應用FM廣播信號定位原理探析

殷志偉

摘 要：調頻（FM）廣播信號抗干擾能力強、寬頻帶、功率利用率高的特點，使得其在當代廣播信號中取得了廣泛應用。由于衛(wèi)星導航信號在地面范圍可能存在遮擋，且硬件成本相對較高，使得其應用受限。針對這個問題，本文從FM信號特點出發(fā)，對基于FM廣播信號定位的位置指紋法的原理進行探析，考慮應用已有廣播信號實現(xiàn)定位的優(yōu)勢與可能性。

關鍵詞：調頻（FM）;定位;廣播信號

引言：用戶位置信息已經成為互聯(lián)網(wǎng)時代廠商為用戶提供服務的重要依據(jù)，眾多網(wǎng)絡服務都依賴于位置信息。如何降低硬件成本，為用戶提供廉價的定位服務，已經成為近年的重要研究。盡管衛(wèi)星導航信號，如GPS信號和北斗信號，在全球具有優(yōu)秀的定位性能和覆蓋率，但在城市區(qū)域由于建筑物的存在經常會發(fā)生遮擋效應，從而影響性能[1]。近年來，我國廣播電臺在大中小城市實現(xiàn)了高覆蓋率，電臺所發(fā)射的FM信號在應用頻段內抗干擾性能良好，有必要探討使用該信號進行定位的優(yōu)勢及可能性。

1 FM信號特點與優(yōu)勢

FM指的是用載波的頻率變化來表征信息的調制方式。FM信號主要由甚高頻波段（30MHz到300MHz）的無線電波組成，明顯低于無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）和全球移動通訊系統(tǒng)（GSM）所處頻段，這也為FM信號提供了其獨有優(yōu)勢：

（1）無線電波的衰減效應隨頻率而增加，相比于Wi-Fi和GSM，F(xiàn)M信號在城市內部更容易穿過建筑物墻壁到達接收器，使得在復雜城市環(huán)境下的定位成為可能[2]。而且，F(xiàn)M信號波長為米級，使得在室內定位時，理論上該信號受障礙物影響較小[3]。

（2）FM信號受大氣條件影響較小。國際電信聯(lián)盟標準指出，頻率低于1GHz的信號，雨水散射帶來的干擾可忽略不計;頻率低于10GHz的信號，云霧所帶來的干擾效應也可忽略[2]。根據(jù)FM信號的頻率范圍，其受大氣條件影響可以忽略。

（3）FM信號對地形遮擋效應有更低的敏感度。舉例來說，100MHz的無線電波在穿過樹林時，其衰減效應的典型值約為0.04 dB/m，而對于GSM信號，其衰減程度甚至可以達到0.3 dB/m[2]。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)M信號受到地形等因素的影響更小。

（4）FM信號的覆蓋范圍通常可以達到數(shù)十甚至上百公里，使得城市或農村較大區(qū)域范圍內收到信號成為可能。并且，相對于Wi-Fi信號掃描儀，F(xiàn)M信號接收器（如收音機）通常具有更低的功耗[3]。

綜上所述，根據(jù)FM信號的特點，基于FM信號實現(xiàn)定位有其獨有優(yōu)勢，值得進行探討與研究。

2 位置指紋定位方法

可應用于定位的無線電信號特征主要包括信號到達時間（TOA）、信號到達時間差（TDOA）、信號到達角度（AOA）與接收信號強度（RSS）等[4]。其中，作為無線電信號的典型特征，RSS被廣泛應用于FM信號定位。理論上，RSS與傳輸距離的平方成反比，但在實際情況下，該特征值會受到多種環(huán)境因素的作用與影響[2]。這就使得基于RSS的直接定位方法精度較差，考慮到這一點，位置指紋定位方法被提出并應用。

位置指紋定位的方法核心在于將未知位置的觀測值與所有已知位置的測量值進行比較，找到最佳匹配值作為估計位置返回輸出，這使得該方法受環(huán)境因素的影響相對較小，抗干擾能力較強[1]。

該方法的實施主要分為訓練階段和測試階段，如圖1所示，在訓練階段，利用接收設備在已知位置點處采集多頻段FM信號（FM1， FM2，…， FMi）的信號強度（RSS1， RSS2， RSS3， RSS4，…， RSSn），以此為基礎采集信號特征建立指紋數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫包含了所有參考點處接收到的來自于不同頻段的RSS信息;在測試階段，根據(jù)獲得的信號指紋，選取適當算法對未知位置處的位置坐標進行匹配與估計，以得到滿足要求的最佳匹配值。在此過程中，樣本點的多少、采用的估計方法等都會直接影響到最終的定位精度。在采樣點數(shù)量達到一定量級時，可以期望其能夠達到十米級甚至是米級的精度要求;但在采樣點數(shù)量難以達到要求或前期測量成本較高時，也會對該方法的應用造成一定限制。

針對匹配估計算法，目前國內外已有一些研究，如確定性估計法、概率估計法、結合法以及通過訓練模型建立信號強度分布圖等等[4][5]。這些方法為應用位置指紋法實施定位過程提供了大量參考依據(jù)，可幫助用戶根據(jù)實際問題與需求完成定位方案的設計。

結語：

由于FM信號的覆蓋范圍大、抗干擾能力強等優(yōu)勢，應用FM信號進行定位成為了可能。在城市、山區(qū)等衛(wèi)星導航信號被遮擋的情況下，利用FM信號進行定位不但能保障定位系統(tǒng)可用性，而且能有效降低硬件成本。利用FM信號進行定位，可以拓寬傳統(tǒng)廣播信號的應用范圍，對我國廣電事業(yè)的發(fā)展具有重要的理論意義與實踐價值。

本文對廣泛應用于FM信號的位置指紋算法的原理進行了探析，分析了該方法的來源、實施過程與可行性。構建樣本指紋數(shù)據(jù)庫過程的采樣點數(shù)量是限制該方法精度的重要因素，因各種條件限制而無法繼續(xù)提高采樣點數(shù)量時，有必要根據(jù)實際需求，選取合適的匹配估計算法，以達到用戶所需的精度要求。

參考文獻：

[1]樓杭霄， 王結太， 滕姿， 等. 基于 FM 無線信號的定位系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 信息與電腦（理論版）， 2018， 11.

[2]Popleteev A. Indoor positioning using FM radio signals[D]. University of Trento， 2011.

[3]何艷軍. 基于 FM 的定位技術研究[D]. 湘潭大學， 2015.

[4]Youssef A， Krumm J， Miller E， et al. Computing location from ambient FM radio signals [commercial radio station signals][C]//IEEE Wireless Communications and Networking Conference， 2005. IEEE， 2005， 2： 824-829.

[5]Moghtadaiee V， Dempster A G. Indoor location fingerprinting using FM radio signals[J]. IEEE Transactions on Broadcasting， 2014， 60（2）： 336-346.