室內(nèi)精確定位算法

【摘? 要】室外精確定位的方法有很多，通過GPS、北斗等可以完成精確定位，但是室內(nèi)定位主要依賴于基站扇區(qū)和Wi-Fi位置完成，定位精度很差。如何在室內(nèi)進(jìn)行精確定位是一個(gè)技術(shù)熱點(diǎn)。通過演算、推導(dǎo)等室內(nèi)定位算法，結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)水平，提出精度達(dá)0.3 m左右的精確室內(nèi)定位算法，為室內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、無(wú)線應(yīng)用、無(wú)人商店、智能機(jī)器人控制提供了廣闊應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】天線定向;時(shí)間延遲;絕對(duì)參考時(shí)鐘測(cè)量;室內(nèi)定位算法

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.08.012? ? ? 中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2019）08-0068-04

引用格式：李詠東. 室內(nèi)精確定位算法[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（8）： 68-71.

[Abstract]?The outdoor precise positioning can be achieved in many ways such as GPS， BeiDou， etc.， but indoor positioning mainly depends on the locations of base station sectors and Wi-Fi and it merely has poor positioning accuracy. Hence， how to perform precise indoor positioning is a hot topic. Through the derivation of indoor positioning algorithm and the combination with the current technical level， a precise indoor positioning algorithm with an accuracy of about 0.3m is proposed， which provides a broad prospect for indoor wireless network optimization， wireless applications， unmanned shops and intelligent robot control.

[Key words]antenna direction; time delay; absolute reference clock measurement; indoor positioning algorithm

1? ?引言

室外可以通過GPS、北斗等定位系統(tǒng)精確定位終端的位置，但是，當(dāng)室內(nèi)無(wú)法收到GPS、北斗信號(hào)的時(shí)候，可以通過基站的扇區(qū)交疊或者Wi-Fi的AP位置大致來定位終端位置，但這對(duì)于室內(nèi)定位來說精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，使很多應(yīng)用受到局限。因此，如何實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精確定位有很廣闊的前景。

2? ?室內(nèi)精確定位算法

按照無(wú)線電波的傳播規(guī)律，在室內(nèi)接收無(wú)線電信號(hào)的路徑主要有：直視到達(dá)、折射到達(dá)、直視與折射共存、不同折射到達(dá)。文章通過對(duì)不同場(chǎng)景進(jìn)行論證演算，得到相應(yīng)的計(jì)算公式，并按照實(shí)際可能出現(xiàn)的場(chǎng)景對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。

隨后，闡述“采用LTE芯片解析”以及“讀取LTE系統(tǒng)TA”等實(shí)現(xiàn)方法的不可操作性及精度不足的缺陷，否定了上述兩種方法的可行性。最后闡述并引用具體數(shù)據(jù)說明并論證本文的“室內(nèi)精確定位算法”的可行性。

2.1? 直視范圍算法

在室內(nèi)分布系統(tǒng)中，安裝了許多分布式天線，可獲得室內(nèi)建筑的每層二維圖。設(shè)某室內(nèi)分布天線位置為O，在直視范圍內(nèi)測(cè)試前的準(zhǔn)確位置為A，移動(dòng)至B（如圖1所示）。設(shè)L=AB，ΔL=OB-OA，可得到：ΔL=L，推導(dǎo)如下：

但是，這只會(huì)出現(xiàn)在道路轉(zhuǎn)折的、在其它方向有信號(hào)泄露的極個(gè)別點(diǎn)，可以通過下一次的計(jì)算，驗(yàn)證上一次的計(jì)算結(jié)果是否出現(xiàn)大的偏差來修正。

2.3? 演算結(jié)論

無(wú)論直視到達(dá)、折射到達(dá)、直視與折射共存、不同折射到達(dá)的哪種場(chǎng)景，采用L=ΔL=ΔT*C都可得到準(zhǔn)確的移動(dòng)距離，對(duì)于特殊場(chǎng)景，可以通過前后結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證修正。

3? ?室內(nèi)精確定位算法實(shí)現(xiàn)方法

3.1基于解調(diào)LTE信號(hào)的室內(nèi)精確定位的精度為9.78 m且不可行LTE最小時(shí)間單位為1 Ts，即可測(cè)量的時(shí)延最小周期為1 Ts。Ts實(shí)際為一個(gè)FFT采樣點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)度，子載波間隔為15 000 Hz，OFDM符號(hào)長(zhǎng)度是1/15 000 s，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為2 048。

采樣間隔=時(shí)間/點(diǎn)數(shù)=（1/15000）/2048=33 ns? ? ?（4）

一般人快速行走的速度小于20 km/h，人移動(dòng)1 m的時(shí)間=60*60/（20*1 000）=0.18 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于33 ns，因此，人移動(dòng)1 m可得到不同多次的時(shí)間延遲參數(shù)。

距離=傳播速度（光速）*1Ts ? ? ? ? （5）

1Ts對(duì)應(yīng)的距離=3×108×1/（15000×2048）=9.78 m，

故基于解調(diào)LTE信號(hào)方法的室內(nèi)精確定位的精度為9.78 m，即在9.78 m范圍內(nèi)的時(shí)間延遲都是一樣的。

實(shí)際上基于此方式的定位方法是不可行的，因?yàn)長(zhǎng)TE芯片每完成一次FFT采樣，就需要完成一次信號(hào)時(shí)延的測(cè)試。接收LTE信號(hào)的芯片尚未完成對(duì)LTE信號(hào)的解調(diào)，也不可能完成對(duì)LTE信號(hào)的時(shí)延檢測(cè)。

3.2? 基于UE的TA得到的室內(nèi)精確定位精度太差

LTE的TA最小時(shí)間單位是Ts。按3GPP協(xié)議規(guī)定，TA調(diào)整量以16 Ts為步長(zhǎng)。TA調(diào)整單位16 Ts=0.520 8 μs。對(duì)應(yīng)距離為=0.5208×3×108×10-6/2=78.12 m?；赨E的TA得到的室內(nèi)精確定位精度為78.12 m。

基于LTE TA來完成定位的方法存在下面兩個(gè)問題：

（1）TA的獲得需要移動(dòng)終端與室內(nèi)分布基站建立連接，TA的數(shù)據(jù)可能來自于室外基站或另外的天線，導(dǎo)致TA值可能不準(zhǔn)確;

（2）TA方式的定位精度太差。

因此，該方案不具備可行性。

3.3? 使用納秒脈沖發(fā)生器的定位精度為0.3 m

（1）LTE信號(hào)在傳輸過程中的多徑現(xiàn)象

實(shí)際LTE信號(hào)的傳輸多徑如圖3所示，如果只測(cè)量LTE信號(hào)功率，那么接收機(jī)將不需要解調(diào)LTE信號(hào)，測(cè)量時(shí)間精度可以得到進(jìn)一步的提高。

（2）采用高速采樣接收機(jī)可以滿足1 ns的測(cè)量周期

羅德與施瓦茨公司的TSMW測(cè)量接收機(jī)，在不解調(diào)任何信號(hào)的情況下，采樣速率可達(dá)22 Msample/s，即每次測(cè)量周期已達(dá)到45 ns。實(shí)際上，在定位測(cè)量中對(duì)信號(hào)的功率準(zhǔn)確度要求并不高，因此，在降低ADC的比特位數(shù)的情況下測(cè)量速度可以進(jìn)一步加快。接收機(jī)在針對(duì)此場(chǎng)景優(yōu)化運(yùn)算后是完全可以達(dá)到1 Sample/1 ns測(cè)量速度的。

（3）高速接收機(jī)的局限

在實(shí)際應(yīng)用過程中高速接收機(jī)存在一個(gè)缺陷：自帶的晶振無(wú)法達(dá)到1 ns的精度，通常在5 ns～50 ns范圍。因此需要一個(gè)高精度時(shí)間間隔的脈沖觸發(fā)器來觸發(fā)接收機(jī)穩(wěn)定測(cè)量，以納秒級(jí)的脈沖觸發(fā)器時(shí)刻為參考，得到精確的時(shí)間延時(shí)分布，進(jìn)而得到納秒精度的不同位置的時(shí)間延遲差異。

（4）納秒脈沖觸發(fā)器可以達(dá)到的精度

如果以LTE的下行幀邊界為計(jì)算對(duì)象，1 ns PPS脈沖發(fā)生器觸發(fā)測(cè)量接收機(jī)測(cè)量A、B兩點(diǎn)LTE下行幀邊界時(shí)間偏移差值的情況如下：

（5）采用納秒脈沖觸發(fā)器可能遇到的問題

（6）采用此方案實(shí)現(xiàn)的可行性

羅德與施瓦茨用于室外基站定位的方案中，其脈沖觸發(fā)器的脈沖輸出重復(fù)周期遠(yuǎn)大于1 ns。但是通過上文的論述可知：高速接收機(jī)的測(cè)量速度可以達(dá)到1 ns的要求;當(dāng)今技術(shù)水平已可生產(chǎn)納秒級(jí)的脈沖發(fā)生器。因此，以1 ns為周期觸發(fā)采集多徑信號(hào)，得到精度為1ns的多徑信號(hào)分布是可行的。

3.4? 推論

當(dāng)移動(dòng)距離可知，采用“定向天線+羅盤水平儀”（例如采用羅德與施瓦茨公司的FSH+HL300+K40）的方式可以獲得準(zhǔn)確的移動(dòng)方向，“距離+角度”即可精確計(jì)算出每個(gè)移動(dòng)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

通過證明L=ΔL=ΔT*C公式的正確性，采用納秒PPS脈沖輸出配合接收機(jī)檢測(cè)A、B點(diǎn)LTE下行幀邊界最小時(shí)間延遲差異，可精確計(jì)算出室內(nèi)移動(dòng)距離，精確范圍理論可達(dá)0.3 m。采用“定向天線+羅盤水平儀”獲得準(zhǔn)確移動(dòng)方向，通過獲得“準(zhǔn)確的初始位置+移動(dòng)方向+移動(dòng)距離”三要素，即可打破室內(nèi)分布由于無(wú)GPS、北斗等定位信號(hào)導(dǎo)致無(wú)法精確定位的困境，從而為優(yōu)化室內(nèi)分布信號(hào)、跟蹤人員移動(dòng)等網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、國(guó)安行動(dòng)、無(wú)人商店等應(yīng)用提供高精度定位服務(wù)，甚至為將來在無(wú)人空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人控制提供了可能。此算法來自于實(shí)踐，提煉于思考，希望能對(duì)室內(nèi)精確定位技術(shù)提供有益建議。