呈现出最好的定位性能，此时平均定位误差为2.5074 m，均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）为2.8780 m，UWB基站的加入使北斗的定位性能有约55%的提升。
表1 BDS4/UWB中UWB布设位置对定位性能的影响
当卫星D不可见时，通过UWB的加入仍可完成定位，而且会提高原BDS的定位性能。以最小GDOP布设UWB基站时，BDS/UWB组合定位系统的平均定位误差为3.3166 m，相比于单一的原BDS系统来说定位性能有着40%的提升，如表2所示。
表2 BDS3/UWB中UWB布设位置对定位性能的影响
当卫星D不可见时，通过UWB的加入仍可完成定位，此次仿真在原BDS3+UWB的组合定位系统中再次加入一个UWB基站，形成BDS3+UWB2组合定位系统，这样做的目的是提高组合系统的定位精度，满足用户的定位需求。当第2个UWB基站布设在（-14，-6）时，组合定位系统的GDOP达到了最小值2.319 8，此时定位的平均误差为1.482 9 m，RMSE为1.657 1 m，如表3所示。
表3 BDS3/UWB2中第2个UWB布设位置对定位性能的影响
不同BDS/UWB组合定位系统的综合性能分析如表4所示，UWB辅助基站的加入会使得北斗的几何分布变好，从而使GDOP下降，提高系统的定位性能。当北斗可观测卫星达到4颗时，加入UWB可以提高系统的定位性能；
当北斗可观测卫星不足4颗时，可以加入UWB基站来进行观测量补足，使北斗恢复它的定位性能。实际应用中，要根据定位场景的复杂程度、用户需求的定位精度以及成本等因素综合考虑UWB基站的布设方案。
表4 BDS/UWB组合定位系统性能分析
本文主要建立了基于BDS/UWB的伪距融合定位模型并对其进行了性能评估。首先，研究了BDS定位的伪距观测方程以及UWB伪卫星的观测方程，将二者的观测方程联合建立了BDS/UWB组合定位的综合观测方程，并结合伪距修正和定位算法等模块建立了伪距定位模型。使得BDS在观测量不足时，依旧能满足用户的定位需求，实现了真正意义上的BDS和UWB紧耦合。此外，通过仿真结果还可以发现UWB的加入能够在BDS观测量不足时进行观测量补足，从而有效地增强BDS的定位性能，对于通信与导航领域均有一定的借鉴意义。
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Research on Communication and Navigation Fusion Model Based on BDS and UWB
YUE Peng, LIU Huaiyuan, DANG Fang
The traditional Beidou positioning can solve the problem of position location of most of the scenarios, a big dipper and the combination of UWB positioning model are designed, mainly used in the satellite signal severely covered, at this time of UWB auxiliary positioning can make up for lack of a big dipper of the observable for the reasonable layout of UWB base station for further analysis, so that it is in complex areas still meet the user’s positioning needs.
Beidou Navigation Satellite System; Ultra Wide Band; Pseudorange Fusion Model
TN925
A
1674-7976-(2022)-06-391-05
2022-08-26。
岳鹏（1983.06—），陕西汉中人，硕士，高级工程师，主要研究方向为通信与信息系统。
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