基于無線電干涉的室內定位跟蹤方法*

徐 兵，齊望東，趙躍新，陳隆亮，黃明周，威 力

(中國人民解放軍陸軍工程大學 指揮信息系統(tǒng)學院，江蘇 南京 210007)

基于無線電干涉的室內定位跟蹤方法*

徐 兵，齊望東，趙躍新，陳隆亮，黃明周，威 力

(中國人民解放軍陸軍工程大學 指揮信息系統(tǒng)學院，江蘇 南京210007)

無線電干涉定位系統(tǒng)(RadioInterferometricPositioningSystem,RIPS)是一種新型高精度測相定位系統(tǒng)，但RIPS在室內環(huán)境受多徑效應影響無法進行有效定位。首先揭示了由多徑引起的RIPS相位觀測誤差具有空間多樣性特征，服從“類高斯”統(tǒng)計分布，然后提出基于無線電干涉的室內定位跟蹤方法RIT(RadioInterferometricTracking)。不同于傳統(tǒng)RIPS，RIT利多徑相位誤差的統(tǒng)計分布特性對運動速度進行估計，以此來完成室內目標的有效定位和跟蹤。基于USRPN210軟件無線電平臺構建了原型系統(tǒng)，并在室內環(huán)境進行實際系統(tǒng)實驗。實驗結果表明，隨著距離的增長RIT定位誤差均值和中值大致穩(wěn)定在80cm和70cm，相比RIPS分別下降了87.8%和60.7%，驗證了RIT方法的有效性。

無線電干涉定位系統(tǒng)；室內定位；多徑效應；空間多樣性；無線電干涉室內定位跟蹤

0 引言

位置信息在現(xiàn)代社會中發(fā)揮著重要的作用[1-3]。無線電干涉定位系統(tǒng)(Radio Interferometric Positioning System，RIPS)是為了解決無線傳感器網絡中的節(jié)點高精度定位問題提出的一種新型定位方法[4-5]。不同于其他基于相位的測距方法，RIPS使用了一種獨特的“雙發(fā)雙收”測距機制，兩個發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射頻率相近的單音信號，接收節(jié)點測量干涉形成的低頻包絡信號的相位，消除了對高信號采樣率、初始相位和節(jié)點間高精度時鐘同步的要求，使得低成本、高精度的無線電測相定位成為了可能。因此，RIPS自提出以來便受到了國內外學者的廣泛關注[6-8]。

RIPS作為一種測相定位系統(tǒng)，在室外無線傳感器網絡等應用領域得到了高精度的定位結果。但在室內環(huán)境中，由于墻壁、屋頂、家具、電器等反射物眾多，多徑效應非常嚴重，RIPS相位觀測值受多徑效應影響嚴重失真，難以提供有效測距和定位服務[9-10]。

文獻[5]證實通過架高天線可以降低地面反射，文獻[7]將待估計的距離差看作隨機變量，直接使用相位測量值以“平均后相偏殘差函數(shù)”為優(yōu)化對象，進行二維搜索定位。然而，以上這些方法都是針對室外環(huán)境中這種多徑效應并不嚴重的場景，在室內復雜多徑環(huán)境中并不能適用。文獻[11]從理論上推導了鏡反射的多徑誤差簡單模型，并通過仿真分析了多徑效應對RIPS實現(xiàn)高精度定位的限制。文獻[12]利用幅度信息對多徑參數(shù)進行估計，進而利用所估計出的多徑參數(shù)對RIPS相位測量值進行修正，以減輕多徑造成的測距誤差。但該方法需要大量帶寬作為支撐，且在室內嚴重多徑環(huán)境下效果不穩(wěn)定。目前為止，尚沒有可行的方法來有效克服室內環(huán)境中多徑效應對RIPS的影響，實現(xiàn)高精度的定位跟蹤結果。

本文首先分析多徑效應對RIPS相位測量的影響，揭示了存在直達徑的情況下由多徑引起的RIPS相位誤差具有空間多樣性，且服從特定的“類高斯”統(tǒng)計分布?；谶@一觀察，進而提出一種有效克服多徑效應影響的無線電干涉室內定位跟蹤方法RIT(Radio Interferometric Tracking)。不同于傳統(tǒng)RIPS，RIT利用多徑相位誤差的統(tǒng)計分布特性，在已知初始位置的情況下，通過對運動速度進行估計來完成對室內目標的有效定位和跟蹤。

本文基于USRP N210軟件無線電平臺構建了原型系統(tǒng)，并在室內環(huán)境進行實際系統(tǒng)實驗。實驗結果表明，待定位目標跟蹤的誤差隨著移動距離的增加基本趨于穩(wěn)定，誤差中值和均值穩(wěn)定在80 cm和70 cm，相比RIPS分別下降了87.8%和60.7%，驗證了RIT方法的有效性。

1 無線電干涉測距基本原理

RIPS 采用了獨特的“雙發(fā)雙收”測距機制，其基本測距單元如圖1所示。RIPS基本測距單元是由四個節(jié)點組成的測距四元組。圖中，A、B為發(fā)射節(jié)點，R、P為接收節(jié)點。

圖1 RIPS“雙發(fā)雙收”基本測距單元

在一次測量過程中，發(fā)射節(jié)點A、B同時發(fā)射頻率相近的單音信號(假設信號頻率分別為fA和fB，且fA>fB，fA-fB=δ)，接收節(jié)點R、P同時測量由發(fā)射信號干涉所形成的低頻包絡信號的相位。在沒有多徑情況下，R、P所測得相位的差值Δφ(i)與四個節(jié)點之間的距離存在如下關系:

(1)

RIPS相位差測量值與發(fā)射信號的初始相位和信號發(fā)射時刻無關，無需節(jié)點間高精度時鐘同步，由于是對低頻包絡信號的相位進行測量，不需要高信號采樣率，便于在低功耗、低成本的小型設備中實現(xiàn)。

2 多徑效應對RIPS相位測量的影響

多徑效應(Multipath Effect)是指電磁波經不同路徑傳播后，各分量場到達接收端時間不同，導致信號的衰落和相移的現(xiàn)象[14-15]。室內環(huán)境中反射物眾多，多徑效應嚴重，RIPS相位測量值存在很大誤差，不能提供有效測距和定位服務。

多徑效應具有空間多樣性，即不同位置的多徑傳播是不同的。且已有研究成果表明，只要空間中兩點的距離大于半個波長，就可以認為在這兩個點的信道衰減和多徑效應是不相關的[15]。對于室內運動目標的定位，其需要在多個頻點進行多次相位測量，每次相位測量實際上是在不同的位置進行的，因此由多徑引起的相位誤差是隨機的。

在存在直達徑的多徑環(huán)境下，無線電傳播信道服從萊斯分布[15-16]。可以用萊斯因子K來表示信道的分布情況。在不同的萊斯因子K取值情況下，通過仿真給出了在不同位置由多徑引起的RIPS相位誤差εi,ABRP的分布情況，如圖2所示。

圖2 不同K情況下RIPS多徑相位誤差εi,ABRP的分布

對于室內環(huán)境來說，一般情況下K的取值為4～12 dB[14]。當K=4 dB時，εi,ABRP的分布已經呈現(xiàn)出類似小方差的高斯分布?？梢钥闯?，在室內環(huán)境中，RIPS相位誤差εi,ABRP的分布基本服從于接近高斯分布的特定統(tǒng)計分布，本文稱之為“類高斯”分布。

3 RIT方法

本節(jié)利用多徑相位誤差的“類高斯”統(tǒng)計分布特性，提出基于無線電干涉的室內定位跟蹤方法RIT。RIT使用同RIPS一樣的相位測量過程，但RIT利用多徑相位誤差的統(tǒng)計分布特性，在已知初始位置的情況下，通過對運動速度進行估計來完成定位和跟蹤。

首先考慮室內運動目標的運動規(guī)律，如圖3所示，一般情況下，目標的運動軌跡可以用一段段的短距離勻速直線運動來進行近似和擬合。已知初始位置，如果可以得到每段直線運動的運動速度v(包括運動方向h和運動速率s)，則可以完成對目標的跟蹤。

圖3 運動軌跡的分解

再考慮每一段從Pk-1到Pk的勻速直線運動，在其軌跡上一系列等間隔的N個點進行了RIPS相位測量。已知初始位置Pk-1(Pk-1為上一段Pk-2到Pk-1勻速直線運動的終點)，給定運動方向h和運動速率s，則可以得到一系列的相位測量點位置，進而根據式(1)可以得到直達信號的RIPS相位差理論值，由RIPS相位差測量值減去理論值，則進一步可以得到由多徑引起的相位誤差。

如果h,s為真實速度，則所對應的真實相位誤差將服從“類高斯”分布。如果h,s不是真實速度，則所得到的直達信號相位差理論值均勻隨機分布，進而計算得到的RIPS相位誤差則近乎均勻分布。

此時，對運動方向h和運動速率s的估計問題就轉化為對特定分布的匹配問題。設計目標搜索函數(shù)(Objective Searching Function,OSF):

(2)

其中，Δφi為RIPS相位差測量值，Δφi,d為根據式(1)計算得到的直達信號RIPS相位差理論值，Δφi-Δφi,d表示了在位置i處由多徑效應所引起的RIPS觀測相位誤差和其他因素所引起的相位噪聲ni，ni相比于多徑相位誤差一般較小，在分析時將ni忽略，并不影響分析和最后所得出的結論。

對所有可能的h和s以目標函數(shù)OSFh,s進行搜索。真實h,s所對應的相位誤差復數(shù)值在同一個方向相互疊加，對應較大的目標函數(shù)值；非真實h,s所對應的相位誤差復數(shù)值在各個方向相互抵消，對應較小的目標函數(shù)值。目標函數(shù)OSFh,s最大時所對應的h,s則為真實速度。

已知初始位置，RIT通過對每一段勻速直線運動的速度v進行估計，完成對目標運動軌跡的跟蹤。對于運動軌跡的分段，可以通過位置信息更新的時間間隔來完成。如果目標的運動速度為v=1 m/s，位置更新時間間隔為0.6 s，則對應的直線運動段劃分長度為60 cm。每段運動段的終點位置作為下一段直線運動段速度估計的起點，以此來完成對目標位置的連續(xù)估計和更新。

4 實驗結果

4.1 實驗環(huán)境與實驗配置

基于USRP N210軟件無線電平臺構建了RIT原型系統(tǒng)，并在室內進行實驗。在室內共布置4個發(fā)射錨節(jié)點，位置分別為A1(0,0),A2(6,-0.6),A3(0,7.2),A4(6.6,5.4)(單位：m)，參考接收節(jié)點位置為AR(3.6,6)。待定位目標節(jié)點P為接收節(jié)點，相位測量時間間隔為20 ms。待定位目標P以速度v=1.5 m/s從P0(3.6,1.2)移動到P4(3.6,4.8)；以速度v=1 m/s從P4(3.6,4.8)移動到P9(0.6,4.8)，再到P15(0.6,1.2)，共移動10.6 m。位置刷新超時設定為0.6 s，對應30個RIPS相位觀測值。已知初始位置P0，共需要輸出{P1,P2,…,P15}共15個位置信息。

所使用測量載波頻帶為1.95 GHz～2.049 GHz，頻率間隔為1 MHz，共100個測量頻點，所有頻點依次循環(huán)跳頻測量，跳速為50 hops/s。進行100次實驗，每次實驗所走路徑相同，但所使用的頻點序列不同。RIT解算時運動方向h搜索范圍為0～2π rad，搜索粒度為0.01 rad；運動速率s搜索范圍為0～2 m/s，搜索粒度為0.01 m/s；每段解算得到的位置信息作為下一段解算的起點。

4.2 實驗結果

對100次實驗結果進行統(tǒng)計，定位誤差的均值和中值隨移動距離的變化情況如表1所示。

表1 定位誤差隨移動距離的變化情況 (m)

從實驗統(tǒng)計結果可以看出，隨著距離的增加,RIT定位誤差的均值、中值大致穩(wěn)定在80 cm和70 cm。同等條件下，在移動軌跡上等間隔的150個點進行了RIPS解算，定位誤差的均值和中值分別為6.6 m和1.78 m。RIT方法定位誤差的均值、中值相比于RIPS分別下降了87.8%和60.7%，實驗結果驗證了RIT方法的有效性。

5 結論

本文提出了一種基于無線電干涉的室內定位跟蹤方法RIT。RIT利用相位誤差的統(tǒng)計分布特性，設定目標搜索函數(shù)對運動速度進行估計，以此來完成對目標的定位與跟蹤，是一種簡單、高效的方法?；赨SRP N210軟件無線電平臺構建了原型系統(tǒng)，在室內環(huán)境進行了實際系統(tǒng)實驗，對RIT的有效性進行了驗證。下一步的研究方向是急轉向、急加速等情況對RIT性能的影響，以及基于其他小型平臺的RIT實現(xiàn)。

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Indoor tracking method based on radio interferometry

Xu Bing,Qi Wangdong,Zhao Yuexin,Chen Longliang,Huang Mingzhou,Wei Li

(College of Command Information System,The Army Engineering University of PLA,Nanjing 210007,China)

Radio interferometric positioning system (RIPS) is a new high-precision phase-based positioning system. However,RIPS cannot provide a valid location service in indoor environments because of the multipath effects. In this paper,we firstly reveal the fact that multipath-induced errors follow an “approximate Gaussian” statistical distribution,and then we propose the indoor positioning and tracking method RIT (Radio Interferometric Tracking). RIT estimates the velocity of target by utilizing the statistical distribution of multipath-induced phase errors,and then efficiently completes the positioning and tracking of indoor target. We build the prototype system based on the USRP N210 software radio platform and conduct experiments in the indoor environments. With the distance increasing,the mean positioning error and the median positioning error is roughly stable at 80 cm and 70 cm,decreased by 87.8% and 60.7% compared to RIPS. The experimental results verify the effectiveness of the RIT method.

radio Interferometric positioning system (RIPS); indoor positioning; multipath effect; spatial diversity; indoor radio interferometric tracking

國家自然科學基金(61573376，61402520)

TN961

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.017

徐兵，齊望東，趙躍新，等.基于無線電干涉的室內定位跟蹤方法J.微型機與應用，2017,36(24)：58-61.

2017-04-29)

徐兵(1988-)，男，博士研究生，主要研究方向：無線傳感器網絡、無線電定位。

齊望東(1968-)，通信作者，男，教授，博士生導師，主要研究方向：無線網絡、網絡安全、導航與定位。E-mail：wangdongqi@gmail.com。

趙躍新(1992-)，男，博士研究生，主要研究方向：無線網絡、無線電定位。