应用FM广播信号定位原理探析

殷志伟

摘 要：调频（FM）广播信号抗干扰能力强、宽频带、功率利用率高的特点，使得其在当代广播信号中取得了广泛应用。由于卫星导航信号在地面范围可能存在遮挡，且硬件成本相对较高，使得其应用受限。针对这个问题，本文从FM信号特点出发，对基于FM广播信号定位的位置指纹法的原理进行探析，考虑应用已有广播信号实现定位的优势与可能性。

关键词：调频（FM）;定位;广播信号

引言：用户位置信息已经成为互联网时代厂商为用户提供服务的重要依据，众多网络服务都依赖于位置信息。如何降低硬件成本，为用户提供廉价的定位服务，已经成为近年的重要研究。尽管卫星导航信号，如GPS信号和北斗信号，在全球具有优秀的定位性能和覆盖率，但在城市区域由于建筑物的存在经常会发生遮挡效应，从而影响性能[1]。近年来，我国广播电台在大中小城市实现了高覆盖率，电台所发射的FM信号在应用频段内抗干扰性能良好，有必要探讨使用该信号进行定位的优势及可能性。

1 FM信号特点与优势

FM指的是用载波的频率变化来表征信息的调制方式。FM信号主要由甚高频波段（30MHz到300MHz）的无线电波组成，明显低于无线局域网（Wi-Fi）和全球移动通讯系统（GSM）所處频段，这也为FM信号提供了其独有优势：

（1）无线电波的衰减效应随频率而增加，相比于Wi-Fi和GSM，FM信号在城市内部更容易穿过建筑物墙壁到达接收器，使得在复杂城市环境下的定位成为可能[2]。而且，FM信号波长为米级，使得在室内定位时，理论上该信号受障碍物影响较小[3]。

（2）FM信号受大气条件影响较小。国际电信联盟标准指出，频率低于1GHz的信号，雨水散射带来的干扰可忽略不计;频率低于10GHz的信号，云雾所带来的干扰效应也可忽略[2]。根据FM信号的频率范围，其受大气条件影响可以忽略。

（3）FM信号对地形遮挡效应有更低的敏感度。举例来说，100MHz的无线电波在穿过树林时，其衰减效应的典型值约为0.04 dB/m，而对于GSM信号，其衰减程度甚至可以达到0.3 dB/m[2]。通过对比可以发现，FM信号受到地形等因素的影响更小。

（4）FM信号的覆盖范围通常可以达到数十甚至上百公里，使得城市或农村较大区域范围内收到信号成为可能。并且，相对于Wi-Fi信号扫描仪，FM信号接收器（如收音机）通常具有更低的功耗[3]。

综上所述，根据FM信号的特点，基于FM信号实现定位有其独有优势，值得进行探讨与研究。

2 位置指纹定位方法

可应用于定位的无线电信号特征主要包括信号到达时间（TOA）、信号到达时间差（TDOA）、信号到达角度（AOA）与接收信号强度（RSS）等[4]。其中，作为无线电信号的典型特征，RSS被广泛应用于FM信号定位。理论上，RSS与传输距离的平方成反比，但在实际情况下，该特征值会受到多种环境因素的作用与影响[2]。这就使得基于RSS的直接定位方法精度较差，考虑到这一点，位置指纹定位方法被提出并应用。

位置指纹定位的方法核心在于将未知位置的观测值与所有已知位置的测量值进行比较，找到最佳匹配值作为估计位置返回输出，这使得该方法受环境因素的影响相对较小，抗干扰能力较强[1]。

该方法的实施主要分为训练阶段和测试阶段，如图1所示，在训练阶段，利用接收设备在已知位置点处采集多频段FM信号（FM1， FM2，…， FMi）的信号强度（RSS1， RSS2， RSS3， RSS4，…， RSSn），以此为基础采集信号特征建立指纹数据库，数据库包含了所有参考点处接收到的来自于不同频段的RSS信息;在测试阶段，根据获得的信号指纹，选取适当算法对未知位置处的位置坐标进行匹配与估计，以得到满足要求的最佳匹配值。在此过程中，样本点的多少、采用的估计方法等都会直接影响到最终的定位精度。在采样点数量达到一定量级时，可以期望其能够达到十米级甚至是米级的精度要求;但在采样点数量难以达到要求或前期测量成本较高时，也会对该方法的应用造成一定限制。

针对匹配估计算法，目前国内外已有一些研究，如确定性估计法、概率估计法、结合法以及通过训练模型建立信号强度分布图等等[4][5]。这些方法为应用位置指纹法实施定位过程提供了大量参考依据，可帮助用户根据实际问题与需求完成定位方案的设计。

结语：

由于FM信号的覆盖范围大、抗干扰能力强等优势，应用FM信号进行定位成为了可能。在城市、山区等卫星导航信号被遮挡的情况下，利用FM信号进行定位不但能保障定位系统可用性，而且能有效降低硬件成本。利用FM信号进行定位，可以拓宽传统广播信号的应用范围，对我国广电事业的发展具有重要的理论意义与实践价值。

本文对广泛应用于FM信号的位置指纹算法的原理进行了探析，分析了该方法的来源、实施过程与可行性。构建样本指纹数据库过程的采样点数量是限制该方法精度的重要因素，因各种条件限制而无法继续提高采样点数量时，有必要根据实际需求，选取合适的匹配估计算法，以达到用户所需的精度要求。

参考文献：

[1]楼杭霄， 王结太， 滕姿， 等. 基于 FM 无线信号的定位系统设计与实现[J]. 信息与电脑（理论版）， 2018， 11.

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

[3]何艳军. 基于 FM 的定位技术研究[D]. 湘潭大学， 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.