1、ISSN 1006 7167CN 31 1707/TESEACH AND EXPLOATION IN LABOATOY第 41 卷 第 12 期Vol41 No122022 年 12 月Dec 2022DOI:10 19927/j cnki syyt 2022 12 017基于 GPS/UWB 的室内外无缝定位实验装置曾庆喜a，b，金宇a，林雅洁a，修巧艳b，张琪a，蔺筱宣a(南京航空航天大学 a 自动化学院;b 教师发展与教学评估中心/高等教育研究所，南京 211106)摘要:为实现智能停车场等场景中车辆的精确引导，选择 GPS 与 UWB 作为联合定位系统的组成模块，分别研究 GPS 与
2、UWB 的定位原理与误差来源，编写算法实现高斯-克吕格投影、TOA 坐标解算并实现两者的单独定位，通过引入 Kalman 滤波进行数据平滑处理。根据 GPS 与 UWB 定位质量与定位范围特点，划分联合定位系统中 GPS 和 UWB 定位的有效区域，编写了 GPS/UWB 无缝切换算法。实验表明，该组合定位实验装置整体定位切换流畅，Kalman 滤波效果较好，能够有效降低定位误差，定位精度满足智能停车场车辆引导的室内外定位需求。关键词:全球定位系统;超宽带;室内外无缝定位;组合定位中图分类号:TP 242 6文献标志码:A文章编号:1006 7167(2022)12 0086 05Indoor
3、 and Outdoor Seamless PositioningExperimental Device Based on GPS/UWBZENG Qingxia，b，JIN Yua，LIN Yajiea，XIU Qiaoyanb，ZHANG Qia，LIN Xiaoxuana(a College of Automation Engineering;b Center of Faculty Development and Teaching Evaluation/Institute ofHigher Education，Nanjing University of Aeronautics and A
4、stronautics，Nanjing 211106，China)Abstract:In order to realize the accurate guidance of vehicles in scenes such as intelligent parking lot，GPS and UWBare selected as the constituent modules of the joint positioning system The positioning principles and error sources ofGPS and UWB are studied，respecti
5、vely The algorithm is written to realize Gaussian Kruger projection and TOAcoordinate solution，and realize their separate positioning The data are smoothed by introducing Kalman filter On thisbasis，according to the characteristics of GPS and UWB positioning quality and positioning range，the effectiv
6、e areas ofGPS and UWB positioning in the joint positioning system are divided，and the GPS/UWB seamless switching algorithm iscompiled Experiments show that the overall positioning switching of the combined positioning experimental device issmooth，the Kalman filtering effect is good，the positioning e
7、rror can be effectively reduced，and the positioningaccuracy can meet the indoor and outdoor positioning requirements of vehicle guidance in intelligent parking lotKey words:global positioning system(GPS);ultra wide band(UWB);seamless indoor and outdoor positioning;combined positioning收稿日期:2022-04-15
8、基金项目:南 京 航 空 航 天 大 学 教 育 科 学 与 改 革 专 项 课 题(2019JYKX-01);2021 年度南京航空航天大学“实验技术研究与开发”项目(SYJS202102Y)作者简介:曾庆喜(1980 )，男，江苏溧阳人，副教授，现主要从事机器人导航和环境感知的研究。Tel:15951811258;E-mail:autonavinuaa163 com0引言随着汽车工业的发展以及人们生活水平的提高，城市机动车辆迅速增加，这给城市交通带来了压力的同时也对停车场的管理技术提出了要求1-2。目前，对于传统停车场，车主进入停车场后，不能迅速、准确地找到自己满意的停车位，这浪费了车主的
9、时间，同时第 12 期曾庆喜，等:基于 GPS/UWB 的室内外无缝定位实验装置也降低了停车场的运行效率。随着计算机技术逐渐被应用到停车场中，停车场的智能化和自动化程度也在不断地提升3。停车场有室外停车场与室内停车场，在对车辆进行诱导停车时，室外停车场可使用 GPS 对车辆进行定位，但对于室内停车场，GPS 信号受到遮挡，会出现 GPS 拒止的情况，无法对车辆进行定位，UWB 定位需要预先布置基站，适用于室内定位4-5。单一的 GPS 或 UWB 的定位方法不足以实现大范围的室内外定位导航，故引入 UWB 模块与 GPS 进行联合定位6。本文设计的实验装置可应用于智能停车场等环境，满足车辆诱导
10、等定位需求。本文将从实验的角度分析单一 GPS/UWB 模块的具体定位性能，给出相对坐标解算算法以及 GPS 与 UWB 在不同定位环境下的切换算法。1GPS 模块定位实验1 1单频 GPS 定位原理GPS 定位方式可以分为单点定位与差分定位。所谓单点定位，即根据单一的地面接收机得到的观测量来确定接收机具体坐标位置的方式。它仅仅采取伪距观测量来进行定位和坐标解算，用于车辆、船舶、无人机等的初步定位7-8。对于单点定位来说，其基本原理是伪距测量。在利用伪距法进行绝对定位过程中，伪距的观测方程如下:?=c(t tS)(1)式中:c 是光速;t是信号到达接收机的时刻;tS是信号离开卫星的时刻;?为卫
11、星与地面接收机的距离。依据平面建立坐标系的方式，接收机坐标未知数有 L(经度)、B(纬度)、H(高度)以及 t(时钟同步)。所以至少需要 4 颗可见卫星，联立 4 个伪距方程，才可以解算出地面接收机的坐标信息。1 2GPS 硬件搭建及数据传输本文采用单频 GPS 模块，如图 1 所示，将 U-BLOX芯片与 GPS 接收机，TTL 转 USB 串口相连，制得一个简易的单频 GPS 模块，该模块可以直接向单片机传输经度、纬度和高度等信息，波特率为 9 6 Kb/s，以字符型数据格式传输，1 帧数据的数据长度为 71 bit。图 1单频 GPS 模块由于 GPS 模块以帧为单位发送数据，故使用 G
12、PS模块首先需要判断接收数据是否帧格式正确。本文采用对接收到的每 1 帧 GPS 数据的多位标志位进行校验，从而保证数据接收的完整性和准确性。其次就是在 1 帧数据中解析出所需要的经度、纬度、高度，以及可见卫星数量信息。由于该模块在传输过程中是以字符型数据传输，故在解析过程中需要逐位编写程序进行解析得到经纬度信息。1 3GPS 坐标转换算法与误差分析由于 GPS 模块传输的经纬度信息不能直接用于导航定位分析，故本文采用高斯-克吕格投影法9，将经纬度信息通过投影方式转换到大地平面坐标系 X、Y、Z 三轴正交坐标系上，具体方法如下:xg=XB+N2l2sin Bcos B+N24(5 t2+92+
13、44)l4sin Bcos3B+N720(61 58t2+t4)l6sin Bcos5Byg=Nlcos B+N6(1 t2+2)l3cos3B+N120(5 18t2+t4+14258t22)l5cos5B(2)式中:N=a/1 e21sin2B，是卯酉圈曲率半径;a 为椭球体长半轴;e1为第一偏心率;B 为投影点的纬度;l=(L L0)/;=180/为转换系数;L0为选择的投影带轴子午线的经度;L 为投影点的经度;辅助变量 t=tan B;辅助变量 =e2cos B;e2为第二偏心率;xg与 yg为大地平面坐标系;XB为中央子午线弧长。数据解析与坐标转换完成后，即可通过单片机读取 GPS
14、定位信息并分析其定位质量。单点静态定位效果如图 2 所示，图中横轴为单点静态定位的采样点序号;纵轴为单点静态定位的 Y 轴坐标值。在 Y 轴方向，GPS 原始定位数据有毛刺误差，最大绝对误差3 m 左右。经 Kalman 滤波之后，定位效果更加平稳，误差相对减小10-11。图 2GPS 单点静态定位效果图多点动态轨迹定位效果如图 3 所示，实验地点在南航东区操场跑道，自坐标系左下方点(132 250000，273 835 600)开始。由图可见，在开始位置准78第 41 卷备阶段的停留时间过长等原因，红色原始轨迹波动比较剧烈，但经过 Kalman 滤波之后的蓝色曲线虽然与TK 系统相比有差距，
15、但是已经使得 GPS 数据平滑并减小了大部分毛刺和阶梯状误差。图 3GPS 操场动态定位轨迹由上述 GPS 静态及动态定位实验轨迹图可得，GPS 在 10 m 级的定位是可以保障稳定的，在解析定位的过程中采用参数合理的 Kalman 滤波程序可以保证轨迹的平滑性和准确性。2UWB 模块定位实验2 1TOF 测距原理本文使用研创物联 UWB Mini 3S Plus 系列超宽带测距模块。该模块的测距原理是双向时间飞行法(TW-TOF，two way-time of flight)。在启动开始时，UWB 系统中的每一个模块(基站或者标签)都会生成一条互不干扰的时间戳。如图 4 所示，基站 1 在其
16、时间戳的 t11上发送信息 1，基站 2 在 t21时刻接收，并在t22时刻发射一个响应信息 1 的信息 2，基站 1 在 t12时刻接收该响应信息 2。根据上面阐述的发送与接收响应过程，可以计算出信息在两个模块之间的飞行传递时间，并通过计算得到基站 1 与基站 2 之间的距离。设该距离为 S，光速为 c，则S=c(T1 T2)/2(3)式中:T1=t12 t11;T2=t22 t21。图 4双向时间飞行法(TOF)2 2UWB 硬件搭建本文中使用的 UWB 模块主控芯片是 STM32 单片机，测距芯片为 UWB DW1000。该模块支持虚拟 USB串口，通信距离可达 300 m。打开单片机程序软件以及 UWB 的基站与标签，能够观察到 UWB 的基站 0 通过 USB 虚拟串口传送到电脑端的数据传送格式如下:mc 0f 00000663 000005a3 00000512 000004cb095f c1 00023c24 a0:0mc 表示基站-标签(修正数据)，后面的 4 组数据是各个基站到标签之间的距离。文中提到 UWB 与 GPS 数据判定、解析相似，在UWB 的处理过程中，首
