GNSS/UWB高精度室内外组合定位方法研究

王 宁，宋伟中，郭海松

（黄河科技学院，河南 郑州 450063）

1 GNSS定位技术应用现状与要点

GNSS定位技术是目前广泛应用的一种定位技术，在现代生产生活中发挥的作用越来越受到人们的重视。由于GNSS技术本身的限制，其在精确定位等方面无法充分满足人们的要求。

1.1 GNSS定位技术的发展现状分析

GNSS是全球导航卫星系统定位的简称。全球导航卫星系统定位需利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量，同时还必须利用用户钟差。全球导航卫星系统是能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。自从美国的GPS导航系统投入使用后，卫星导航系统的建设和研究一直是人们关注的重点之一。我国出于国家安全与人们需求方面的考虑，也正在进行北斗卫星导航系统的建设活动。但由于GPS导航系统应用经验成熟，在民用市场中依然占有很大的份额。

GNSS就是利用全球导航卫星进行精确定位的一种技术。利用GNSS导航系统的卫星系统，可以测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据确定接收机的具体位置。

1.2 GNSS定位技术的应用要点分析

为实现GNSS定位技术的高效应用，需要注意如下三点。

首先，GNSS系统空间部分的准确度。应用过程中，GNSS系统需要用户的位置能够随时观测到4颗以上的卫星。因此，GNSS系统需要提供至少24颗轨道卫星，并沿着固定轨道进行运转。由于卫星的建造、发射及运行等都需要大量的技术支持和资金投入。所以这部分系统一般由国家部门负责建设。为了满足系统运行的需要，国家需要每隔一定的时间，对在轨卫星进行一次更换。

其次，地面控制系统也是需要重点注意的一部分。该系统是实现卫星信息的收集、星历、相对距离的计算及大气校正等工作的重要基础，一般也有国家进行统一的规划和管理。

最后，对GNSS定位技术影响最大的是用户设备。用户设备一般为GNSS信号接收机。该设备最主要的功能是捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并对卫星的运行进行跟踪。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。这些数据是实现定位的重要基础。

GNSS定位技术应用广泛，且应用经验比较成熟。但由于自身技术特点的限制，GNSS定位技术在室内的精确定位还存在一定的问题。

2 UWB技术应用现状与特点

2.1 UWB技术的发展现状分析

UWB技术是一种无载波通信技术，是超宽带技术的简称。近年来，UWB技术的发展越来越受到人们的关注，UWB技术更被称为是无线电领域的一次革命性进展，并被认为是未来短距离无线通信的主流技术。目前，国外已经突破UWB技术传统的近距离高速数据传输应用限制，开始利用其亚纳秒级超窄脉冲来做近距离精确室内定位。为了进一步提高UWB技术的实用性，人们正在推动G赫兹级频谱的应用[1]。

2.2 UWB技术的应用特点分析

目前，UWB技术表现出的应用特点具体如下。

（1）系统结构与传统的通信系统相比更加简单。传统的通信技术需要大量的技术设备的支持，而UWB技术则不需要这些技术设备。两者最大的区别在于UWB技术不用通过载波的变化等进行信息传输，主要通过发送纳秒级脉冲来传输数据信号。

（2）UWB技术的数据传输速率更高。为了进一步提高技术的数据传输速率，UWB技术采用了比较宽的频率带宽。UWB技术不需要单独占用已经拥挤不堪的频带资源。经过优化的UWB技术可以提供高达500 Mb/s的数据传输速率。

（3）安全性强。由于UWB技术采用了纳秒级脉冲进行信息数据的传输，所以抗干扰能力更强。UWB技术的安全性比传统的通信技术更高。

（4）定位准确。UWB技术凭借着纳秒级脉冲的传输特点，在室内的高精度定位方面有更好的表现。

此外，UWB技术还具有多径分辨能力强、建设使用成本低等特点。由于UWB技术的优越性，实现GNSS/UWB技术的组合应用，可以有效地推动现有定位技术的发展。

3 GNSS/UWB高精度室内外组合定位的关键技术分析

3.1 GNSS定位技术与UWB技术的相结合

GNSS定位技术目前在室内精确定位中的应用受到了很大的限制。分析工作原理可知，GNSS定位技术需要对导航卫星的信号进行分析和处理。在此过程中，信号的强弱与接收有效性等都直接关系到精确定位的效果。室内干扰大，用户设备一般很难获取到高质量的卫星信号，因此经常发生在复杂室内环境或者隧道中丢失GNSS定位信号的现象。

由于自身主要依靠纳秒级脉冲进行信号传输，UWB技术可以很好地克服GNSS定位技术在室内应用受限的问题。利用UWB技术作为GNSS定位的补偿，实现室内精确定位的研究越来越受到人们的关注。

3.2 GNSS/UWB高精度室内外组合定位的关键要点

UWB技术可以很好地弥补GNSS定位技术在定位精度等方面的缺陷。但由于两者在应用过程中有一定的区别性，要实现高精度室内外组合定位，还需要注意其方法。

组合应用的过程中，应当充分发挥两者的长处。GNSS定位技术凭借着环绕地球的导航卫星，可以实现大范围的实时性定位。UWB技术在应用过程中，则容易受到信号传输距离有限的困扰。因此，在GNSS/UWB高精度室内外组合定位的过程中，在室外的定位应当主要依靠GNSS定位技术得以实现。GNSS覆盖的范围大，响应速度快，可以充分满足人们的要求。复杂环境下，则依靠UWB技术进行精度弥补，确保定位准确性。

GNSS定位技术和UWB技术在工作的过程中有不同的工作模式，需要相应的数据接口进行信息传输。为了实现两者的融合工作，需要在工作平台上建设可扩展的数据融合定位接口。该平台的接口需要能够兼容多种定位信息，并进行相应的处理工作。

4 GNSS/UWB组合室内定位技术的应用方法

为了推动GNSS/UWB高精度室内外组合定位技术的发展和应用，需要对GNSS/UWB高精度室内外组合定位的系统模型建立方法进行研究。

系统模型建立是实现信息有效处理的重要基础。特别是要实现室内外的高精度定位，将运动信息转换为相应的空间信息是工作重点。因此，建立了一种高时效性的系统模型，以进一步提高定位的精确度。

建立GNSS/UWB高精度室内外组合定位系统模型的过程中，应明确GNSS定位技术为应用主体，以充分发挥GNSS定位技术的大覆盖范围、操作便捷的优点；UWB技术则做为补偿技术。此外，系统模型设计的过程中，应该充分考虑两者的运行兼容度，提高两者共同工作的稳定性。

5 结 论

GNSS/UWB高精度室内外组合定位技术的应用对未来社会的发展有着重要的意义。本文分析了GNSS定位技术和UWB技术的发展现状及其技术特点。同时，本文对GNSS/UWB高精度室内外组合定位的关键要点进行了探讨，并对系统模型建立方法和应用要点进行了研究。