通过北斗信标实现室内定位的方案设计

刘天朗，陈 炜

（北京世纪联信科技有限公司，北京 100086）

通过北斗信标实现室内定位的方案设计

刘天朗，陈 炜

（北京世纪联信科技有限公司，北京 100086）

为解决室内等环境卫星导航信号被遮挡、无法定位问题，本文设计开发一种北斗信标装置，使现有北斗导航设备在不改变任何硬件的前提下，进入室内后可以接收信标发射信号，从而实现室外/室内连续无缝定位。

北斗卫星导航；室内定位；北斗信标

1 引言

随着导航定位应用的普及和基于位置服务LBS的蓬勃发展，人们对室内位置服务的需求不断增加，医院、商场、机场、展厅、写字楼、仓库、地下停车场等都需要使用准确的室内定位信息，特别是在应对紧急情况时（如紧急援救、救灾应急指挥等特殊应用场景下），室内定位功能更是显得尤为重要，对导航定位技术可靠性和连续性的要求日益迫切。然而作为这些领域的重要定位手段，GPS及北斗等卫星导航定位系统在地下、城市峡谷和室内等复杂环境中，因为信号的衰减、干扰和遮挡等原因，接收机定位精度很差甚至无法定位，而此类环境恰好是被定位对象的主要活动区域，这也让卫星导航系统应用存在死角和盲区。

2 目前主要室内定位技术

对于卫星定位系统难以覆盖的室内环境，以现有无线传感器网络和射频识别等为代表的室内定位技术实现了局域室内定位，但由于需要布置大量节点，系统难以时间同步，导致信号覆盖及精确定位成本较高，无法与室外定位进行无缝的衔接。几种主要室内定位技术比较如表1所示。

表1 几种室内定位手段比较

目前室内定位技术发展要解决以下问题：

⊙ 定位精度问题。由于室内环境复杂，存在着较为严重的反射、衍射和绕射等非视距传播、多径情况，人员的走动等会对电磁传播环境带来难以预计的变化，影响定位精度提高。

⊙ 定位效率问题。为减少非视距等导致的误差影响，采用了网格定位技术，通过预存网格定位参数，进行特征匹配定位，需要建立并存储大量的特征网格，需要大量人工密集采样，构建效率不高。

⊙ 覆盖成本问题。需要在室内布设节点进行指纹定位，信号覆盖与采集成本较高，降低定位信号覆盖成本已成为室内定位技术发展的必然趋势。

⊙ 室内外定位融合问题。位置服务正由室外服务向室内外一体化服务方向发展，随着北斗系统应用大规模开展，室内定位技术与北斗卫星导航技术的深度融合、无缝衔接，将加快北斗系统的产业化步伐。

常用的无线定位算法有TOA（到达时间）、TDOA（到达时间差）、AOA（到达角度）、RSSI（信号强度测距）等。TOA定位基本原理是通过测出电波从终端传播到多个基站的时间来确定终端的位置，定位精度高，但要求终端及基站保持准确时间同步，对硬件提出很高要求；TDOA定位是利用多个基站接收到信号的时间差来确定终端位置，成本与功耗也较高；AOA定位易受环境因素影响，虽然RSSI表现出良好特性，但是在复杂环境中应用仍然存在困难。

为解决卫星导航系统在室内等弱信号环境定位问题，可以采取伪卫星定位方案。伪卫星又称“地面卫星”，是从地面某特定地点发射类似卫星导航信号，采用的电文格式与卫星信号基本一致，由于采取TOA定位，要求伪卫星与卫星时间同步，伪卫星需要高精度时间系统，使现有伪卫星造价高，不利于大规模覆盖室内区域。此外，伪卫星信号对卫星导航信号有一定干扰，要解决远-近效应问题，即在最大范围内能提供足够强的伪卫星信号，又能在距伪卫星很近时不干扰卫星导航信号，这对接收机动态接收范围提出很高要求。

3 设计思路

为了低成本解决卫星导航室内定位问题，可设计一种基于RSSI（信号强度测距）定位的简易卫星信号发生装置，该装置发射仿北斗卫星信号的室内定位电文，电文中含有装置安装地点的经度、纬度及高度信息，北斗接收机收到该信号后，可快速确定接收机所在大致位置范围，同时通过分析信号场强强度进一步精确定位。由于没有采取TOA定位方式，该装置不需要与卫星进行同步，可以大大简化硬件设计，该装置体积小、成本低，定位时间更快，安装便捷，适合大规模部署，由于信号发射功率很小，可以忽略对卫星信号的干扰问题。

通过该装置设计，能够有效解决传统北斗、GPS卫星定位无法覆盖室内、地下等弊端和缺陷，实现室内、室外无缝衔接定位，能够极大提升定位导航的实用性、精确性。该装置可首先在机场、高铁车站、商场等大型公共场所安装，满足紧急救援、抢险救灾时指挥调度对室内定位的需求，也可以进一步扩展北斗室内位置服务，催生新的商业模式，将使导航从目前的“楼到楼”扩展到“门到门”、“人到人”的水平，推动北斗应用产业的良性发展。

4 方案设计

设计开发一种室内定位北斗信标，该装置可在室内发射仿北斗卫星信号，使现有北斗导航设备在不改变任何硬件的前提下，进入室内后接收该装置发射的仿北斗卫星信号，实现自主定位服务，从而保证室外/室内卫星导航连续无缝定位。

北斗信标装置基本功能描述如下：

⊙ 发射信号形式。发射信号参照北斗卫星导航系统信号规范，信号结构、信号特性等与北斗卫星信号保持一致。

⊙ 发射信号内容。播发的室内定位电文中含有信标所在位置的信息，主要包括时间、经度、纬度、高度、楼宇信息（楼宇号、楼层号等）、设备识别号等，由于采用与北斗系统相同的伪随机码，所以必须在数据帧中对信标进行标识，以便与北斗卫星信号进行区。

⊙ 发射信号特性。采取B1信号，载波频率：1561.098MHz，基带信号：2.046MHz，信号复用方式为码分多址：CDMA，载波频率1561.098MHz，调制方式QPSK，扩频码速率2.046Mc/s，扩频码长度2046，码片数据速率50b/s。

⊙ 信号发射功率。发射功率为-70dBm左右，上下20dBm范围可调，使信号覆盖范围控制在数十米范围内，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。

⊙ 接口设置。串口为RS232，无线接口为ZigBee等，主要考虑低功耗及降低成本。

⊙ 接口功能。可以通过串口或者无线近距离传输方式，将信标的配置信息如时间、经度、纬度、高度、楼宇参数、设备识别号等写入信标装置，也可进行软件升级等。

⊙ 定位精度。定位精度高，室内定位精度水平方向优于4米、高程方向优于2米。

⊙ 定位时间。定位时间快，室内外无缝切换时间小于30ms，启动时间小于10ms。

⊙ 设备功耗。低功耗，整体功耗不大于30mw。

⊙ 设备尺寸。由于采用简易信号发射设计，发射功率低，产品尺寸预计与智能手机大小相近。

⊙ 设备成本。预计不超过百元。

北斗室内定位信标原理实现如图1所示。

信标发射信号遵循北斗卫星导航信号规范，信号特征、频点、格式、帧结构与B1信号没有差别，而信号电文内容相对卫星导航电文做了调整，播发信标安装地点的经度、纬度、高度、建筑参数、设备识别号等数据信息，现有的北斗卫星接收机无需更改硬件部分，升级现有的接收机应用软件，在信标覆盖范围内，就可以接收信标发射信号，获取所播发的位置等数据信息，实现快速粗略定位。在一个建筑物内，可以安装多个北斗信标，形成交叉覆盖，可以根据定位精度需要及遮挡等情况，增加北斗信标安装密度，如图2所示。

图1 北斗室内定位信标原理框图

图2 北斗卫星导航室内外无缝定位示意图

通过建立信标信号指纹库可以进一步精确定位，将室内定位区域按一定尺度的网格进行划分，以每个网格顶点为参考点，在每个参考点上采集信标信号特征参数，构建一个与位置有关的信号强度向量指纹库，该指纹库描述了空间位置与信号强度的关系，提供了该定位区域信号分布特征。北斗终端接收到信标信号后，形成特征向量，在指纹库中通过特定匹配算法进行位置的搜索，实现北斗终端定位。

北斗终端用户在室外时利用北斗卫星进行定位，而进入室内后利用信标进行定位，接收机会自动判断接收的是卫星信号还是北斗信标信号，并利用相应的定位算法对用户进行定位，真正实现无缝定位衔接。北斗信标的尺寸比较小，预计尺寸与现有的智能手机大小相仿，很容易嵌入相应的信号发送地点，并且只需接通电源即可工作，安装简单，便于大规模布控和应用。北斗信号可以完全在室内被使用，把定位导航真正带进室内。

5 关键技术实现

5.1 RSSI定位算法实现

室内定位的主要误差来自于接收端与发射端之间信号的无线传播环境，其次是由定位装置引入的误差，包括多径传播、非视距传播和电子设备信号干扰等。其中以多径及非视距传播引起的误差最为严重，可以通过定位算法来减小定位误差，后者误差主要由提高接收端与发射端的硬件稳定性来减少。

为了提高室内定位精度，可从RSSI信号测量、RSSI信号处理、室内传播模型、定位算法等方面进行研究。将分析不同类型的室内环境，研究北斗信标发射信号衰减规律，形成测距模型，基于信标位置、室内地理信息、测距模型以及测量到的多装置信号强度，通过综合计算定位来提高精度。基于信号强度RSSI测距的定位算法流程如图3所示。在北斗接收机用户移动场景下，如果RSSI信号处理时间过长，会造成位置错位，产生较大的定位误差，为此，将研究动态RSSI信号处理方法如均值滤波法、卡尔曼滤波法、修正加权滤波法等。

图3 基于RSSI测距的定位算法流程图

5.2 信标信号精确定位技术

研究信标信号室内传播模型，测量不同材质遮挡物对信号衰减产生的影响，并利用射线跟踪法，对各类不同环境下的信号衰减进行修正；根据信标位置，结合室内地理信息，进行信号强度预测，产生Radio Map；根据实测的多个信标信号强度，进行动态滤波，减轻快衰落对定位造成的影响，并利用信号强度预测产生的Radio Map进行最优搜索，进行精确定位。

5.3 装置设计实现

北斗室内定位信标主要由北斗信号发射模块、ZigBee模块及天线等构成，由于ZigBee模块及天线可采用市场上现成的标准化产品，而本装置的成本、功耗及尺寸等因素将主要由北斗信号发射模块所决定。当本装置批量较少时，可采用现有的分离器件来搭建北斗信号发射模块，当本装置形成大批量规模时，将考虑通过专用芯片化的方式来实现。

北斗室内定位信标设计主要包括：装置发射信号设计，射频信号的频率、调制方式、电文格式、发射功率、电文内容等；装置硬件设计，结构设计、电路设计、硬件调试、综合试验等；装置功能设计，射频及基带信号产生、工作模式控制、接口控制、电源控制等。

5.4 专用芯片化设计实现

由于北斗射频和基带芯片已经实现大规模产业化，集成电路设计和制造已经积累了很多的技术和经验，模块设计经过实际使用，都已经有了成熟的设计电路，主流芯片工艺已进入40nm以下CMOS工艺，进一步地降低了芯片尺寸和功耗，因此，从技术上讲开发专用芯片来研制北斗信号发射模块是可行的。

装置专用芯片设计时低功耗是主要的考虑因素，将采取低功耗芯片设计技术来实现。同时在不同的芯片工作模式下，合理开关并有效控制不同模块功能的功耗负担，以尽可能降低整体功耗。

6 应用前景

可首先在大型重点室内公共区域安装北斗信标，应对紧急救援时对室内定位刚性需求，形成一定覆盖密度后，可以发展针对大众应用的室内位置服务新商业模式，将成为移动互联网重要的入口之一，主要包括以下应用：

⊙ 室内精准导航：在大型公共场所，例如大型商场、超市、酒店、机场、博物馆、音乐厅以及会展中心等，室内定位技术可以帮助顾客前往目标店铺、展位及商品区域。

图4 室内定位导航示意图

⊙ 个性化营销：根据用户的历史位置和现实位置，室内定位能够帮助商家向潜在顾客推送针对性、个性化的广告和信息，精准地满足用户需求，促进用户消费。

⊙ 人员管理：通过高精度的室内定位，可以帮助家长在空间复杂、人流多的大型公共场所中寻找儿童，可以帮助用户在复杂建筑中定位快递人员等。

⊙ 社交网络：借助室内定位能实现有针对性的、高精度的消息推送、交友互动，将在社交网络领域掀起新的变革。

7 结束语

本方案设计北斗信标装置电路简单，定位时间快、体积小、功耗少、成本低，安装便捷，适合大规模部署。地理位置是人的行为活动的重要基础之一，而室内又是人每天活动时间最长的区域，因此，只要将室内位置与用户数据及兴趣信息相关联，北斗室内定位必定有非常广阔的应用前景。■

[1] 谢钢．GPS原理与接收机设计．北京：电子工业出版社，2009.7

[2] 陈雷．基于北斗指纹节点的室内外无缝导航定位系统的设计．见：第四届中国卫星导航学术年会电子文集，2013.5

[3] 刘军发．基于WiFi的室内定位方法及系统．信息技术快报，2010.9

[4] 常浩．高精度室内定位系统的伪卫星布局研究．遥测遥控，2007.11

[5] 容晓峰．RSSI位置指纹的定位误差分析与仿真．西北工业大学学报，2010.12

[6] 李昊．位置指纹定位技术．山西电子技术，2007.5

交通运输行业将规模应用北斗卫星导航系统

日前，交通运输部出台《关于在行业推广应用北斗卫星导航系统的指导意见》（简称《指导意见》），明确到2020年，交通运输各领域北斗卫星导航系统普及程度显著提高，应用标准政策环境进一步完善，定位导航服务能力和业务支撑能力明显增强，北斗系统国际化取得显著成果，基于北斗系统的定位、导航、通信、授时和短报文通信服务体系基本成型。

交通运输部长期以来对在交通运输行业内推广应用北斗卫星导航系统工作给予了高度重视，开展了大量行之有效的工作。“十二五”时期，行业内开展了一系列北斗系统应用相关工作，在重点营运车辆监管、船舶监控、遇险搜救、北斗系统国际化等方面均取得了显著成效，北斗系统应用与行业信息化建设结合日益紧密。

进入“十三五”时期，北斗系统迎来了全球系统建设的重要时期，交通运输行业也进入了转型升级发展的关键阶段。据交通运输部综合规划司副司长、交通运输部北斗卫星导航系统应用工作领导小组办公室主任彭思义介绍，交通运输部在深入总结行业北斗系统应用经验基础上，结合北斗系统发展趋势和行业实际情况，研究制定了《指导意见》。

彭思义认为，《指导意见》的出台，再次体现了交通运输部对做好行业北斗系统应用工作、落实国家北斗系统相关政策的高度重视，从顶层设计角度明确了行业北斗系统应用工作的基本理念和思路。“作为指导性文件，《指导意见》针对性强、任务明确，对抓住‘十三五’机遇期，拓展行业北斗系统应用深度和广度，推进行业北斗系统应用持续健康发展具有重要意义。”他强调。

据了解，《指导意见》将进一步扩大行业北斗系统应用领域、拓宽北斗系统应用模式、完善北斗系统应用环境作为重点任务，提出促进北斗系统在运输过程监管及服务、路网运行监测、交通基础设施建设及安全健康监测、安全应急、物流等多领域的应用，基本涵盖了行业内对定位导航存在需求的各个领域。

此外，《指导意见》还充分考虑到行业信息化发展趋势，提出探索北斗系统在车道级监控管理、无人驾驶等前沿领域的应用，以及促进行业北斗增强系统和高精度服务体系建设等内容。

“下一步，交通运输部计划建设‘北斗高精度导航与位置服务信息资源中心’，生成面向综合交通的专业卫星导航增强服务信息，相关项目已经列入《交通运输信息化“十三五”发展规划》。”中国交通通信信息中心主任、交通运输部北斗卫星导航系统应用工作领导小组办公室副主任曹德胜表示，“根据《指导意见》，将继续推动北斗系统国际化，交通通信信息中心将与相关单位配合，推动北斗系统卫星搭载搜救载荷及地面配套系统建设等工作，继续推进北斗系统进入国际搜救卫星组织等国际组织，推动北斗系统与交通运输行业共同‘走出去’。”

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

陈 炜，曾在中科院自动化所从事嵌入式系统研究，现担任北京世纪联信科技有限公司总经理，从事工业互联网+北斗应用有关项目的开发和研究。