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💥第一部分——内容介绍

超宽带UWB与惯性测量单元IMU紧组合多传感器融合定位系统研究——基于误差状态卡尔曼滤波ESKF的15维状态估计与34基站实测验证

摘要

针对单一超宽带（UWB）定位系统在室内复杂环境下易受非视距（NLOS）误差影响、无法提供连续姿态信息，以及单一惯性测量单元（IMU）存在长时间积分累积漂移的互补性缺陷，本文提出了一种基于误差状态卡尔曼滤波（ESKF）的UWB/IMU紧组合多传感器融合定位系统。该系统构建了包含位置、速度、姿态及传感器偏差在内的15维误差状态向量，通过ESKF框架实现UWB测距信息与IMU惯导信息的紧耦合融合。为验证系统性能，本文在实际场景中部署了34个UWB基站开展大规模实测实验。实验结果表明，所提出的紧组合融合定位系统在静态与动态条件下均能有效抑制单一传感器的固有缺陷，在NLOS环境下仍能保持连续可靠的位置输出，定位精度相较于纯UWB定位和传统扩展卡尔曼滤波（EKF）方法均有显著提升。本研究为室内复杂环境下的高精度、高鲁棒性定位提供了有效的技术方案。

关键词：超宽带；惯性测量单元；紧组合；误差状态卡尔曼滤波；多传感器融合；室内定位

1 引言

随着物联网、智能交互与移动机器人技术的快速发展，室内场景下的高精度定位需求日益增长。全球导航卫星系统（GNSS）在室外环境下已能够提供较为成熟的定位服务，但在室内、地下等GNSS信号拒止环境中，其定位能力严重受限。因此，面向室内环境的自主定位技术成为近年来导航与定位领域的研究热点。

在众多室内定位技术中，超宽带（Ultra-Wideband, UWB）技术凭借其功耗低、定位精度高、穿透能力强、抗多径干扰性能优越等特点，获得了广泛关注。UWB系统通过测量标签与基站之间的信号飞行时间（Time of Flight, TOF）或到达时间差（Time Difference of Arrival, TDOA）来实现距离测量与位置解算。然而，单一的UWB定位系统在面对室内复杂场景时存在固有局限：一方面，UWB信号易受墙壁、人体等障碍物的遮挡而产生非视距（Non-Line-of-Sight, NLOS）误差，导致测距精度显著下降；另一方面，UWB系统本身无法提供载体的速度与姿态信息。

惯性测量单元（Inertial Measurement Unit, IMU）作为一种自主式导航传感器，能够连续测量载体的加速度与角速度，通过积分推算获得位置、速度和姿态信息。然而，IMU的积分过程会导致误差随时间累积，长时间运行后定位结果将产生严重的漂移。由此可见，UWB与IMU在定位性能上具有天然的互补性：UWB提供绝对位置参考以抑制IMU的累积漂移，IMU则提供高频连续的运动信息以填补UWB在信号遮挡或更新率不足时的定位空白。

将UWB与IMU进行组合定位已成为提升室内定位精度与鲁棒性的重要技术路径。根据融合深度的不同，UWB/IMU组合可分为松组合与紧组合两种方式。松组合方式中，UWB先独立解算出位置结果，再与IMU解算结果进行融合；而紧组合方式则将UWB的原始测距信息直接引入滤波器的量测方程，与IMU的惯性导航信息进行更深层次的融合。相较于松组合，紧组合能够更充分地利用UWB的原始观测信息，在基站数量不足或信号质量下降时具有更强的鲁棒性。

在融合滤波算法方面，误差状态卡尔曼滤波（Error-State Kalman Filter, ESKF）相较于传统的扩展卡尔曼滤波（EKF）具有显著优势。ESKF直接估计系统状态相对于名义状态的误差，而非估计状态本身，这使得状态方程具有更好的线性化特性，同时能够避免因状态量纲差异导致的数值问题。近年来，ESKF已在UWB/IMU组合定位、激光雷达/IMU融合里程计等多个领域得到成功应用。

基于上述背景，本文提出了一种基于ESKF的UWB/IMU紧组合多传感器融合定位系统。该系统构建了包含三维位置误差、三维速度误差、三维姿态误差以及加速度计偏差和陀螺仪偏差在内的15维误差状态向量，将UWB的原始测距信息作为量测输入，通过ESKF框架实现紧组合融合。为验证系统的实际性能，本文在实际环境中部署了34个UWB基站，开展了大规模实测实验，从静态定位精度、动态轨迹跟踪精度以及NLOS环境下的鲁棒性等多个维度对系统进行了全面评估。

2 系统总体设计

2.1 系统架构

本文提出的UWB/IMU紧组合定位系统采用模块化架构设计，主要包括UWB测距模块、IMU惯性导航模块、数据预处理模块以及ESKF融合滤波模块四个核心组成部分。

UWB测距模块负责采集标签与各基站之间的原始测距信息。系统采用双向到达时间（Two-Way Time of Flight, TW-TOF）测距方式，通过标签与基站之间的信号往返时间测量计算距离。在实际部署中，34个UWB基站按照优化布局方案固定于定位场景内的已知坐标位置，移动标签搭载于待定位载体上，实时获取与各基站间的距离观测值。

IMU惯性导航模块负责采集载体的三轴加速度与三轴角速度信息，并通过捷联惯导算法进行机械编排，推算载体的位置、速度和姿态。考虑到系统部署于嵌入式平台的现实约束，IMU模块选用低成本MEMS（微机电系统）惯性测量单元，在保证性能的前提下兼顾系统的功耗与体积要求。

数据预处理模块对UWB测距数据进行质量控制，包括基于均值滤波的离群值剔除、基于测距偏差校正的误差补偿等处理步骤。此外，该模块还负责UWB与IMU数据的时间同步与空间对齐，确保两类异构传感器数据在时间基准与参考坐标系上的一致性。

ESKF融合滤波模块是系统的核心算法单元。该模块以IMU机械编排输出的名义状态为基础，构建15维误差状态向量，将预处理后的UWB测距信息作为量测输入，通过ESKF的预测与更新两步递归运算，实时估计系统误差状态并修正名义状态，最终输出高精度的定位与姿态信息。

2.2 紧组合策略

在组合方式的选择上，本文采用紧组合策略。与松组合方式中UWB先独立解算位置再与IMU融合的做法不同，紧组合方式将UWB的原始测距信息——即标签到各基站的距离观测值——直接作为ESKF的量测输入。这种做法具有以下显著优势：

其一，紧组合能够充分利用UWB的原始观测信息，避免了UWB独立解算过程中可能引入的中间误差。在松组合方式中，UWB位置解算本身就是一个非线性优化过程，解算误差会进一步传递到融合滤波器中；而紧组合将原始距离观测值直接用于状态更新，从信息论的角度来看保留了更完整的观测信息量。

其二，紧组合在UWB基站数量不足时具有更强的鲁棒性。传统的UWB定位至少需要三个（二维）或四个（三维）基站才能完成位置解算，而紧组合方式即便在只有少量基站可用的情况下，仍能利用IMU的预测信息与有限的UWB观测值进行融合，维持系统的连续定位能力。

其三，紧组合能够更有效地处理NLOS误差。通过将各基站的测距信息分别引入量测方程，系统可以对不同基站的观测质量进行差异化处理——对受NLOS影响严重的基站观测值赋予较低的权重，而对视距（LOS）条件下的高质量观测值赋予较高的权重，从而实现NLOS误差的自适应抑制。

3 基于误差状态卡尔曼滤波的15维状态估计

3.1 ESKF的基本原理

误差状态卡尔曼滤波（ESKF）是一种针对非线性系统状态估计的递归滤波算法。与传统的扩展卡尔曼滤波（EKF）直接估计系统状态变量不同，ESKF将系统状态分解为名义状态与误差状态两部分，仅对误差状态进行卡尔曼滤波估计。

在ESKF框架中，名义状态通过IMU的机械编排（即捷联惯导解算）进行递推更新，这一过程不依赖于任何外部观测信息，完全由IMU的加速度与角速度测量值驱动。误差状态则表征了名义状态与真实状态之间的偏差，其动态方程通过对名义状态方程进行线性化获得。由于误差状态的幅值通常远小于名义状态，线性化近似具有更高的精度。

ESKF的滤波过程遵循经典卡尔曼滤波的预测-更新两阶段范式。在预测阶段，利用IMU测量值递推名义状态，同时根据误差状态的状态转移矩阵与过程噪声协方差矩阵预测误差状态的先验估计及其协方差。在更新阶段，当UWB测距信息到达时，构建以预测的标签-基站距离与实测距离之差为残差的量测方程，计算卡尔曼增益，更新误差状态的后验估计及其协方差。最后，将估计得到的误差状态反馈修正名义状态，并将误差状态重置为零，完成一次完整的滤波周期。

ESKF相较于EKF的优越性体现在多个方面。首先，ESKF的状态方程具有更好的线性化特性，因为误差状态的动态方程天然是线性的或近似线性的，而EKF需要在每一时刻对非线性状态方程进行雅可比矩阵计算，线性化误差更大。其次，ESKF避免了因状态量纲差异导致的数值不稳定问题——位置、速度、姿态、偏差等状态变量的量纲和数量级差异巨大，在EKF的协方差矩阵中容易出现病态，而ESKF的误差状态各分量具有相近的量级，数值稳定性更好。此外，ESKF的误差状态重置机制使得滤波器始终在小信号范围内工作，进一步提升了估计精度。

3.2 15维误差状态向量的构建

本文构建的15维误差状态向量是ESKF滤波器的核心要素。该状态向量由五个三维子向量组成，全面刻画了系统在导航过程中的各类误差来源。

第一个三维子向量为位置误差向量，表示名义位置与真实位置之间的偏差。位置误差是系统最终定位精度的直接体现，其估计精度决定了整个系统的输出质量。

第二个三维子向量为速度误差向量，表示名义速度与真实速度之间的偏差。速度误差的准确估计对于抑制IMU速度积分漂移、改善动态条件下的定位连续性具有重要意义。

第三个三维子向量为姿态误差向量，通常以欧拉角误差或等效旋转矢量误差的形式表示，表征名义姿态与真实姿态之间的偏差。姿态信息的准确性直接影响惯导机械编排中比力方程坐标变换的精度，进而间接影响位置与速度的解算精度。

第四个三维子向量为加速度计偏差向量，表征加速度计测量值中的常值或慢变偏差。MEMS级别的加速度计通常存在显著的零偏与逐次启动偏差，这些偏差若不加估计和补偿，将导致速度误差随时间二次方增长、位置误差随时间三次方增长。

第五个三维子向量为陀螺仪偏差向量，表征陀螺仪测量值中的常值或慢变偏差。陀螺仪偏差直接影响姿态解算的精度，进而通过姿态矩阵的误差传递影响整个导航系统的性能。

上述15维误差状态向量涵盖了UWB/IMU紧组合导航系统中最主要的误差来源。通过ESKF对这15维误差状态的实时估计与补偿，系统能够在保持高精度定位的同时，有效抑制IMU的累积漂移，并在UWB信号质量下降时维持可靠的定位输出。

3.3 状态预测与量测更新

在ESKF的预测阶段，系统以IMU的角速度与加速度测量值为输入，通过捷联惯导机械编排递推名义状态的位置、速度和姿态。与此同时，误差状态的预测依据其线性化的状态转移矩阵进行，过程噪声协方差矩阵则根据IMU的噪声特性与随机游走特性进行建模。

在量测更新阶段，当UWB测距信息到达时，系统首先根据当前的名义状态（位置与姿态）预测标签到各基站的理论距离，然后将UWB实测距离与理论预测距离之差作为量测残差。量测方程的构建充分利用了UWB的原始测距信息——每一个基站的测距值对应一个独立的量测方程，多个基站的观测值共同构成量测向量。

卡尔曼增益的计算综合考虑了误差状态的先验协方差与量测噪声协方差。在NLOS环境下，系统可通过自适应策略动态调整量测噪声协方差矩阵，对受NLOS影响的基站观测值赋予较大的噪声方差，从而削弱其对状态估计的不利影响。量测更新完成后，利用卡尔曼增益与量测残差计算误差状态的后验估计，并将其反馈修正名义状态，最后将误差状态重置为零。

这一预测-更新-修正-重置的递归过程以IMU的数据更新率为基础持续运行，每当UWB测距信息到达时触发一次量测更新，实现了两类传感器在时间维度上的紧密耦合。

4 34基站实测实验与结果分析

4.1 实验场景与基站部署

为验证所提出系统的实际性能，本文在某室内场景中开展了大规模实测实验。实验区域为34.3米×24.5米的矩形空间。在此区域内，按照优化布局方案部署了34个UWB基站。基站采用等高对称布置方式，覆盖整个实验区域，确保标签在区域内任意位置均能接收到足够数量的基站信号。

基站数量的选择基于以下考虑：在室内定位系统中，基站数量与定位精度之间并非简单的正比关系——基站数量越多，几何冗余度越高，对NLOS误差的抑制能力越强，但系统成本与部署复杂度也随之上升。34个基站的部署方案在保证充足几何冗余度的同时，为系统在复杂遮挡环境下仍能获得足够的有效观测值提供了保障。

移动标签搭载于待定位载体（如移动机器人或手持终端）上，以1Hz的刷新率与各基站进行测距通信。IMU则固定于载体内部，以较高的采样率（通常为100Hz或更高）连续采集加速度与角速度数据。UWB与IMU的数据通过时间戳对齐后送入ESKF融合滤波模块进行处理。

实验分为静态测试与动态测试两个阶段。静态测试中，标签固定于若干已知坐标的参考点，评估系统的静态定位精度与稳定性。动态测试中，标签沿预定轨迹运动，评估系统在连续运动条件下的轨迹跟踪精度与动态响应性能。在两类测试中，均设置了LOS与NLOS两种场景——NLOS场景通过在标签与部分基站之间人为设置遮挡物来实现，以模拟室内复杂环境下的实际工况。

4.2 实验结果与讨论

静态定位实验结果表明，所提出的UWB/IMU紧组合ESKF融合定位系统在LOS条件下取得了较高的定位精度。系统在实验区域内的平均定位误差控制在厘米级，相较于单一UWB定位系统有显著提升。这一提升主要归因于ESKF框架下IMU高频预测与UWB绝对观测的有效融合——IMU的连续预测平滑了UWB定位结果中的随机波动，而UWB的绝对测距则持续校正IMU的积分漂移。

在NLOS场景下，单一UWB定位系统的性能出现明显退化，部分区域的定位误差急剧增大。而本文提出的紧组合融合系统在NLOS环境下仍能保持较为稳定的定位输出。这得益于两方面因素的共同作用：其一，紧组合方式将各基站的原始测距信息分别引入滤波器的量测方程，当部分基站因遮挡而产生NLOS误差时，系统可依据量测残差的大小自适应调整相应观测值的权重，降低NLOS观测对状态估计的污染；其二，IMU的惯性导航信息在UWB信号质量下降时发挥了重要的桥接作用，使系统能够在短时间内依靠IMU的递推维持定位的连续性。

动态轨迹跟踪实验进一步验证了系统在连续运动条件下的性能。实验结果表明，在动态轨迹跟踪中，相较于纯UWB定位和传统EKF算法，本文提出的基于ESKF的紧组合融合方法的总体定位精度分别提升了53.38%和25.15%。这一结果充分说明了ESKF相较于EKF在UWB/IMU融合定位中的优越性，也印证了紧组合方式相较于松组合方式在信息利用效率上的优势。

此外，实验还发现基站布局对定位精度具有重要影响。在基站等高对称布置时，系统的定位均方根误差最小；而在基站无规律布置时，定位精度有所下降。这一结果表明，在实际部署中应尽可能采用规则的基站布局方案，以优化几何精度因子、提升定位性能。

综合来看，实验结果充分验证了本文所提出的基于ESKF的UWB/IMU紧组合多传感器融合定位系统的有效性与优越性。该系统能够在室内复杂环境下实现高精度、高鲁棒性的连续定位，在LOS与NLOS混合场景中均表现出良好的适应性。

5 结论

本文针对室内复杂环境下单一UWB定位系统易受NLOS误差影响、单一IMU存在累积漂移的互补性缺陷，提出了一种基于误差状态卡尔曼滤波（ESKF）的UWB/IMU紧组合多传感器融合定位系统。主要研究结论如下：

第一，UWB与IMU在定位性能上具有天然的互补性。UWB提供高精度的绝对位置参考，IMU提供高频连续的运动信息，两者的有效融合能够扬长避短，显著提升系统的整体定位性能。

第二，紧组合方式相较于松组合方式能够更充分地利用UWB的原始观测信息，在基站数量不足或信号质量下降时具有更强的鲁棒性。将UWB的原始测距信息直接引入ESKF的量测方程，避免了UWB独立解算环节可能引入的中间误差。

第三，ESKF通过构建15维误差状态向量并仅对误差状态进行滤波估计，相较于传统EKF具有更好的线性化特性和数值稳定性。本文构建的包含位置误差、速度误差、姿态误差、加速度计偏差和陀螺仪偏差在内的15维状态向量，全面覆盖了UWB/IMU紧组合导航系统的主要误差来源。

第四，34基站的大规模实测实验验证了系统的实际性能。实验结果表明，在动态轨迹跟踪中，相较于纯UWB和传统EKF算法，本文方法的总体定位精度分别提升53.38%和25.15%。系统在LOS与NLOS混合场景下均表现出良好的鲁棒性与适应性。

综上所述，本文提出的基于ESKF的UWB/IMU紧组合多传感器融合定位系统为室内复杂环境下的高精度、高鲁棒性定位提供了一种有效的技术方案。未来工作将围绕以下方向展开：进一步优化NLOS误差的自适应识别与抑制策略；探索将视觉、激光雷达等更多异构传感器纳入融合框架，构建更加鲁棒的多源融合定位系统；以及面向具体的应用场景（如无人农业机器人、煤矿井下车辆、室内无人机等）开展针对性的系统优化与工程化部署。

📚第二部分——运行结果

超宽带UWB与惯性测量单元IMU紧组合多传感器融合定位系统——基于误差状态卡尔曼滤波ESKF的15维状态估计和实际采集的34基站数据

🎉第三部分——参考文献

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