北斗室内外无缝定位系统设计与仿真分析

濮 迪

（中国电子集团公司 第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

北斗室内外无缝定位系统设计与仿真分析

濮 迪

（中国电子集团公司 第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

针对当前室内外无缝定位无法实现无缝的问题，文章通过对北斗指纹节点信号、室内环境的模拟与指纹节点的部署、北斗指纹节点的定位以及北斗互相关干扰与抑制的研究，提出一种与北斗系统相兼容的全新无缝导航定位方案，满足北斗接收机无需添加硬件设备的软升级定位，真正实现室内外定位的无缝衔接和平滑过渡，并进行了仿真验证。

无缝定位；北斗系统；指纹节点；互相关干扰

在室外环境下，GNSS系统已经可以提供令人满意的位置服务，而目前常用的GPS定位服务是由美国军方提供的，从国防建设和公共安全等方面上讲并不适用于我国的国情。相比之下本文更适合以中国自主研制的北斗系统作为研究方向。在室内定位技术方面，已经有诸如组合导航、UWB定位、AGPS、高灵敏度GPS及WLAN定位等技术，但是这些定位方法都有局限性。组合导航技术主要是基于惯性导航，累积误差的存在和高昂的成本使其应用前景并不明朗；UWB系统在理论上具有最好的定位精度，但其信号的射频特性决定了其在复杂室内环境下无法应用；AGPS和高灵敏度GPS技术复杂，且仅能解决“浅室内环境”的定位问题；WLAN定位被认为是目前事实上的最佳室内定位技术，但其需要使用额外的接收机，同时该技术基于民用的WLAN系统，无法满足如军用，警用等特殊领域的需求。另外，上述几种定位技术并未消除室内和室外之间存在的缝隙。由于室内环境的复杂性，单纯依靠三角学计算的定位手段受到极大制约，而指纹定位技术则被认为是室内定位技术的发展方向。

针对以上问题，拟结合现有的北斗定位技术和室内指纹定位技术提出一种北斗指纹定位方案，使接收机可以在同一信号体制下同时获得室内外环境下的定位服务。北斗指纹定位方案中，将导航卫星信号进行改造，并由室内节点发射。接收机在室外环境下仍使用北斗卫星信号进行定位，而在室内环境下，则通过指纹定位的方式获得位置信息。由于室内节点发送的信号在物理层上与北斗信号兼容，用户接收机并不需要增加额外的硬件设备，便可平滑、无缝的在室内外定位服务间切换和过渡。

1　北斗无缝定位系统分析

北斗卫星导航定位系统是中国自主研发和运营的全球卫星导航定位系统，其在室外环境下可以为用户提供可靠的导航定位服务。但是作为星际导航定位系统，北斗系统与GPS、GLONASS等系统一样，在地下停车场等室内环境下系统性能会急剧恶化甚至无法使用。

针对这个问题，本文结合了IMES系统中的指纹节点和WLAN室内定位中的Radio Map的思想，提出了一种基于北斗指纹节点的室内外无缝导航定位系统。利用同一接收机实现室内外定位功能，避免了不同体制接收机之间的互相切换，真正实现了室内外无缝定位。同时本系统对现有的北斗导航接收机改动很小，只需对北斗接收机的软件进行升级，即可完成室内外无缝定位。

基于北斗指纹节点的室内外无缝定位系统的基本系统架构如图1所示，系统主要由北斗卫星、北斗指纹节点以及升级后的北斗接收机三部分组成。当用户在室外时利用北斗卫星进行定位，而进入室内后利用指纹节点进行定位。无论是室内还是室外，用户都使用同一北斗接收机，无需切换不同体制的接收机，接收机会自动判断接收的是卫星信号还是北斗指纹节点信号，并利用相应的定位算法对用户进行定位，真正实现无缝定位。

图1　北斗无缝定位系统总体框图

由于利用北斗卫星进行室外定位已经是十分成熟的技术，所以这部分功能在无缝定位系统的设计上认为已完成，所以本系统的主要精力都集中在设计北斗指纹节点以及利用指纹节点完成室内定位。

2　北斗室内外无缝定位关键技术

2.1北斗指纹节点信号设计

北斗指纹节点是安置在室内的一种简易的北斗信号发生器，接收机在室外接收北斗卫星发射的信号完成导航定位，进入室内后将利用北斗指纹节点发射的信号实现室内定位功能。

为保证室内外无缝定位能够在同一接收机上实现，室内节点的发射信号必须在射频上与北斗卫星信号保持一致。在本设计中，室内节点信号的射频规范参照《北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件公开服务信号B1I（1.0版）》（以下简称“北斗ICD”）设计。室内节点信号使用B1频点，仅包含B1信号中的I路信号，采用BPSK调制，其表达式如下：

其中，上角标j表示室内节点编号；A表示信号振幅；C表示测距码；D表示测距码上调制的数据码；f0表示载波频率；φ表示载波初相。

为保证大多数现有的北斗接收机能够兼容室内节点信号，室内节点信号的偏移程度不应超出接收机射频器件的通带，因此本文将以北斗卫星信号所能达到的最大多普勒频移，作为室内节点信号的中心频率的偏移量。

在室内指纹定位的过程中，节点需要周期性的向外广播一组具有固定特征的信息帧，用于测量信号强度，本文信息帧的设计如图2所示。

图2　室内节点信息帧结构

为分析室内节点信号与北斗卫星信号在兼容性上的问题，表1中列出了两种信号在各种参数和性质上的对比。

2.2室内环境模拟与指纹节点部署

信号强度在室内复杂环境下波动很大，主要的影响便来自于阴影损耗，路径损耗的波动并不大，而多径的影响由可以通过多次测量取平均来消除。此外还有折射、吸收、噪声等，但这些因素对信号强度的影响较小，此处不予考虑。本文所确定的传播模型中包含三种主要的衰减：自由空间路径衰减、穿门和穿墙的衰减、从均值为零的高斯分布的阴影衰减。其中自由空间路径衰减比较稳定，而穿墙、穿门衰减和阴影衰落都服从统计特性，这就要求我们在测量指纹图时需要多次测量来消除随机误差。

室内空间相对狭小，结构相对复杂，障碍物密集以及很多实时变化的因素，极易造成室内传播信号的不确定性甚至中断。因此，对于较高定位精度的室内定位系统来说，本文采用一种基于信号欧氏距离的室内节点快速部署方案。

2.3北斗指纹节点的定位方法

2.3.1基于改进的Cell-ID的低精度定位模式

基于改进的Cell-ID的定位算法如图3所示，假设整个室内环境布置了K个指纹节点（TP1，TP2，……，TPK），北斗接收机接收到的RSS（Received Signal Strength）向量为（RSS1，RSS2，…，RSSi，…，RSSK），其中RSSi为接收机接收到的第i个指纹节点的信号强度值。

图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图4所示，主要分为离线阶段和在线阶段。离线阶段的主要任务是在布置完指纹节点后，建立指纹节点信号强度的Radio Map。

图4　基于Radio Map的高精度定位模式

2.4北斗互相关干扰分析与抑制

对于基于北斗指纹节点的室内外无缝定位系统，由于北斗接收机接收到的室内布置的北斗指纹节点发射的信号功率一般比接收到的北斗卫星信号的功率大。所以当同时能观测到北斗指纹节点信号与北斗卫星信号时，较强指纹节点信号会对接收机观测较弱的北斗卫星信号产生干扰，从而产生互相关干扰。

本文采用子空间投影的思想对互相关干扰进行抑制。子空间投影的基本原理是利用强信号估计的参数构建强信号子空间，再得到其强信号子空间的正交空间，然后通过投影矩阵将接收信号在其正交空间上进行投影，利用强信号预期子空间的正交空间的正交性即可消除强信号，达到对互相关干扰进行抑制的目的。

北斗接收机中下变频得到的中频信号r如式（2）所示，由3部分组成：M个弱信号MAW，N个强信号SAS，以及热噪声n。

其中接收信号是一个向量的形式r=［r（1），r（2），…，r（K）］T，K代表总的采用点数；而向量AW=［aw1，aw2，…，awM］T，为弱信号的幅度矢量；W为一个K×M的矩阵，具体形式如公式（3）所示。

式中Di（t）为第i个弱信号的数据比特信息，Ci（t）为第i个弱信号的C/A码，而fi为其载波频率，θi是载波初始相位。同样对强信号而言，AS=［as1，as2，…，asN］T为强信号幅度矢量；S为一个K×N的矩阵，如公式（4）所示。

假设长度为K的接收信号内的强信号已完成捕获及跟踪，即已经估计出强信号的数据比特信息、码相位信息以及载波频率值以及初始相位值。根据估计的强信号信息就可重建矩阵S，然后通过如下变换就可求得投影矩阵H：投影矩阵有个很好的性质就是HS=S，因此分别在公式（2）的等式两边左乘矩阵H有，

再利用公式（2）减去公式（6）有，

由于C/A码近似正交且弱信号的强度远低于强信号与噪声，所以HWAw≈0，因此

公式（8）即为经过子空间投影后对强信号进行抑制后得到的弱信号及噪声分量。

3　仿真分析

本仿真针对空旷室内环境和复杂室内环境进行了环境建模，并分别基于这两种环境进行了实验验证，以保证北斗无缝定位系统的定位能力。

为验证空旷室内环境下系统的定位能力，本文仿真生成了一个15m*15m的空旷房间环境，如图5所示。

图5　空旷室内环境试验场景

在其场景下进行了定位仿真实验，参考点间距1m，参考点采样次数100次。定位测试共进行了10000次，每次随机产生真实位置，并将测量位置与之比较得到的定位精度情况如图6所示。从图中可以看出空旷环境下的定位精度可以达到1σ内1.16米。

图6　空旷室内环境下的定位精度分析

在空旷室内环境下，本文进行了室内外环境切换试验，如图7所示。当系统判决用户处于室外时，便不再提供指纹定位服务，转而进行室外卫星定位。用黄色圆点以示区别。

图7　空旷室内环境下的室内外切换试验结果

为验证系统在复杂室内环境下的工作情况，本文设置了一个两层结构的虚拟建筑物，两层楼的结构相同，AP布设位置相同，如图8所示。

图8　复杂室内环境试验场景

每层建筑物面积12m*14m，包含左右各三个房间，以及中间的走廊。右下方的房间被设置为楼梯间，其中两个并列放置的AP中右侧的一个是处于两层楼之间的AP。

复杂环境下的定位仿真实验同样进行了10000次，室内参考点间距1m，每个参考点采样次数为100次。图9a-b为复杂室内环境下定位误差的概率密度和概率分布，可以看出1σ定位误差在1m左右，如图9所示。

图9　复杂室内环境下的定位精度分析

为验证两层楼间的切换能力，实验中人为的产生了一段用户轨迹，从一楼走廊顶端进入，走进楼梯间并上楼，再在二楼沿走廊回到走廊顶端，如图10所示。

图中绿点和黄点分别表示用户在一层和二层的真实轨迹，而蓝点和紫点则表示定位系统给出的定位结果。可以看到定位系统能够根据用户的位置变化而区分出用户所出的楼层并准确的进行定位。

图10　复杂室内环境下的仿真试验结果

4　结语

本文结合了IMES系统中的指纹节点和WLAN室内定位中的Radio Map的思想，提出了一种基于北斗指纹节点的室内外无缝导航定位系统。该系统对北斗室内指纹节点的射频和帧格式进行了设计，同时该指纹节点系统集成了改进的Cell-ID的低精度定位模式和基于Radio Map的高精度定位模式，并提出了基于子空间投影的互相关干扰抑制算法。最终对空旷室内环境和复杂室内环境下的北斗无缝定位系统的定位能力进行了仿真分析，通过仿真结果可以看出，本系统达到了无缝定位的效果。

［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］赵永翔，周怀北，陈淼，等.卡尔曼滤波在室内定位系统实时跟踪中的应用［J］.武汉大学学报：理学版，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，江苏溧水。