北斗室內外無縫定位系統設計與仿真分析

濮 迪

（中國電子集團公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

北斗室內外無縫定位系統設計與仿真分析

濮 迪

（中國電子集團公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

針對當前室內外無縫定位無法實現無縫的問題，文章通過對北斗指紋節點信號、室內環境的模擬與指紋節點的部署、北斗指紋節點的定位以及北斗互相關干擾與抑制的研究，提出一種與北斗系統相兼容的全新無縫導航定位方案，滿足北斗接收機無需添加硬件設備的軟升級定位，真正實現室內外定位的無縫銜接和平滑過渡，并進行了仿真驗證。

無縫定位；北斗系統；指紋節點；互相關干擾

在室外環境下，GNSS系統已經可以提供令人滿意的位置服務，而目前常用的GPS定位服務是由美國軍方提供的，從國防建設和公共安全等方面上講并不適用于我國的國情。相比之下本文更適合以中國自主研制的北斗系統作為研究方向。在室內定位技術方面，已經有諸如組合導航、UWB定位、AGPS、高靈敏度GPS及WLAN定位等技術，但是這些定位方法都有局限性。組合導航技術主要是基于慣性導航，累積誤差的存在和高昂的成本使其應用前景并不明朗；UWB系統在理論上具有最好的定位精度，但其信號的射頻特性決定了其在復雜室內環境下無法應用；AGPS和高靈敏度GPS技術復雜，且僅能解決“淺室內環境”的定位問題；WLAN定位被認為是目前事實上的最佳室內定位技術，但其需要使用額外的接收機，同時該技術基于民用的WLAN系統，無法滿足如軍用，警用等特殊領域的需求。另外，上述幾種定位技術并未消除室內和室外之間存在的縫隙。由于室內環境的復雜性，單純依靠三角學計算的定位手段受到極大制約，而指紋定位技術則被認為是室內定位技術的發展方向。

針對以上問題，擬結合現有的北斗定位技術和室內指紋定位技術提出一種北斗指紋定位方案，使接收機可以在同一信號體制下同時獲得室內外環境下的定位服務。北斗指紋定位方案中，將導航衛星信號進行改造，并由室內節點發射。接收機在室外環境下仍使用北斗衛星信號進行定位，而在室內環境下，則通過指紋定位的方式獲得位置信息。由于室內節點發送的信號在物理層上與北斗信號兼容，用戶接收機并不需要增加額外的硬件設備，便可平滑、無縫的在室內外定位服務間切換和過渡。

1　北斗無縫定位系統分析

北斗衛星導航定位系統是中國自主研發和運營的全球衛星導航定位系統，其在室外環境下可以為用戶提供可靠的導航定位服務。但是作為星際導航定位系統，北斗系統與GPS、GLONASS等系統一樣，在地下停車場等室內環境下系統性能會急劇惡化甚至無法使用。

針對這個問題，本文結合了IMES系統中的指紋節點和WLAN室內定位中的Radio Map的思想，提出了一種基于北斗指紋節點的室內外無縫導航定位系統。利用同一接收機實現室內外定位功能，避免了不同體制接收機之間的互相切換，真正實現了室內外無縫定位。同時本系統對現有的北斗導航接收機改動很小，只需對北斗接收機的軟件進行升級，即可完成室內外無縫定位。

基于北斗指紋節點的室內外無縫定位系統的基本系統架構如圖1所示，系統主要由北斗衛星、北斗指紋節點以及升級后的北斗接收機三部分組成。當用戶在室外時利用北斗衛星進行定位，而進入室內后利用指紋節點進行定位。無論是室內還是室外，用戶都使用同一北斗接收機，無需切換不同體制的接收機，接收機會自動判斷接收的是衛星信號還是北斗指紋節點信號，并利用相應的定位算法對用戶進行定位，真正實現無縫定位。

圖1　北斗無縫定位系統總體框圖

由于利用北斗衛星進行室外定位已經是十分成熟的技術，所以這部分功能在無縫定位系統的設計上認為已完成，所以本系統的主要精力都集中在設計北斗指紋節點以及利用指紋節點完成室內定位。

2　北斗室內外無縫定位關鍵技術

2.1北斗指紋節點信號設計

北斗指紋節點是安置在室內的一種簡易的北斗信號發生器，接收機在室外接收北斗衛星發射的信號完成導航定位，進入室內后將利用北斗指紋節點發射的信號實現室內定位功能。

為保證室內外無縫定位能夠在同一接收機上實現，室內節點的發射信號必須在射頻上與北斗衛星信號保持一致。在本設計中，室內節點信號的射頻規范參照《北斗衛星導航系統空間信號接口控制文件公開服務信號B1I（1.0版）》（以下簡稱“北斗ICD”）設計。室內節點信號使用B1頻點，僅包含B1信號中的I路信號，采用BPSK調制，其表達式如下：

其中，上角標j表示室內節點編號；A表示信號振幅；C表示測距碼；D表示測距碼上調制的數據碼；f0表示載波頻率；φ表示載波初相。

為保證大多數現有的北斗接收機能夠兼容室內節點信號，室內節點信號的偏移程度不應超出接收機射頻器件的通帶，因此本文將以北斗衛星信號所能達到的最大多普勒頻移，作為室內節點信號的中心頻率的偏移量。

在室內指紋定位的過程中，節點需要周期性的向外廣播一組具有固定特征的信息幀，用于測量信號強度，本文信息幀的設計如圖2所示。

圖2　室內節點信息幀結構

為分析室內節點信號與北斗衛星信號在兼容性上的問題，表1中列出了兩種信號在各種參數和性質上的對比。

2.2室內環境模擬與指紋節點部署

信號強度在室內復雜環境下波動很大，主要的影響便來自于陰影損耗，路徑損耗的波動并不大，而多徑的影響由可以通過多次測量取平均來消除。此外還有折射、吸收、噪聲等，但這些因素對信號強度的影響較小，此處不予考慮。本文所確定的傳播模型中包含三種主要的衰減：自由空間路徑衰減、穿門和穿墻的衰減、從均值為零的高斯分布的陰影衰減。其中自由空間路徑衰減比較穩定，而穿墻、穿門衰減和陰影衰落都服從統計特性，這就要求我們在測量指紋圖時需要多次測量來消除隨機誤差。

室內空間相對狹小，結構相對復雜，障礙物密集以及很多實時變化的因素，極易造成室內傳播信號的不確定性甚至中斷。因此，對于較高定位精度的室內定位系統來說，本文采用一種基于信號歐氏距離的室內節點快速部署方案。

2.3北斗指紋節點的定位方法

2.3.1基于改進的Cell-ID的低精度定位模式

基于改進的Cell-ID的定位算法如圖3所示，假設整個室內環境布置了K個指紋節點（TP1，TP2，……，TPK），北斗接收機接收到的RSS（Received Signal Strength）向量為（RSS1，RSS2，…，RSSi，…，RSSK），其中RSSi為接收機接收到的第i個指紋節點的信號強度值。

圖3　基于Cell-ID的低精度定位模式

2.3.2基于Radio Map的高精度定位模式

基于Radio Map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。離線階段的主要任務是在布置完指紋節點后，建立指紋節點信號強度的Radio Map。

圖4　基于Radio Map的高精度定位模式

2.4北斗互相關干擾分析與抑制

對于基于北斗指紋節點的室內外無縫定位系統，由于北斗接收機接收到的室內布置的北斗指紋節點發射的信號功率一般比接收到的北斗衛星信號的功率大。所以當同時能觀測到北斗指紋節點信號與北斗衛星信號時，較強指紋節點信號會對接收機觀測較弱的北斗衛星信號產生干擾，從而產生互相關干擾。

本文采用子空間投影的思想對互相關干擾進行抑制。子空間投影的基本原理是利用強信號估計的參數構建強信號子空間，再得到其強信號子空間的正交空間，然后通過投影矩陣將接收信號在其正交空間上進行投影，利用強信號預期子空間的正交空間的正交性即可消除強信號，達到對互相關干擾進行抑制的目的。

北斗接收機中下變頻得到的中頻信號r如式（2）所示，由3部分組成：M個弱信號MAW，N個強信號SAS，以及熱噪聲n。

其中接收信號是一個向量的形式r=［r（1），r（2），…，r（K）］T，K代表總的采用點數；而向量AW=［aw1，aw2，…，awM］T，為弱信號的幅度矢量；W為一個K×M的矩陣，具體形式如公式（3）所示。

式中Di（t）為第i個弱信號的數據比特信息，Ci（t）為第i個弱信號的C/A碼，而fi為其載波頻率，θi是載波初始相位。同樣對強信號而言，AS=［as1，as2，…，asN］T為強信號幅度矢量；S為一個K×N的矩陣，如公式（4）所示。

假設長度為K的接收信號內的強信號已完成捕獲及跟蹤，即已經估計出強信號的數據比特信息、碼相位信息以及載波頻率值以及初始相位值。根據估計的強信號信息就可重建矩陣S，然后通過如下變換就可求得投影矩陣H：投影矩陣有個很好的性質就是HS=S，因此分別在公式（2）的等式兩邊左乘矩陣H有，

再利用公式（2）減去公式（6）有，

由于C/A碼近似正交且弱信號的強度遠低于強信號與噪聲，所以HWAw≈0，因此

公式（8）即為經過子空間投影后對強信號進行抑制后得到的弱信號及噪聲分量。

3　仿真分析

本仿真針對空曠室內環境和復雜室內環境進行了環境建模，并分別基于這兩種環境進行了實驗驗證，以保證北斗無縫定位系統的定位能力。

為驗證空曠室內環境下系統的定位能力，本文仿真生成了一個15m*15m的空曠房間環境，如圖5所示。

圖5　空曠室內環境試驗場景

在其場景下進行了定位仿真實驗，參考點間距1m，參考點采樣次數100次。定位測試共進行了10000次，每次隨機產生真實位置，并將測量位置與之比較得到的定位精度情況如圖6所示。從圖中可以看出空曠環境下的定位精度可以達到1σ內1.16米。

圖6　空曠室內環境下的定位精度分析

在空曠室內環境下，本文進行了室內外環境切換試驗，如圖7所示。當系統判決用戶處于室外時，便不再提供指紋定位服務，轉而進行室外衛星定位。用黃色圓點以示區別。

圖7　空曠室內環境下的室內外切換試驗結果

為驗證系統在復雜室內環境下的工作情況，本文設置了一個兩層結構的虛擬建筑物，兩層樓的結構相同，AP布設位置相同，如圖8所示。

圖8　復雜室內環境試驗場景

每層建筑物面積12m*14m，包含左右各三個房間，以及中間的走廊。右下方的房間被設置為樓梯間，其中兩個并列放置的AP中右側的一個是處于兩層樓之間的AP。

復雜環境下的定位仿真實驗同樣進行了10000次，室內參考點間距1m，每個參考點采樣次數為100次。圖9a-b為復雜室內環境下定位誤差的概率密度和概率分布，可以看出1σ定位誤差在1m左右，如圖9所示。

圖9　復雜室內環境下的定位精度分析

為驗證兩層樓間的切換能力，實驗中人為的產生了一段用戶軌跡，從一樓走廊頂端進入，走進樓梯間并上樓，再在二樓沿走廊回到走廊頂端，如圖10所示。

圖中綠點和黃點分別表示用戶在一層和二層的真實軌跡，而藍點和紫點則表示定位系統給出的定位結果?？梢钥吹蕉ㄎ幌到y能夠根據用戶的位置變化而區分出用戶所出的樓層并準確的進行定位。

圖10　復雜室內環境下的仿真試驗結果

4　結語

本文結合了IMES系統中的指紋節點和WLAN室內定位中的Radio Map的思想，提出了一種基于北斗指紋節點的室內外無縫導航定位系統。該系統對北斗室內指紋節點的射頻和幀格式進行了設計，同時該指紋節點系統集成了改進的Cell-ID的低精度定位模式和基于Radio Map的高精度定位模式，并提出了基于子空間投影的互相關干擾抑制算法。最終對空曠室內環境和復雜室內環境下的北斗無縫定位系統的定位能力進行了仿真分析，通過仿真結果可以看出，本系統達到了無縫定位的效果。

［1］BAHL P，VENKATA N，PADMANABHAN V N.RADAR： An In-Building RF-Based User Location and Tracking System. Nineteenth Annual Joint Conference［J］.Computer and Communications Societies.2000（2）：26-30.

［2］CASTRO P，CHIU P，KREMENEK T.A Probabilistic Room Location Service for Wireless Networked Environments［J］.Ubicomp 2001（12）：18-34.

［3］YOUSSEF M，AGRAWALA A.Handling Samples Correlation in the Horus System［J］.InfoCom.2004（2）：1023-1031.

［4］趙永翔，周懷北，陳淼，等.卡爾曼濾波在室內定位系統實時跟蹤中的應用［J］.武漢大學學報：理學版，2009（6）：696-700.

［5］JOEL B，CHRIS R，JINLING W，ET AL. High Precision Indoor and Outdoor Positioning using LocataNet［J］.Global Positioning Systems，2003（2）：73-82.

［6］MANANDHAR D，OKANO K，ISHII M，et al.Development of Ultimate Seamless Positioning System Based on QZSS IMES［M］. Savannah：Serviceology for Services，2008.

［7］PARKINSON B W，SPILKER J J，AXELRAD P，et al.Global Positioning System：Theory and Application［J］.American Institute of Aeronautics and Astronautics，1996（20）：390-399.

［8］DUELHALLEN A，HOLTZMAN J，ZVONAR Z.Multiuser Detection for CDMA Systems［J］.Personal Communications，1995（4）：46-58.

［9］Moshavi，S.Multi-user Detection for DS-CDMA Communications［J］.Communications Magazine，1996（10）：124-136.

［10］VERDU S.Minimum Probability of Error for Asynchronous Gaussian Multiple-access Channels［J］.Information Theory，1986（32）：85-96.

［11］VERDU S.Optimum Multiuser Asymptotic Efficiency［J］.Transactions on Communications，1986（34）：890-897.

［12］VARANASI M K，AAZHANG B.Multistage Detection in Asynchronous Code-Division Multiple-Access Communications［J］. Transactions on Communications， 1990（4）：509-519.

［13］MADHANI P，AXELRAD P，KRUMVIEDA K，et al.Application of Successive Interference Cancellation to the GPS Pseudolite Near-far Problem［J］.Aerospace and Electronic Systems， 2003（39）：481-488.

［14］AMONN P，GLENNON，ANDREW G D. A Novel GPS Cross Correlation Mitigation Technique［J］.Long Beach，CA，2005（5）：13-16.

Design and Simulation Analysis of the Indoor and Outdoor Seamless Positioning System

Pu Di
（The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Shijiazhuang 050081， China）

In view of the current indoor and outdoor seamless positioning to achieve seamless. In this paper， the positioning of Beidou fingerprint signal node， the deployment of the indoor environment of simulation and the fingerprint minutiae， Beidou fingerprint minutiae and Beidou mutual interference and inhibition of， a Beidou system compatible new seamless navigation positioning scheme is proposed，meet the Beidou receiver does not need to add the soft hardware equipment upgrades to achieve positioning， truly realize the indoor outdoor positioning seamless and smooth transition， and the simulation is conducted.

seamless positioning； beidou system； fingerprint node； cross correlation interference

濮迪（1978-），男，江蘇溧水。