室內外一體化無縫定位的一種技術方案

張勝利　常守峰　張書雨

摘要：對于目前絕大多數普通衛星導航用戶而言，一個典型的應用場景是在大型建筑物中進行定位導航，當前的衛星導航方式在這種環境下存在局限性。本文提出了一種能在一定范圍內提供室內外一體化無縫定位的技術方案，采用低頻低功率的分布式信號發生器，根據一定規則在建筑物內布設若干信號發生器，還需要在目前普遍使用的GPS用戶機上增加相應器件。

關鍵詞：衛星導航 室內定位 分布信源 無縫定位

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0162-01

1 概述

當前的衛星導航系統在定位精度、定位準確度、定位頻度等各方面的性能指標都在積極迎合專業應用和科研領域的需求，對于普通用戶來說，衛星導航的各項性能指標遠遠高于實際需要。但這一切都依賴于能夠同時接收到至少4顆可用衛星的信號。這個最大的瓶頸導致用戶在室內幾乎無法使用衛星導航定位。普通用戶在大型建筑例如火車站、地下停車場、地鐵、辦公樓、商場（這些場所能夠提供絕大多數人的衣食住行）活動時，需要一種能夠像衛星導航一樣快捷準確的定位系統。

大型建筑的內部環境有著復雜的鋼筋混凝土空間結構，這將為系統設計帶來極大困難。室內無外縫導航系統的設計必須確保用戶在任意空間內均能收到導航信號，并且隨著用戶進、出房間等獨立空間，導航結果不會發生跳變。

而相比于室外的衛星導航，室內導航也有如下便利條件。一是空間坐標信息詳細精確，每棟建筑都配有精確的設計圖紙，可以在系統設計中考慮應用；二是作為導航信號發射器的設備，可以固定在某個位置，不像衛星一樣因為一直運動而需要廣播軌道等大量導航電文并且需要專門機構來維護衛星運行；三是雖然有墻壁等會帶來信號遮擋，但在某個具體房間內，信號可以直接到達用戶機，不像衛星信號一樣無論何時何處都會受到電離層、大氣層等的作用。

2 室內導航信號選擇

對于室內導航，可以有兩種信號方案。一是強穿透型統一的信號源，二是弱穿透型分布式信號源。

考慮到導航衛星信號穿透了電離層、大氣層到達用戶機，可以將大型建筑內的鋼筋混凝土等看作需穿透介質。發播出頻率、功率足夠高的導航信號，讓用戶接收并解調出距離信息，得到定位結果。但應當注意到，這種方法對于那些結構相對簡單的建筑是適用的，現代生活中的大型建筑，往往有成百上千間房間、走廊、大廳等空間結構采用這種高頻率高功率的信號，將會面對非常復雜且難以預測的反射波，空間中會充斥著功率不低的偶次反射波，用戶機上的極化天線將無法過濾這些偶次反射波，讓用戶機無法選擇正確的導航信號。

相比之下，分布式信號沒有這些問題。在每個獨立空間中布設若干個信號發射器，發射出頻率較低、功率較低的導航信號，即確保這些信號無法穿透墻壁，且反射波也非常微弱，用戶機將很容易接收這些信號而不用擔心多徑干擾。這種設計需要解決的問題有以下幾點：一是當用戶穿越不同房間時，如何進行無縫定位；二是雖然不用考慮多徑干擾，但當用戶位于墻壁邊時，依然有可能收到隔壁的微弱信號；三是要在一個大型建筑中布設這種導航系統，需要布設的信號發生器非常多，用戶如何識別如此海量的發生器。

3 室內分布式導航原理

考慮在單獨空間內的定位過程。若干個信號發生器發出導航信號，用戶機在較近距離內無遮擋的對信號進行接收，并解算出自身位置信息。這要求用戶機能夠知曉各信號發生器的位置信息，和自身距這些信號發生器的距離。在這種情況下，測量傳播時延并不合適，因為室內環境的一般空間尺寸是幾米至十幾米，此時設備時延將遠大于真實的傳播時延，定位準確度將無法得到保證。參考目前使用普遍的基站定位方式，在室內可以根據某個信號的強弱來判斷距離遠近。這種設計帶來的好處是不需要進行時間同步，而導航電文中只包含信號發生器的位置信息即可。這將使得信號發生器較為簡單，考慮到信號發生器將海量布設，這種更簡單的方案是有意義的。

如果導航信號的頻率、功率設置較低，那么反射信號和隔墻穿透的信號功率將會明顯降低，不會對參與到定位中。在這種系統中，信號發生器的發射功率應該被設計為固定值，并且基本相等。由于參與解算的導航信號都是在單獨室內傳播至用戶機的，可以獲得不同距離上接收到的信號功率值的先驗知識。

而在用戶端，用戶將接收到N個導航信號，每個信號的導航電文中都包含信號發生器的位置信息，結合信號的接收功率值，就能得到用戶的位置信息。這種解算至少需要3個導航信號的信息。對于這類頻率、功率都較低的信號，多徑信號和穿墻信號都會遠低于正常信號，為了避免多徑干擾和穿墻信號干擾，可以設置一個功率門限來濾除多徑信號。

考慮到用戶將在不同房間移動，可以在每個門的位置放置一個信號發生器，這樣做的話，信號發生器的總數最少為：

其中，為房間數量，為門的數量。

用戶機不斷搜索新的信號發生器產生的信號，并且對信號功率高于閾值門限的信號做距離估計和解調，然后產生用戶位置信息。如圖1所示。

另一個需要解決的問題是PRN碼的數量問題。大型建筑的房間數量往往很大，為了讓用戶機能在各類建筑中使用，或許需要在本地存儲海量的PRN碼，而且在搜索信號時，同時用這些巨量PRN去做自相關也需要付出巨大的代價。這里提出一個可行的解決方案，假設用戶位于空間A，收到的信號為PRN1、PRN2、PRN3；當用戶移動到空間B時，收到新信號PRN3、PRN4、PRN5，以及微弱的PRN1、PRN2；用戶繼續移動到空間C時，空間A的PRN1、PRN2已經無法收到了，我們就可以讓空間C的信號發生器使用PRN1、PRN2，這樣，用戶解調出新的信號發生器位置信息和新的功率估計距離，一樣可以得到位置信息。即只要用戶在移動后收到的新PRN和移動前接收的不重復，就可以解調出信號發生器的位置和估計出距離，從而完成定位。同一空間內可能接收到的信號沒有使用重復的PRN就可以。根據這一特點，目前GPS的PRN碼數量足夠分布一個房間及它的前后左右的相鄰房間。使用GPS的PRN也可以讓室內用戶機直接使用普通GPS接收的相關器。

為了能讓用戶在室內外移動時進行無縫定位，需要做兩點工作。一是在布設室內信號發生器時，在建筑物外圍也布設足夠的信號發生器，能夠確保在接近建筑時就接收到3個以上的室內導航信號；二是在當前的普通GPS接收機上做一些改進就可以實現支持這種室內導航系統的用戶機。新的用戶機除了具備GPS接收機所有功能外，需要可以不間斷對室內導航信號進行搜索捕獲，一旦接收到的室內導航信號數量超過了3，就采用室內信號的定位結果。這樣，當用戶將要走進建筑物的時候，就已經開始使用室內導航系統，同時衛星導航也可以正常使用，如果需要讓定位結果不跳變，可以設計一個針對兩種導航系統定位結果的平滑算法。

4 結語

本文提出了一種室內導航系統以及室內外無縫定位的解決方案，在每個房間內布設足夠的信號發生器，發射低頻、低功率這樣幾乎不穿透、偶次發射信號幾乎為零的導航信號，利用調制在信號中的信號發生器位置信息和先驗的功率對距離的估計值，來完成定位。直接使用GPS的PRN碼，只要確保在同一空間的導航信號PRN沒有重復即可。在建筑物外圍布設足夠的信號發生器，就可以確保用戶在將要走進建筑時可以同時使用衛星導航和室內導航。

參考文獻

[1]謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社，2011年7月.

[2]謝鋼.全球導航衛星系統原理[M].北京：電子工業出版社，2013年9月.

[3]Ellion D.Kaplan， Christopher J.Hegarty， Understanding GPS Principles and Applications[M].Beijing： Publishing House of Electronics Industry. Mar. 2010.