劉天朗，陳 煒

（北京世紀聯(lián)信科技有限公司，北京 100086）

通過北斗信標實現(xiàn)室內(nèi)定位的方案設(shè)計

劉天朗，陳 煒

（北京世紀聯(lián)信科技有限公司，北京 100086）

為解決室內(nèi)等環(huán)境衛(wèi)星導航信號被遮擋、無法定位問題，本文設(shè)計開發(fā)一種北斗信標裝置，使現(xiàn)有北斗導航設(shè)備在不改變?nèi)魏斡布那疤嵯?，進入室內(nèi)后可以接收信標發(fā)射信號，從而實現(xiàn)室外/室內(nèi)連續(xù)無縫定位。

北斗衛(wèi)星導航；室內(nèi)定位；北斗信標

1 引言

隨著導航定位應(yīng)用的普及和基于位置服務(wù)LBS的蓬勃發(fā)展，人們對室內(nèi)位置服務(wù)的需求不斷增加，醫(yī)院、商場、機場、展廳、寫字樓、倉庫、地下停車場等都需要使用準確的室內(nèi)定位信息，特別是在應(yīng)對緊急情況時（如緊急援救、救災(zāi)應(yīng)急指揮等特殊應(yīng)用場景下），室內(nèi)定位功能更是顯得尤為重要，對導航定位技術(shù)可靠性和連續(xù)性的要求日益迫切。然而作為這些領(lǐng)域的重要定位手段，GPS及北斗等衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)在地下、城市峽谷和室內(nèi)等復雜環(huán)境中，因為信號的衰減、干擾和遮擋等原因，接收機定位精度很差甚至無法定位，而此類環(huán)境恰好是被定位對象的主要活動區(qū)域，這也讓衛(wèi)星導航系統(tǒng)應(yīng)用存在死角和盲區(qū)。

2 目前主要室內(nèi)定位技術(shù)

對于衛(wèi)星定位系統(tǒng)難以覆蓋的室內(nèi)環(huán)境，以現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和射頻識別等為代表的室內(nèi)定位技術(shù)實現(xiàn)了局域室內(nèi)定位，但由于需要布置大量節(jié)點，系統(tǒng)難以時間同步，導致信號覆蓋及精確定位成本較高，無法與室外定位進行無縫的銜接。幾種主要室內(nèi)定位技術(shù)比較如表1所示。

表1 幾種室內(nèi)定位手段比較

目前室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展要解決以下問題：

⊙ 定位精度問題。由于室內(nèi)環(huán)境復雜，存在著較為嚴重的反射、衍射和繞射等非視距傳播、多徑情況，人員的走動等會對電磁傳播環(huán)境帶來難以預(yù)計的變化，影響定位精度提高。

⊙ 定位效率問題。為減少非視距等導致的誤差影響，采用了網(wǎng)格定位技術(shù)，通過預(yù)存網(wǎng)格定位參數(shù)，進行特征匹配定位，需要建立并存儲大量的特征網(wǎng)格，需要大量人工密集采樣，構(gòu)建效率不高。

⊙ 覆蓋成本問題。需要在室內(nèi)布設(shè)節(jié)點進行指紋定位，信號覆蓋與采集成本較高，降低定位信號覆蓋成本已成為室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

⊙ 室內(nèi)外定位融合問題。位置服務(wù)正由室外服務(wù)向室內(nèi)外一體化服務(wù)方向發(fā)展，隨著北斗系統(tǒng)應(yīng)用大規(guī)模開展，室內(nèi)定位技術(shù)與北斗衛(wèi)星導航技術(shù)的深度融合、無縫銜接，將加快北斗系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化步伐。

常用的無線定位算法有TOA（到達時間）、TDOA（到達時間差）、AOA（到達角度）、RSSI（信號強度測距）等。TOA定位基本原理是通過測出電波從終端傳播到多個基站的時間來確定終端的位置，定位精度高，但要求終端及基站保持準確時間同步，對硬件提出很高要求；TDOA定位是利用多個基站接收到信號的時間差來確定終端位置，成本與功耗也較高；AOA定位易受環(huán)境因素影響，雖然RSSI表現(xiàn)出良好特性，但是在復雜環(huán)境中應(yīng)用仍然存在困難。

為解決衛(wèi)星導航系統(tǒng)在室內(nèi)等弱信號環(huán)境定位問題，可以采取偽衛(wèi)星定位方案。偽衛(wèi)星又稱“地面衛(wèi)星”，是從地面某特定地點發(fā)射類似衛(wèi)星導航信號，采用的電文格式與衛(wèi)星信號基本一致，由于采取TOA定位，要求偽衛(wèi)星與衛(wèi)星時間同步，偽衛(wèi)星需要高精度時間系統(tǒng)，使現(xiàn)有偽衛(wèi)星造價高，不利于大規(guī)模覆蓋室內(nèi)區(qū)域。此外，偽衛(wèi)星信號對衛(wèi)星導航信號有一定干擾，要解決遠-近效應(yīng)問題，即在最大范圍內(nèi)能提供足夠強的偽衛(wèi)星信號，又能在距偽衛(wèi)星很近時不干擾衛(wèi)星導航信號，這對接收機動態(tài)接收范圍提出很高要求。

3 設(shè)計思路

為了低成本解決衛(wèi)星導航室內(nèi)定位問題，可設(shè)計一種基于RSSI（信號強度測距）定位的簡易衛(wèi)星信號發(fā)生裝置，該裝置發(fā)射仿北斗衛(wèi)星信號的室內(nèi)定位電文，電文中含有裝置安裝地點的經(jīng)度、緯度及高度信息，北斗接收機收到該信號后，可快速確定接收機所在大致位置范圍，同時通過分析信號場強強度進一步精確定位。由于沒有采取TOA定位方式，該裝置不需要與衛(wèi)星進行同步，可以大大簡化硬件設(shè)計，該裝置體積小、成本低，定位時間更快，安裝便捷，適合大規(guī)模部署，由于信號發(fā)射功率很小，可以忽略對衛(wèi)星信號的干擾問題。

通過該裝置設(shè)計，能夠有效解決傳統(tǒng)北斗、GPS衛(wèi)星定位無法覆蓋室內(nèi)、地下等弊端和缺陷，實現(xiàn)室內(nèi)、室外無縫銜接定位，能夠極大提升定位導航的實用性、精確性。該裝置可首先在機場、高鐵車站、商場等大型公共場所安裝，滿足緊急救援、搶險救災(zāi)時指揮調(diào)度對室內(nèi)定位的需求，也可以進一步擴展北斗室內(nèi)位置服務(wù)，催生新的商業(yè)模式，將使導航從目前的“樓到樓”擴展到“門到門”、“人到人”的水平，推動北斗應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。

4 方案設(shè)計

設(shè)計開發(fā)一種室內(nèi)定位北斗信標，該裝置可在室內(nèi)發(fā)射仿北斗衛(wèi)星信號，使現(xiàn)有北斗導航設(shè)備在不改變?nèi)魏斡布那疤嵯拢M入室內(nèi)后接收該裝置發(fā)射的仿北斗衛(wèi)星信號，實現(xiàn)自主定位服務(wù)，從而保證室外/室內(nèi)衛(wèi)星導航連續(xù)無縫定位。

北斗信標裝置基本功能描述如下：

⊙ 發(fā)射信號形式。發(fā)射信號參照北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號規(guī)范，信號結(jié)構(gòu)、信號特性等與北斗衛(wèi)星信號保持一致。

⊙ 發(fā)射信號內(nèi)容。播發(fā)的室內(nèi)定位電文中含有信標所在位置的信息，主要包括時間、經(jīng)度、緯度、高度、樓宇信息（樓宇號、樓層號等）、設(shè)備識別號等，由于采用與北斗系統(tǒng)相同的偽隨機碼，所以必須在數(shù)據(jù)幀中對信標進行標識，以便與北斗衛(wèi)星信號進行區(qū)。

⊙ 發(fā)射信號特性。采取B1信號，載波頻率：1561.098MHz，基帶信號：2.046MHz，信號復用方式為碼分多址：CDMA，載波頻率1561.098MHz，調(diào)制方式QPSK，擴頻碼速率2.046Mc/s，擴頻碼長度2046，碼片數(shù)據(jù)速率50b/s。

⊙ 信號發(fā)射功率。發(fā)射功率為-70dBm左右，上下20dBm范圍可調(diào)，使信號覆蓋范圍控制在數(shù)十米范圍內(nèi)，確保泄露到室外的信號強度極低，不會被北斗接收機捕獲到。

⊙ 接口設(shè)置。串口為RS232，無線接口為ZigBee等，主要考慮低功耗及降低成本。

⊙ 接口功能。可以通過串口或者無線近距離傳輸方式，將信標的配置信息如時間、經(jīng)度、緯度、高度、樓宇參數(shù)、設(shè)備識別號等寫入信標裝置，也可進行軟件升級等。

⊙ 定位精度。定位精度高，室內(nèi)定位精度水平方向優(yōu)于4米、高程方向優(yōu)于2米。

⊙ 定位時間。定位時間快，室內(nèi)外無縫切換時間小于30ms，啟動時間小于10ms。

⊙ 設(shè)備功耗。低功耗，整體功耗不大于30mw。

⊙ 設(shè)備尺寸。由于采用簡易信號發(fā)射設(shè)計，發(fā)射功率低，產(chǎn)品尺寸預(yù)計與智能手機大小相近。

⊙ 設(shè)備成本。預(yù)計不超過百元。

北斗室內(nèi)定位信標原理實現(xiàn)如圖1所示。

信標發(fā)射信號遵循北斗衛(wèi)星導航信號規(guī)范，信號特征、頻點、格式、幀結(jié)構(gòu)與B1信號沒有差別，而信號電文內(nèi)容相對衛(wèi)星導航電文做了調(diào)整，播發(fā)信標安裝地點的經(jīng)度、緯度、高度、建筑參數(shù)、設(shè)備識別號等數(shù)據(jù)信息，現(xiàn)有的北斗衛(wèi)星接收機無需更改硬件部分，升級現(xiàn)有的接收機應(yīng)用軟件，在信標覆蓋范圍內(nèi)，就可以接收信標發(fā)射信號，獲取所播發(fā)的位置等數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)快速粗略定位。在一個建筑物內(nèi)，可以安裝多個北斗信標，形成交叉覆蓋，可以根據(jù)定位精度需要及遮擋等情況，增加北斗信標安裝密度，如圖2所示。

圖1 北斗室內(nèi)定位信標原理框圖

圖2 北斗衛(wèi)星導航室內(nèi)外無縫定位示意圖

通過建立信標信號指紋庫可以進一步精確定位，將室內(nèi)定位區(qū)域按一定尺度的網(wǎng)格進行劃分，以每個網(wǎng)格頂點為參考點，在每個參考點上采集信標信號特征參數(shù)，構(gòu)建一個與位置有關(guān)的信號強度向量指紋庫，該指紋庫描述了空間位置與信號強度的關(guān)系，提供了該定位區(qū)域信號分布特征。北斗終端接收到信標信號后，形成特征向量，在指紋庫中通過特定匹配算法進行位置的搜索，實現(xiàn)北斗終端定位。

北斗終端用戶在室外時利用北斗衛(wèi)星進行定位，而進入室內(nèi)后利用信標進行定位，接收機會自動判斷接收的是衛(wèi)星信號還是北斗信標信號，并利用相應(yīng)的定位算法對用戶進行定位，真正實現(xiàn)無縫定位銜接。北斗信標的尺寸比較小，預(yù)計尺寸與現(xiàn)有的智能手機大小相仿，很容易嵌入相應(yīng)的信號發(fā)送地點，并且只需接通電源即可工作，安裝簡單，便于大規(guī)模布控和應(yīng)用。北斗信號可以完全在室內(nèi)被使用，把定位導航真正帶進室內(nèi)。

5 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

5.1 RSSI定位算法實現(xiàn)

室內(nèi)定位的主要誤差來自于接收端與發(fā)射端之間信號的無線傳播環(huán)境，其次是由定位裝置引入的誤差，包括多徑傳播、非視距傳播和電子設(shè)備信號干擾等。其中以多徑及非視距傳播引起的誤差最為嚴重，可以通過定位算法來減小定位誤差，后者誤差主要由提高接收端與發(fā)射端的硬件穩(wěn)定性來減少。

為了提高室內(nèi)定位精度，可從RSSI信號測量、RSSI信號處理、室內(nèi)傳播模型、定位算法等方面進行研究。將分析不同類型的室內(nèi)環(huán)境，研究北斗信標發(fā)射信號衰減規(guī)律，形成測距模型，基于信標位置、室內(nèi)地理信息、測距模型以及測量到的多裝置信號強度，通過綜合計算定位來提高精度?；谛盘枏姸萊SSI測距的定位算法流程如圖3所示。在北斗接收機用戶移動場景下，如果RSSI信號處理時間過長，會造成位置錯位，產(chǎn)生較大的定位誤差，為此，將研究動態(tài)RSSI信號處理方法如均值濾波法、卡爾曼濾波法、修正加權(quán)濾波法等。

圖3 基于RSSI測距的定位算法流程圖

5.2 信標信號精確定位技術(shù)

研究信標信號室內(nèi)傳播模型，測量不同材質(zhì)遮擋物對信號衰減產(chǎn)生的影響，并利用射線跟蹤法，對各類不同環(huán)境下的信號衰減進行修正；根據(jù)信標位置，結(jié)合室內(nèi)地理信息，進行信號強度預(yù)測，產(chǎn)生Radio Map；根據(jù)實測的多個信標信號強度，進行動態(tài)濾波，減輕快衰落對定位造成的影響，并利用信號強度預(yù)測產(chǎn)生的Radio Map進行最優(yōu)搜索，進行精確定位。

5.3 裝置設(shè)計實現(xiàn)

北斗室內(nèi)定位信標主要由北斗信號發(fā)射模塊、ZigBee模塊及天線等構(gòu)成，由于ZigBee模塊及天線可采用市場上現(xiàn)成的標準化產(chǎn)品，而本裝置的成本、功耗及尺寸等因素將主要由北斗信號發(fā)射模塊所決定。當本裝置批量較少時，可采用現(xiàn)有的分離器件來搭建北斗信號發(fā)射模塊，當本裝置形成大批量規(guī)模時，將考慮通過專用芯片化的方式來實現(xiàn)。

北斗室內(nèi)定位信標設(shè)計主要包括：裝置發(fā)射信號設(shè)計，射頻信號的頻率、調(diào)制方式、電文格式、發(fā)射功率、電文內(nèi)容等；裝置硬件設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計、硬件調(diào)試、綜合試驗等；裝置功能設(shè)計，射頻及基帶信號產(chǎn)生、工作模式控制、接口控制、電源控制等。

5.4 專用芯片化設(shè)計實現(xiàn)

由于北斗射頻和基帶芯片已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，集成電路設(shè)計和制造已經(jīng)積累了很多的技術(shù)和經(jīng)驗，模塊設(shè)計經(jīng)過實際使用，都已經(jīng)有了成熟的設(shè)計電路，主流芯片工藝已進入40nm以下CMOS工藝，進一步地降低了芯片尺寸和功耗，因此，從技術(shù)上講開發(fā)專用芯片來研制北斗信號發(fā)射模塊是可行的。

裝置專用芯片設(shè)計時低功耗是主要的考慮因素，將采取低功耗芯片設(shè)計技術(shù)來實現(xiàn)。同時在不同的芯片工作模式下，合理開關(guān)并有效控制不同模塊功能的功耗負擔，以盡可能降低整體功耗。

6 應(yīng)用前景

可首先在大型重點室內(nèi)公共區(qū)域安裝北斗信標，應(yīng)對緊急救援時對室內(nèi)定位剛性需求，形成一定覆蓋密度后，可以發(fā)展針對大眾應(yīng)用的室內(nèi)位置服務(wù)新商業(yè)模式，將成為移動互聯(lián)網(wǎng)重要的入口之一，主要包括以下應(yīng)用：

⊙ 室內(nèi)精準導航：在大型公共場所，例如大型商場、超市、酒店、機場、博物館、音樂廳以及會展中心等，室內(nèi)定位技術(shù)可以幫助顧客前往目標店鋪、展位及商品區(qū)域。

圖4 室內(nèi)定位導航示意圖

⊙ 個性化營銷：根據(jù)用戶的歷史位置和現(xiàn)實位置，室內(nèi)定位能夠幫助商家向潛在顧客推送針對性、個性化的廣告和信息，精準地滿足用戶需求，促進用戶消費。

⊙ 人員管理：通過高精度的室內(nèi)定位，可以幫助家長在空間復雜、人流多的大型公共場所中尋找兒童，可以幫助用戶在復雜建筑中定位快遞人員等。

⊙ 社交網(wǎng)絡(luò)：借助室內(nèi)定位能實現(xiàn)有針對性的、高精度的消息推送、交友互動，將在社交網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域掀起新的變革。

7 結(jié)束語

本方案設(shè)計北斗信標裝置電路簡單，定位時間快、體積小、功耗少、成本低，安裝便捷，適合大規(guī)模部署。地理位置是人的行為活動的重要基礎(chǔ)之一，而室內(nèi)又是人每天活動時間最長的區(qū)域，因此，只要將室內(nèi)位置與用戶數(shù)據(jù)及興趣信息相關(guān)聯(lián)，北斗室內(nèi)定位必定有非常廣闊的應(yīng)用前景?！?/p>

[1] 謝鋼．GPS原理與接收機設(shè)計．北京：電子工業(yè)出版社，2009.7

[2] 陳雷．基于北斗指紋節(jié)點的室內(nèi)外無縫導航定位系統(tǒng)的設(shè)計．見：第四屆中國衛(wèi)星導航學術(shù)年會電子文集，2013.5

[3] 劉軍發(fā)．基于WiFi的室內(nèi)定位方法及系統(tǒng)．信息技術(shù)快報，2010.9

[4] 常浩．高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)的偽衛(wèi)星布局研究．遙測遙控，2007.11

[5] 容曉峰．RSSI位置指紋的定位誤差分析與仿真．西北工業(yè)大學學報，2010.12

[6] 李昊．位置指紋定位技術(shù)．山西電子技術(shù)，2007.5

交通運輸行業(yè)將規(guī)模應(yīng)用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

日前，交通運輸部出臺《關(guān)于在行業(yè)推廣應(yīng)用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的指導意見》（簡稱《指導意見》），明確到2020年，交通運輸各領(lǐng)域北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)普及程度顯著提高，應(yīng)用標準政策環(huán)境進一步完善，定位導航服務(wù)能力和業(yè)務(wù)支撐能力明顯增強，北斗系統(tǒng)國際化取得顯著成果，基于北斗系統(tǒng)的定位、導航、通信、授時和短報文通信服務(wù)體系基本成型。

交通運輸部長期以來對在交通運輸行業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)工作給予了高度重視，開展了大量行之有效的工作?！笆濉睍r期，行業(yè)內(nèi)開展了一系列北斗系統(tǒng)應(yīng)用相關(guān)工作，在重點營運車輛監(jiān)管、船舶監(jiān)控、遇險搜救、北斗系統(tǒng)國際化等方面均取得了顯著成效，北斗系統(tǒng)應(yīng)用與行業(yè)信息化建設(shè)結(jié)合日益緊密。

進入“十三五”時期，北斗系統(tǒng)迎來了全球系統(tǒng)建設(shè)的重要時期，交通運輸行業(yè)也進入了轉(zhuǎn)型升級發(fā)展的關(guān)鍵階段。據(jù)交通運輸部綜合規(guī)劃司副司長、交通運輸部北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應(yīng)用工作領(lǐng)導小組辦公室主任彭思義介紹，交通運輸部在深入總結(jié)行業(yè)北斗系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合北斗系統(tǒng)發(fā)展趨勢和行業(yè)實際情況，研究制定了《指導意見》。

彭思義認為，《指導意見》的出臺，再次體現(xiàn)了交通運輸部對做好行業(yè)北斗系統(tǒng)應(yīng)用工作、落實國家北斗系統(tǒng)相關(guān)政策的高度重視，從頂層設(shè)計角度明確了行業(yè)北斗系統(tǒng)應(yīng)用工作的基本理念和思路?！白鳛橹笇晕募?，《指導意見》針對性強、任務(wù)明確，對抓住‘十三五’機遇期，拓展行業(yè)北斗系統(tǒng)應(yīng)用深度和廣度，推進行業(yè)北斗系統(tǒng)應(yīng)用持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義?！彼麖娬{(diào)。

據(jù)了解，《指導意見》將進一步擴大行業(yè)北斗系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域、拓寬北斗系統(tǒng)應(yīng)用模式、完善北斗系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境作為重點任務(wù)，提出促進北斗系統(tǒng)在運輸過程監(jiān)管及服務(wù)、路網(wǎng)運行監(jiān)測、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及安全健康監(jiān)測、安全應(yīng)急、物流等多領(lǐng)域的應(yīng)用，基本涵蓋了行業(yè)內(nèi)對定位導航存在需求的各個領(lǐng)域。

此外，《指導意見》還充分考慮到行業(yè)信息化發(fā)展趨勢，提出探索北斗系統(tǒng)在車道級監(jiān)控管理、無人駕駛等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用，以及促進行業(yè)北斗增強系統(tǒng)和高精度服務(wù)體系建設(shè)等內(nèi)容。

“下一步，交通運輸部計劃建設(shè)‘北斗高精度導航與位置服務(wù)信息資源中心’，生成面向綜合交通的專業(yè)衛(wèi)星導航增強服務(wù)信息，相關(guān)項目已經(jīng)列入《交通運輸信息化“十三五”發(fā)展規(guī)劃》?！敝袊煌ㄍㄐ判畔⒅行闹魅?、交通運輸部北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)應(yīng)用工作領(lǐng)導小組辦公室副主任曹德勝表示，“根據(jù)《指導意見》，將繼續(xù)推動北斗系統(tǒng)國際化，交通通信信息中心將與相關(guān)單位配合，推動北斗系統(tǒng)衛(wèi)星搭載搜救載荷及地面配套系統(tǒng)建設(shè)等工作，繼續(xù)推進北斗系統(tǒng)進入國際搜救衛(wèi)星組織等國際組織，推動北斗系統(tǒng)與交通運輸行業(yè)共同‘走出去’?！?/p>

Design of BeiDou Beacon Device for Indoor Positioning

Liu Tianlang, Chen Wei
(Beijing Century Lensys Technology Ltd., Beijing, 100086)

In order to solve the problem that the indoor environment such as satellite navigation signals to be blocked can't locate, design a BeiDou beacon device, without changing the existing BeiDou navigation any hardware, after entering the room to receive the beacon signal, thereby to achieve continuous seamless outdoor/ indoor positioning.

BeiDou satellite navigation; indoor location; the BeiDou beacon Device

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2017.02.002

TN96

A

1672-7274（2017）02-0007-05

陳 煒，曾在中科院自動化所從事嵌入式系統(tǒng)研究，現(xiàn)擔任北京世紀聯(lián)信科技有限公司總經(jīng)理，從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+北斗應(yīng)用有關(guān)項目的開發(fā)和研究。