劉 涵,方勝良,范有臣,馬淑麗

(航天工程大學(xué)， 北京 101416)

1 引言

導(dǎo)航即引導(dǎo)航行，其基本目的是解決運(yùn)行體“身在何處？取向哪里？”的問(wèn)題，需要確定運(yùn)行體的位置、航向以及飛行(待飛)時(shí)間。目前全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)憑借其高精度與高穩(wěn)定性，已成為最常用的導(dǎo)航技術(shù)，有著無(wú)可替代的優(yōu)勢(shì)，具有代表性的系統(tǒng)包括美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)、歐洲的伽利略系統(tǒng)(Galileo)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)。但是，由于GNSS信號(hào)自身存在局限性，如信號(hào)到達(dá)地球表面功率低、在傳輸過(guò)程中容易受到干擾和遮擋等，僅依靠GNSS進(jìn)行導(dǎo)航往往存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因此機(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航(navigation via signal of opportunity,NAVSOP)系統(tǒng)作為一種有效的輔助手段備受青睞。

機(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航是指將環(huán)境中所有潛在的無(wú)線電信號(hào)視為機(jī)會(huì)信號(hào)(signal of opportunity,SOP)，并從中提取位置和時(shí)間信息用以導(dǎo)航，常見(jiàn)的機(jī)會(huì)信號(hào)包括Wi-Fi信號(hào)、電視信號(hào)、廣播信號(hào)、低軌衛(wèi)星信號(hào)等。NAVSOP所追蹤的信號(hào)不是以導(dǎo)航為目的發(fā)射的，其原理與GNSS信號(hào)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的原理也有所不同。NAVSOP大多是小范圍進(jìn)行的，首先在特定坐標(biāo)系下確定目標(biāo)的相對(duì)位置，再進(jìn)一步推廣到地理空間進(jìn)而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。此外，傳統(tǒng)的陸基或星基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)主要是針對(duì)特定頻段的信號(hào)，NAVSOP則是通過(guò)接收環(huán)境中已有的多頻段隨機(jī)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行選擇、預(yù)處理以及參數(shù)估計(jì)等方面都于傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)大相徑庭。NAVSOP工作流程如圖1所示。

圖1 NAVSOP的工作流程框圖

2 機(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航定位方法

導(dǎo)航與定位常被并列提出，二者區(qū)別在于導(dǎo)航是針對(duì)運(yùn)行體的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，而定位則是一種公共的泛在信息服務(wù)。導(dǎo)航的核心是實(shí)現(xiàn)運(yùn)行體的定位，NAVSOP的關(guān)鍵也在于利用信號(hào)進(jìn)行定位。首先要選擇合適的信號(hào)進(jìn)行接收解調(diào)，接著確定定位參量，再根據(jù)定位模型建立觀測(cè)方程，最后解算方程并評(píng)定精度。下面介紹NAVSOP中常用的定位方法以及影響定位精度的因素。

2.1 定位方法介紹

1) 基于TOA定位

基于TOA(time of arrival)的定位是一種測(cè)距定位法(信號(hào)的到達(dá)時(shí)間乘以傳播速度得到距離)。當(dāng)基站數(shù)量大于等于3時(shí)，便可估計(jì)出二維平面目標(biāo)的位置；當(dāng)基站數(shù)量大于等于4時(shí)，則可用于三維空間中目標(biāo)的位置的估計(jì)。其原理如圖2所示(以3個(gè)基站為例)。

圖2 TOA定位原理示意圖

其中， 1、2、3分別為3個(gè)定位基站，為待測(cè)目標(biāo)。設(shè)的坐標(biāo)為(,)，基站的坐標(biāo)為(,)。

(1)

式(1)中:表示電磁波傳播的速度，表示基站和目標(biāo)之間的距離。在測(cè)量過(guò)程中不可避免地存在誤差，利用最小二乘法，根據(jù)方程組(1)可以估計(jì)出目標(biāo)的坐標(biāo)為(,)。

TOA可在多路徑環(huán)境中使用，并提供分米級(jí)測(cè)距精度。但是該方法不僅需要視距(line of sight,LOS)傳播的條件，還要求目標(biāo)和各個(gè)基站接收機(jī)的時(shí)鐘嚴(yán)格同步，且網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，加大了成本。

2) 基于TDOA定位

雙曲線上的點(diǎn)到2個(gè)焦點(diǎn)距離之差為定值，基于TDOA(time difference of arrival)測(cè)距定位正式利用這一特性，將其中一個(gè)基站設(shè)為參考基站，分別以參考基站和其他定位基站為雙曲線的焦點(diǎn)，通過(guò)目標(biāo)到不同基站的到達(dá)時(shí)間差，獲得目標(biāo)到基站之間的距離差。該方法在定位時(shí)所需的基站數(shù)量和TOA一致。其原理如圖3所示(以3個(gè)基站為例)。

圖3 TDOA定位原理示意圖

其中，1為參考基站，2、3分別為2個(gè)定位基站，分別以1、2和1、3為焦點(diǎn)畫出雙曲線，2個(gè)雙曲線交點(diǎn)的位置即為待測(cè)目標(biāo)。設(shè)的坐標(biāo)為(,)，基站的坐標(biāo)為(,)。

(2)

在已知基站坐標(biāo)的情況下，可利用最小二乘法獲得的坐標(biāo)(,)。TDOA的只需基站之間時(shí)鐘同步，不像TOA那樣嚴(yán)苛，通過(guò)將各個(gè)基站通過(guò)同步線纜組建在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)便可實(shí)現(xiàn)上述要求。因此，TDOA在工程應(yīng)用中應(yīng)用廣泛，但也需要LOS條件。

3) 基于AOA定位

基于AOA(angle of arrival)定位主要通過(guò)測(cè)量坐標(biāo)已知的多個(gè)基站發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的角度，根據(jù)角度值畫出直線位置線，交點(diǎn)即為待測(cè)目標(biāo)的估計(jì)位置。其原理如圖4所示(以2個(gè)基站為例)。

圖4 AOA定位原理示意圖

設(shè)目標(biāo)的坐標(biāo)為(,)，2個(gè)基站的坐標(biāo)分別為(,),(,)，，則到各個(gè)基站的觀測(cè)角與基站坐標(biāo)的關(guān)系為：

(3)

當(dāng)基站數(shù)量大于等于2時(shí)，同樣的，可以通過(guò)最小二乘法根據(jù)上式得到目標(biāo)的位置。為了提高定位精度，常用的2種經(jīng)典的譜估計(jì)方法分別是多重信號(hào)分類(multiple signal classification,MUSIC)算法和旋轉(zhuǎn)不變子空間(estimating signal parameter via rotational invariance techniques,ESPRIT)算法。在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用陣列天線來(lái)獲得AOA的估計(jì)值。

雖然基于AOA的定位方法需要的基站數(shù)量相對(duì)較少，也不需要嚴(yán)格的時(shí)鐘同步，但是它對(duì)天線的要求比較高，也需要假定LOS條件，同時(shí)很容易受多徑效應(yīng)和信道衰落的影響。

4) 基于多普勒頻率差定位

多普勒頻率是由接收機(jī)和目標(biāo)之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的。多普勒頻率差定位是利用平臺(tái)上接收機(jī)所偵收到信號(hào)的頻率差來(lái)確定目標(biāo)位置的一種定位技術(shù)，主要包括靜止平臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)靜止目標(biāo)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)(二者不是相對(duì)靜止)3種。

以運(yùn)動(dòng)平臺(tái)對(duì)固定目標(biāo)的定位為例，定位原理如圖5所示。設(shè)1、2為2個(gè)探測(cè)平臺(tái)，為待測(cè)目標(biāo)。設(shè)的坐標(biāo)為(,,)，平臺(tái)1、2在時(shí)刻的坐標(biāo)分別為(1,1,1)和(2,2,2)，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度為(,,)，輻射源發(fā)射信號(hào)的頻率為，假設(shè)基站在不同位置所接收到的頻率差為，則

(4)

當(dāng)接收機(jī)參數(shù)已知時(shí)刻通過(guò)式(4)確定一個(gè)包含目標(biāo)的曲面，多次測(cè)量獲得多個(gè)曲面，交點(diǎn)處即為目標(biāo)的位置。

圖5 多普勒頻率差定位原理示意圖

5) 基于RSSI定位

RSSI(receiver signal strength indication)定位法是通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度和已知的信道衰減模型，根據(jù)定位目標(biāo)所在位置的接收功率來(lái)推算發(fā)射AP(access point)與接收終端的距離，從而對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行估計(jì)。設(shè)目標(biāo)的坐標(biāo)為(,)，基站的AP的坐標(biāo)為(,)。其定位原理如圖6所示。

圖6 RSSI定位原理示意圖

根據(jù)傳播損耗模型，基于RSSI的幾何定位法建立接收功率與距離的關(guān)系為：

(5)

式中:()表示與發(fā)射源距離為處的接收功率，表示信道衰減系數(shù)，表示遮蔽因子服從均值為0的高斯分布。

基于RSSI位置估計(jì)的幾何定位算法一般有2種：一種是對(duì)式(5)進(jìn)行變換得到關(guān)于的表達(dá)式，再利用最小二乘法估計(jì)目標(biāo)位置；另一種是利用式(5)中的參數(shù)建立似然函數(shù)，對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行極大似然估計(jì)，常用的估計(jì)方法有網(wǎng)格搜索法、共軛梯度法等。但是這類方法只適用于固定場(chǎng)所的定位。

另一種更常用的是基于指紋的RSSI值定位，基本流程：首先在離線階段采集場(chǎng)景各個(gè)位置的RSSI指紋并進(jìn)行預(yù)處理，構(gòu)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，在線定位時(shí)，根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的RSSI和AP地址與數(shù)據(jù)庫(kù)中的值進(jìn)行匹配，尋找最接近的點(diǎn)作為目標(biāo)位置的估計(jì)值。

雖然不需要像TDOA和AOA方法一樣提供利用RSSI定位需要預(yù)先知道發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度和信道衰減模型，否則將無(wú)法估計(jì)距離。隨著距離的增加，信號(hào)強(qiáng)度很容易受到受多徑效應(yīng)和信道特性的影響，因此RSSI多用于小范圍定位。

6) 混合定位

由于各個(gè)獨(dú)立的定位方法都或多或少存在著局限性，因此，研究人員嘗試將這些獨(dú)立的方法結(jié)合起來(lái)，獲得一加一大于二的效果，混合定位應(yīng)運(yùn)而生。文獻(xiàn)[7]介紹了一些常見(jiàn)的混合定位方法以及它們的優(yōu)點(diǎn)，如表1。

表1 常用混合定位方法

2.2 定位精度影響因素

一般來(lái)說(shuō)，基于AOA和TOA/TDOA的方法比基于RSS的方法定位精確度更高，但是除了算法本身的誤差，定位精度還會(huì)收到其他一些外界因素的影響，常見(jiàn)的有如下幾個(gè)。

1) 多徑效應(yīng)

多徑效應(yīng)是指信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的路徑傳播后，各個(gè)分量到達(dá)接收端的時(shí)間不同，按各自相位相互疊加而造成干擾，使得原來(lái)的信號(hào)失真或者產(chǎn)生錯(cuò)誤。多徑效應(yīng)對(duì)TDOA、AOA、RSSI的定位精度都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2) 非視距傳播

視距傳播是指電波沿直線從發(fā)射點(diǎn)傳播到接收點(diǎn)(一般要包括地面的反射波)的一種傳播方式，它是獲得較準(zhǔn)確的信號(hào)特征量值的前提條件。非視距(non line of sight,LOS)直觀的解釋就是，當(dāng)處在室內(nèi)環(huán)境或者室外存在較為密集的障礙物時(shí)，收發(fā)設(shè)備“視線”受阻而無(wú)法“看到”對(duì)方，此時(shí)電波只能過(guò)反射、折射等方式進(jìn)行傳播，對(duì)目標(biāo)的定位會(huì)有很大偏差。

3) 多址干擾

當(dāng)環(huán)境中存在多個(gè)發(fā)射裝置時(shí)，基站不止能夠接收到目標(biāo)發(fā)射的信號(hào)，還會(huì)接收到來(lái)自其他非目標(biāo)設(shè)備所發(fā)射的信號(hào)，這些信號(hào)相互干擾從而對(duì)定位精度產(chǎn)生影響。針對(duì)這一問(wèn)題，可以采取分時(shí)接收的方法。

3 機(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航定位技術(shù)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的機(jī)會(huì)信號(hào)包括調(diào)頻和調(diào)幅廣播信號(hào)、衛(wèi)星無(wú)線電、電視信號(hào)、手機(jī)發(fā)射網(wǎng)等，隨著通信和互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，涌現(xiàn)了如藍(lán)牙、超寬帶(ultra wide band,UWB)、可見(jiàn)光等一批新興的數(shù)據(jù)類型。根據(jù)Fisher提出的NP(navigation potential)理論，某一些機(jī)會(huì)信號(hào)會(huì)比其他類型的信號(hào)更加適合導(dǎo)航，本章中將詳細(xì)介紹一些常用的NAVSOP。

3.1 基于藍(lán)牙信號(hào)的定位

藍(lán)牙技術(shù)支持設(shè)備短距離通信，成本低、功耗小、定位方法簡(jiǎn)單，且由于體積小易集成在手機(jī)、個(gè)人電腦等移動(dòng)設(shè)備上，終端只需開啟藍(lán)牙功能就可以在局域網(wǎng)覆蓋范圍被識(shí)別到，非常適合用于小范圍室內(nèi)定位。一般通過(guò)建立RSSI值與距離的模型來(lái)實(shí)現(xiàn)定位：首先鋪設(shè)藍(lán)牙信標(biāo)，信標(biāo)向周圍廣播信號(hào)和數(shù)據(jù)包；當(dāng)設(shè)備進(jìn)入信號(hào)覆蓋的范圍時(shí)，測(cè)出其在不同基站下的RSSI值；最后通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備內(nèi)置的定位算法測(cè)出具體位置。但基于RSSI的模型建立往往存在困難，針對(duì)此類問(wèn)題，研究人員尋求指紋定位的方法，文獻(xiàn)[20]詳細(xì)研究了低功耗藍(lán)牙(bluetooth low energy,BLE)的指紋，并量化了連續(xù)BLE掃描的真實(shí)功率成本，進(jìn)一步分析BLE定位系統(tǒng)中關(guān)鍵參數(shù)的選擇，包括信標(biāo)密度、發(fā)射功率和發(fā)射頻率等。

藍(lán)牙信號(hào)一般用于室內(nèi)定位，除了距離對(duì)定位精度有所影響，還需要注意墻壁等遮擋物、陰影衰落、多徑衰落等問(wèn)題，需要有針對(duì)性地建立模型。

3.2 基于UWB信號(hào)的定位

UWB通過(guò)收發(fā)信機(jī)之間的納秒級(jí)窄脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，功耗低、穿透性強(qiáng)、不易被截取?；赗SSI和AOA定位的算法不能發(fā)揮出UWB信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，因此一般選用測(cè)距定位的方法。在LOS條件下，信號(hào)直達(dá)經(jīng)(DP)一般為接收信號(hào)強(qiáng)度的最強(qiáng)徑(SP)，此時(shí)利用TOA算法檢測(cè)接收信號(hào)的峰值即可獲得脈沖到達(dá)時(shí)刻；在NLOS條件下DP不一定是SP，此時(shí)需要用TOA算法進(jìn)行檢測(cè)，包括相干和非相干檢測(cè)2種。

TOA的時(shí)鐘同步要求很高，難以實(shí)現(xiàn)，而TDOA的只需接收機(jī)時(shí)間同步就能實(shí)現(xiàn)同等的定位效果，因此在工程中應(yīng)用更多。不過(guò)要保證接收端的時(shí)鐘同步也絕非易事，同時(shí)解算TDOA算法得到的非線性方程也是一大挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[25]提出了一種“Whistle”方法，利用幾個(gè)異步接收機(jī)分別記錄目標(biāo)信號(hào)和一個(gè)人工生成的連續(xù)信號(hào)，根據(jù)雙信號(hào)傳感和采樣計(jì)數(shù)技術(shù)，可避免時(shí)間同步同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間高分辨率；不同于上述的直接消除時(shí)間同步技術(shù)，文獻(xiàn)[26]通過(guò)指定一個(gè)“主”基站周期性地向“從”接收站發(fā)送時(shí)鐘校驗(yàn)包，跟蹤從站相對(duì)主站的時(shí)鐘變化趨勢(shì)，再通過(guò)同步定位算法保持主從站的時(shí)鐘同步。

3.3 基于Wi-Fi信號(hào)的定位

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和智能手機(jī)的普及，在公共場(chǎng)所中，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)隨處可見(jiàn)。與藍(lán)牙信號(hào)相比，Wi-Fi信號(hào)的覆蓋范圍更廣。傳統(tǒng)的定位方法如TOA、TDOA、AOA等均可使用，但是額外的設(shè)備需求增加了成本，而且室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，非視距傳播以及多徑效應(yīng)的存在也為傳播模型的建立帶來(lái)了難題，因此利用Wi-Fi信號(hào)的RSSI指紋定位技術(shù)成為了最佳選項(xiàng)。

基于RSSI指紋定位算法一般有2個(gè)方向：一種是利用確定性數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配；一種是利用基于概率的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配判定。建立確定性數(shù)據(jù)的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，一般是將一段時(shí)間內(nèi)參考點(diǎn)的多個(gè)AP(access point)的RSSI值取平均作為該點(diǎn)的指紋特征值，在進(jìn)行定位匹配時(shí)，通常以距離或者相似系數(shù)來(lái)判別數(shù)據(jù)之間的相似性，文獻(xiàn)[28]介紹了一些常用確定性匹配方法，如表2所示；建立基于概率的指紋庫(kù)時(shí)則需要保存一段時(shí)間參考點(diǎn)的RSSI值概率分布情況，再根據(jù)貝葉斯理論估計(jì)待測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)在每個(gè)參考點(diǎn)的后驗(yàn)概率并將其作為權(quán)值，再通過(guò)WKNN算法最終確定待估計(jì)點(diǎn)的位置。

表2 常用確定性匹配方法

目前，針對(duì)Wi-Fi信號(hào)導(dǎo)航目前的研究重點(diǎn)是指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建以及定位精度的提高。文獻(xiàn)[29]提出了一種層級(jí)學(xué)習(xí)室內(nèi)定位系統(tǒng)(hierarchical deep learning indoor localization framework,HDLIL)，采用基于變分自編碼(variational autoencoder,VAE)的特征提取模塊來(lái)表征訓(xùn)練數(shù)據(jù)的潛在表示，以此來(lái)獲取可靠的指紋；文獻(xiàn)[30]針對(duì)空間中RSSI指紋特征變化快且難以獲取的情況提出了一種Fast Graph Enhanced算法，擴(kuò)展了用于模擬無(wú)線電環(huán)境的三維力導(dǎo)向圖，不僅可以提供高精度定位，而且在一些新興領(lǐng)域如自動(dòng)駕駛導(dǎo)航也有良好的應(yīng)用前景。

3.4 基于調(diào)頻廣播信號(hào)的定位

與藍(lán)牙、Wi-Fi、UWB信號(hào)相比，調(diào)頻(frequency modulation，F(xiàn)M)廣播信號(hào)不僅發(fā)射基站多、覆蓋范圍廣、信號(hào)穩(wěn)定性高、受干擾小，還有接收成本低的優(yōu)點(diǎn)，因此是非常適合用于導(dǎo)航。利用FM進(jìn)行導(dǎo)航主要是基于RSSI來(lái)進(jìn)行定位，有建立信號(hào)傳播模型和指紋定位法2種方法。而在復(fù)雜環(huán)境下，F(xiàn)M信號(hào)的傳播模型會(huì)受到多種因素影響，難以建立，因此本節(jié)主要介紹FM的指紋定位法。

指紋定位法主要是利用環(huán)境信道特征的不同來(lái)進(jìn)行定位，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度RSSI的差異性，創(chuàng)建RSSI向量與位置坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并將其存儲(chǔ)在指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中，在定位時(shí)，利用匹配算法尋找節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)。Yoon等通過(guò)測(cè)量室內(nèi)多個(gè)點(diǎn)的RSSI值，綜合考慮LOS、NLOS、窗戶尺寸、墻壁等多個(gè)因素，可得模型：

(,)=max[(,),(,),(,)]

(7)

其中，

(8)

(9)

(10)

其中：代表FM信號(hào)發(fā)射基站的位置，為待測(cè)點(diǎn)，(,)、(,)、分別代表LOS信號(hào)、NLOS信號(hào)以及其他間接路徑信號(hào)強(qiáng)度，表示路徑損耗因子，表示墻壁損耗因子，表示在非視距情況下的某個(gè)常數(shù)損失值，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)先得出3個(gè)因子的值，并在工作過(guò)程中實(shí)時(shí)校正。

文獻(xiàn)[32]針對(duì)外界因素對(duì)指紋數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響，提出了基于遷移學(xué)習(xí)模型的指紋庫(kù)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)算法，通過(guò)采集不同時(shí)間段的少量校準(zhǔn)參考點(diǎn)的數(shù)據(jù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能終端的實(shí)時(shí)定位，顯著提高現(xiàn)有FM算法定位綜合性能的同時(shí)還節(jié)約了人工成本與時(shí)間；為探究基于FM的室內(nèi)定位的長(zhǎng)期性能，文獻(xiàn)[34]收集了多個(gè)大型多層測(cè)試平臺(tái)上的數(shù)據(jù)集，由此評(píng)估FM信號(hào)在真實(shí)環(huán)境中的效果，并研究了不同分類器、訓(xùn)練比例和指紋大小對(duì)定位精度的影響，結(jié)果表明，從長(zhǎng)期看FM信號(hào)在室內(nèi)定位方面具有魯棒性；

基于指紋定位的FM導(dǎo)航算法以其良好的性能在室內(nèi)有著良好的應(yīng)用，定位精度可以媲美Wi-Fi信號(hào)但同時(shí)受到多徑、衰減等問(wèn)題的影響比Wi-Fi小，此外，將二者結(jié)合生成無(wú)線指紋用于定位的準(zhǔn)確率更高；而在室外定位時(shí)，由于空間傳播以及建筑物和地形的遮擋，信號(hào)衰減比較嚴(yán)重，定位精度不高，因此常與GNSS結(jié)合使用。

3.5 基于地面數(shù)字電視信號(hào)的定位

數(shù)字電視信號(hào)的帶寬較寬(6 MHz以上)、頻率低，非常適合城市傳播，而且不會(huì)像GPS信號(hào)那樣受到電離層和多普勒效應(yīng)的影響。世界三大數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)的ATSC、歐洲的DVB-T和日本的ISDB-T，中國(guó)衛(wèi)星數(shù)字電視采用和美、日、歐洲同樣的標(biāo)準(zhǔn)，地面數(shù)字電視采用自主研制的 DTMB。DTMB幀結(jié)構(gòu)的基本單元是信號(hào)幀，包括幀頭和幀體2個(gè)部分。定位過(guò)程只需要利用幀頭已知的PN序列進(jìn)行同步和提取傳輸實(shí)時(shí)延，并利用不停的頻率區(qū)分發(fā)射機(jī)。通常采用基于時(shí)間的測(cè)距定位方法，而TOA的要求更為嚴(yán)苛，本文中主要介紹TDOA法。

基于DTMB的TDOA定位技術(shù)，是通過(guò)廣義互相關(guān)來(lái)提取不同地面數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的到達(dá)時(shí)間差，從而確定接收機(jī)的位置，其定位精度取決于通過(guò)廣義互相關(guān)提取到的時(shí)間差精度，定位系統(tǒng)如圖7所示。數(shù)字電視發(fā)射機(jī)的位置可以作為已知量存儲(chǔ)起來(lái)，接收設(shè)備需要接收最近的3個(gè)空間獨(dú)立的發(fā)射機(jī)的數(shù)字電視信號(hào)，并完成對(duì)發(fā)射機(jī)的偽距測(cè)量，計(jì)算出用戶接收機(jī)的經(jīng)緯度和時(shí)鐘偏差，進(jìn)而確定用戶的位置。在發(fā)射端，將有用信息加到發(fā)射信號(hào)中，再對(duì)PN頭進(jìn)行BPSK調(diào)制以獲得可靠的傳輸效果；在接收端，提前將發(fā)射機(jī)的坐標(biāo)存放在接收機(jī)的處理器中，通過(guò)與發(fā)端相同的PN序列產(chǎn)生本地PN序列，將其與接收信號(hào)的PN碼幀頭進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)PN序列的相關(guān)特性，通過(guò)檢測(cè)相關(guān)峰峰值的相對(duì)位置便可估計(jì)出不同接收機(jī)的到達(dá)時(shí)間差。

圖7 DTV定位系統(tǒng)示意圖

目前針對(duì)DTMB導(dǎo)航也有學(xué)者做了大量研究，文獻(xiàn)[39]開展了基于DTMB和RSSI移動(dòng)終端的導(dǎo)航信息提取技術(shù)研究，完成了DTV的高精度測(cè)距；文獻(xiàn)[40]根據(jù)已有的DTMB框架，對(duì)測(cè)距定位進(jìn)行了詳細(xì)研究，利用PN序列良好的相關(guān)特性對(duì)整數(shù)和分?jǐn)?shù)階傳輸時(shí)延進(jìn)行估計(jì)，可以在不影響現(xiàn)有DTMB接收機(jī)的情況下獲得精確定位。

3.6 基于低軌衛(wèi)星信號(hào)的定位

低軌(low earth orbit,LEO)衛(wèi)星星座地面接收信號(hào)強(qiáng)度高、幾何圖形變化快，具有較大的多普勒頻差和較高的可見(jiàn)星幾何位置多樣性，在NAVSOP中有著廣泛的應(yīng)用。LEO星座系統(tǒng)主要應(yīng)用于對(duì)地快速觀測(cè)預(yù)警、信息通信等方面，常用的導(dǎo)航算法主要有多普勒頻率定位和測(cè)距定位，其中測(cè)距定位包括測(cè)碼偽距定位和載波測(cè)距定位。

基于LEO衛(wèi)星的定位以多普勒頻率定位為主，該方法最少只需對(duì)一顆衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)追蹤，且不需要測(cè)量目標(biāo)的角度信息和時(shí)差信息，不要求衛(wèi)星姿態(tài)，只需要測(cè)量多普勒頻率或者變化率即可；測(cè)碼偽距單點(diǎn)定位通過(guò)接收機(jī)接收多顆衛(wèi)星測(cè)碼偽距信息實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速定位，而載波測(cè)距定位則是通過(guò)接收多顆衛(wèi)星載波相位信息測(cè)距來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，具有更高的精度和平滑性。

作為一種可靠有效的導(dǎo)航增強(qiáng)手段，LEO衛(wèi)星信號(hào)備受關(guān)注?？紤]到單LEO星座機(jī)會(huì)信號(hào)定位面臨的構(gòu)型不足問(wèn)題，文獻(xiàn)[44]提出Iridium/ORBCOMM機(jī)會(huì)信號(hào)融合定位的方法；而對(duì)于跟蹤效率低的問(wèn)題，文獻(xiàn)[45]基于STAN導(dǎo)航范式，利用來(lái)自LEO衛(wèi)星的多普勒頻率和偽距測(cè)量，提出了一種時(shí)延神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(TDNN)算法，相較于擴(kuò)展卡爾曼濾波，可以很好地提高衛(wèi)星的跟蹤性能。

3.7 基于可見(jiàn)光信號(hào)的定位

白光LED憑借其綠色環(huán)保、成本低廉、不易受電磁干擾、兼具照明和定位功能等特點(diǎn)，在眾多數(shù)據(jù)類型中脫穎而出。LED的導(dǎo)航常用的定位算法主要有幾何測(cè)量法、場(chǎng)景分析法、近似感知法和圖像傳感器成像法4種。

幾何測(cè)量法是主要是利用參考點(diǎn)(LED燈的位置)和待測(cè)點(diǎn)之間的幾何關(guān)系，再進(jìn)行運(yùn)算來(lái)獲得待測(cè)點(diǎn)的位置信息。常用的確定幾何關(guān)系的方法主要有三邊定位法(基于RSSI)、三角定位法(基于AOA)和雙曲線定位法(基于TDOA)3種，但是這類方法往往無(wú)法同時(shí)具備高精度和低復(fù)雜度。

場(chǎng)景分析法即指紋識(shí)別法，是指通過(guò)觀察場(chǎng)景中的特征來(lái)推斷待測(cè)目標(biāo)位置的一種方法，類似于前文提到的基于RSSI的指紋識(shí)別法，這里也包含離線階段和在線階段。離線階段建立采樣點(diǎn)與移動(dòng)設(shè)備對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)，在線階段實(shí)時(shí)測(cè)量并進(jìn)行匹配以確定目標(biāo)位置。這種方法雖然定位速度快且性能穩(wěn)定，但是離線階段的成本太高。

基于鄰近關(guān)系的近似感知法利用節(jié)點(diǎn)間的鄰近關(guān)系及連通性實(shí)現(xiàn)定位，是一種非測(cè)距的定位算法。首先布置特定的LED陣列并將它們作為服務(wù)接入點(diǎn)，發(fā)射帶有位置信息的光信號(hào)；當(dāng)用戶終端進(jìn)入服務(wù)接入點(diǎn)的通信范圍內(nèi)時(shí)，便可獲取該燈的位置信息，再由服務(wù)器在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找返回接入點(diǎn)的位置及有可能的通信覆蓋范圍。廣告牌算法和質(zhì)心算法常用于確定用戶終端位置，廣告牌算法是直接將接入點(diǎn)作為用戶終端的位置，而質(zhì)心算法是將用戶終端所接入點(diǎn)的坐標(biāo)平均值(或加權(quán)值)作為其位置坐標(biāo)，有助于提高測(cè)量精度。

圖像傳感器成像法的原理是在一個(gè)平行于LED燈和圖像傳感器之間的平面上放置一個(gè)透鏡，同時(shí)保證三點(diǎn)(發(fā)射點(diǎn)、透鏡中心和接收點(diǎn))共線，如圖8所示，再利用幾何關(guān)系便可以計(jì)算出待測(cè)點(diǎn)的位置坐標(biāo)。這種方法不僅可以快速定位，還具備很好的可移植性，且精度較高，是未來(lái)LED室內(nèi)定位的主要研究方向。

圖8 圖像傳感器法定位示意圖

4 機(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)與不足

4.1 NAVSOP的優(yōu)點(diǎn)

1) 信號(hào)資源豐富，用戶選擇多樣。從第三章中可以看出，在空間中存在著大量不同類型的機(jī)會(huì)信號(hào)，這就使得用戶可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景選擇的一種或幾種機(jī)會(huì)信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航，以彌補(bǔ)GNSS的缺失。此外，由于信號(hào)類型豐富，能夠提供大量互補(bǔ)數(shù)據(jù)，有助于提高定位的精度。

2) 機(jī)會(huì)信號(hào)功率高且穿透性強(qiáng)。GNSS發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離的傳輸，到達(dá)地球表面的信號(hào)強(qiáng)度非常弱，遠(yuǎn)小于周圍環(huán)境中的SOP。以GPS信號(hào)和FM信號(hào)為例，GPS信號(hào)大約是以282 W的有效各向同性輻射功率從20 000 km的高空發(fā)射，相比之下，另有一個(gè)30 km外有效輻射功率為 50 000 W的調(diào)頻電臺(tái)，二者到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)強(qiáng)弱不言自明。此外，機(jī)會(huì)信號(hào)以較低的頻率傳輸，伴隨著強(qiáng)信號(hào)功率，在遇到障礙物的時(shí)候穿透性更強(qiáng)。

3) 不需要考慮設(shè)備部署。由于周圍環(huán)境中已經(jīng)存在了機(jī)會(huì)信號(hào)，所以無(wú)需建立額外的發(fā)射機(jī)，大部分的信號(hào)都可以被用戶直接獲取，并且可以較為方便地集成在手持設(shè)備等移動(dòng)端上，減少了接收機(jī)的部署。

4) 無(wú)線電技術(shù)的進(jìn)步使得機(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航可行性更高。不論是硬件層面的設(shè)備性能不斷改善、例如發(fā)射基站信號(hào)更穩(wěn)定，還是算法層面的理論創(chuàng)新、例如計(jì)算方法的更新，都帶來(lái)了NAVSOP領(lǐng)域的繁榮與發(fā)展。

4.2 NAVSOP存在的不足

近年來(lái)，機(jī)會(huì)信號(hào)導(dǎo)航的研究雖然已經(jīng)得到蓬勃發(fā)展，且具備諸多優(yōu)點(diǎn)， 但是還是存在著一些不足之處：

1) 機(jī)會(huì)信號(hào)的時(shí)鐘不夠穩(wěn)定。時(shí)間信息的獲取是測(cè)距定位中非常重要的一環(huán)，GNSS的時(shí)鐘可以達(dá)到納秒級(jí)精度且穩(wěn)定度很高，而機(jī)會(huì)信號(hào)往往無(wú)法達(dá)到這樣的水平，且某些SOP例如電視信號(hào)的發(fā)射機(jī)時(shí)鐘非常不穩(wěn)定，這給基于時(shí)間信息的定位帶來(lái)很多困難。

2) 多徑效應(yīng)和非視距傳播問(wèn)題。根據(jù)2.3節(jié)的分析，多徑效應(yīng)和NLOS問(wèn)題是影響定位精度的主要原因，同時(shí)還會(huì)對(duì)授時(shí)造成，尋求的解決方案大多是基于特定信號(hào)的特定算法，可以針對(duì)性地緩解但不具備普適性。

3) 應(yīng)用場(chǎng)景受限制。NAVSOP多用于室內(nèi)環(huán)境，主要針對(duì)的GNSS被遮擋的問(wèn)題，對(duì)于作戰(zhàn)環(huán)境中的惡意干擾研究的相對(duì)較少。而且藍(lán)牙、Wi-Fi、UWB覆蓋的范圍只存在于室內(nèi)或者小范圍的室外，發(fā)射機(jī)高度受限，發(fā)射機(jī)的地理位置也受限，F(xiàn)M、DTV等機(jī)會(huì)信號(hào)在空中雖然存在但是不夠穩(wěn)定，難以集中利用，不具備地理位置多樣性的同時(shí)還會(huì)影響定位精度，這為后續(xù)的研究提出了一個(gè)很大的難題。

5 結(jié)論

NAVSOP已然成為導(dǎo)航領(lǐng)域不可或缺的一部分，對(duì)于今后的研究，有以下的幾點(diǎn)建議：

1) 分段互補(bǔ)、分時(shí)接收。在多徑環(huán)境中，基于射頻特征的位置匹配和對(duì)固定的不同多徑分量的利用，都可以采用分段互補(bǔ)；當(dāng)非目標(biāo)信號(hào)干擾接收基站時(shí)，則可以對(duì)發(fā)送端采取跳時(shí)擴(kuò)頻的方式，接收端采用分時(shí)接收的方法。

2) 多信號(hào)混合與多數(shù)據(jù)融合。由于SOP種類多樣且功能不盡相同，采用融合定位，可以有效地應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境。目前基于傳統(tǒng)的無(wú)線電信號(hào)導(dǎo)航已經(jīng)有了相當(dāng)成熟的處理體系，但是光信號(hào)等非無(wú)線電信號(hào)還有很大的探索空間。此外，如何實(shí)現(xiàn)不同類型信號(hào)的兼容與數(shù)據(jù)集成也需要開展深入研究。

3) 開發(fā)更具普適性的定位算法。由于SOP種類多樣，每一種信號(hào)適用的定位算法也不盡相同，在實(shí)現(xiàn)信號(hào)融合的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一種普適性較強(qiáng)的定位解算算法迫在眉睫。不僅更加方便還可以簡(jiǎn)化計(jì)算節(jié)約資源，在低信噪比與信號(hào)嚴(yán)重交疊的情況下實(shí)現(xiàn)信號(hào)分選。

4) 探索機(jī)會(huì)信號(hào)在多個(gè)場(chǎng)景下的應(yīng)用。隨著硬件設(shè)備性能的不斷提高，機(jī)會(huì)信號(hào)的強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及覆蓋范圍都在不斷提高，很多信號(hào)(如Wi-Fi)在室外環(huán)境也有一定的覆蓋；而LEO衛(wèi)星信號(hào)在沙漠、海洋等區(qū)域是一種有效輔助導(dǎo)航手段，同時(shí)這類信號(hào)由于到達(dá)地面強(qiáng)度高、不易被遮擋，在室內(nèi)定位也有非常好應(yīng)用前景。