江　城

(空軍裝備研究院，北京 100094)

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基于北斗終端的室內外無縫定位系統設計

江城

(空軍裝備研究院，北京 100094)

針對當前室內外無縫連續(xù)定位問題，基于北斗空間導航信號特征，并結合WLAN室內定位中的RadioMap的思想，提出了一種基于北斗終端的室內外無縫導航定位系統，使現有的北斗導航終端只需要經過軟升級，即可實現室內外無縫定位。仿真結果表明，在空曠室內環(huán)境與復雜室內環(huán)境下，均達到了2 m的定位精度(1σ)，且在室內外過渡中保證了定位的連續(xù)性。本系統為解決北斗導航系統全域覆蓋問題提出了一種可行的技術思路。

北斗衛(wèi)星導航系統；室內外無縫定位；指紋節(jié)點；互相關干擾

0　引言

在室外環(huán)境下，衛(wèi)星導航系統已經可以提供令人滿意的位置服務，我國北斗衛(wèi)星導航系統也已經實現了區(qū)域連續(xù)服務；在室內環(huán)境下，已經有諸如UWB定位[1]、Wifi定位、Zigbee定位和組合定位[2]等技術，但這些定位方法并未消除室內和室外之間存在的“定位縫隙”。且由于室內環(huán)境的復雜性，單純依靠三角學計算的定位手段受到極大制約，而指紋定位技術則被認為是室內定位技術的發(fā)展方向[3]。

針對以上問題，結合現有的北斗定位技術和室內指紋定位技術提出了一種北斗指紋室內外無縫定位方案，使用戶可以使用北斗終端同時獲得室內外環(huán)境下的連續(xù)定位服務。該方案中，將北斗導航信號進行了改造設計，并由室內節(jié)點發(fā)射。用戶終端在室外環(huán)境下仍使用北斗衛(wèi)星信號進行定位，而在室內環(huán)境下，則通過指紋定位的方式獲得位置信息。由于室內節(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備，便可平滑、無縫地在室內外定位服務間切換和過渡。

1　北斗室內外無縫定位系統設計

北斗衛(wèi)星導航定位系統是中國自主研發(fā)和運營的全球衛(wèi)星導航定位系統，其在室外環(huán)境下可以為用戶提供可靠的導航定位服務。但是作為星基導航定位系統，北斗系統與GPS、GLONASS等系統一樣，在地下停車場等室內環(huán)境下系統性能會急劇惡化甚至無法使用[4-5]。

針對這個問題，結合IMES系統中的指紋節(jié)點和WLAN室內定位中的RadioMap的思想，設計了一種北斗室內外無縫定位系統。北斗無縫定位系統基本構架如圖1所示，系統主要由北斗導航衛(wèi)星、室內北斗指紋節(jié)點以及升級后的北斗用戶終端3部分組成。當用戶在室外時利用北斗衛(wèi)星進行定位，而進入室內后利用指紋節(jié)點進行定位[6]。無論是室內還是室外，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，并利用相應的定位算法對用戶進行定位，真正實現無縫定位。

圖1　北斗無縫定位系統基本架構

由于室內外定位以及室內外過渡切換時均采用同一北斗終端，則需要解決室內北斗指紋信號的設計、終端定位方法和室內外信號互相關干擾等核心問題[6]。

2　北斗室內外無縫定位關鍵技術

2.1北斗指紋節(jié)點信號設計

北斗指紋節(jié)點是安置在室內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)射的信號完成導航定位，進入室內后將利用北斗指紋節(jié)點發(fā)射的信號實現室內定位功能。

為保證室內外無縫定位能夠在同一接收機上實現，室內節(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[7]。在本設計中，室內節(jié)點信號的射頻規(guī)范參照《北斗衛(wèi)星導航系統空間信號接口控制文件公開服務信號B1I(1.0版)》(以下簡稱“北斗ICD”)設計。室內節(jié)點信號使用B1頻點，僅包含B1信號中的I路信號，采用BPSK調制，其表達式為：

Sj(t)=ACj(t)Dj(t)cos(2πf0t+φj)。

(1)

式中，上角標j為室內節(jié)點編號；A為信號振幅；C為測距碼；D為測距碼上調制的數據碼；f0為載波頻率；φ為載波初相[8]。

為保證大多數現有的北斗接收機能夠兼容室內節(jié)點信號，室內節(jié)點信號的偏移程度不應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節(jié)點信號的中心頻率的偏移量。

在室內指紋定位的過程中，節(jié)點需要周期性地向外廣播一組具有固定特征的信息幀，用于測量信號強度，本文信息幀結構如圖2所示。

圖2　室內節(jié)點信息幀結構

為分析室內節(jié)點信號與北斗衛(wèi)星信號在兼容性上的問題， 2種信號在各種參數和性質上的對比如表1所示。

表1　信號兼容性分析

2.2室內環(huán)境模擬與指紋節(jié)點部署

信號強度在室內復雜環(huán)境下波動很大，主要的影響來自于陰影損耗，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、吸收和噪聲等，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3種主要的衰減：自由空間路徑衰減、穿門和穿墻的衰減以及從均值為零的高斯分布的陰影衰減[9]。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計特性，這就要求在測量指紋圖時需要多次測量來消除隨機誤差。

室內空間相對狹小，結構相對復雜，障礙物密集以及很多實時變化的因素，極易造成室內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定位系統來說，本文采用一種基于信號歐氏距離的室內節(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，假設整個室內環(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(ReceivedSignalStrength)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RadioMap的高精度定位模式

基于RadioMap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[10]。離線階段的主要任務是在布置完指紋節(jié)點后，建立指紋節(jié)點信號強度的RadioMap。

圖4　基于RadioMap的高精度定位模式

2.4北斗互相關干擾分析與抑制

對于基于北斗指紋節(jié)點的室內外無縫定位系統，由于北斗接收機接收到的室內布置的北斗指紋節(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，較強的指紋節(jié)點信號會對接收機觀測較弱的北斗衛(wèi)星信號產生干擾，從而產生互相關干擾[11]。

本文采用子空間投影的思想對互相關干擾進行抑制。子空間投影的基本原理是利用強信號估計的參數構建強信號子空間，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，利用強信號預期子空間的正交空間的正交性即可消除強信號[12]，達到對互相關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WAw、N個強信號SAs和熱噪聲n。

r=WAw+SAs+n。

(2)

式中，接收信號是一個向量的形式r=[r(1),r(2),…,r(K)]T，K為總的采用點數；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，具體形式如式(3)所示[13]：

W=[W1,W2,…,WM]，

(3)

式中，Di(t)為第i個弱信號的數據比特信息；Ci(t)為第i個弱信號的C/A碼；而fi為其載波頻率；θi為載波初始相位。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：

S=[S1,S2,…,SN]，

(4)

假設長度為K的接收信號內的強信號已完成捕獲及跟蹤，即已經估計出強信號的數據比特信息、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：

H=S(SHS)-1SH。

(5)

投影矩陣有個很好的性質就是HS=S，因此分別在式(2)的等式兩邊左乘矩陣H有：

Hr=HWAw+HSAs+Hn=HWAw+SAs+Hn。

(6)

再利用式(2)-式(6)有：

r-Hr=(I-H)WAw+(I-H)n。

(7)

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，

r-Hr≈WAw+(I-H)n。

(8)

式(8)即為經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　仿真結果分析

本仿真針對空曠室內環(huán)境和復雜室內環(huán)境進行了環(huán)境建模，并分別基于這2種環(huán)境進行了實驗驗證，以保證北斗無縫定位系統的定位能力。

為驗證空曠室內環(huán)境下系統的定位能力，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　空曠室內環(huán)境試驗場景

圖5中圓點表示AP，外框表示墻體。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100次。定位測試共進行了10 000次，每次隨機產生真實位置，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6中可以看出，空曠環(huán)境下的定位精度可以達到1σ內1.16m。

在空曠室內環(huán)境下，本文進行了室內外環(huán)境切換試驗，如圖7所示。圖中矩形方塊為定位結果，而圓點代表用戶的真實位置。當系統判決用戶處于室外時，便不再提供指紋定位服務，轉而進行室外衛(wèi)星定位。

為驗證系統在復雜室內環(huán)境下的工作情況，本文設置了一個2層結構的虛擬建筑物，2層樓的結構相同，AP布設位置相同，如圖8所示。

每層建筑物面積12m*14m，包含左右各3個房間，以及中間的走廊。右下方的房間被設置為樓梯間，其中2個并列放置的AP中右側的一個是處于2層樓之間的AP。

圖6　空曠環(huán)境下定位誤差的概率分布

圖7　空曠室內環(huán)境下的室內外切換試驗結果

圖8　復雜室內環(huán)境試驗場景

復雜環(huán)境下的定位仿真實驗同樣進行了10 000次，室內參考點間距1m，每個參考點采樣次數為100次。復雜室內環(huán)境下定位誤差的概率分布如圖9所示，可以看出1σ定位誤差在1m左右。

圖9　復雜室內環(huán)境下定位誤差的概率分布

為驗證2層樓間的切換能力，實驗中人為地產生了一段用戶軌跡，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和圖11所示。

圖10　一樓軌跡

圖11　二樓軌跡

圖10和圖11中，三角形表示用戶在一層和二層的真實軌跡，而圓點則表示定位系統給出的定位結果。可以看到定位系統能夠根據用戶的位置變化而區(qū)分出用戶所出的樓層并準確的進行定位。

4　結束語

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

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江城男，(1982—)，博士，工程師。主要研究方向：慣性導航與組合導航、衛(wèi)星導航。

An Indoor and Outdoor Seamless Navigation and Positioning System Based on Beidou Terminal

JIANG Cheng

(TheAirForceEquipmentResearchInstitute，Beijing100094，China)

In view of the problem of indoor and outdoor seamless position，with the characteristics of Beidou navigation signal combined with the RadioMap ideas in the WLAN indoor position，the paper proposes an indoor and outdoor seamless navigation and position system based on Beidou terminal.The existing Beidou terminal can realize the function of indoor and outdoor seamless position just through soft-upgrade.Simulation results show that the position accuracy of this system reaches 2 meters both in the outdoor open environment and indoor complex environment.Moreover，the continuity of indoor and outdoor position is guaranteed.The system provides a technical way to solve the problem for global coverage of Beidou navigation system.

Beidou satellite navigation system；indoor and outdoor seamless positioning；fingerprint minutia；cross-correlation interference

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.08.10

2016-05-09

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA124001)；國家國際科技合作專項基金資助項目(2013DFA10540)。

TN391.4

A

1003-3106(2016)08-0038-05

引用格式：江城.基于北斗終端的室內外無縫定位系統設計[J].無線電工程,2016,46(8):38-42.