技术领域
本发明属于定位技术领域，具体涉及一种室内外无缝定位系统及其定位方法。
背景技术
随着通信和导航定位技术的迅速发展，人们对基于位置信息的服务LBS(LocationBased Services)的需求也不断提高，在未来的LBS中必定要求定位服务不会随着位置的变化而中断，这就要求对用户的定位服务不会因该室内外的位置变化而出现定位失败的问题，需要实现两种定位环境的无缝切换。室外环境下，全球定位系统、北斗卫星导航系统等全球导航卫星系统能够为终端用户提供高精度的位置信息，但是在室内环境下，由于受墙体的阻挡影像，卫星信号会被严重衰减而无法用于室内的定位和导航。
针对室内环境的定位问题，当前具有代表性的室内定位技术主要包括：射频识别定位、蓝牙定位、Wi-Fi定位、磁场定位、超宽带定位、激光定位、LED可见光定位、音频定位和视觉定位等，但是仍然有许多问题需要解决，比如：系统定位复杂度高、实现成本高、精度差等。同时，由于室外环境的定位是基于卫星导航系统的绝对位置信息的定位方式，而室内环境的定位是基于定位系统构建的坐标系下的相对位置信息的定位方式，因此如何有效的将两种结合起来仍是目前工程应用的难点。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种室内外无缝定位系统及其定位方法，有效将室内室外两种定位方式结合了起来。
具体方案如下：
一种室内外无缝定位系统，其特征在于，包括室外定位模块、室内定位模块、室内外定位融合切换模块以及定位结果显示模块；室外定位模块的信号输出端、室内定位模块的信号输出端与室内外定位融合切换模块的信号输入端连接，室内外定位融合切换模块的信号输出端与定位结果显示模块的信号输入端连接；
所述室外定位模块包括GNSS定位模块、INS定位模块和室外定位融合模块，所述GNSS定位模块用于接收卫星定位观测数据，并将GNSS信号定位数据输出给室外定位融合模块处理；所述INS定位模块用于采集惯性测量数据，并将惯性测量数据输出给室外定位融合模块处理；所述室外定位融合模块用于通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，将得到的室外定位数据输出给室内外定位融合切换模块处理；
所述室内定位模块包括激光雷达定位模块、UWB定位模块和室内定位融合模块，所述激光雷达定位模块用于绘制室内点云数据，并将估算的激光雷达定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述UWB定位模块通过测距信息估计定位数据，并将估算的UWB定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述室内定位融合模块用于通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，将得测量到的室内定位数据输出给室内外定位融合切换模块处理；
所述室内外定位融合切换模块通过对GNSS定位模块接收到的卫星数量进行判断，判断出待定位目标所在的位置区域；
所述定位结果显示模块通过加载的室外电子地图和构建的室内三维地图实现待定位目标的定位信息的呈现。
作为本发明的进一步改进，所述的一种室内外无缝定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：所述室内外定位融合切换模块通过对GNSS定位模块接收到的卫星数量进行判断，判断出待定位目标所在的位置区域，对所述位置区域进行区域识别，得到区域识别结果，当GNSS定位模块接收到的卫星数量大于4颗时，所述区域识别结果为室外区域，所述待定位目标的定位模式为室外定位模式，并转入步骤2；当GNSS定位模块接收到的卫星数量不大于4颗时，所述区域识别结果为室内区域，所述待定位目标的定位模式为室内定位模式，并转入步骤3；
步骤2：所述GNSS定位模块接收卫星定位观测数据，输出GNSS信号定位数据给室外定位融合模块处理；所述INS定位模块采集惯性测量数据，输出惯性测量数据给室外定位融合模块处理；所述室外定位融合模块通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，输出室外定位数据，并转入步骤4；
步骤3：所述激光雷达定位模块绘制室内点云数据，并将估算的激光雷达定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述UWB定位模块通过测量UWB基站到待定位目标的距离解算出待定位目标的定位数据，将估算的UWB定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述室内定位融合模块用于通过采用基于粒子滤波器的方式，建立基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，输出室内定位数据，并转入步骤4；
步骤4：所述室内外定位融合切换模块通过室内外绝对位置解算算法实现室外和室内定位方式的融合、切换和集成，完成室内外的平滑过渡；
步骤5：所述定位结果显示模块根据所述区域识别结果显示待定位目标的定位信息，当所述区域识别结果为室外区域时，通过加载的室外电子地图实时显示室内外定位融合切换模块输出的待定位目标的定位信息；当所述区域识别结果为室内区域时，通过构建的室内三维地图实时显示室内外定位融合切换模块输出的待定位目标的定位信息；返回步骤1。
作为本发明的进一步改进，所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤2中所述的基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，为GNSS/INS紧组合导航定位算法，所述融合模型的状态方程由GNSS定位模块的时钟误差和INS定位模块系统误差共同组成，可以表示为：
所述INS定位模块的状态向量：
过程噪声向量：
W
式中，
所述GNSS定位模块的系统矩阵：
过程噪声矩阵：
式中，
式中，ω
所述GNSS定位模块的状态向量：
X
过程噪声向量：
W
式中，δt
所述GNSS定位模块的系统矩阵：
过程噪声矩阵：
式中，β
所述融合模型的卡尔曼滤波器的观测采用基于伪距、伪距率紧耦合组合的量测方程：
式中：伪距量测矩阵H
其中：
式中：
作为本发明的进一步改进，所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤3中所述的基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，为基于粒子滤波的UWB和激光雷达融合定位误差模型；
状态方程：
X
量测方程：
Z
式中：X
作为本发明的进一步改进，所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤3中所述的基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，包括以下步骤：
步骤31：根据所述UWB横纵坐标的量测值输入估算位置：
式中，
步骤32：增加粒子的控制输入(速度、角速度等)，预测所有粒子的下一步位置：
式中，x
步骤33：计算由UWB观测生成的每个粒子的位置和激光雷达量测到的所述待定位目标位置之间的几何距离，更新所有粒子的权值：
式中，
步骤34：根据粒子的权重，对所有粒子进行重采样：
式中，
步骤35：回到步骤32，进入下一次循环，在此过程中，遇到所述定位目标状态突变，以当前所述UWB定位模块的定位结果作为初始位置回到步骤31，重新搜索所述定位目标位置。
作为本发明的进一步改进，所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤4中所述的室内外绝对位置解算算法分为由室外到室内的绝对位置信息实时解算算法和室内到室外的绝对位置信息后解算算法；
所述室外到室内的绝对位置信息实时解算算法：所述室内外定位融合切换模块将定位模式由室外定位模式切换为室内定位模式时，所述室内外定位融合切换模块将切换前所述室外定位模块输出的绝对位置坐标和绝对航向信息传递给所述室内定位模块，作为所述室内定位模块的初始值；
所述室内到室外的绝对位置信息后解算算法：所述室内外定位融合切换模块检测到定位模式由室内定位模式切换到室外定位模式时，将所述室内定位模块延时关闭，测量过渡区域在所述室内定位模块下输出的室内定位数据和所述室外定位模块下输出的室外定位数据，解算出位置变化的旋转和平移矩阵，从而推算出室内绝对航向和绝对位置。
作为本发明的进一步改进，所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于所述UWB定位数据为：
A＝[x
式中，
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明有效的提高用户在不同环境下的定位结果。通过GNSS定位模块接收到的卫星数量的方法来判断用户处于的环境，可以更加精准地控制模式之间的切换。建立基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型来进行室内定位可以有效提高室内定位的精度。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明一种室内外无缝定位系统，包括室外定位模块、室内定位模块、室内外定位融合切换模块以及定位结果显示模块；室外定位模块的信号输出端、室内定位模块的信号输出端与室内外定位融合切换模块的信号输入端连接，室内外定位融合切换模块的信号输出端与定位结果显示模块的信号输入端连接；
所述室外定位模块包括GNSS定位模块、INS定位模块和室外定位融合模块，所述GNSS定位模块用于接收卫星定位观测数据，并将GNSS信号定位数据输出给室外定位融合模块处理；所述INS定位模块用于采集惯性测量数据，并将惯性测量数据输出给室外定位融合模块处理；所述室外定位融合模块用于通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，将得到的室外定位数据输出给室内外定位融合切换模块处理；
所述室内定位模块包括激光雷达定位模块、UWB定位模块和室内定位融合模块，所述激光雷达定位模块用于绘制室内点云数据，并将估算的激光雷达定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述UWB定位模块通过测距信息估计定位数据，并将估算的UWB定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述室内定位融合模块用于通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，将得测量到的室内定位数据输出给室内外定位融合切换模块处理；
所述室内外定位融合切换模块通过对GNSS定位模块接收到的卫星数量进行判断，判断出待定位目标所在的位置区域；
所述定位结果显示模块通过加载的室外电子地图和构建的室内三维地图实现待定位目标的定位信息的呈现。
在本实施例中，所述的一种室内外无缝定位系统的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：所述室内外定位融合切换模块通过对GNSS定位模块接收到的卫星数量进行判断，判断出待定位目标所在的位置区域，对所述位置区域进行区域识别，得到区域识别结果，当GNSS定位模块接收到的卫星数量大于4颗时，所述区域识别结果为室外区域，所述待定位目标的定位模式为室外定位模式，并转入步骤2；当GNSS定位模块接收到的卫星数量不大于4颗时，所述区域识别结果为室内区域，所述待定位目标的定位模式为室内定位模式，并转入步骤3；
步骤2：所述GNSS定位模块接收卫星定位观测数据，输出GNSS信号定位数据给室外定位融合模块处理；所述INS定位模块采集惯性测量数据，输出惯性测量数据给室外定位融合模块处理；所述室外定位融合模块通过采用基于卡尔曼滤波器的方式，建立基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，输出室外定位数据，并转入步骤4；
步骤3：所述激光雷达定位模块绘制室内点云数据，并将估算的激光雷达定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述UWB定位模块通过测量UWB基站到待定位目标的距离解算出待定位目标的定位数据，将估算的UWB定位数据输出给室内定位融合模块处理；所述室内定位融合模块用于通过采用基于粒子滤波器的方式，建立基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，输出室内定位数据，并转入步骤4；
步骤4：所述室内外定位融合切换模块通过室内外绝对位置解算算法实现室外和室内定位方式的融合、切换和集成，完成室内外的平滑过渡；
步骤5：所述定位结果显示模块根据所述区域识别结果显示待定位目标的定位信息，当所述区域识别结果为室外区域时，通过加载的室外电子地图实时显示室内外定位融合切换模块输出的待定位目标的定位信息；当所述区域识别结果为室内区域时，通过构建的室内三维地图实时显示室内外定位融合切换模块输出的待定位目标的定位信息；返回步骤1。
在本实施例中，所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤2中所述的基于GNSS信号定位数据与惯性测量数据的融合模型，为GNSS/INS紧组合导航定位算法，所述融合模型的状态方程由GNSS定位模块的时钟误差和INS定位模块系统误差共同组成，可以表示为：
所述INS定位模块的状态向量：
过程噪声向量：
W
式中，
所述GNSS定位模块的系统矩阵：
过程噪声矩阵：
式中，
式中，ω
所述GNSS定位模块的状态向量：
X
过程噪声向量：
W
式中，δt
所述GNSS定位模块的系统矩阵：
过程噪声矩阵：
式中，β
所述融合模型的卡尔曼滤波器的观测采用基于伪距、伪距率紧耦合组合的量测方程：
式中：伪距量测矩阵H
其中：
式中：
在本实施例中，所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤3中所述的基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，为基于粒子滤波的UWB和激光雷达融合定位误差模型；
状态方程：
X
量测方程：
Z
式中：X
在本实施例中，所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤3中所述的基于激光雷达定位数据与UWB定位数据的融合模型，包括以下步骤：
步骤31：根据所述UWB横纵坐标的量测值输入估算位置：
式中，
步骤32：增加粒子的控制输入(速度、角速度等)，预测所有粒子的下一步位置：
式中，x
步骤33：计算由UWB观测生成的每个粒子的位置和激光雷达量测到的所述待定位目标位置之间的几何距离，更新所有粒子的权值：
式中，
步骤34：根据粒子的权重，对所有粒子进行重采样：
式中，
步骤35：回到步骤32，进入下一次循环，在此过程中，遇到所述定位目标状态突变，以当前所述UWB定位模块的定位结果作为初始位置回到步骤31，重新搜索所述定位目标位置。
在本实施例中，所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于，步骤4中所述的室内外绝对位置解算算法分为由室外到室内的绝对位置信息实时解算算法和室内到室外的绝对位置信息后解算算法；
所述室外到室内的绝对位置信息实时解算算法：所述室内外定位融合切换模块将定位模式由室外定位模式切换为室内定位模式时，所述室内外定位融合切换模块将切换前所述室外定位模块输出的绝对位置坐标和绝对航向信息传递给所述室内定位模块，作为所述室内定位模块的初始值；
所述室内到室外的绝对位置信息后解算算法：所述室内外定位融合切换模块检测到定位模式由室内定位模式切换到室外定位模式时，将所述室内定位模块延时关闭，测量过渡区域在所述室内定位模块下输出的室内定位数据和所述室外定位模块下输出的室外定位数据，解算出位置变化的旋转和平移矩阵，从而推算出室内绝对航向和绝对位置。
在本实施例中，所述的一种室内外无缝定位方法，其特征在于所述UWB定位数据为：
A＝[x
式中，
机译： 室内外确定装置，室内外确定方法和室内外确定程序，以及定位系统，定位方法和定位程序
机译： 室内外无缝定位系统及其方法
机译： 室内外无缝导航定位系统
