濮 迪

（中國電子集團公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

北斗室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)設(shè)計與仿真分析

濮 迪

（中國電子集團公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

針對當(dāng)前室內(nèi)外無縫定位無法實現(xiàn)無縫的問題，文章通過對北斗指紋節(jié)點信號、室內(nèi)環(huán)境的模擬與指紋節(jié)點的部署、北斗指紋節(jié)點的定位以及北斗互相關(guān)干擾與抑制的研究，提出一種與北斗系統(tǒng)相兼容的全新無縫導(dǎo)航定位方案，滿足北斗接收機無需添加硬件設(shè)備的軟升級定位，真正實現(xiàn)室內(nèi)外定位的無縫銜接和平滑過渡，并進行了仿真驗證。

無縫定位；北斗系統(tǒng)；指紋節(jié)點；互相關(guān)干擾

在室外環(huán)境下，GNSS系統(tǒng)已經(jīng)可以提供令人滿意的位置服務(wù)，而目前常用的GPS定位服務(wù)是由美國軍方提供的，從國防建設(shè)和公共安全等方面上講并不適用于我國的國情。相比之下本文更適合以中國自主研制的北斗系統(tǒng)作為研究方向。在室內(nèi)定位技術(shù)方面，已經(jīng)有諸如組合導(dǎo)航、UWB定位、AGPS、高靈敏度GPS及WLAN定位等技術(shù)，但是這些定位方法都有局限性。組合導(dǎo)航技術(shù)主要是基于慣性導(dǎo)航，累積誤差的存在和高昂的成本使其應(yīng)用前景并不明朗；UWB系統(tǒng)在理論上具有最好的定位精度，但其信號的射頻特性決定了其在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下無法應(yīng)用；AGPS和高靈敏度GPS技術(shù)復(fù)雜，且僅能解決“淺室內(nèi)環(huán)境”的定位問題；WLAN定位被認(rèn)為是目前事實上的最佳室內(nèi)定位技術(shù)，但其需要使用額外的接收機，同時該技術(shù)基于民用的WLAN系統(tǒng)，無法滿足如軍用，警用等特殊領(lǐng)域的需求。另外，上述幾種定位技術(shù)并未消除室內(nèi)和室外之間存在的縫隙。由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，單純依靠三角學(xué)計算的定位手段受到極大制約，而指紋定位技術(shù)則被認(rèn)為是室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展方向。

針對以上問題，擬結(jié)合現(xiàn)有的北斗定位技術(shù)和室內(nèi)指紋定位技術(shù)提出一種北斗指紋定位方案，使接收機可以在同一信號體制下同時獲得室內(nèi)外環(huán)境下的定位服務(wù)。北斗指紋定位方案中，將導(dǎo)航衛(wèi)星信號進行改造，并由室內(nèi)節(jié)點發(fā)射。接收機在室外環(huán)境下仍使用北斗衛(wèi)星信號進行定位，而在室內(nèi)環(huán)境下，則通過指紋定位的方式獲得位置信息。由于室內(nèi)節(jié)點發(fā)送的信號在物理層上與北斗信號兼容，用戶接收機并不需要增加額外的硬件設(shè)備，便可平滑、無縫的在室內(nèi)外定位服務(wù)間切換和過渡。

1　北斗無縫定位系統(tǒng)分析

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是中國自主研發(fā)和運營的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其在室外環(huán)境下可以為用戶提供可靠的導(dǎo)航定位服務(wù)。但是作為星際導(dǎo)航定位系統(tǒng)，北斗系統(tǒng)與GPS、GLONASS等系統(tǒng)一樣，在地下停車場等室內(nèi)環(huán)境下系統(tǒng)性能會急劇惡化甚至無法使用。

針對這個問題，本文結(jié)合了IMES系統(tǒng)中的指紋節(jié)點和WLAN室內(nèi)定位中的Radio Map的思想，提出了一種基于北斗指紋節(jié)點的室內(nèi)外無縫導(dǎo)航定位系統(tǒng)。利用同一接收機實現(xiàn)室內(nèi)外定位功能，避免了不同體制接收機之間的互相切換，真正實現(xiàn)了室內(nèi)外無縫定位。同時本系統(tǒng)對現(xiàn)有的北斗導(dǎo)航接收機改動很小，只需對北斗接收機的軟件進行升級，即可完成室內(nèi)外無縫定位。

基于北斗指紋節(jié)點的室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)的基本系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)主要由北斗衛(wèi)星、北斗指紋節(jié)點以及升級后的北斗接收機三部分組成。當(dāng)用戶在室外時利用北斗衛(wèi)星進行定位，而進入室內(nèi)后利用指紋節(jié)點進行定位。無論是室內(nèi)還是室外，用戶都使用同一北斗接收機，無需切換不同體制的接收機，接收機會自動判斷接收的是衛(wèi)星信號還是北斗指紋節(jié)點信號，并利用相應(yīng)的定位算法對用戶進行定位，真正實現(xiàn)無縫定位。

圖1　北斗無縫定位系統(tǒng)總體框圖

由于利用北斗衛(wèi)星進行室外定位已經(jīng)是十分成熟的技術(shù)，所以這部分功能在無縫定位系統(tǒng)的設(shè)計上認(rèn)為已完成，所以本系統(tǒng)的主要精力都集中在設(shè)計北斗指紋節(jié)點以及利用指紋節(jié)點完成室內(nèi)定位。

2　北斗室內(nèi)外無縫定位關(guān)鍵技術(shù)

2.1北斗指紋節(jié)點信號設(shè)計

北斗指紋節(jié)點是安置在室內(nèi)的一種簡易的北斗信號發(fā)生器，接收機在室外接收北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號完成導(dǎo)航定位，進入室內(nèi)后將利用北斗指紋節(jié)點發(fā)射的信號實現(xiàn)室內(nèi)定位功能。

為保證室內(nèi)外無縫定位能夠在同一接收機上實現(xiàn)，室內(nèi)節(jié)點的發(fā)射信號必須在射頻上與北斗衛(wèi)星信號保持一致。在本設(shè)計中，室內(nèi)節(jié)點信號的射頻規(guī)范參照《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件公開服務(wù)信號B1I（1.0版）》（以下簡稱“北斗ICD”）設(shè)計。室內(nèi)節(jié)點信號使用B1頻點，僅包含B1信號中的I路信號，采用BPSK調(diào)制，其表達式如下：

其中，上角標(biāo)j表示室內(nèi)節(jié)點編號；A表示信號振幅；C表示測距碼；D表示測距碼上調(diào)制的數(shù)據(jù)碼；f0表示載波頻率；φ表示載波初相。

為保證大多數(shù)現(xiàn)有的北斗接收機能夠兼容室內(nèi)節(jié)點信號，室內(nèi)節(jié)點信號的偏移程度不應(yīng)超出接收機射頻器件的通帶，因此本文將以北斗衛(wèi)星信號所能達到的最大多普勒頻移，作為室內(nèi)節(jié)點信號的中心頻率的偏移量。

在室內(nèi)指紋定位的過程中，節(jié)點需要周期性的向外廣播一組具有固定特征的信息幀，用于測量信號強度，本文信息幀的設(shè)計如圖2所示。

圖2　室內(nèi)節(jié)點信息幀結(jié)構(gòu)

為分析室內(nèi)節(jié)點信號與北斗衛(wèi)星信號在兼容性上的問題，表1中列出了兩種信號在各種參數(shù)和性質(zhì)上的對比。

2.2室內(nèi)環(huán)境模擬與指紋節(jié)點部署

信號強度在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下波動很大，主要的影響便來自于陰影損耗，路徑損耗的波動并不大，而多徑的影響由可以通過多次測量取平均來消除。此外還有折射、吸收、噪聲等，但這些因素對信號強度的影響較小，此處不予考慮。本文所確定的傳播模型中包含三種主要的衰減：自由空間路徑衰減、穿門和穿墻的衰減、從均值為零的高斯分布的陰影衰減。其中自由空間路徑衰減比較穩(wěn)定，而穿墻、穿門衰減和陰影衰落都服從統(tǒng)計特性，這就要求我們在測量指紋圖時需要多次測量來消除隨機誤差。

室內(nèi)空間相對狹小，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，障礙物密集以及很多實時變化的因素，極易造成室內(nèi)傳播信號的不確定性甚至中斷。因此，對于較高定位精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)來說，本文采用一種基于信號歐氏距離的室內(nèi)節(jié)點快速部署方案。

2.3北斗指紋節(jié)點的定位方法

2.3.1基于改進的Cell-ID的低精度定位模式

基于改進的Cell-ID的定位算法如圖3所示，假設(shè)整個室內(nèi)環(huán)境布置了K個指紋節(jié)點（TP1，TP2，……，TPK），北斗接收機接收到的RSS（Received Signal Strength）向量為（RSS1，RSS2，…，RSSi，…，RSSK），其中RSSi為接收機接收到的第i個指紋節(jié)點的信號強度值。

圖3　基于Cell-ID的低精度定位模式

2.3.2基于Radio Map的高精度定位模式

基于Radio Map的高精度定位模式如圖4所示，主要分為離線階段和在線階段。離線階段的主要任務(wù)是在布置完指紋節(jié)點后，建立指紋節(jié)點信號強度的Radio Map。

圖4　基于Radio Map的高精度定位模式

2.4北斗互相關(guān)干擾分析與抑制

對于基于北斗指紋節(jié)點的室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，由于北斗接收機接收到的室內(nèi)布置的北斗指紋節(jié)點發(fā)射的信號功率一般比接收到的北斗衛(wèi)星信號的功率大。所以當(dāng)同時能觀測到北斗指紋節(jié)點信號與北斗衛(wèi)星信號時，較強指紋節(jié)點信號會對接收機觀測較弱的北斗衛(wèi)星信號產(chǎn)生干擾，從而產(chǎn)生互相關(guān)干擾。

本文采用子空間投影的思想對互相關(guān)干擾進行抑制。子空間投影的基本原理是利用強信號估計的參數(shù)構(gòu)建強信號子空間，再得到其強信號子空間的正交空間，然后通過投影矩陣將接收信號在其正交空間上進行投影，利用強信號預(yù)期子空間的正交空間的正交性即可消除強信號，達到對互相關(guān)干擾進行抑制的目的。

北斗接收機中下變頻得到的中頻信號r如式（2）所示，由3部分組成：M個弱信號MAW，N個強信號SAS，以及熱噪聲n。

其中接收信號是一個向量的形式r=［r（1），r（2），…，r（K）］T，K代表總的采用點數(shù)；而向量AW=［aw1，aw2，…，awM］T，為弱信號的幅度矢量；W為一個K×M的矩陣，具體形式如公式（3）所示。

式中Di（t）為第i個弱信號的數(shù)據(jù)比特信息，Ci（t）為第i個弱信號的C/A碼，而fi為其載波頻率，θi是載波初始相位。同樣對強信號而言，AS=［as1，as2，…，asN］T為強信號幅度矢量；S為一個K×N的矩陣，如公式（4）所示。

假設(shè)長度為K的接收信號內(nèi)的強信號已完成捕獲及跟蹤，即已經(jīng)估計出強信號的數(shù)據(jù)比特信息、碼相位信息以及載波頻率值以及初始相位值。根據(jù)估計的強信號信息就可重建矩陣S，然后通過如下變換就可求得投影矩陣H：投影矩陣有個很好的性質(zhì)就是HS=S，因此分別在公式（2）的等式兩邊左乘矩陣H有，

再利用公式（2）減去公式（6）有，

由于C/A碼近似正交且弱信號的強度遠低于強信號與噪聲，所以HWAw≈0，因此

公式（8）即為經(jīng)過子空間投影后對強信號進行抑制后得到的弱信號及噪聲分量。

3　仿真分析

本仿真針對空曠室內(nèi)環(huán)境和復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境進行了環(huán)境建模，并分別基于這兩種環(huán)境進行了實驗驗證，以保證北斗無縫定位系統(tǒng)的定位能力。

為驗證空曠室內(nèi)環(huán)境下系統(tǒng)的定位能力，本文仿真生成了一個15m*15m的空曠房間環(huán)境，如圖5所示。

圖5　空曠室內(nèi)環(huán)境試驗場景

在其場景下進行了定位仿真實驗，參考點間距1m，參考點采樣次數(shù)100次。定位測試共進行了10000次，每次隨機產(chǎn)生真實位置，并將測量位置與之比較得到的定位精度情況如圖6所示。從圖中可以看出空曠環(huán)境下的定位精度可以達到1σ內(nèi)1.16米。

圖6　空曠室內(nèi)環(huán)境下的定位精度分析

在空曠室內(nèi)環(huán)境下，本文進行了室內(nèi)外環(huán)境切換試驗，如圖7所示。當(dāng)系統(tǒng)判決用戶處于室外時，便不再提供指紋定位服務(wù)，轉(zhuǎn)而進行室外衛(wèi)星定位。用黃色圓點以示區(qū)別。

圖7　空曠室內(nèi)環(huán)境下的室內(nèi)外切換試驗結(jié)果

為驗證系統(tǒng)在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的工作情況，本文設(shè)置了一個兩層結(jié)構(gòu)的虛擬建筑物，兩層樓的結(jié)構(gòu)相同，AP布設(shè)位置相同，如圖8所示。

圖8　復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境試驗場景

每層建筑物面積12m*14m，包含左右各三個房間，以及中間的走廊。右下方的房間被設(shè)置為樓梯間，其中兩個并列放置的AP中右側(cè)的一個是處于兩層樓之間的AP。

復(fù)雜環(huán)境下的定位仿真實驗同樣進行了10000次，室內(nèi)參考點間距1m，每個參考點采樣次數(shù)為100次。圖9a-b為復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下定位誤差的概率密度和概率分布，可以看出1σ定位誤差在1m左右，如圖9所示。

圖9　復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的定位精度分析

為驗證兩層樓間的切換能力，實驗中人為的產(chǎn)生了一段用戶軌跡，從一樓走廊頂端進入，走進樓梯間并上樓，再在二樓沿走廊回到走廊頂端，如圖10所示。

圖中綠點和黃點分別表示用戶在一層和二層的真實軌跡，而藍點和紫點則表示定位系統(tǒng)給出的定位結(jié)果?？梢钥吹蕉ㄎ幌到y(tǒng)能夠根據(jù)用戶的位置變化而區(qū)分出用戶所出的樓層并準(zhǔn)確的進行定位。

圖10　復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的仿真試驗結(jié)果

4　結(jié)語

本文結(jié)合了IMES系統(tǒng)中的指紋節(jié)點和WLAN室內(nèi)定位中的Radio Map的思想，提出了一種基于北斗指紋節(jié)點的室內(nèi)外無縫導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)對北斗室內(nèi)指紋節(jié)點的射頻和幀格式進行了設(shè)計，同時該指紋節(jié)點系統(tǒng)集成了改進的Cell-ID的低精度定位模式和基于Radio Map的高精度定位模式，并提出了基于子空間投影的互相關(guān)干擾抑制算法。最終對空曠室內(nèi)環(huán)境和復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下的北斗無縫定位系統(tǒng)的定位能力進行了仿真分析，通過仿真結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)達到了無縫定位的效果。

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Design and Simulation Analysis of the Indoor and Outdoor Seamless Positioning System

Pu Di
（The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Shijiazhuang 050081， China）

In view of the current indoor and outdoor seamless positioning to achieve seamless. In this paper， the positioning of Beidou fingerprint signal node， the deployment of the indoor environment of simulation and the fingerprint minutiae， Beidou fingerprint minutiae and Beidou mutual interference and inhibition of， a Beidou system compatible new seamless navigation positioning scheme is proposed，meet the Beidou receiver does not need to add the soft hardware equipment upgrades to achieve positioning， truly realize the indoor outdoor positioning seamless and smooth transition， and the simulation is conducted.

seamless positioning； beidou system； fingerprint node； cross correlation interference

濮迪（1978-），男，江蘇溧水。