室內(nèi)外一體化無縫定位的一種技術(shù)方案

張勝利　常守峰　張書雨

摘要：對于目前絕大多數(shù)普通衛(wèi)星導(dǎo)航用戶而言，一個(gè)典型的應(yīng)用場景是在大型建筑物中進(jìn)行定位導(dǎo)航，當(dāng)前的衛(wèi)星導(dǎo)航方式在這種環(huán)境下存在局限性。本文提出了一種能在一定范圍內(nèi)提供室內(nèi)外一體化無縫定位的技術(shù)方案，采用低頻低功率的分布式信號發(fā)生器，根據(jù)一定規(guī)則在建筑物內(nèi)布設(shè)若干信號發(fā)生器，還需要在目前普遍使用的GPS用戶機(jī)上增加相應(yīng)器件。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航 室內(nèi)定位 分布信源 無縫定位

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

1 概述

當(dāng)前的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在定位精度、定位準(zhǔn)確度、定位頻度等各方面的性能指標(biāo)都在積極迎合專業(yè)應(yīng)用和科研領(lǐng)域的需求，對于普通用戶來說，衛(wèi)星導(dǎo)航的各項(xiàng)性能指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際需要。但這一切都依賴于能夠同時(shí)接收到至少4顆可用衛(wèi)星的信號。這個(gè)最大的瓶頸導(dǎo)致用戶在室內(nèi)幾乎無法使用衛(wèi)星導(dǎo)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(shù)人的衣食住行）活動時(shí)，需要一種能夠像衛(wèi)星導(dǎo)航一樣快捷準(zhǔn)確的定位系統(tǒng)。

大型建筑的內(nèi)部環(huán)境有著復(fù)雜的鋼筋混凝土空間結(jié)構(gòu)，這將為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來極大困難。室內(nèi)無外縫導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須確保用戶在任意空間內(nèi)均能收到導(dǎo)航信號，并且隨著用戶進(jìn)、出房間等獨(dú)立空間，導(dǎo)航結(jié)果不會發(fā)生跳變。

而相比于室外的衛(wèi)星導(dǎo)航，室內(nèi)導(dǎo)航也有如下便利條件。一是空間坐標(biāo)信息詳細(xì)精確，每棟建筑都配有精確的設(shè)計(jì)圖紙，可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮應(yīng)用；二是作為導(dǎo)航信號發(fā)射器的設(shè)備，可以固定在某個(gè)位置，不像衛(wèi)星一樣因?yàn)橐恢边\(yùn)動而需要廣播軌道等大量導(dǎo)航電文并且需要專門機(jī)構(gòu)來維護(hù)衛(wèi)星運(yùn)行；三是雖然有墻壁等會帶來信號遮擋，但在某個(gè)具體房間內(nèi)，信號可以直接到達(dá)用戶機(jī)，不像衛(wèi)星信號一樣無論何時(shí)何處都會受到電離層、大氣層等的作用。

2 室內(nèi)導(dǎo)航信號選擇

對于室內(nèi)導(dǎo)航，可以有兩種信號方案。一是強(qiáng)穿透型統(tǒng)一的信號源，二是弱穿透型分布式信號源。

考慮到導(dǎo)航衛(wèi)星信號穿透了電離層、大氣層到達(dá)用戶機(jī)，可以將大型建筑內(nèi)的鋼筋混凝土等看作需穿透介質(zhì)。發(fā)播出頻率、功率足夠高的導(dǎo)航信號，讓用戶接收并解調(diào)出距離信息，得到定位結(jié)果。但應(yīng)當(dāng)注意到，這種方法對于那些結(jié)構(gòu)相對簡單的建筑是適用的，現(xiàn)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(jié)構(gòu)采用這種高頻率高功率的信號，將會面對非常復(fù)雜且難以預(yù)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(jī)上的極化天線將無法過濾這些偶次反射波，讓用戶機(jī)無法選擇正確的導(dǎo)航信號。

相比之下，分布式信號沒有這些問題。在每個(gè)獨(dú)立空間中布設(shè)若干個(gè)信號發(fā)射器，發(fā)射出頻率較低、功率較低的導(dǎo)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(jī)將很容易接收這些信號而不用擔(dān)心多徑干擾。這種設(shè)計(jì)需要解決的問題有以下幾點(diǎn)：一是當(dāng)用戶穿越不同房間時(shí)，如何進(jìn)行無縫定位；二是雖然不用考慮多徑干擾，但當(dāng)用戶位于墻壁邊時(shí)，依然有可能收到隔壁的微弱信號；三是要在一個(gè)大型建筑中布設(shè)這種導(dǎo)航系統(tǒng)，需要布設(shè)的信號發(fā)生器非常多，用戶如何識別如此海量的發(fā)生器。

3 室內(nèi)分布式導(dǎo)航原理

考慮在單獨(dú)空間內(nèi)的定位過程。若干個(gè)信號發(fā)生器發(fā)出導(dǎo)航信號，用戶機(jī)在較近距離內(nèi)無遮擋的對信號進(jìn)行接收，并解算出自身位置信息。這要求用戶機(jī)能夠知曉各信號發(fā)生器的位置信息，和自身距這些信號發(fā)生器的距離。在這種情況下，測量傳播時(shí)延并不合適，因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境的一般空間尺寸是幾米至十幾米，此時(shí)設(shè)備時(shí)延將遠(yuǎn)大于真實(shí)的傳播時(shí)延，定位準(zhǔn)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(nèi)可以根據(jù)某個(gè)信號的強(qiáng)弱來判斷距離遠(yuǎn)近。這種設(shè)計(jì)帶來的好處是不需要進(jìn)行時(shí)間同步，而導(dǎo)航電文中只包含信號發(fā)生器的位置信息即可。這將使得信號發(fā)生器較為簡單，考慮到信號發(fā)生器將海量布設(shè)，這種更簡單的方案是有意義的。

如果導(dǎo)航信號的頻率、功率設(shè)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(tǒng)中，信號發(fā)生器的發(fā)射功率應(yīng)該被設(shè)計(jì)為固定值，并且基本相等。由于參與解算的導(dǎo)航信號都是在單獨(dú)室內(nèi)傳播至用戶機(jī)的，可以獲得不同距離上接收到的信號功率值的先驗(yàn)知識。

而在用戶端，用戶將接收到N個(gè)導(dǎo)航信號，每個(gè)信號的導(dǎo)航電文中都包含信號發(fā)生器的位置信息，結(jié)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(gè)導(dǎo)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(yuǎn)低于正常信號，為了避免多徑干擾和穿墻信號干擾，可以設(shè)置一個(gè)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(gè)門的位置放置一個(gè)信號發(fā)生器，這樣做的話，信號發(fā)生器的總數(shù)最少為：

其中，為房間數(shù)量，為門的數(shù)量。

用戶機(jī)不斷搜索新的信號發(fā)生器產(chǎn)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(jì)和解調(diào)，然后產(chǎn)生用戶位置信息。如圖1所示。

另一個(gè)需要解決的問題是PRN碼的數(shù)量問題。大型建筑的房間數(shù)量往往很大，為了讓用戶機(jī)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(shí)，同時(shí)用這些巨量PRN去做自相關(guān)也需要付出巨大的代價(jià)。這里提出一個(gè)可行的解決方案，假設(shè)用戶位于空間A，收到的信號為PRN1、PRN2、PRN3；當(dāng)用戶移動到空間B時(shí)，收到新信號PRN3、PRN4、PRN5，以及微弱的PRN1、PRN2；用戶繼續(xù)移動到空間C時(shí)，空間A的PRN1、PRN2已經(jīng)無法收到了，我們就可以讓空間C的信號發(fā)生器使用PRN1、PRN2，這樣，用戶解調(diào)出新的信號發(fā)生器位置信息和新的功率估計(jì)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(fù)，就可以解調(diào)出信號發(fā)生器的位置和估計(jì)出距離，從而完成定位。同一空間內(nèi)可能接收到的信號沒有使用重復(fù)的PRN就可以。根據(jù)這一特點(diǎn)，目前GPS的PRN碼數(shù)量足夠分布一個(gè)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(nèi)用戶機(jī)直接使用普通GPS接收的相關(guān)器。

為了能讓用戶在室內(nèi)外移動時(shí)進(jìn)行無縫定位，需要做兩點(diǎn)工作。一是在布設(shè)室內(nèi)信號發(fā)生器時(shí)，在建筑物外圍也布設(shè)足夠的信號發(fā)生器，能夠確保在接近建筑時(shí)就接收到3個(gè)以上的室內(nèi)導(dǎo)航信號；二是在當(dāng)前的普通GPS接收機(jī)上做一些改進(jìn)就可以實(shí)現(xiàn)支持這種室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的用戶機(jī)。新的用戶機(jī)除了具備GPS接收機(jī)所有功能外，需要可以不間斷對室內(nèi)導(dǎo)航信號進(jìn)行搜索捕獲，一旦接收到的室內(nèi)導(dǎo)航信號數(shù)量超過了3，就采用室內(nèi)信號的定位結(jié)果。這樣，當(dāng)用戶將要走進(jìn)建筑物的時(shí)候，就已經(jīng)開始使用室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，同時(shí)衛(wèi)星導(dǎo)航也可以正常使用，如果需要讓定位結(jié)果不跳變，可以設(shè)計(jì)一個(gè)針對兩種導(dǎo)航系統(tǒng)定位結(jié)果的平滑算法。

4 結(jié)語

本文提出了一種室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)以及室內(nèi)外無縫定位的解決方案，在每個(gè)房間內(nèi)布設(shè)足夠的信號發(fā)生器，發(fā)射低頻、低功率這樣幾乎不穿透、偶次發(fā)射信號幾乎為零的導(dǎo)航信號，利用調(diào)制在信號中的信號發(fā)生器位置信息和先驗(yàn)的功率對距離的估計(jì)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(dǎo)航信號PRN沒有重復(fù)即可。在建筑物外圍布設(shè)足夠的信號發(fā)生器，就可以確保用戶在將要走進(jìn)建筑時(shí)可以同時(shí)使用衛(wèi)星導(dǎo)航和室內(nèi)導(dǎo)航。

參考文獻(xiàn)

[1]謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011年7月.

[2]謝鋼.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)原理[M].北京：電子工業(yè)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.