耿珂,黃智剛,蘇雨,石培辰,高強(qiáng),熊華鋼
(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京100083)
隨著社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步及信息化時(shí)代的到來(lái),人們的工作、生活等社會(huì)活動(dòng)越來(lái)越依賴于位置信息,位置服務(wù)逐漸成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。目前室外定位導(dǎo)航技術(shù)大多依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,到現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟,如今在運(yùn)載體導(dǎo)航、人員跟蹤定位及緊急救助服務(wù)等方面發(fā)揮著巨大的作用[1],并且實(shí)現(xiàn)了廣域精準(zhǔn)定位,廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和軍事等領(lǐng)域。
相比較于室外廣域無(wú)線定位,室內(nèi)定位有自己的特點(diǎn),其范圍一般較小,范圍通常在幾百米以內(nèi);另一方面由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜,干擾因素較多,容易對(duì)定位信號(hào)產(chǎn)生影響。而衛(wèi)星導(dǎo)航定位在室內(nèi)由于受到建筑物、家具等的遮擋,衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)衰減很快,而且即使有一些信號(hào),由于環(huán)境因素復(fù)雜,導(dǎo)致多徑現(xiàn)象嚴(yán)重,使其無(wú)法在室內(nèi)定位應(yīng)用。
自20世紀(jì)90年代末起,室內(nèi)無(wú)線定位技術(shù)開(kāi)始受到人們的廣泛關(guān)注。經(jīng)過(guò)近20年的研究,室內(nèi)定位技術(shù)已經(jīng)取得了一些成果[2],有一些比較成熟的技術(shù)得到了初步應(yīng)用。室內(nèi)定位技術(shù)分為局部室內(nèi)定位和大范圍室內(nèi)定位,目前最常見(jiàn)的局域定位技術(shù)是WiFi室內(nèi)定位,其基于信號(hào)能量的指紋匹配定位技術(shù),定位精度能夠達(dá)到3 m,但是信號(hào)受環(huán)境影響較大,而且需要前期采集大量的數(shù)據(jù),定位時(shí)需要與數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。另一種室內(nèi)定位技術(shù)UWB(Ultra Wideband)能夠達(dá)到很高的定位精度,典型值為0.3 m,但缺點(diǎn)也很明顯,即覆蓋范圍小。除此之外,還有一些新的局域室內(nèi)定位技術(shù),比如Zig Bee、藍(lán)牙、射頻標(biāo)簽等[3-4],這些局域室內(nèi)定位技術(shù)幾乎都不是專門用作定位應(yīng)用的,主要作用還是通信應(yīng)用。
目前能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍室內(nèi)定位的技術(shù)主要是架設(shè)地面?zhèn)涡l(wèi)星系統(tǒng)和利用通信基站的室內(nèi)定位系統(tǒng)。北京郵電大學(xué)的時(shí)分&碼分正交頻分復(fù)用(TC-OFDM)[5]廣域室內(nèi)定位技術(shù)利用現(xiàn)有的通信基站,通過(guò)將定位信號(hào)承載到手機(jī)通信的信號(hào)上,能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍室內(nèi)定位,系統(tǒng)精度雖然較高,但是大范圍室內(nèi)定位的技術(shù)復(fù)雜,而且需要較長(zhǎng)的布設(shè)周期和較大的成本。地面?zhèn)涡l(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的代表是澳大利亞的Locata系統(tǒng)[6],通過(guò)增大地面?zhèn)涡l(wèi)星發(fā)射信號(hào)的功率,在室內(nèi)也可達(dá)到較高的定位精度,但其覆蓋范圍有限或需架設(shè)很多偽衛(wèi)星基站。
目前,針對(duì)大型、復(fù)雜、多功能建筑,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號(hào)環(huán)境惡劣、導(dǎo)航信號(hào)衰減幅度大,而且多徑影響嚴(yán)重,無(wú)法直接利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行定位;并且在大型火災(zāi)、暴力恐怖襲擊等災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)或事件發(fā)生地,電力供應(yīng)常常被切斷或無(wú)法使用,停電范圍可能波及多個(gè)街區(qū),導(dǎo)致目前已有的室內(nèi)定位手段無(wú)法展開(kāi)應(yīng)用。針對(duì)突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng),對(duì)定位系統(tǒng)的基本要求是獨(dú)立、快速、易用及高精度,目前還缺乏成熟的技術(shù)或系統(tǒng)可以應(yīng)用[7]。
當(dāng)前室內(nèi)定位方案難以成熟應(yīng)用的問(wèn)題,主要是覆蓋范圍與定位精度不可兼得[8]。如UWB的精度較高,但穿透能力有限;Locata和TCOFDM系統(tǒng)為了保證覆蓋,需要布設(shè)較多基站[9];慣導(dǎo)模塊或設(shè)備沒(méi)有覆蓋范圍的限制,但存在積累誤差[10]。
針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了一種基于地面基站的大區(qū)域室內(nèi)定位方案,不同于發(fā)射衛(wèi)星信號(hào)的偽衛(wèi)星,地面基站發(fā)送的是專門設(shè)計(jì)的導(dǎo)航信號(hào),在頻率、信號(hào)體制、定位方式等方面進(jìn)行改進(jìn)。考慮到頻率與信號(hào)穿越性能的關(guān)系,選擇了較低頻段作為信號(hào)載波,以及采用碼偽距和載波偽距聯(lián)合定位的方式。本文利用所提出的新型定位方式,搭建了一個(gè)基本測(cè)試系統(tǒng),通過(guò)信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)射,以及空間無(wú)線傳播,進(jìn)行信號(hào)的捕獲、跟蹤和偽距求差解算,初步驗(yàn)證了本文方法的可行性及有效性。
系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用覆蓋與精度統(tǒng)籌考慮的策略,選用了76 MHz的載波頻率,具有良好的信號(hào)穿透能力以及障礙翻越能力。采用偽隨機(jī)碼進(jìn)行初步定位,獲取大致的用戶位置。采用載波進(jìn)行精細(xì)測(cè)距,最終實(shí)現(xiàn)高精度的定位。
根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路,專門研制了實(shí)際系統(tǒng)。系統(tǒng)包括多個(gè)發(fā)射基站及接收終端,下面分別進(jìn)行介紹。發(fā)射端的組成框圖如圖1所示。接收端的組成框圖如圖2所示。
圖中各部分的功能介紹如下:
圖1 發(fā)射端組成Fig.1 Transmitter structure
現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA):完成數(shù)字基帶信號(hào)的生成與調(diào)制,生成的數(shù)字信號(hào)包括導(dǎo)航電文、偽隨機(jī)碼和信號(hào)載波,采用低數(shù)字中頻方式,將導(dǎo)航電文、偽隨機(jī)碼對(duì)數(shù)字載波進(jìn)行調(diào)制。
AD9361射頻:完成數(shù)字信號(hào)向射頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換,數(shù)字基帶信號(hào)輸入給AD9361模塊后,將進(jìn)行濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻等一系列處理,產(chǎn)生所需射頻信號(hào)。對(duì)AD9361射頻本振頻率進(jìn)行設(shè)置,產(chǎn)生中心頻率為76 MHz的射頻信號(hào)。
47 dB功放:將AD9361輸出的模擬信號(hào)功率放大到1 W。
自動(dòng)增益+固定增益功放:將天線接收后的信號(hào)進(jìn)行功率放大,使信號(hào)的適應(yīng)性增加,能夠正常進(jìn)行采樣。
中頻采樣:將天線接收到的模擬信號(hào)使用62 MHz進(jìn)行采樣。采樣后數(shù)據(jù)使用軟件接收機(jī)進(jìn)行捕獲、跟蹤,輸出碼相位和載波相位觀測(cè)值。
系統(tǒng)研制完成后,通過(guò)在地面合適位置布設(shè)4~6個(gè)地面基站,使得在所服務(wù)的區(qū)域內(nèi)都可以收到至少4個(gè)基站的定位信號(hào),接收機(jī)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行捕獲跟蹤,得到到達(dá)時(shí)間(TDOA)即距離的測(cè)量值,并進(jìn)行定位解算,就可以獲得用戶的實(shí)際位置。定位過(guò)程如下:
1)按布局設(shè)計(jì)搭建多個(gè)基站,使得服務(wù)區(qū)域內(nèi)的GDOP值盡量小。
2)通過(guò)地理測(cè)繪或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)差分技術(shù)等,對(duì)基站的真實(shí)位置進(jìn)行標(biāo)定。
3)通過(guò)光纖技術(shù)、時(shí)間雙向比對(duì)技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)對(duì)基站之間的高精度時(shí)間同步。
4)各基站同步發(fā)射導(dǎo)航信號(hào),利用低頻載波增加覆蓋范圍。
5)接收機(jī)接收4個(gè)質(zhì)量較好、GDOP值較小的基站信號(hào)進(jìn)行距離測(cè)量并實(shí)時(shí)定位,并且通過(guò)載波相位測(cè)量提高定位精度。
本系統(tǒng)的定位算法原理如下:利用載波波長(zhǎng)較小,載波跟蹤精度高和受多徑影響小的特點(diǎn),使用載波來(lái)進(jìn)行高精度定位,缺點(diǎn)是載波整周是位置的。本定位方案使用碼偽距來(lái)確定未知的載波整周,將載波偽距與碼偽距確定的載波整周相結(jié)合,得到較精確的目標(biāo)到信號(hào)源距離差,使用下面的TDOA方法完成定位結(jié)算。
基于TDOA的無(wú)線電定位是一種重要的目標(biāo)三維定位方法,被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、雷達(dá)等定位系統(tǒng),定位方法主要分為2種:一是迭代算法[11],二 是 解 析 算 法[12-13]。迭 代 算 法 的 優(yōu) 越 性體現(xiàn)在能充分利用系統(tǒng)的冗余信息,計(jì)算精度高,但計(jì)算復(fù)雜,實(shí)時(shí)性差。解析算法精度較低,但實(shí)時(shí)性好??紤]到室內(nèi)運(yùn)動(dòng)速度不高,本文采用迭代算法。
當(dāng)已知信號(hào)源的位置坐標(biāo)為Si(xi,yi,zi)T,目標(biāo)位置坐標(biāo)為Tr(xr,yr,zr)T,得到目標(biāo)到信號(hào)源的距離差為
對(duì)目標(biāo)到信號(hào)源的距離取平方:通過(guò)對(duì)目標(biāo)接收機(jī)碼相位及載波相位觀測(cè)值分別兩兩做差,可以得到距離差dij,在實(shí)際測(cè)試中,距離差含有各種因素引起的誤差εij,假設(shè)距離差的理論值為dtij,所以距離差測(cè)量值可以表示為
將式(1)移項(xiàng)平方,得到r2i=(dij+rj)2,將式(2)代入,可得
由于測(cè)試誤差的存在,式(4)的等號(hào)左邊并不等于0,可用微小量δij代替。實(shí)際情況下,可以將式(4)表示成矩陣形式,通過(guò)最小二乘法就可以求解目標(biāo)位置。
這種實(shí)現(xiàn)方案,優(yōu)點(diǎn)是可以避免衛(wèi)星導(dǎo)航中的主要誤差因素,如星歷、星鐘、對(duì)流層、電離層等誤差,導(dǎo)航信號(hào)的完好性也大大增強(qiáng),并且利用低頻載波可以增加覆蓋范圍和穿透能力,缺點(diǎn)是在地球表面的多徑信號(hào)較多,需要通過(guò)抗多徑技術(shù)減弱多徑的影響。
與其他室內(nèi)定位技術(shù)相比[14],比如WiFi定位,本文方法利用偽隨機(jī)碼的相關(guān)性進(jìn)行測(cè)距和定位,精度明顯高于利用WiFi信號(hào)的功率測(cè)距方法,所以WiFi定位目前大多通過(guò)指紋匹配技術(shù)來(lái)提高精度;而UWB定位,其測(cè)距精度最高,但UWB工作頻率也很高,受周圍環(huán)境的影響很大,覆蓋范圍十分受限;Locata系統(tǒng)是一種地基偽衛(wèi)星定位系統(tǒng),目前有一定應(yīng)用,但其在每個(gè)室內(nèi)都需要布設(shè)多個(gè)偽衛(wèi)星基站并實(shí)現(xiàn)同步,成本及布局問(wèn)題限制了其進(jìn)一步應(yīng)用[15]。
首先測(cè)試信號(hào)源間碼相位和載波相位同步情況,接著測(cè)試76 MHz發(fā)射頻率時(shí)中垂線處和偏移處接收碼相位和載波相位能否體現(xiàn)距離差的變化。
以操場(chǎng)為測(cè)試環(huán)境(見(jiàn)圖3),在主席臺(tái)右側(cè)看臺(tái)最高處臺(tái)階放置兩臺(tái)信號(hào)發(fā)射源,發(fā)射功率為30 d Bm,信號(hào)源1、2號(hào)星間距為45 m。在對(duì)側(cè)跑道上取3個(gè)等間隔的測(cè)試點(diǎn)(接收機(jī)位置),分別為1號(hào)點(diǎn)、2號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)。信號(hào)源與測(cè)試點(diǎn)構(gòu)成長(zhǎng)方形。2號(hào)點(diǎn)(取1號(hào)星、2號(hào)星中垂線與長(zhǎng)方形的交點(diǎn))距兩信號(hào)源中點(diǎn)87 m。1號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)與兩信號(hào)源的距離差約為11 m。信號(hào)源與接收機(jī)的位置如圖3所示。
1)首先進(jìn)行2個(gè)信號(hào)源的同步測(cè)試,啟動(dòng)1號(hào)星與2號(hào)星,經(jīng)過(guò)同步模塊進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)后,使用電腦同時(shí)配置信號(hào)源,使兩臺(tái)信號(hào)源分別產(chǎn)生給定的定位信號(hào)。
圖3 操場(chǎng)測(cè)試環(huán)境Fig.3 Playground test environment
將兩臺(tái)信號(hào)源通過(guò)導(dǎo)線同時(shí)連接接收機(jī),通過(guò)接收機(jī)顯示界面觀察碼相位,并采集碼相位及載波相位觀測(cè)量,其碼相位差和載波相位差的測(cè)試曲線分別如圖4和圖5所示(測(cè)試2次)。其對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。
測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)工作正常,但不同組測(cè)試時(shí)可能會(huì)有半周差,可在后期處理時(shí)校正。可以看出,在導(dǎo)線連接條件下測(cè)試的精度較高,原因是由于沒(méi)有引入空間傳播方面的誤差。
2)下面進(jìn)行運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的測(cè)試,分別連接好發(fā)射、同步、接收設(shè)備,并啟動(dòng)其正常工作,在操場(chǎng)攜帶接收端設(shè)備首先從1號(hào)點(diǎn)沿直線走到2號(hào)點(diǎn),再走到3號(hào)點(diǎn),在該過(guò)程中在3個(gè)測(cè)試點(diǎn)各停留約200 s左右,實(shí)時(shí)采集并處理2個(gè)信號(hào)源發(fā)出的定位信號(hào),其碼相位差和載波相位差的測(cè)試曲線分別如圖6和圖7所示。其對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。
圖4 碼相位差值(同步測(cè)試)Fig.4 Code phase difference value(synchronous test)
圖5 載波相位差值(同步測(cè)試)Fig.5 Carrier phase difference value(synchronous test)
觀測(cè)量 測(cè)試分組 均值/m 標(biāo)準(zhǔn)差/cm碼相位差 第1次1.63 57.7第2次1.68 53.7載波相位差 第1次 0.991 5 0.18第2次2.943 1 0.11
測(cè)試結(jié)果表明:碼相位差值在1號(hào)點(diǎn)有較大的波動(dòng),在2號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)比較平穩(wěn),標(biāo)準(zhǔn)差符合預(yù)期。同樣,載波相位差在1號(hào)點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)了幾次跳躍,與靜止?fàn)顟B(tài)不符,但2號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)基本平穩(wěn),標(biāo)準(zhǔn)差也小,符合預(yù)期,并且比較理想地反映了從2號(hào)點(diǎn)到3號(hào)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。
3)最后再?gòu)?號(hào)點(diǎn)沿直線返回2號(hào)點(diǎn),再返回1號(hào)點(diǎn),同樣在3個(gè)測(cè)試點(diǎn)各停留約200 s左右。實(shí)時(shí)采集并處理2個(gè)信號(hào)源發(fā)出的定位信號(hào),其碼相位差和載波相位差的測(cè)試曲線分別如圖8和圖9所示。其對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。
圖6 碼相位差值(運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下測(cè)試,1號(hào)點(diǎn)~3號(hào)點(diǎn))Fig.6 Code phase difference value(test under motion,point 1 to 3)
碼相位差 載波相位差測(cè)試點(diǎn)均值 標(biāo)準(zhǔn)差 均值 標(biāo)準(zhǔn)差1 3.66 66.8 13.2 8.397 2 2.83 5.6 31.1 0.19 3 -16.6 5.4 39.5 0.13
測(cè)試結(jié)果表明:在2號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)及其連接路徑上的定位精度比較好,同樣在1號(hào)點(diǎn)出現(xiàn)了大的誤差和波動(dòng),從3號(hào)點(diǎn)走到2號(hào)點(diǎn)的路徑刻畫(huà)十分理想,說(shuō)明了測(cè)試數(shù)據(jù)的可信性。雖然行走的方向與1號(hào)點(diǎn)~3號(hào)點(diǎn)相反,但2個(gè)方向的測(cè)試結(jié)果是一致的,2號(hào)點(diǎn)和3號(hào)點(diǎn)載波相位差對(duì)應(yīng)的兩次位置差值分別為8.4、8m,比較接近,說(shuō)明了測(cè)試的可重復(fù)性及有效性。
碼相位差 載波相位差測(cè)試點(diǎn)均值 標(biāo)準(zhǔn)差 均值 標(biāo)準(zhǔn)差3 -26.5 7.1 -1.38 0.138 2 4.4 4 -9.38 0.125 1 24.5 53.8 -8.67 6.4
在前期室外測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)工作原理及測(cè)試結(jié)果正確性的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了實(shí)際復(fù)雜室內(nèi)條件下的測(cè)試,測(cè)試場(chǎng)景為北京航空航天大學(xué)新主樓,如圖10所示。
圖中發(fā)射信號(hào)源放在位于大樓中間露天的地面綠點(diǎn)處,發(fā)射功率4 W,測(cè)試點(diǎn)為2樓室內(nèi)的紅點(diǎn)處,可以看到環(huán)境比較復(fù)雜,尤其外圈的一些紅點(diǎn),信號(hào)要穿過(guò)多重建筑實(shí)體才能夠到達(dá)。
通過(guò)在紅點(diǎn)處逐個(gè)測(cè)試,采集信號(hào)源穿過(guò)樓體的到達(dá)信號(hào),通過(guò)事后的相應(yīng)處理,得到以下結(jié)果:
1)在所有測(cè)試點(diǎn)(紅點(diǎn)處)都可以接收、捕獲到信號(hào)源發(fā)出的導(dǎo)航信號(hào),說(shuō)明本文的低頻策略是有效的,該方法的覆蓋能力較強(qiáng)。如在測(cè)試點(diǎn)2對(duì)3個(gè)基站信號(hào)的捕獲情況如圖11所示。
2)由于環(huán)境復(fù)雜、多徑嚴(yán)重等原因,測(cè)試數(shù)據(jù)的跟蹤結(jié)果表明碼相位和載波相位的誤差都比較大,尤其信號(hào)路徑長(zhǎng)的測(cè)試點(diǎn)還出現(xiàn)了大的偏差,嚴(yán)重的已無(wú)法用于定位解算,需要進(jìn)一步進(jìn)行抗多徑等處理。同樣在測(cè)試點(diǎn)2,對(duì)3個(gè)基站的碼跟蹤曲線及基站間的碼偽距差曲線如圖12所示。圖12(d)為PRN1-2碼相位示意圖,最大值和最小值分別為83.071 m和72.570 m,標(biāo)準(zhǔn)差為1.847 9 m,均值為78.605 4 m;圖12(e)為PRN1-3碼相位示意圖,最大值和最小值分別為-21.904 7 m和-121.623 9 m,標(biāo)準(zhǔn)差為34.529 4 m,均值為-63.764 4 m;圖12(f)為PRN1-3碼相位示意圖,最大值和最小值分別為57.2238 m和-44.5159 m,標(biāo)準(zhǔn)差為34.770 9 m,均值為14.8409 m。從圖中可以看出,各基站間的碼偽距差波動(dòng)較小,但其均值與事先標(biāo)定的真值偏差較大,分析是由多徑因素造成的固定偏差。
圖10 新主樓室內(nèi)測(cè)試環(huán)境Fig.10 New main building indoor test environment
圖11 測(cè)試點(diǎn)2的捕獲相關(guān)峰Fig.11 Capture correlation peak at test Point 2
圖12 測(cè)試點(diǎn)2跟蹤曲線及基站間距離差曲線Fig.12 Tracking curve and distance difference curves between base stations at test point 2
本文經(jīng)過(guò)不同環(huán)境的測(cè)試并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,初步驗(yàn)證了所提方法的可行性,證明了系統(tǒng)定位的可行性和良好的覆蓋能力,但也發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)進(jìn)一步應(yīng)用需解決的問(wèn)題。綜合分析本文測(cè)試結(jié)果,可以得出如下結(jié)論:
1)在室外開(kāi)闊環(huán)境(操場(chǎng)2號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn))的測(cè)試,位置差的精度較高,動(dòng)態(tài)測(cè)試符合預(yù)期,說(shuō)明了方法的可行性和有效性。
2)如果接收天線被行人遮擋(操場(chǎng)1號(hào)點(diǎn),有跑步人員),會(huì)出現(xiàn)碼相位誤差變大和載波相位跳變的情況,在使用中應(yīng)該盡量避免。
3)本文信號(hào)的穿透能力較強(qiáng),對(duì)復(fù)雜室內(nèi)的覆蓋范圍較大,但需要進(jìn)一步解決多徑嚴(yán)重,以及信號(hào)衰減大、信號(hào)質(zhì)量下降等問(wèn)題,才可以實(shí)現(xiàn)大區(qū)域的室內(nèi)定位,這也是下一步的工作重點(diǎn)。