一種基于TC-OFDM系統(tǒng)的室內(nèi)定位算法

張正舵，陳遠(yuǎn)知

(中國傳媒大學(xué) 廣播電視數(shù)字化工程中心，北京 100024)

一種基于TC-OFDM系統(tǒng)的室內(nèi)定位算法

張正舵，陳遠(yuǎn)知

(中國傳媒大學(xué) 廣播電視數(shù)字化工程中心，北京 100024)

為了保證火災(zāi)時(shí)人們安全有序撤離及方便消防救援工作，對室內(nèi)定位技術(shù)在消防救援中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，提出一種基于TC-OFDM(Time & Code Division-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統(tǒng)的室內(nèi)定位新算法。該算法根據(jù)接收定位基點(diǎn)數(shù)目的不同采取不同處理流程，可以滿足應(yīng)用對魯棒性要求。算法通過氣壓測高獲得高度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)三維空間定位。為了提高定位穩(wěn)定性，算法增加了加權(quán)滑動(dòng)平均濾波后處理。使用TC-OFDM實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)對新算法進(jìn)行了性能測式，水平定位誤差約為3 m，垂直定位誤差為0.5 m。

TC-OFDM系統(tǒng)；測距定位；氣壓測高；加權(quán)滑動(dòng)平均濾波

0 引言

室內(nèi)定位研究始于20世紀(jì)90年代，Active Badge[1]被認(rèn)為是第一個(gè)室內(nèi)定位原型系統(tǒng)。1996年隨著FCC頒布E-91法令[2]，要求移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供定位功能，全球興起室內(nèi)定位研究熱潮，Cricket[3]、RADAR[4]、IPAQ[5]、Active Office[6]、LANDMARC[7]、INEMO[8]和TC-OFDM[9]等各種室內(nèi)定位系統(tǒng)如雨后春筍不斷涌現(xiàn)。經(jīng)過20多年的發(fā)展，室內(nèi)定位技術(shù)研究日趨成熟，開始走向工程應(yīng)用階段。

隨著智慧城市[10]的快速發(fā)展，人們在大型建筑物內(nèi)停留、活動(dòng)的時(shí)間越來越長。火災(zāi)時(shí)建筑物內(nèi)人群的撤離和消防救援，成為影響社會(huì)安全的重要問題，室內(nèi)定位有助于解決這一問題。

室內(nèi)定位系統(tǒng)可以分為廣域室內(nèi)定位和局域室內(nèi)定位兩大類[11]。廣域室內(nèi)定位由廣域網(wǎng)(如移動(dòng)通信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng))承載，可實(shí)現(xiàn)全局區(qū)域覆蓋。其優(yōu)點(diǎn)是覆蓋范圍大，易于形成標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用產(chǎn)品和統(tǒng)一規(guī)范服務(wù)；缺點(diǎn)是需改造基站與終端設(shè)備，建設(shè)規(guī)模大、周期長且成本高。局域室內(nèi)定位由局域網(wǎng)(如無線局域網(wǎng)(WLAN))承載，只能實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域覆蓋。其優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)規(guī)模小、周期短、成本低；缺點(diǎn)是覆蓋區(qū)域小，不易形成統(tǒng)一規(guī)范的產(chǎn)品與服務(wù)。面向火災(zāi)應(yīng)用的室內(nèi)定位系統(tǒng)，適宜采用廣域類別。

TC-OFDM系統(tǒng)是由北郵鄧中亮教授團(tuán)隊(duì)牽頭研發(fā)的基于移動(dòng)通信網(wǎng)的廣域室內(nèi)外定位系統(tǒng)，本文主要研究的是基于該系統(tǒng)廣域室內(nèi)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的終端定位解算算法，采用優(yōu)化處理的室內(nèi)二維重心定位方法和差分測高技術(shù)，最終得到適于該系統(tǒng)應(yīng)用、定位性能優(yōu)良的終端三維定位算法。

1 系統(tǒng)定位原理

TC-OFDM系統(tǒng)由通導(dǎo)融合基站、室內(nèi)信號(hào)增補(bǔ)節(jié)點(diǎn)和定位終端組成，其中通導(dǎo)融合基站和信號(hào)增補(bǔ)節(jié)點(diǎn)為定位基點(diǎn)。通導(dǎo)融合基站架設(shè)在室外，發(fā)射融合通信與定位信號(hào)的TC-OFDM信號(hào)；信號(hào)增補(bǔ)節(jié)點(diǎn)布設(shè)在樓內(nèi)各區(qū)域房頂，向終端轉(zhuǎn)發(fā)通導(dǎo)融合信號(hào)；定位終端由用戶攜帶，接收定位基點(diǎn)發(fā)射的TC-OFDM信號(hào)，并完成定位處理，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無縫銜接定位功能。

TC-OFDM系統(tǒng)支持基于到達(dá)時(shí)間差(TDOA)的高精度定位方案和基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)的普通精度定位方案?；赗SSI信息又有三邊測量法[12]和最大似然估計(jì)法[13]等，考慮到應(yīng)用要求和終端硬件平臺(tái)性能，本文選擇基于RSSI[14]測距方案實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

無線電波在室內(nèi)空間傳播模型[15]為：

(1)

式中，P為定位終端處場強(qiáng)；d為發(fā)射節(jié)點(diǎn)與定位終端間距離；n為路徑損耗指數(shù)(取值與環(huán)境有關(guān)，一般辦公室和樓道走廊取值大小為1.4～2.5[16])；d0為參考距離(一般選取1 m)；P0為d0處場強(qiáng)；δ為測距時(shí)引入的噪聲(不考慮多徑傳播和非視距誤差情況，可視為均值為0的高斯噪聲)。

依據(jù)文獻(xiàn)[17-18]，可以用接收信號(hào)強(qiáng)度RSSI代替場強(qiáng)值P，式(1)變?yōu)椋?/p>

(2)

取參考距離d0=1，式(2)變?yōu)椋?/p>

RSSI=RSSI0+10nlg(d)+δ。

(3)

TC-OFDM系統(tǒng)的定位基點(diǎn)周期性廣播包含自身相關(guān)信息的信號(hào)，定位終端通過對該信號(hào)降頻、捕獲和跟蹤等處理之后，整合出的電文幀結(jié)構(gòu)[19]如圖1所示。電文幀中包括定位終端處的信號(hào)RSSI值，基點(diǎn)標(biāo)識(shí)符、經(jīng)緯度坐標(biāo)、氣壓、溫度和高度等數(shù)據(jù)。

同步頭標(biāo)識(shí)符RSSI經(jīng)緯度坐標(biāo)氣壓值溫度值高度值…CRC

圖1 TC-OFDM幀結(jié)構(gòu)

接收到基點(diǎn)信號(hào)后，定位終端可從TC-OFDM幀中解出定位終端處RSSI值和基點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，如果同時(shí)知道離基點(diǎn)距離d0位置處的RSSI0值，忽略噪聲影響，就能通過式(3)計(jì)算出定位終端與定位基點(diǎn)之間的距離d。

通常定位終端可以同時(shí)接收到多個(gè)定位基點(diǎn)的廣播電文，從接收電文解算出基點(diǎn)坐標(biāo)、參考距離信號(hào)強(qiáng)度，再結(jié)合定位終端采集的各基點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度，就可以采用三邊法、質(zhì)心法或加權(quán)質(zhì)心法等常見定位算法[14]進(jìn)行終端位置解算，實(shí)現(xiàn)二維空間定位功能。

2 重心定位算法

與技術(shù)探索不同，工程應(yīng)用算法不僅需要追求較高的定位精度指標(biāo)，而且還要滿足與工程應(yīng)用相關(guān)的諸多約束條件。對于火災(zāi)應(yīng)用場景，定位算法需要滿足的約束條件包括：

① 收到的定位基點(diǎn)信號(hào)少于3個(gè)時(shí)仍能進(jìn)行位置解算；

② 能適應(yīng)符合通信要求的基點(diǎn)部署密度；

③ 能適應(yīng)主流終端硬件平臺(tái)性能條件；

④ 能夠得到較準(zhǔn)確的高度信息和終端周邊環(huán)境信息。

為了在滿足上述約束條件下獲得較高的定位精度，提出適應(yīng)火災(zāi)場景工程應(yīng)用的重心定位算法。算法具體描述如下：

當(dāng)只接收到1個(gè)室內(nèi)基點(diǎn)時(shí)，可以認(rèn)為定位終端處于該基點(diǎn)正下方附近。這是由于定位終端距其他基點(diǎn)過遠(yuǎn)，信號(hào)強(qiáng)度過弱，因此無法捕獲到其他基點(diǎn)信號(hào)，而只捕獲到離自己最近的信號(hào)，即單基點(diǎn)情況下該基點(diǎn)坐標(biāo)為定位終端位置坐標(biāo)。

根據(jù)式(3)有

(4)

(5)

如前所述，假定定位終端位于兩基點(diǎn)連線上，依據(jù)其幾何關(guān)系，有

(6)

(7)

由式(4)～式(7)可以推導(dǎo)出

(8)

(9)

式中，ΔRSSIi=RSSIi,0-RSSIi(i=1,2)。

當(dāng)接收到3個(gè)或3個(gè)以上基點(diǎn)信號(hào)時(shí)，認(rèn)為定位終端處于所有兩兩基點(diǎn)組合情況下的定位點(diǎn)為垂足、基點(diǎn)連線的垂線相交坐標(biāo)點(diǎn)的重心坐標(biāo)位置。與接收到2個(gè)基點(diǎn)信號(hào)情況時(shí)接收終端所在位置類似，當(dāng)任取2個(gè)基點(diǎn)A、B來計(jì)算，則定位終端的位置必在以定位點(diǎn)為垂足的A、B基點(diǎn)連線的垂線上。同理，當(dāng)接收到多個(gè)基點(diǎn)信號(hào)時(shí)，定位終端的實(shí)際位置就會(huì)趨近于所有兩兩基點(diǎn)組合情況下的定位點(diǎn)為垂足、基點(diǎn)連線的垂線相交坐標(biāo)點(diǎn)的重心坐標(biāo)位置。

定位分以下4步進(jìn)行：

① 對接收到的所有基點(diǎn)信號(hào)兩兩組合，按照兩基點(diǎn)定位方法求得各組合定位坐標(biāo)；

② 在求取的兩基點(diǎn)定位坐標(biāo)處，做垂直于相應(yīng)基點(diǎn)連線的直線，獲得所有垂線兩兩交點(diǎn)(剔除距離基點(diǎn)位置較遠(yuǎn)的垂線交點(diǎn))；

③ 設(shè)置門限值，剔除距離任意基點(diǎn)位置較遠(yuǎn)的垂線交點(diǎn)；

④ 求取所有垂線坐標(biāo)點(diǎn)的重心坐標(biāo)位置，即為定位終端定位坐標(biāo)。

以接收到3個(gè)基點(diǎn)信號(hào)為例，說明多基點(diǎn)重心定位處理過程。如圖2所示，假設(shè)定位終端接收到A、B和C基點(diǎn)信號(hào)，兩兩組合求得兩基點(diǎn)重心分別為P1、P2和P3，3個(gè)基點(diǎn)兩兩連線的垂線交點(diǎn)分別為a、b和c，所形成的三角形重心G即為終端位置。

圖2 三基點(diǎn)幾何重心定位示意

上述定位算法只能獲得平面二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，而樓層高度在發(fā)生火災(zāi)時(shí)規(guī)劃撤離路線與確定救援位置具有重要作用。為此，定位終端使用氣壓測高方法獲取樓層高度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)三維空間定位。

氣壓與海拔高度關(guān)系模型[20]為：

(10)

式中，h和p為終端的高度和氣壓；h0和p0為基站的高度和氣壓；t和t0分別為終端和基站處溫度值。

已知利用壓力傳感器獲取所處環(huán)境中的氣壓值，然后大氣壓與海拔高度的函數(shù)關(guān)系可以求得對應(yīng)的高度值。式(10)中，h0、p0和t0分別認(rèn)為是基準(zhǔn)點(diǎn)高度、基準(zhǔn)點(diǎn)氣壓和基準(zhǔn)點(diǎn)溫度，并可從基站廣播電文中解出，p和t可以由終端集成的綜合傳感器測量。這樣，就可以通過式(10)解算出終端高度h，實(shí)現(xiàn)三維定位。

3 平滑后處理

由于定位終端1 s內(nèi)最多可以接收同一室內(nèi)基點(diǎn)發(fā)送的多達(dá)20組電文信息。依據(jù)定位終端每次解算時(shí)收到的基點(diǎn)個(gè)數(shù)，對短時(shí)間內(nèi)所有定位結(jié)果進(jìn)行加權(quán)滑動(dòng)平均濾波處理，可以消除定位誤差波動(dòng)，提高定位的穩(wěn)定性。

滑動(dòng)平均濾波法又稱為遞推平均濾波法。對于一個(gè)離散系統(tǒng)，取N個(gè)連續(xù)采樣值組成一個(gè)固定長度隊(duì)列，每次輸入一個(gè)新樣本進(jìn)入隊(duì)尾，同時(shí)推出隊(duì)首的一個(gè)樣本(先進(jìn)先出原則)；每次取當(dāng)前隊(duì)列的N個(gè)樣本計(jì)算平均值，作為濾波器輸出。該方法平滑度高，對周期性干擾有良好的抑制效果。

(11)

(12)

4 實(shí)驗(yàn)測試與分析

采用北京郵電大學(xué)和北斗羲和公司開發(fā)的室內(nèi)增補(bǔ)節(jié)點(diǎn)和定位終端，在50m*15m的樓層內(nèi)搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)。在設(shè)定區(qū)域樓層內(nèi)共布設(shè)6個(gè)室內(nèi)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)均勻分布，用于發(fā)射TC-OFDM信號(hào)并廣播導(dǎo)航電文。

從圖3中可以看出，60組解算坐標(biāo)點(diǎn)大部分分布在以實(shí)際位置點(diǎn)為圓心、半徑為3m的圓周兩側(cè)，符合預(yù)期定位效果。

傳統(tǒng)加權(quán)質(zhì)心定位算法在室內(nèi)節(jié)點(diǎn)極多、室內(nèi)小空間和無障礙物隔擋等環(huán)境條件下精度更高[21]；但TC-OFDM方案主要應(yīng)用于室內(nèi)廣域空間，覆蓋面積更大，采用的是特定的幾何交點(diǎn)重心算法，需要考慮障礙物和隔墻等的影響，并且選用較少的室內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)來達(dá)到較高的室內(nèi)定位精度，在室內(nèi)廣域空間應(yīng)用上優(yōu)勢明顯。

圖3 實(shí)際位置與解算位置分布

為了分析定位的穩(wěn)定性和可靠性，在室內(nèi)任意已知坐標(biāo)點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行200次定位解算，并對結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平滑濾波后處理，可以得到后處理情況定位數(shù)據(jù)序列。然后通過式(13)計(jì)算定位誤差序列，繪制定位誤差曲線，結(jié)果如圖4所示。

(13)

圖4曲線分別為無平滑處理定位誤差曲線和 20階加權(quán)滑動(dòng)平均濾波處理定位誤差曲線。由圖4可以看出，在幾乎沒有定位結(jié)果損失的情況下，定位誤差在3 m以內(nèi)，誤差波動(dòng)比未平滑后處理情況有明顯改善，毛刺減少，穩(wěn)定性提高，更有利于導(dǎo)航和航跡推算。

圖4 定位誤差對比曲線

由于室內(nèi)火場環(huán)境溫度復(fù)雜多變，氣壓測高實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)仿真環(huán)境中進(jìn)行。在同一樓層內(nèi)，通過定位終端多次測量，總是從已測量到的若干室內(nèi)溫度值中選取最低的溫度值tmin和相應(yīng)氣壓值Pmin帶入式(10)，來解算定位終端所在高度h。進(jìn)行100次氣壓、溫度數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)，解算高度數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖5所示。測量高度誤差都在0.5m以內(nèi)，滿足火場場景應(yīng)用要求。

圖5 高度測量曲線

5 結(jié)束語

在火災(zāi)場景應(yīng)用TC-OFDM廣域室內(nèi)定位系統(tǒng)，要求定位算法不僅有較高的定位精度，還需要適應(yīng)使用中面臨的各種現(xiàn)場情況。本文提出幾何重心定位算法，可根據(jù)接收定位基點(diǎn)數(shù)目不同采用不同的定位處理流程，保證了實(shí)際應(yīng)用中算法的魯棒性。為了獲得更加穩(wěn)定的定位結(jié)果，算法增加了對空間幾何解算定位結(jié)果的加權(quán)平滑后處理。同時(shí)，算法結(jié)合氣壓測高方法，使用綜合傳感器測量定位點(diǎn)溫度和氣壓等環(huán)境數(shù)據(jù)，根據(jù)氣壓與高度關(guān)系模型計(jì)算定位點(diǎn)高度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)三維空間定位。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，在數(shù)百平米樓宇內(nèi)，算法水平定位誤差在3m以內(nèi)，垂直誤差為0.5m，并且具有良好的魯棒性，滿足火災(zāi)場景工程應(yīng)用需要。

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A New Indoor Positioning Algorithm Based on TC-OFDM System

ZHANG Zheng-duo，CHEN Yuan-zhi

(EngineeringCenterofDigitalAudioandVideo,CommunicationUniversityofChina,Beijing100024,China)

In order to ensure the safe and orderly evacuation and fire rescue work,the application of indoor positioning technology in fire rescue is studied,and a new indoor positioning algorithm based on TC-OFDM system is proposed in this paper.According to different number of available beacons,a different processing procedure is applied to improve robustness of engineering algorithm.The algorithm obtains the height data through the barometric altimetry technique,realizing three dimensional indoor positioning.For more stable positioning data,a weighted moving average filter is used for post-processing of calculation result of position value.On a TC-OFDM experiment platform,the algorithm has been evaluated with about 3 m horizontal positioning error and 0.5 m vertical error.

TC-OFDM system;ranging location;barometric altimetry;weighted moving average filter

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.09.11

張正舵,陳遠(yuǎn)知.一種基于TC-OFDM系統(tǒng)的室內(nèi)定位算法[J].無線電工程,2017,47(9):55-59.[ZHANG Zhengduo，CHEN Yuanzhi.A New Indoor Positioning Algorithm Based on TC-OFDM System[J].Radio Engineering,2017,47(9):55-59.]

TN965.5

A

1003-3106(2017)09-0055-05

2017-04-07

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃) 基金資助項(xiàng)目(2015AA124101)。

張正舵 男，(1989—)，碩士研究生。主要研究方向：室內(nèi)定位、嵌入式技術(shù)。

陳遠(yuǎn)知 男，(1966—)，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：信號(hào)處理技術(shù)。