基于地面基站的定位系統(tǒng)構(gòu)建和方案

耿珂，黃智剛，蘇雨，石培辰，高強，熊華鋼

（北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京100083）

隨著社會的發(fā)展進步及信息化時代的到來，人們的工作、生活等社會活動越來越依賴于位置信息，位置服務(wù)逐漸成為大家關(guān)注的焦點。目前室外定位導(dǎo)航技術(shù)大多依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，到現(xiàn)在已經(jīng)比較成熟，如今在運載體導(dǎo)航、人員跟蹤定位及緊急救助服務(wù)等方面發(fā)揮著巨大的作用［1］，并且實現(xiàn)了廣域精準(zhǔn)定位，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和軍事等領(lǐng)域。

相比較于室外廣域無線定位，室內(nèi)定位有自己的特點，其范圍一般較小，范圍通常在幾百米以內(nèi)；另一方面由于室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜，干擾因素較多，容易對定位信號產(chǎn)生影響。而衛(wèi)星導(dǎo)航定位在室內(nèi)由于受到建筑物、家具等的遮擋，衛(wèi)星導(dǎo)航信號衰減很快，而且即使有一些信號，由于環(huán)境因素復(fù)雜，導(dǎo)致多徑現(xiàn)象嚴(yán)重，使其無法在室內(nèi)定位應(yīng)用。

自20世紀(jì)90年代末起，室內(nèi)無線定位技術(shù)開始受到人們的廣泛關(guān)注。經(jīng)過近20年的研究，室內(nèi)定位技術(shù)已經(jīng)取得了一些成果［2］，有一些比較成熟的技術(shù)得到了初步應(yīng)用。室內(nèi)定位技術(shù)分為局部室內(nèi)定位和大范圍室內(nèi)定位，目前最常見的局域定位技術(shù)是WiFi室內(nèi)定位，其基于信號能量的指紋匹配定位技術(shù)，定位精度能夠達到3 m，但是信號受環(huán)境影響較大，而且需要前期采集大量的數(shù)據(jù)，定位時需要與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行比對。另一種室內(nèi)定位技術(shù)UWB（Ultra Wideband）能夠達到很高的定位精度，典型值為0.3 m，但缺點也很明顯，即覆蓋范圍小。除此之外，還有一些新的局域室內(nèi)定位技術(shù)，比如Zig Bee、藍(lán)牙、射頻標(biāo)簽等［3-4］，這些局域室內(nèi)定位技術(shù)幾乎都不是專門用作定位應(yīng)用的，主要作用還是通信應(yīng)用。

目前能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍室內(nèi)定位的技術(shù)主要是架設(shè)地面?zhèn)涡l(wèi)星系統(tǒng)和利用通信基站的室內(nèi)定位系統(tǒng)。北京郵電大學(xué)的時分＆碼分正交頻分復(fù)用（TC-OFDM）［5］廣域室內(nèi)定位技術(shù)利用現(xiàn)有的通信基站，通過將定位信號承載到手機通信的信號上，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍室內(nèi)定位，系統(tǒng)精度雖然較高，但是大范圍室內(nèi)定位的技術(shù)復(fù)雜，而且需要較長的布設(shè)周期和較大的成本。地面?zhèn)涡l(wèi)星系統(tǒng)實現(xiàn)室內(nèi)定位的代表是澳大利亞的Locata系統(tǒng)［6］，通過增大地面?zhèn)涡l(wèi)星發(fā)射信號的功率，在室內(nèi)也可達到較高的定位精度，但其覆蓋范圍有限或需架設(shè)很多偽衛(wèi)星基站。

目前，針對大型、復(fù)雜、多功能建筑，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號環(huán)境惡劣、導(dǎo)航信號衰減幅度大，而且多徑影響嚴(yán)重，無法直接利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行定位；并且在大型火災(zāi)、暴力恐怖襲擊等災(zāi)害現(xiàn)場或事件發(fā)生地，電力供應(yīng)常常被切斷或無法使用，停電范圍可能波及多個街區(qū)，導(dǎo)致目前已有的室內(nèi)定位手段無法展開應(yīng)用。針對突發(fā)事件現(xiàn)場，對定位系統(tǒng)的基本要求是獨立、快速、易用及高精度，目前還缺乏成熟的技術(shù)或系統(tǒng)可以應(yīng)用［7］。

當(dāng)前室內(nèi)定位方案難以成熟應(yīng)用的問題，主要是覆蓋范圍與定位精度不可兼得［8］。如UWB的精度較高，但穿透能力有限；Locata和TCOFDM系統(tǒng)為了保證覆蓋，需要布設(shè)較多基站［9］；慣導(dǎo)模塊或設(shè)備沒有覆蓋范圍的限制，但存在積累誤差［10］。

針對以上問題，本文提出了一種基于地面基站的大區(qū)域室內(nèi)定位方案，不同于發(fā)射衛(wèi)星信號的偽衛(wèi)星，地面基站發(fā)送的是專門設(shè)計的導(dǎo)航信號，在頻率、信號體制、定位方式等方面進行改進?？紤]到頻率與信號穿越性能的關(guān)系，選擇了較低頻段作為信號載波，以及采用碼偽距和載波偽距聯(lián)合定位的方式。本文利用所提出的新型定位方式，搭建了一個基本測試系統(tǒng)，通過信號的產(chǎn)生、發(fā)射，以及空間無線傳播，進行信號的捕獲、跟蹤和偽距求差解算，初步驗證了本文方法的可行性及有效性。

1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)的設(shè)計采用覆蓋與精度統(tǒng)籌考慮的策略，選用了76 MHz的載波頻率，具有良好的信號穿透能力以及障礙翻越能力。采用偽隨機碼進行初步定位，獲取大致的用戶位置。采用載波進行精細(xì)測距，最終實現(xiàn)高精度的定位。

根據(jù)以上設(shè)計思路，專門研制了實際系統(tǒng)。系統(tǒng)包括多個發(fā)射基站及接收終端，下面分別進行介紹。發(fā)射端的組成框圖如圖1所示。接收端的組成框圖如圖2所示。

圖中各部分的功能介紹如下：

圖1 發(fā)射端組成Fig.1 Transmitter structure

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）：完成數(shù)字基帶信號的生成與調(diào)制，生成的數(shù)字信號包括導(dǎo)航電文、偽隨機碼和信號載波，采用低數(shù)字中頻方式，將導(dǎo)航電文、偽隨機碼對數(shù)字載波進行調(diào)制。

AD9361射頻：完成數(shù)字信號向射頻信號的轉(zhuǎn)換，數(shù)字基帶信號輸入給AD9361模塊后，將進行濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換、上變頻等一系列處理，產(chǎn)生所需射頻信號。對AD9361射頻本振頻率進行設(shè)置，產(chǎn)生中心頻率為76 MHz的射頻信號。

47 dB功放：將AD9361輸出的模擬信號功率放大到1 W。

自動增益+固定增益功放：將天線接收后的信號進行功率放大，使信號的適應(yīng)性增加，能夠正常進行采樣。

中頻采樣：將天線接收到的模擬信號使用62 MHz進行采樣。采樣后數(shù)據(jù)使用軟件接收機進行捕獲、跟蹤，輸出碼相位和載波相位觀測值。

2 定位方案

系統(tǒng)研制完成后，通過在地面合適位置布設(shè)4～6個地面基站，使得在所服務(wù)的區(qū)域內(nèi)都可以收到至少4個基站的定位信號，接收機對接收到的信號進行捕獲跟蹤，得到到達時間（TDOA）即距離的測量值，并進行定位解算，就可以獲得用戶的實際位置。定位過程如下：

1）按布局設(shè)計搭建多個基站，使得服務(wù)區(qū)域內(nèi)的GDOP值盡量小。

2）通過地理測繪或全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）差分技術(shù)等，對基站的真實位置進行標(biāo)定。

3）通過光纖技術(shù)、時間雙向比對技術(shù)等，實現(xiàn)對基站之間的高精度時間同步。

4）各基站同步發(fā)射導(dǎo)航信號，利用低頻載波增加覆蓋范圍。

5）接收機接收4個質(zhì)量較好、GDOP值較小的基站信號進行距離測量并實時定位，并且通過載波相位測量提高定位精度。

本系統(tǒng)的定位算法原理如下：利用載波波長較小，載波跟蹤精度高和受多徑影響小的特點，使用載波來進行高精度定位，缺點是載波整周是位置的。本定位方案使用碼偽距來確定未知的載波整周，將載波偽距與碼偽距確定的載波整周相結(jié)合，得到較精確的目標(biāo)到信號源距離差，使用下面的TDOA方法完成定位結(jié)算。

基于TDOA的無線電定位是一種重要的目標(biāo)三維定位方法，被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、雷達等定位系統(tǒng)，定位方法主要分為2種：一是迭代算法［11］，二 是 解 析 算 法［12-13］。迭 代 算 法 的 優(yōu) 越 性體現(xiàn)在能充分利用系統(tǒng)的冗余信息，計算精度高，但計算復(fù)雜，實時性差。解析算法精度較低，但實時性好?？紤]到室內(nèi)運動速度不高，本文采用迭代算法。

當(dāng)已知信號源的位置坐標(biāo)為Si（xi，yi，zi）T，目標(biāo)位置坐標(biāo)為Tr（xr，yr，zr）T，得到目標(biāo)到信號源的距離差為

對目標(biāo)到信號源的距離取平方：通過對目標(biāo)接收機碼相位及載波相位觀測值分別兩兩做差，可以得到距離差dij，在實際測試中，距離差含有各種因素引起的誤差εij，假設(shè)距離差的理論值為dtij，所以距離差測量值可以表示為

將式（1）移項平方，得到r2i=（dij+rj）2，將式（2）代入，可得

由于測試誤差的存在，式（4）的等號左邊并不等于0，可用微小量δij代替。實際情況下，可以將式（4）表示成矩陣形式，通過最小二乘法就可以求解目標(biāo)位置。

這種實現(xiàn)方案，優(yōu)點是可以避免衛(wèi)星導(dǎo)航中的主要誤差因素，如星歷、星鐘、對流層、電離層等誤差，導(dǎo)航信號的完好性也大大增強，并且利用低頻載波可以增加覆蓋范圍和穿透能力，缺點是在地球表面的多徑信號較多，需要通過抗多徑技術(shù)減弱多徑的影響。

與其他室內(nèi)定位技術(shù)相比［14］，比如WiFi定位，本文方法利用偽隨機碼的相關(guān)性進行測距和定位，精度明顯高于利用WiFi信號的功率測距方法，所以WiFi定位目前大多通過指紋匹配技術(shù)來提高精度；而UWB定位，其測距精度最高，但UWB工作頻率也很高，受周圍環(huán)境的影響很大，覆蓋范圍十分受限；Locata系統(tǒng)是一種地基偽衛(wèi)星定位系統(tǒng)，目前有一定應(yīng)用，但其在每個室內(nèi)都需要布設(shè)多個偽衛(wèi)星基站并實現(xiàn)同步，成本及布局問題限制了其進一步應(yīng)用［15］。

3 測試結(jié)果處理與分析

3.1 在室外空曠條件下測試

首先測試信號源間碼相位和載波相位同步情況，接著測試76 MHz發(fā)射頻率時中垂線處和偏移處接收碼相位和載波相位能否體現(xiàn)距離差的變化。

以操場為測試環(huán)境（見圖3），在主席臺右側(cè)看臺最高處臺階放置兩臺信號發(fā)射源，發(fā)射功率為30 d Bm，信號源1、2號星間距為45 m。在對側(cè)跑道上取3個等間隔的測試點（接收機位置），分別為1號點、2號點、3號點。信號源與測試點構(gòu)成長方形。2號點（取1號星、2號星中垂線與長方形的交點）距兩信號源中點87 m。1號點、3號點與兩信號源的距離差約為11 m。信號源與接收機的位置如圖3所示。

1）首先進行2個信號源的同步測試，啟動1號星與2號星，經(jīng)過同步模塊進行時鐘校準(zhǔn)后，使用電腦同時配置信號源，使兩臺信號源分別產(chǎn)生給定的定位信號。

圖3 操場測試環(huán)境Fig.3 Playground test environment

將兩臺信號源通過導(dǎo)線同時連接接收機，通過接收機顯示界面觀察碼相位，并采集碼相位及載波相位觀測量，其碼相位差和載波相位差的測試曲線分別如圖4和圖5所示（測試2次）。其對應(yīng)的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作正常，但不同組測試時可能會有半周差，可在后期處理時校正。可以看出，在導(dǎo)線連接條件下測試的精度較高，原因是由于沒有引入空間傳播方面的誤差。

2）下面進行運動狀態(tài)下的測試，分別連接好發(fā)射、同步、接收設(shè)備，并啟動其正常工作，在操場攜帶接收端設(shè)備首先從1號點沿直線走到2號點，再走到3號點，在該過程中在3個測試點各停留約200 s左右，實時采集并處理2個信號源發(fā)出的定位信號，其碼相位差和載波相位差的測試曲線分別如圖6和圖7所示。其對應(yīng)的測試數(shù)據(jù)如表2所示。

圖4 碼相位差值（同步測試）Fig.4 Code phase difference value（synchronous test）

圖5 載波相位差值（同步測試）Fig.5 Carrier phase difference value（synchronous test）

觀測量 測試分組 均值/m 標(biāo)準(zhǔn)差/cm碼相位差 第1次1.63 57.7第2次1.68 53.7載波相位差 第1次 0.991 5 0.18第2次2.943 1 0.11

測試結(jié)果表明：碼相位差值在1號點有較大的波動，在2號點、3號點比較平穩(wěn)，標(biāo)準(zhǔn)差符合預(yù)期。同樣，載波相位差在1號點時出現(xiàn)了幾次跳躍，與靜止?fàn)顟B(tài)不符，但2號點、3號點基本平穩(wěn)，標(biāo)準(zhǔn)差也小，符合預(yù)期，并且比較理想地反映了從2號點到3號點的運動過程。

3）最后再從3號點沿直線返回2號點，再返回1號點，同樣在3個測試點各停留約200 s左右。實時采集并處理2個信號源發(fā)出的定位信號，其碼相位差和載波相位差的測試曲線分別如圖8和圖9所示。其對應(yīng)的測試數(shù)據(jù)如表3所示。

圖6 碼相位差值（運動狀態(tài)下測試，1號點～3號點）Fig.6 Code phase difference value（test under motion，point 1 to 3）

碼相位差 載波相位差測試點均值 標(biāo)準(zhǔn)差 均值 標(biāo)準(zhǔn)差1 3.66 66.8 13.2 8.397 2 2.83 5.6 31.1 0.19 3 -16.6 5.4 39.5 0.13

測試結(jié)果表明：在2號點、3號點及其連接路徑上的定位精度比較好，同樣在1號點出現(xiàn)了大的誤差和波動，從3號點走到2號點的路徑刻畫十分理想，說明了測試數(shù)據(jù)的可信性。雖然行走的方向與1號點～3號點相反，但2個方向的測試結(jié)果是一致的，2號點和3號點載波相位差對應(yīng)的兩次位置差值分別為8.4、8m，比較接近，說明了測試的可重復(fù)性及有效性。

碼相位差 載波相位差測試點均值 標(biāo)準(zhǔn)差 均值 標(biāo)準(zhǔn)差3 -26.5 7.1 -1.38 0.138 2 4.4 4 -9.38 0.125 1 24.5 53.8 -8.67 6.4

3.2 在復(fù)雜室內(nèi)條件下測試

在前期室外測試驗證了系統(tǒng)工作原理及測試結(jié)果正確性的基礎(chǔ)上，開展了實際復(fù)雜室內(nèi)條件下的測試，測試場景為北京航空航天大學(xué)新主樓，如圖10所示。

圖中發(fā)射信號源放在位于大樓中間露天的地面綠點處，發(fā)射功率4 W，測試點為2樓室內(nèi)的紅點處，可以看到環(huán)境比較復(fù)雜，尤其外圈的一些紅點，信號要穿過多重建筑實體才能夠到達。

通過在紅點處逐個測試，采集信號源穿過樓體的到達信號，通過事后的相應(yīng)處理，得到以下結(jié)果：

1）在所有測試點（紅點處）都可以接收、捕獲到信號源發(fā)出的導(dǎo)航信號，說明本文的低頻策略是有效的，該方法的覆蓋能力較強。如在測試點2對3個基站信號的捕獲情況如圖11所示。

2）由于環(huán)境復(fù)雜、多徑嚴(yán)重等原因，測試數(shù)據(jù)的跟蹤結(jié)果表明碼相位和載波相位的誤差都比較大，尤其信號路徑長的測試點還出現(xiàn)了大的偏差，嚴(yán)重的已無法用于定位解算，需要進一步進行抗多徑等處理。同樣在測試點2，對3個基站的碼跟蹤曲線及基站間的碼偽距差曲線如圖12所示。圖12（d）為PRN1-2碼相位示意圖，最大值和最小值分別為83.071 m和72.570 m，標(biāo)準(zhǔn)差為1.847 9 m，均值為78.605 4 m；圖12（e）為PRN1-3碼相位示意圖，最大值和最小值分別為-21.904 7 m和-121.623 9 m，標(biāo)準(zhǔn)差為34.529 4 m，均值為-63.764 4 m；圖12（f）為PRN1-3碼相位示意圖，最大值和最小值分別為57.2238 m和-44.5159 m，標(biāo)準(zhǔn)差為34.770 9 m，均值為14.8409 m。從圖中可以看出，各基站間的碼偽距差波動較小，但其均值與事先標(biāo)定的真值偏差較大，分析是由多徑因素造成的固定偏差。

圖10 新主樓室內(nèi)測試環(huán)境Fig.10 New main building indoor test environment

圖11 測試點2的捕獲相關(guān)峰Fig.11 Capture correlation peak at test Point 2

圖12 測試點2跟蹤曲線及基站間距離差曲線Fig.12 Tracking curve and distance difference curves between base stations at test point 2

4 結(jié) 論

本文經(jīng)過不同環(huán)境的測試并對結(jié)果進行分析，初步驗證了所提方法的可行性，證明了系統(tǒng)定位的可行性和良好的覆蓋能力，但也發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)進一步應(yīng)用需解決的問題。綜合分析本文測試結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1）在室外開闊環(huán)境（操場2號點、3號點）的測試，位置差的精度較高，動態(tài)測試符合預(yù)期，說明了方法的可行性和有效性。

2）如果接收天線被行人遮擋（操場1號點，有跑步人員），會出現(xiàn)碼相位誤差變大和載波相位跳變的情況，在使用中應(yīng)該盡量避免。

3）本文信號的穿透能力較強，對復(fù)雜室內(nèi)的覆蓋范圍較大，但需要進一步解決多徑嚴(yán)重，以及信號衰減大、信號質(zhì)量下降等問題，才可以實現(xiàn)大區(qū)域的室內(nèi)定位，這也是下一步的工作重點。