室内外一体化无缝定位的一种技术方案

张胜利　常守峰　张书雨

摘要：对于目前绝大多数普通卫星导航用户而言，一个典型的应用场景是在大型建筑物中进行定位导航，当前的卫星导航方式在这种环境下存在局限性。本文提出了一种能在一定范围内提供室内外一体化无缝定位的技术方案，采用低频低功率的分布式信号发生器，根据一定规则在建筑物内布设若干信号发生器，还需要在目前普遍使用的GPS用户机上增加相应器件。

关键词：卫星导航 室内定位 分布信源 无缝定位

中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）06-0162-01

1 概述

当前的卫星导航系统在定位精度、定位准确度、定位频度等各方面的性能指标都在积极迎合专业应用和科研领域的需求，对于普通用户来说，卫星导航的各项性能指标远远高于实际需要。但这一切都依赖于能够同时接收到至少4颗可用卫星的信号。这个最大的瓶颈导致用户在室内几乎无法使用卫星导航定位。普通用户在大型建筑例如火车站、地下停车场、地铁、办公楼、商场（这些场所能够提供绝大多数人的衣食住行）活动时，需要一种能够像卫星导航一样快捷准确的定位系统。

大型建筑的内部环境有着复杂的钢筋混凝土空间结构，这将为系统设计带来极大困难。室内无外缝导航系统的设计必须确保用户在任意空间内均能收到导航信号，并且随着用户进、出房间等独立空间，导航结果不会发生跳变。

而相比于室外的卫星导航，室内导航也有如下便利条件。一是空间坐标信息详细精确，每栋建筑都配有精确的设计图纸，可以在系统设计中考虑应用；二是作为导航信号发射器的设备，可以固定在某个位置，不像卫星一样因为一直运动而需要广播轨道等大量导航电文并且需要专门机构来维护卫星运行；三是虽然有墙壁等会带来信号遮挡，但在某个具体房间内，信号可以直接到达用户机，不像卫星信号一样无论何时何处都会受到电离层、大气层等的作用。

2 室内导航信号选择

对于室内导航，可以有两种信号方案。一是强穿透型统一的信号源，二是弱穿透型分布式信号源。

考虑到导航卫星信号穿透了电离层、大气层到达用户机，可以将大型建筑内的钢筋混凝土等看作需穿透介质。发播出频率、功率足够高的导航信号，让用户接收并解调出距离信息，得到定位结果。但应当注意到，这种方法对于那些结构相对简单的建筑是适用的，现代生活中的大型建筑，往往有成百上千间房间、走廊、大厅等空间结构采用这种高频率高功率的信号，将会面对非常复杂且难以预测的反射波，空间中会充斥着功率不低的偶次反射波，用户机上的极化天线将无法过滤这些偶次反射波，让用户机无法选择正确的导航信号。

相比之下，分布式信号没有这些问题。在每个独立空间中布设若干个信号发射器，发射出频率较低、功率较低的导航信号，即确保这些信号无法穿透墙壁，且反射波也非常微弱，用户机将很容易接收这些信号而不用担心多径干扰。这种设计需要解决的问题有以下几点：一是当用户穿越不同房间时，如何进行无缝定位；二是虽然不用考虑多径干扰，但当用户位于墙壁边时，依然有可能收到隔壁的微弱信号；三是要在一个大型建筑中布设这种导航系统，需要布设的信号发生器非常多，用户如何识别如此海量的发生器。

3 室内分布式导航原理

考虑在单独空间内的定位过程。若干个信号发生器发出导航信号，用户机在较近距离内无遮挡的对信号进行接收，并解算出自身位置信息。这要求用户机能够知晓各信号发生器的位置信息，和自身距这些信号发生器的距离。在这种情况下，测量传播时延并不合适，因为室内环境的一般空间尺寸是几米至十几米，此时设备时延将远大于真实的传播时延，定位准确度将无法得到保证。参考目前使用普遍的基站定位方式，在室内可以根据某个信号的强弱来判断距离远近。这种设计带来的好处是不需要进行时间同步，而导航电文中只包含信号发生器的位置信息即可。这将使得信号发生器较为简单，考虑到信号发生器将海量布设，这种更简单的方案是有意义的。

如果导航信号的频率、功率设置较低，那么反射信号和隔墙穿透的信号功率将会明显降低，不会对参与到定位中。在这种系统中，信号发生器的发射功率应该被设计为固定值，并且基本相等。由于参与解算的导航信号都是在单独室内传播至用户机的，可以获得不同距离上接收到的信号功率值的先验知识。

而在用户端，用户将接收到N个导航信号，每个信号的导航电文中都包含信号发生器的位置信息，结合信号的接收功率值，就能得到用户的位置信息。这种解算至少需要3个导航信号的信息。对于这类频率、功率都较低的信号，多径信号和穿墙信号都会远低于正常信号，为了避免多径干扰和穿墙信号干扰，可以设置一个功率门限来滤除多径信号。

考虑到用户将在不同房间移动，可以在每个门的位置放置一个信号发生器，这样做的话，信号发生器的总数最少为：

其中，为房间数量，为门的数量。

用户机不断搜索新的信号发生器产生的信号，并且对信号功率高于阈值门限的信号做距离估计和解调，然后产生用户位置信息。如图1所示。

另一个需要解决的问题是PRN码的数量问题。大型建筑的房间数量往往很大，为了让用户机能在各类建筑中使用，或许需要在本地存储海量的PRN码，而且在搜索信号时，同时用这些巨量PRN去做自相关也需要付出巨大的代价。这里提出一个可行的解决方案，假设用户位于空间A，收到的信号为PRN1、PRN2、PRN3；当用户移动到空间B时，收到新信号PRN3、PRN4、PRN5，以及微弱的PRN1、PRN2；用户继续移动到空间C时，空间A的PRN1、PRN2已经无法收到了，我们就可以让空间C的信号发生器使用PRN1、PRN2，这样，用户解调出新的信号发生器位置信息和新的功率估计距离，一样可以得到位置信息。即只要用户在移动后收到的新PRN和移动前接收的不重复，就可以解调出信号发生器的位置和估计出距离，从而完成定位。同一空间内可能接收到的信号没有使用重复的PRN就可以。根据这一特点，目前GPS的PRN码数量足够分布一个房间及它的前后左右的相邻房间。使用GPS的PRN也可以让室内用户机直接使用普通GPS接收的相关器。

为了能让用户在室内外移动时进行无缝定位，需要做两点工作。一是在布设室内信号发生器时，在建筑物外围也布设足够的信号发生器，能够确保在接近建筑时就接收到3个以上的室内导航信号；二是在当前的普通GPS接收机上做一些改进就可以实现支持这种室内导航系统的用户机。新的用户机除了具备GPS接收机所有功能外，需要可以不间断对室内导航信号进行搜索捕获，一旦接收到的室内导航信号数量超过了3，就采用室内信号的定位结果。这样，当用户将要走进建筑物的时候，就已经开始使用室内导航系统，同时卫星导航也可以正常使用，如果需要让定位结果不跳变，可以设计一个针对两种导航系统定位结果的平滑算法。

4 结语

本文提出了一种室内导航系统以及室内外无缝定位的解决方案，在每个房间内布设足够的信号发生器，发射低频、低功率这样几乎不穿透、偶次发射信号几乎为零的导航信号，利用调制在信号中的信号发生器位置信息和先验的功率对距离的估计值，来完成定位。直接使用GPS的PRN码，只要确保在同一空间的导航信号PRN没有重复即可。在建筑物外围布设足够的信号发生器，就可以确保用户在将要走进建筑时可以同时使用卫星导航和室内导航。

参考文献

[1]谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2011年7月.

[2]谢钢.全球导航卫星系统原理[M].北京：电子工业出版社，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.