基于北斗指纹节点的室内外无缝导航定位系统的设计

Figure 1 Pseudo-random code generator 图 1 伪随机码产生器
由于指纹节点采用与北斗系统相同的伪随机码， 所以当指纹节点信号泄露到室外时会对北斗系统产生 干扰。如果此时使用同一伪随机码的北斗卫星为可见 星时，北斗接收机会同时就收到两个使用同一伪随机 码的信号，捕获模块可能会得到两个相关峰，进而导 致卫星信号的捕获概率降低甚至无法捕获。图 2 即为 当北斗卫星信号与指纹节点信号同时存在且卫星信号 比指纹节点信号强 5 dB 时，捕获得到的相关峰曲线， 从仿真结果中可以看到会出现两个相关峰值。所以在 实际布置系统时需要严格控制指纹节点的发射功率， 确保泄露到室外的信号强度极低，不会被北斗接收机 捕获到。
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
The Design of Indoor-outdoor Seamless Navigation System Based on Compass Fingerprint Nodes
Lei Chen1, Shuai Han, Deyue Zou, Weixiao Meng
第四届中国卫星导航学术年会电子文集
室内外无缝定位。
2 北斗指纹节点
接收机在室外接收北斗卫星发射的信号完成导航 定位，进入室内后将利用北斗指纹节点发射的信号实 现室内定位功能。因此北斗指纹节点的设计应满足以 下三点要求：首先，由于在室内和室外使用同一北斗 接收机，所以应尽量使接收指纹信号时北斗接收机芯 片组的固件改动最小；其次，指纹节点的发射功率要 严格受限，以保证不对室外的北斗系统产生干扰；最 后，室内指纹节点发射的信号应具备特征标识，以便 接收机“知道”用户从室外进入了室内。
1 引言
北斗卫星导航定位系统是中国自主研发和运营的 全球卫星导航定位系统，其在室外环境下可以为用户 提供可靠的导航定位服务。但是作为星基导航定位系 统北斗系统与 GPS、GLONASS 等系统一样，在地下 停车场等室内环境下系统性能会急剧恶化甚至无法使 用。为了弥补卫星导航定位系统的室内定位盲区，多 种室内定位技术相继被提出。目前比较成熟室内定位 系 统 大 多 基 于 WLAN[1,2,3] (Wireless Local Area Network)实现的，但是用户若想实现室内外无缝定位 需要用户需要同时拥有北斗和 WLAN 两套体制的接
Table 1 The RF characteristics of fingerprint node signal 表 1 指纹节点的射频特性
载波频率 调制方式 扩频码速率 扩频码长度 数据速率 极化方式 1561.098 MHz QPSK 2.046 Mcps 2046 码片 50 bps RHCP
…
室内环境 无缝定位系统
Figure 4 The structure of indoor-outdoor seamless navigation system 图 4 无缝导航定位系统的架构
3.2 室内定位原理
对于基于指纹节点的室内外无缝定位系统，由于 利用北斗卫星的室外定位技术已经很成熟，所以如何 利用指纹节点完成室内定位是本系统的关键问题。本 系统包含两种室内定位模式：基于改进的 Cell-ID 的 低精度定位模式和基于 Radio Map 的高精度定位模 式。 基于改进的 Cell-ID 的定位算法如图 5 所示，假 设 整 个 室 内 环 境 布 置 了 K 个 指 纹 节 点 (TP1, TP2, …… ,TPK) ，北斗接收机接收到的 RSS(Received Signal Strength)向量为(RSS1, RSS2,…， RSSi, …, RSSK)， 其中 RSSi 为接收机接收到的第 i 个指纹节点的信号强 度值。 然后接收机从 RSS 向量中选择强度值最大的三 个指纹节点作为解算节点，然后接收机通过解调这三 个指纹节点的数据得到三个指纹节点的位置信息 IA, IB, IC, 则接收机的位置可由方程(1)估计得到。
基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)(2012AA120802） 的资助
收机才能实现无缝定位，这大大的提高了终端设备的 成 本 和 复 杂 度 。 而 文 献 [4] 提 出 的 IMES(Indoor Messaging System)系统尽管利用在室内布置的 GPS 指 纹节点解决了利用同一接收机完成室内外定位问题， 但是该系统的定位精度取决于指纹节点的布置密度， 当指纹节点布置密度较小时精度较差，当指纹节点较 密时，精度虽然有所提高但是系统成本也随之增大。 本文结合了 IMES 系统中的指纹节点和 WLAN 室 提出了一种基于北斗 内定位中的 Radio Map[3]的思想， 指纹节点的室内外无缝导航定位系统，只需对北斗接 收机的软件进行升级，利用在室内布置的较少的指纹 节点， 即可完成利用同一接收机实现室内外定位功能， 避免了不同体制接收机之间互相切换，真正的实现了
Ir RSS A RSS B IA IB RSS A RSS B RSSC RSS A RSS B RSSC RSSC IC RSS A RSS B RSSC
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指纹节点的导航电文进行解调和帧同步，指纹节点信 号应该采用与北斗系统一致的帧结构。
北斗卫星
指纹节点
接收机 室外环境
接收机
Figure 3 The basic frame structure of fingerprint node 图 3 指纹节点的基本帧结构
如图 3 所示，指纹节点的每一帧导航电文包含 5 个子帧，每个子帧的同步头都与北斗信号一致。此外 由于指纹节点采用与北斗系统相同的伪随机码，所以 必须在数据帧中对指纹节点进行标识，以便与北斗信 号进行区分，所以指纹节点的数据帧中的第 1 子帧中 必须包括指纹节点 ID。 并且第 1 子帧的内容为本指纹 节点“星历”数据：主要包括本指纹节点所处楼层信 息，在本楼层的平面位置信息，使用的伪随机码序号 等；其他子帧的内容为整个指纹节点系统的“历书” 信息：主要是本楼层其他指纹节点位置信息，所使用 的伪随机码序列号等。
1
北斗卫星信号
0.8 归一化相关峰 指纹节点信号 0.6
0.4
0.2
0
1000
2000
3000
4000 码相位
5000
6来自百度文库00
7000
8000
Figure 2 The correlation peak after acquisition 图 2 捕获得到的相关峰
2.2 指纹节点信号的帧结构
指纹节点的导航电文速率与北斗 B1 频点的 D1 导 航电文速率相同都是 50 bps。为了便于北斗接收机对
的硬件改变，只需利用通用的北斗射频芯片即可完成 指纹节点信号的跟踪和捕获功能。
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
G1序列
复位时钟
初始相 位设置 相位选择 1 2 3 4 5 6 7 8 9
G2序列 伪码
移位时钟
10
11
2.1 指纹节点信号的射频特性
北斗指纹节点实际就是安装在室内的一种特制的 北斗信号发生器，其发射的信号的射频特性如表 1 所 示，与北斗 B1 频点的信号完全一致[5]。
指纹节点采用的伪随机码序列产生器结构如图 1 所示，与北斗 B1 频点测距码的发生器结构一致[5]。实 际上指纹节点的伪随机码发生器在选择上需要考虑诸 多因素。如果指纹节点的伪随机码发生器的相位选择 与北斗系统不同， 也即是 G2 序列的延时与北斗伪随机 码不同，则会产生与北斗系统的伪随机码属于同一码 组但是完全不同的伪随机码。这样北斗指纹节点的信 号就不会对北斗系统产生干扰，但是由于指纹节点使 用了全新的伪随机序列，则要求普通的北斗接收机也 必须在硬件上进行相应的改变。无论是在捕获和跟踪 模块中都要加入对指纹节点信号进行捕获和跟踪的功 能。这会增加接收机的复杂度和成本，与尽量使接收 指纹信号时北斗接收机芯片组的固件改动最小的设计 初衷相悖。 为了使北斗接收机无需增加指纹节点伪随机码产 生模块，本设计在指纹节点中使用与北斗系统中完全 相同的伪随机码， 即伪随机码发生器中的 G2 序列的延 迟与北斗系统完全一致。这样北斗接收机就不需额外
Communication Research Center, Harbin Institute of Technology, Harbin, China 150080 1. chen.naruto@gmail.com
Abstract: As the indoor positioning is the blind area of the Compass navigation system and most of the indoor positioning methods are based on WLAN (Wireless Local Area Network) system, the users have to use a more complex terminal device equipped with Compass-based and WLAN-based receivers to navigate seamlessly indoors and outdoors. To solve this problem, this paper proposes an indoor-outdoor seamless navigation system based on Compass fingerprint nodes. And Compass receivers can locate indoor and outdoor seamlessly by only a software-upgrade. When the receiver is set in low-precision mode, the improved Cell-ID-based location method will be utilized. When the high-precision mode is set, the receiver can be located after the matching operation between the RSS (Received Signal Strength) and the Radio Map. As there is no requirement to switch the receivers to another different system, the Compass fingerprint nodes system realizes the true indoor-outdoor seamless navigation. Keywords: Compass; Seamless Navigation; Fingerprint Node
基于北斗指纹节点的室内外无缝导航定位系统的设计
陈雷 1，韩帅，邹德岳，孟维晓
哈尔滨工业大学通信技术研究所，哈尔滨，中国，150080
1. chen.naruto@gmail.com
【摘要】北斗卫星导航定位系统在室外环境下可以提供可靠的定位服务，但是室内环境仍是其定位盲 区。当前的室内定位技术大多是基于WLAN (Wireless Local Area Network)实现，用户需要同时拥有北 斗和WLAN两套体制的接收机才能实现无缝定位。针对这一问题，本文设计了一种基于北斗指纹节点 的室内外无缝导航定位系统，利用安置在室内的指纹节点，仅依靠北斗接收机即可完成室内外无缝定 位。当用户需求的精度较低时，北斗接收机在室内可以使用改进的Cell-ID定位算法；当要求精度较高 时， 接收机通过对接收到的指纹节点信号强度值与组建系统时得到的Radio-Map进行匹配， 完成定位解 算。本文提出的室内外无缝导航定位系统，只需对北斗接收机的软件进行升级，即可完成利用同一接 收机实现室内外定位功能，避免了不同体制接收机之间互相切换，真正的实现了室内外无缝定位。 【关键词】北斗；无缝导航；指纹节点