基于chirp信号的室内导航定位系统设计与实现*

任修坤，李 珂，郑娜娥，朱世磊

(解放军信息工程大学,河南 郑州 450001)

基于chirp信号的室内导航定位系统设计与实现*

任修坤，李 珂，郑娜娥，朱世磊

(解放军信息工程大学,河南 郑州 450001)

室内定位系统成熟的产品少、需求高，因此开发实用的室内导航定位系统具有重要意义。基于无线chirp扩频信号具有的较高时间分辨率，利用双边TOA（到达时间）测距技术和泰勒级数定位解算算法，设计并开发了一种可用于室内导航定位的实验验证系统。设计系统的组成架构、工作原理、硬件设计、软件方案和工作流程，最后在实际室内环境中测得系统的定位精度优于1 m，具有极高的实用性。

室内定位；chirp信号；双边TOA测距；设计与实现

0 引 言

随着科技发展，位置服务（LBS）市场快速增长，在紧急救助、交通运输、治安消防、个性化服务等领域展现出巨大活力。目前，北斗、GPS等卫星导航定位已渗透人们的生活。据统计，人类有超过80%的时间在室内活动[1]，而室内属于卫星覆盖的盲区。目前，室内导航定位系统尚不成熟，各种技术方法纷繁复杂，如何突破室内定位的难题，成为当前的研究热点[2-3]。本文依托chirp扩频信号TOA测距技术，设计并开发了一种室内导航定位系统，以期能够为这场技术浪潮提供参考。

1 系统架构与原理

1.1 系统架构

系统架构如图1所示，包括定位控制中心、数据收发器、测量基站、用户标签四个部分。

图1 系统架构

（1）定位控制中心：主要完成位置解算、数据库、管理、数据分析等功能，并提供用户交互界面，方便参数配置和定位结果获取。

（2）数据收发器：主要完成用户标签与测量基站之间TOA数据的上传，同时完成参数配置及控制命令的分发任务。

（3）测量基站：根据用户标签请求，收发chirp信号，与用户标签完成通信。

（4）用户标签：与测量基站通信，完成与测量基站之间的TOA参数测量；与数据收发器通信，并将测量结果上传。

1.2 系统原理

该系统利用无线chirp扩频信号来测量用户到测量基站间的距离[4]，并联合多个测距结果进行解算得到用户的相对坐标，从而实现对用户的定位。

1.2.1 测距原理

测距采用基于匹配滤波器的时延估计方法[5-6]，如图2所示。接收端将接收信号与本地匹配信号进行匹配滤波（输出信号如图3所示），得到chirp扩频信号的传播时延估计，获得测量值TOA。

图2 测距方法框

由图3可见，该信号具有十分尖锐的特性。原来幅度为1的chirp信号，输出压缩脉冲的包络幅度放大为原来的 BT[7]（B为信号带宽、T为码元周期），而持续时间压缩为主瓣时间为2/B的脉冲。在多径信道中，两条多径之间的最小分辨率为1/B[8]，因此采用该信号有利于获得更为精准的TOA信息。

图3 匹配滤波输出信号

1.2.2 异步测量方法

本系统通过测量TOA参数，获得测量基站与用户标签之间的距离。这一过程要求收发端之间同步，否则将出现较大偏差[9]。然而，同步系统布设难、成本高，不适合大规模应用。为此，采用一种异步测量方法，即双边TOA测距方法[10]来解决该问题。其具体流程如图4所示。

图4 双边TOA测距方法示意

（1）用户标签向测量基站发送测量请求，同时记录本地发送时刻t11；

（2）测量基站收到测量请求后，记录本地接收时刻t21，并产生应答ACK；

（3）测量基站发送ACK，并记录本地发送时刻t22，计算T2=t22-t21；

（4）用户标签接收到ACK后，记录该时刻为t12，并计算T1=t12-t11；

（5）由测量基站再次发起相同流程的测量过程，并由此计算T3和T4，其中T3=t24-t23，T4=t14-t13；

（6）用户标签计算信号传播时延：

采用上述异步测量方法不需要同步机制，消除了时钟漂移引起的误差，从而可以获得较高精度的TOA信息。

1.2.3 解算原理

定位控制中心通过数据收发器得到测量的TOA数据后，采用泰勒级数定位解算算法[11]解算出用户标签的相对位置。该算法是无线定位中一种较精确的递归算法，需要提供一个估计坐标作为初始条件，通过求解TOA测量值在每次递归中的局部最小误差[12]，修正上一次估计结果，更有利于实现目标的跟踪。

定位控制中心获取到用户标签与四个测量基站的距离后，结合测量基站的已知坐标信息，可以计算出用户标签所在的位置。

具体原理如下[13]：

设用户标签与测量基站的位置坐标分别为(x,y)和(xi,yi)。

其中

则根据最小二乘法[9]得：

因此，第n+1迭代坐标(xn+1,yn+1)为

重复上述步骤，若Δx、Δy达到预设的门限值，即Δx+Δy＜ξ(ξ＞0)时，此时刻的定位坐标(x,y)即为最终的用户标签坐标。

2 软硬件设计

2.1 硬件设计

硬件主要是设计测量基站和用户标签。因两者功能基本相同，所以采用相同的硬件，包括信号收发、数据处理、数据传输、电源四个模块。它的PCB设计如图5所示，实物如图6所示。

图5 测量基站和用户标签PCB设计

图6 硬件实物

（1）信号收发模块：选用NANOPAN5375的无线模块，实现chirp扩频信号的产生、发送、接收和测量。此外，还可用于数据传输。

（2）数据处理模块：选用ATMEGA1280主控芯片，完成对信号收发模块、数据传输模块的控制和定位数据的初步处理。

（3）数据传输模块：支持有线和无线两种传输方式。有线方式采用以太网控制芯片W5300，系统容量较大。无线方式借助信号收发模块实现数据传输，部署方便。

2.2 软件方案

软件主要由定位控制中心、测量基站、用户标签等软件组成，具体软件架构如图7所示。其中，定位控制中心主要完成系统的控制、数据库管理、信息的配置与显示功能；测量基站和用户标签，可实现用户到基站的距离测量功能，用于获取用户的位置信息；数据收发器是数据收发管道，完成TOA数据的上传及参数、命令的下发任务，由Nano硬件模块完成。

图7 软件架构

定位控制中心软件分为信息处理层、信息适配层及应用层。应用层主要实现人机交互功能，方便用户使用系统；信息适配层主要完成参数配置信息的转发及信息、图像的收集与显示；信息处理层主要包含数据库、位置解算引擎等模块。考虑系统兼容、界面美观，用C#语言完成开发。

测量基站软件由参数配置、Nano板级驱动、测距软件三部分组成。参数配置软件主要完成对基站的系统配置，如带宽、网络标识、发送功率等；Nano板级驱动软件，主要通过控制Nano硬件模块，实现与用户标签的通信及TOA测距的功能；测距软件则分为匹配滤波、峰值检测、时延估计三部分。

用户标签软件与测量基站软件基本类似，区别在于其测距软件增加了距离计算功能。

工作流程：当系统启动后，定位控制中心检测到用户标签后，会对用户标签和其周围的测量基站进行初始化，并由用户标签向测量基站发起测量请求，具体流程如图8所示。

图8 系统工作流程

3 系统指标测试

3.1 有效测距半径

有效测距半径是指以测量基站为圆心，单个用户标签与测量基站间可进行测距的最大距离。

考虑到室 内空间有限，有效测距半径测试在室外开展。测试方法：使用测量基站不间断地向用户标签发送测量请求，若用户标签能够接收到该请求，则以LED闪烁表示；若无法收到该请求，则LED灯熄灭。当用户标签的LED灯持续熄灭5 s以上时，则判定标签位置超过有效测距半径。

经多次测试，本系统的有效测距半径为180 m。

3.2 定位精度

将4个测量基站A1-A4按图9位置悬挂于室内四角，并将9个用户标签布设在图中三角形标志所在位置。用全站仪和本系统同时对9个用户标签进行分别测量，获取9个空间测量点的坐标误差。重复100次实验，可得到最大的误差累积曲线，如图10所示。可以看出，系统的定位精度优于1 m。

图9 测试场景示意

图10 定位精度误差累积曲线

4 结 语

基于chirp信号的室内导航定位系统的研制是无线电信号应用于室内定位的一次尝试，测试结果表明本系统具有较好的性能。该系统选用chirp扩频信号，提升了抗干扰性；采用双边TOA测距技术，大大降低了系统对时间同步的要求。该系统的有效测距半径达到180 m，在常规办公环境下室内定位精度优于1 m，可用于公共安全及应急响应、室内导引、弱势群体监护等领域，为人们的生活带来一定的便利，对后续室内导航定位产品的开发研制具有重要意义。

[1] DENG Zhong-liang,YU Yan-pei,YUAN Xie,etal.Situation and Development Tendency of Indoor Positioning[J].China Communications,2013(03):42-55.

[2] 王光辉,刘洪霞,胡浩舒等.室内定位算法综述[C].全国网络与数据通信学术会议,2011. WANG Guang-hui,LIU Hong-xia,HUHao-shu,etal.A Survey on the Indoor Positoning Algorithms[C]. Network and Data Communications Conference,2011.

[3] 张立立,钟耳顺.无线室内定位技术[C].中国地理信息系统年会,2004. ZHANG Li-li,ZHONGEr-shun.Wireless Indoor Localization Techniques[C].Proceedings of China Geographic Information System Annual Meeting,2004.

[4] 易 岷.时延及相关参数估计技术研究[D].成都:电子科技大学,2004:13-32. YI Min.Research on Estimation of Time Delay and Related Parameters[D].Chengdu:Electronic Science and Technology University,2004:13-32.

[5] 崔维嘉,陆杰青,裴喜龙等.OFDM-WLAN系统互相关超分辨TOA估计[J].通信技术,2015(06):642-647. CUI Wei-jia,LUJie-qing,PEI Xi-long,et al. Super-Resolution TOA Estimation Based on Correlation for OFDM－WLAN[J]. Communications Technology,2015(06):642-647.

[6] Pickholtz R L,Schilling D L,Milstein L B.Theory of Spread-Spectrum Communications-A Tutorial[J]. IEEE Trans. on Commun.,1982(05)：855-884.

[7] 宋华莹.基于CSS技术的飞行器立体实时定位的研究及实现[D].北京:中国科学院大学,2013. SONG Hua-ying.The Research and Implementation of Quad-rotor Three-dimensional Real-time Positioning Based on CSS Technology[D].Beijing: Chinese Academy of Sciences University,2013.

[8] 孙 嘉.Chirp超宽带通信的调制和时间同步技术研究[D].成都:电子科技大学,2009:8-12. SUN Jia. The Research on the Modulation and TimeSynchronization Technology of the Chirp UWB Communication[D].Chengdu:Electronic Science and Technology University, 2009.

[9] 于 晶,蒋 挺.无线传感器网络移动锚节点定位技术综述[J].新型工业化,2011,1(12):7-11. YU Jing,JIANGTing.A Survey on the Mobile Anchor Node Positioning Technology of the Wireless Sensor Networks[J].The Journal of New Industrializati on,2011,1(12):7-11.

[10] 孟祥龙,刘德亮,王姣姣.基于Nanoloc的TOA指纹算法定位研究[J].电子产品世界,2013(09):48-50. MENG Xiang-long,LIU De-liang,WANG Jiao-jiao. Positioning Research of TOA Fingerprint Algorithm Based on Nanoloc[J].Electronic Engineering & Product World,2013(09):48-50.

[11] Sanjeev A,MaskellS,GordonN,etal.A Tutorial on Particle Filters for Online Nonlinear/Non-Gaussian Bayesian Tracking[J]. IEEE transaction on signal processing,2002,50(02): 174-188.

[12] 孟祥龙.基于Chirp信号的室内定位技术研究[D].天津:天津大学,2013:12-13. MENG Xiang-long, Indoor Localization Technology Based on Chirp Signal[D].Tianjin:Tianjin University, 2013:12-13.

[13] 黄纬彬.近代平差理论及其应用[M].北京:解放军出版社,1990:292-307. HUANG Wei-bin.Modern Adjustment Theory and Application[M].Beijing:PLA Publishing House,1990:292 -307.

任修坤（1979—），男，硕士，讲师，主要研究方向为室内外无缝导航定位技术；

李 珂（1991—），女，硕士研究生，主要研究方向为室内无线定位技术；

郑娜娥（1984—），女，博士，讲师，主要研究方向为无线通信技术；

朱世磊（1987—），男，博士研究生，主要研究方向为无线通信技术。

Indoor Navigation and Positioning System Design and Implementation
based On Chirp Signal

REN Xiu-kun, LI Ke,ZHENG Na-e,ZHU Shi-lei
(PLA Information Engineering University,Zhengzhou Henan,450001，China)

The demand of Indoor positioning systems increasingly high, but related products that relatively mature is quite rare nowadays, developing a practical indoor navigation and positioning system is of great importance. Based on the wireless chirp spread spectrum signal with a high time resolution, an experimental verification system has been designed and developed in this paper which can be used for indoor navigation and positioning by utilizing the bilateral TOA (Time of Arrival) ranging technology and Taylor series positioning algorithm. This paper has provided the architecture, working principle, hardware design and software solution, as well as the work flow of the system, then a test result of the system conducted in the practical indoor environment has been given in the end with a positioning accuracy better than 1 meter.This result shows that it has very high practicability.

Indoor positioning;Chirpsignal;Bilateral TOA ranging;Design and implementation

TN95；TN911.7

：A

：1002-0802(2016)-06-0788-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.06.025

2016-02-13;

：2016-05-05 Received date:2016-02-13;Revised date:2016-05-05