基于北斗終端的室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(nèi)外無縫定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江城

(空軍裝備研究院，北京 100094)

針對(duì)當(dāng)前室內(nèi)外無縫連續(xù)定位問題，基于北斗空間導(dǎo)航信號(hào)特征，并結(jié)合WLAN室內(nèi)定位中的RadioMap的思想，提出了一種基于北斗終端的室內(nèi)外無縫導(dǎo)航定位系統(tǒng)，使現(xiàn)有的北斗導(dǎo)航終端只需要經(jīng)過軟升級(jí)，即可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無縫定位。仿真結(jié)果表明，在空曠室內(nèi)環(huán)境與復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下，均達(dá)到了2 m的定位精度(1σ)，且在室內(nèi)外過渡中保證了定位的連續(xù)性。本系統(tǒng)為解決北斗導(dǎo)航系統(tǒng)全域覆蓋問題提出了一種可行的技術(shù)思路。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；室內(nèi)外無縫定位；指紋節(jié)點(diǎn)；互相關(guān)干擾

0　引言

在室外環(huán)境下，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)可以提供令人滿意的位置服務(wù)，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了區(qū)域連續(xù)服務(wù)；在室內(nèi)環(huán)境下，已經(jīng)有諸如UWB定位[1]、Wifi定位、Zigbee定位和組合定位[2]等技術(shù)，但這些定位方法并未消除室內(nèi)和室外之間存在的“定位縫隙”。且由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性，單純依靠三角學(xué)計(jì)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[3]。

針對(duì)以上問題，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)提出了一種北斗指紋室內(nèi)外無縫定位方案，使用戶可以使用北斗終端同時(shí)獲得室內(nèi)外環(huán)境下的連續(xù)定位服務(wù)。該方案中，將北斗導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，并由室內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)射。用戶終端在室外環(huán)境下仍使用北斗衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)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(diǎn)發(fā)送的信號(hào)在物理層上與北斗信號(hào)兼容，用戶接收機(jī)并不需要增加額外的硬件設(shè)備，便可平滑、無縫地在室內(nèi)外定位服務(wù)間切換和過渡。

1　北斗室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)是中國(guó)自主研發(fā)和運(yùn)營(yíng)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)。但是作為星基導(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(chǎng)等室內(nèi)環(huán)境下系統(tǒng)性能會(huì)急劇惡化甚至無法使用[4-5]。

針對(duì)這個(gè)問題，結(jié)合IMES系統(tǒng)中的指紋節(jié)點(diǎn)和WLAN室內(nèi)定位中的RadioMap的思想，設(shè)計(jì)了一種北斗室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)。北斗無縫定位系統(tǒng)基本構(gòu)架如圖1所示，系統(tǒng)主要由北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、室內(nèi)北斗指紋節(jié)點(diǎn)以及升級(jí)后的北斗用戶終端3部分組成。當(dāng)用戶在室外時(shí)利用北斗衛(wèi)星進(jìn)行定位，而進(jìn)入室內(nèi)后利用指紋節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位[6]。無論是室內(nèi)還是室外，用戶都使用同一北斗接收機(jī)，無需切換不同體制的接收機(jī)，接收機(jī)會(huì)自動(dòng)判斷接收的是衛(wèi)星信號(hào)還是北斗指紋節(jié)點(diǎn)信號(hào)，并利用相應(yīng)的定位算法對(duì)用戶進(jìn)行定位，真正實(shí)現(xiàn)無縫定位。

圖1　北斗無縫定位系統(tǒng)基本架構(gòu)

由于室內(nèi)外定位以及室內(nèi)外過渡切換時(shí)均采用同一北斗終端，則需要解決室內(nèi)北斗指紋信號(hào)的設(shè)計(jì)、終端定位方法和室內(nèi)外信號(hào)互相關(guān)干擾等核心問題[6]。

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(diǎn)信號(hào)設(shè)計(jì)

北斗指紋節(jié)點(diǎn)是安置在室內(nèi)的一種簡(jiǎn)易的北斗信號(hào)發(fā)生器，接收機(jī)在室外接收北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)完成導(dǎo)航定位，進(jìn)入室內(nèi)后將利用北斗指紋節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)實(shí)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(jī)上實(shí)現(xiàn)，室內(nèi)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)必須在射頻上與北斗衛(wèi)星信號(hào)保持一致[7]。在本設(shè)計(jì)中，室內(nèi)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的射頻規(guī)范參照《北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件公開服務(wù)信號(hào)B1I(1.0版)》(以下簡(jiǎn)稱“北斗ICD”)設(shè)計(jì)。室內(nèi)節(jié)點(diǎn)信號(hào)使用B1頻點(diǎn)，僅包含B1信號(hào)中的I路信號(hào)，采用BPSK調(diào)制，其表達(dá)式為：

Sj(t)=ACj(t)Dj(t)cos(2πf0t+φj)。

(1)

式中，上角標(biāo)j為室內(nèi)節(jié)點(diǎn)編號(hào)；A為信號(hào)振幅；C為測(cè)距碼；D為測(cè)距碼上調(diào)制的數(shù)據(jù)碼；f0為載波頻率；φ為載波初相[8]。

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

在室內(nèi)指紋定位的過程中，節(jié)點(diǎn)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(cè)量信號(hào)強(qiáng)度，本文信息幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　室內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息幀結(jié)構(gòu)

為分析室內(nèi)節(jié)點(diǎn)信號(hào)與北斗衛(wèi)星信號(hào)在兼容性上的問題， 2種信號(hào)在各種參數(shù)和性質(zhì)上的對(duì)比如表1所示。

表1　信號(hào)兼容性分析

2.2室內(nèi)環(huán)境模擬與指紋節(jié)點(diǎn)部署

信號(hào)強(qiáng)度在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下波動(dòng)很大，主要的影響來自于陰影損耗，路徑損耗的波動(dòng)并不大，而多徑的影響由可以通過多次測(cè)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(duì)信號(hào)強(qiáng)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(tǒng)計(jì)特性，這就要求在測(cè)量指紋圖時(shí)需要多次測(cè)量來消除隨機(jī)誤差。

室內(nèi)空間相對(duì)狹小，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，障礙物密集以及很多實(shí)時(shí)變化的因素，極易造成室內(nèi)傳播信號(hào)的不確定性甚至中斷。因此，對(duì)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(hào)歐氏距離的室內(nèi)節(jié)點(diǎn)快速部署方案。

2.3北斗指紋節(jié)點(diǎn)的定位方法

2.3.1基于改進(jìn)的Cell-ID的低精度定位模式

基于改進(jìn)的Cell-ID的定位算法如圖3所示，假設(shè)整個(gè)室內(nèi)環(huán)境布置了K個(gè)指紋節(jié)點(diǎn)(TP1,TP2,……,TPK)，北斗接收機(jī)接收到的RSS(ReceivedSignalStrength)向量為(RSS1，RSS2,…，RSSi,…，RSSK)，其中RSSi為接收機(jī)接收到的第i個(gè)指紋節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)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(wù)是在布置完指紋節(jié)點(diǎn)后，建立指紋節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度的RadioMap。

圖4　基于RadioMap的高精度定位模式

2.4北斗互相關(guān)干擾分析與抑制

對(duì)于基于北斗指紋節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，由于北斗接收機(jī)接收到的室內(nèi)布置的北斗指紋節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)功率一般比接收到的北斗衛(wèi)星信號(hào)的功率大。所以當(dāng)同時(shí)能觀測(cè)到北斗指紋節(jié)點(diǎn)信號(hào)與北斗衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，較強(qiáng)的指紋節(jié)點(diǎn)信號(hào)會(huì)對(duì)接收機(jī)觀測(cè)較弱的北斗衛(wèi)星信號(hào)產(chǎn)生干擾，從而產(chǎn)生互相關(guān)干擾[11]。

本文采用子空間投影的思想對(duì)互相關(guān)干擾進(jìn)行抑制。子空間投影的基本原理是利用強(qiáng)信號(hào)估計(jì)的參數(shù)構(gòu)建強(qiáng)信號(hào)子空間，再得到其強(qiáng)信號(hào)子空間的正交空間，然后通過投影矩陣將接收信號(hào)在其正交空間上進(jìn)行投影，利用強(qiáng)信號(hào)預(yù)期子空間的正交空間的正交性即可消除強(qiáng)信號(hào)[12]，達(dá)到對(duì)互相關(guān)干擾進(jìn)行抑制的目的。

北斗接收機(jī)中下變頻得到的中頻信號(hào)r如式(2)所示，由3部分組成：M個(gè)弱信號(hào)WAw、N個(gè)強(qiáng)信號(hào)SAs和熱噪聲n。

r=WAw+SAs+n。

(2)

式中，接收信號(hào)是一個(gè)向量的形式r=[r(1),r(2),…,r(K)]T，K為總的采用點(diǎn)數(shù)；而向量Aw=[aw1,aw2,…,awM]T，為弱信號(hào)的幅度矢量；W為一個(gè)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(gè)弱信號(hào)的數(shù)據(jù)比特信息；Ci(t)為第i個(gè)弱信號(hào)的C/A碼；而fi為其載波頻率；θi為載波初始相位。同樣對(duì)強(qiáng)信號(hào)而言，As=[as1,as2,…,asN]T為強(qiáng)信號(hào)幅度矢量；S為一個(gè)K×N的矩陣：

S=[S1,S2,…,SN]，

(4)

假設(shè)長(zhǎng)度為K的接收信號(hào)內(nèi)的強(qiáng)信號(hào)已完成捕獲及跟蹤，即已經(jīng)估計(jì)出強(qiáng)信號(hào)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(jì)的強(qiáng)信號(hào)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(gè)很好的性質(zhì)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(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于強(qiáng)信號(hào)與噪聲，所以HWAw≈0，因此，

r-Hr≈WAw+(I-H)n。

(8)

式(8)即為經(jīng)過子空間投影后對(duì)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行抑制后得到的弱信號(hào)及噪聲分量。

3　仿真結(jié)果分析

本仿真針對(duì)空曠室內(nèi)環(huán)境和復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行了環(huán)境建模，并分別基于這2種環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以保證北斗無縫定位系統(tǒng)的定位能力。

為驗(yàn)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(gè)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(yàn)場(chǎng)景

圖5中圓點(diǎn)表示AP，外框表示墻體。在其場(chǎng)景下進(jìn)行了定位仿真實(shí)驗(yàn)，參考點(diǎn)間距1m，參考點(diǎn)采樣次數(shù)100次。定位測(cè)試共進(jìn)行了10 000次，每次隨機(jī)產(chǎn)生真實(shí)位置，并將測(cè)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(dá)到1σ內(nèi)1.16m。

在空曠室內(nèi)環(huán)境下，本文進(jìn)行了室內(nèi)外環(huán)境切換試驗(yàn)，如圖7所示。圖中矩形方塊為定位結(jié)果，而圓點(diǎn)代表用戶的真實(shí)位置。當(dāng)系統(tǒng)判決用戶處于室外時(shí)，便不再提供指紋定位服務(wù)，轉(zhuǎn)而進(jìn)行室外衛(wèi)星定位。

為驗(yàn)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(gè)2層結(jié)構(gòu)的虛擬建筑物，2層樓的結(jié)構(gòu)相同，AP布設(shè)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(gè)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2個(gè)并列放置的AP中右側(cè)的一個(gè)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(nèi)環(huán)境下的室內(nèi)外切換試驗(yàn)結(jié)果

圖8　復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)場(chǎng)景

復(fù)雜環(huán)境下的定位仿真實(shí)驗(yàn)同樣進(jìn)行了10 000次，室內(nèi)參考點(diǎn)間距1m，每個(gè)參考點(diǎn)采樣次數(shù)為100次。復(fù)雜室內(nèi)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(fù)雜室內(nèi)環(huán)境下定位誤差的概率分布

為驗(yàn)證2層樓間的切換能力，實(shí)驗(yàn)中人為地產(chǎn)生了一段用戶軌跡，從一樓走廊頂端進(jìn)入，走進(jìn)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(shí)軌跡，而圓點(diǎn)則表示定位系統(tǒng)給出的定位結(jié)果。可以看到定位系統(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(jìn)行定位。

4　結(jié)束語

本文結(jié)合了IMES系統(tǒng)中的指紋節(jié)點(diǎn)和WLAN室內(nèi)定位中的RadioMap的思想，提出了一種基于北斗指紋節(jié)點(diǎn)的室內(nèi)外無縫導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)北斗室內(nèi)指紋節(jié)點(diǎn)的射頻和幀格式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)該指紋節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)集成了改進(jìn)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(guān)干擾抑制算法。最終對(duì)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(jìn)行了仿真分析，通過仿真結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)達(dá)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(dǎo)航與組合導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)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(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA124001)；國(guó)家國(guó)際科技合作專項(xiàng)基金資助項(xiàng)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(nèi)外無縫定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線電工程,2016,46(8):38-42.