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融合泛在无线信号与GNSS的室内外定位方法研究

夏敬潮  
【摘要】:全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)已经成为人们获取时空信息主要的技术手段。但是在室内或者室外复杂环境下,卫星信号受到屏蔽或遮挡,导致可视卫星数量不足,用户往往得不到所需要的定位结果。目前人们80%~90%的时间处于室内环境下,对于空间信息的需求也从室外扩展到了室内,因此如何实现高精度、全覆盖的定位,是一个亟需解决的问题。泛在无线信号。机会信号(Signal of Opportunity, SOP)指的是非专门用于导航定位的无线电信号,较常见的有手机信号、无线上网信号等。随着无线通讯技术的发展,以及“无线城市”、“数字城市”的建设,周围环境中的泛在无线信号日益丰富,其信号质量和信号强度远远优于来自GNSS的无线电信号,已经成为实现室内和室外复杂环境下定位的一种有效途径。针对目前GNSS定位所存在的问题,以及基于泛在无线信号定位的优势,本文就融合泛在无线信号与GNSS进行室内外定位中的若干问题展开研究,具体工作内容如下:(1)对室内外定位的时空基准统一方法进行了研究。室内外定位的时间基准可以采用协调世界时。通常将协议地心地固坐标系作为室外定位的空间基准;室内定位往往采用独立坐标系。以高斯-克吕格平面直角坐标系为桥梁,通过高斯-克吕格投影和坐标变换,可以进行室内与室外二维空间基准之间的相互转换,如果附加大地高与楼层高之间的映射关系,则可以进行三维空间基准的相互转换,从而实现了室内外定位空间基准的统一。(2)定义了符号基准的基本概念,给出了相应的位置信息的表达方式。针对导航与位置服务中位置信息多样化的需求,本文在传统坐标系统的基础上,将同时包含物理位置信息和社会属性信息的POI (Point of Interest)纳入到符号基准中,在用户获得坐标形式的定位结果后,通过与其附近区域的POI进行空间分析,可以得到更加实用化的位置信息。(3)为了解决卫星数不足情况下的GNSS定位问题,结合WLAN(Wireless Local Area Networks)/Wi-Fi定位,提出了WLAN/Wi-Fi辅助下附有高程信息的卫星定位方法。该方法首先通过Wi-Fi定位获得概略二维坐标,然后通过附有高程信息的卫星定位得到最后的位置信息。仿真实验结果表明:与Wi-Fi定位获得的概略坐标相比,利用该方法所得定位结果的统计精度和稳定度有了不同程度的提高;另外,还发现定位结果会受到卫星几何分布和高程偏差的影响。(4)当卫星数量不足时,为了削弱其几何分布对上述附有高程信息的卫星定位结果的影响,提出了WLAN/Wi-Fi辅助下基于最小距离误差的卫星定位方法。该方法利用Wi-Fi定位和附加的高程信息得到概略三维坐标,以概略坐标为中心,通过基于坐标格网搜索的最佳匹配法来得到最后的定位结果。仿真实验结果表明:与初始Wi-Fi定位相比,该方法定位结果的统计精度和稳定度均会不同程度地提高,并且克服了由于卫星分布过于集中而导致定位精度显著下降的问题。(5)完成了标准开放的泛在无线信号定位辅助信息服务系统的设计。该系统通过网络向定位用户发送泛在无线信号定位所需要的辅助信息。为了提高辅助信息的兼容性,并增强其通用性,该系统对卫星导航定位领域广泛使用的RTCM SC-104和NMEA 0183这两种国际标准格式进行了扩展,所有的信息都按照扩展后的标准格式进行编码,并通过NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol)协议进行播发,从而实现了传统高精度GNSS定位和泛在无线信号定位的有机融合。(6)对空间粒度和空间尺度在室内外定位中的内涵、作用方式、基于定位功能协同的泛在定位模式进行了研究和分析。定位中的空间粒度通过用户的定位需求来体现,它指定了定位结果(通过定位系统获得)需要达到的精度。空间尺度决定了地理实体(被定位目标)地理位置的抽象程度,用户应该根据自己活动的空间尺度来选择合适的定位系统。可以利用空间粒度和空间尺度这两项指标对用户所处的场景、定位需求进行分析,并且通过不同定位系统之间的功能协同来实现定位服务的泛在化。


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