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技术领域

[0001] 本发明专利涉及一种目标定位系统及方法，特别是一种移动目标协同定位系统及定位方法。

背景技术

[0002] 目前，移动目标的定位得到了越来越多的关注，其精确定位能够详细说明“在什么时间或什么位置区域，移动目标位置和姿态处于什么状态”，而且随着其定位精度的不断提高，其应用的领域和范围在不断扩展。在面对一些复杂的任务时，如多机作业、工厂物流、智能调度等，移动目标甚至能够按照功能需求移动到预定目的地，因此定位技术为其提供了重要的支持。目前，移动目标定位常用的方法有GPS卫星定位、捷联惯导定位、视觉定位、无线传感器网络定位等方法。

[0003] 在地面或空中等室外开阔环境下，为移动目标安装GPS接收器，能够实时获得移动目标的动态位置，尽管其定位精度比较低，仍然已经成为一种成熟的方案而受到广泛的应用。但是对于室内、矿井等封闭环境下移动目标定位，受到复杂环境对GPS信号传播的遮挡，从而在封闭环境下无法利用GPS获得移动目标的位置。

[0004] 捷联惯导定位是利用移动目标在行进过程中自身存在的惯性，选用惯性敏感元件，能够准确输出移动目标的位置和姿态信息，但是存在传感器漂移和累计误差等不足，造成长时间后位置信息严重失信，而且没有地面或空中常用的GPS校准，从而造成无法单独使用捷联惯导进行定位。

[0005] 视觉定位是利用视觉传感器技术来对目标进行摄像，通过物像特征点匹配、目标识别等方法来实现目标的位置和姿态输出，但是封闭环境下光照不均、图像变形、遮挡干扰等会给位姿解算带来误差，而且对移动目标缺乏快速高效的位姿解算方法，不适合用于移动目标的高精度定位。

[0006] 无线传感器网络通过信号强度指示、信号到达时间差、到达时间以及到达角度等测距方法解算获得移动目标的位置，由于移动目标为一个空间三维物体，但是常常将其简化为一个质心体从而给定位解算带来较大误差，对于移动目标的实时姿态更是无法输出。

[0007] 封闭环境下移动目标单独采用以上的定位方法，都无法准确的输出位置和姿态信息。

发明内容

[0008] 技术问题：本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提出移动目标协同定位系统的定位方法，解决封闭环境下移动目标单独采用以上的定位方法，都无法准确的输出位置和姿态信息的问题。

[0009] 针对上述问题，本发明提出一种移动目标协同定位系统，在移动目标上安装捷联惯导模块、超宽带无线接收器和协同定位模块，在定位区域内布置超宽带无线发射器；所述的协同定位模块中有捷联惯导参数通讯模块、无线参数通讯模块和协同运算处理单元；捷联惯导参数通讯模块与捷联惯导模块进行通讯，无线参数通讯模块与超宽带无线接收器进行通讯，协同运算处理单元对接收到的信息进行解算；捷联惯导模块测量得到的移动目标的姿态角、加速度、速度和位置运动参数，通过协同定位模块上的惯导参数通讯模块传输给协同运算处理单元；超宽带无线传感器测量得到的无线测距参数，通过协同定位模块上的无线参数通讯模块传输给协同运算处理单元，运动参数与测距参数在协同运算处理单元经数值解算，获得移动目标精确的位置和姿态信息。

[0010] 一种移动目标协同定位系统的定位方法，其特征是利用捷联惯导模块和超宽带无线传感器对移动目标的参数进行感知，建立捷联惯导和超宽带无线耦合模型，由捷联惯导模块输出移动目标高精度姿态信息，在捷联惯导模块输出的运动参数补偿下，超宽带无线传感器输出移动目标高精度的位置信息，并对捷联惯导模块输出的位置信息进行校正，从而实现封闭环境下定位区域内移动目标输出位置和姿态信息，包括以下步骤：

[0011] 步骤1）捷联惯导模块与超宽带无线传感器协同下多源参量的实时感知与测距运算；

[0012] 步骤2）移动目标的捷联惯导模块下运动参量与超宽带无线传感器无线信号间的误差传递分析与补偿；

[0013] 步骤3）捷联惯导模块下高频位置信息与超宽带无线传感器下低频位置信息在不同坐标系下的统一变换；

[0014] 步骤4）捷联惯导模块下姿态、加速度、速度与位置参量与超宽带无线传感器下信号到达时间差、到达角度间的交互耦合；

[0015] 步骤5）捷联惯导模块与超宽带无线传感器协同下移动目标位置和姿态的解算与校正；

[0016] 在步骤1）中，所述的捷联惯导模块与超宽带无线传感器协同下多源参量的实时感知与测距运算，具体为：将捷联惯导模块测量的数据通过积分运算得到移动目标粗略的位置和姿态，而将超宽带无线传感器测量的数据经过计算得到移动目标与超宽带无线发射器间的测距信息；

[0017] 在步骤2）中，所述的移动目标的捷联惯导模块下运动参量与超宽带无线传感器无线信号间的误差传递分析与补偿，具体为：利用惯导参数通讯模块和无线参数通讯模块，通过串口将测量参数传递给协同运算处理单元，考虑系统误差传递关系，进行多参量误差传递研究及补偿，建立各阶段误差方程，采用最优滤波策略，实现协同定位下多参数误差的抑制；

[0018] 在步骤3）中，所述的捷联惯导模块下高频位置信息与超宽带无线传感器下低频位置信息在不同坐标系下的统一变换，具体为：捷联惯导模块输出的为地理坐标系下高频位置信息，通过稀疏采样和坐标变换统一，变换到超宽带无线传感器输出下的空间直角坐标系下的低频位置信息，继而利用捷联惯导模块的运动参数建立联合滤波下移动目标位置的观测方程；

[0019] 在步骤4）中，所述的捷联惯导模块下姿态、加速度、速度与位置参量与超宽带无线传感器下信号到达时间差、到达角度间的交互耦合，具体为：将捷联惯导模块测量获得的姿态、加速度、速度与位置耦合到超宽带无线传感器测量数据中，来对超宽带无线传感器测量的到达时间差和到达角度参数进行修正，继而利用超宽带无线传感器测量参数建立联合滤波下移动目标位置测量方程；

[0020] 在步骤5）中，所述的捷联惯导模块与超宽带无线传感器协同下移动目标位置和姿态的解算与校正，具体为：利用捷联惯导模块输出建立的移动目标状态观测方程，结合超宽带无线传感器输出建立的移动目标状态测量方程，经交互多模型卡尔曼滤波方法获得移动目标的一次位置估计，继而利用超宽带无线传感器的到达时间差与到达角度，求得移动目标的精确位置，并对捷联惯导模块下观测方程进行校正，通过循环校正来实现移动目标高精度位置和姿态输出。

[0021] 有益效果，由于采用了上述方案，通过将捷联惯导模块和超宽带无线传感器进行优势互补，设计了移动目标协同定位系统，并进行了基于捷联惯导和超宽带无线间多传感参数耦合的计算，来对封闭环境定位区域内移动目标的位置和姿态进行定位。由于移动目标协同定位系统包含三轴激光陀螺仪，可以对移动目标姿态角进行精确定位，而超宽带无线传感器可以对移动目标位置进行定位，通过移动目标姿态角的补偿，能够得到移动目标精确位置，继而对捷联惯导模块的位置信息进行校正，从而在封闭环境定位区域下能够输出移动目标精确的位置和姿态信息。该发明能够解决单独采用超宽带无线传感器无法输出移动目标三维姿态信息的不足，并且以质心位置来描述移动目标的空间位置存在误差大的缺陷，同时又能够解决单独采用捷联惯导模块由于传感器漂移累计误差而导致的位置信息严重失信的不足。本发明结构紧凑，方法简单，安全可靠，安装和操作简便。