基于多陣元的室內(nèi)偽衛(wèi)星幾何布局研究

程建強，杜 丹，周 云 ，李 雋

(1.衛(wèi)星導航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊050081; 2.陸裝駐石家莊地區(qū)第一軍代室，河北 石家莊050081)

0 引言

人們大部分的時間生活在室內(nèi)，并且隨著位置服務(wù)的發(fā)展，室內(nèi)定位服務(wù)的市場越來越大，目前室內(nèi)定位產(chǎn)品規(guī)模已達到9億美元，未來5年內(nèi)將達到44億美元。高精確和可靠的導航需求在工業(yè)以及消費領(lǐng)域日益增強，如機場、火車站、博物館和超市等大型場所室內(nèi)定位需求。但是日常所用的衛(wèi)星導航信號，即使在室外使用時，如果在受到高樓及山體等外界事物遮擋后，仍然會因為信號質(zhì)量過差導致無法定位，中斷定位服務(wù)，而到室內(nèi)后更是無法接收到導航信號。因此，如何將衛(wèi)星導航的服務(wù)能力擴展至室內(nèi)，已經(jīng)成為國際衛(wèi)星導航領(lǐng)域的研究熱點。

室內(nèi)定位技術(shù)尚不成熟，還沒有一項技術(shù)可以建立大規(guī)模的市場應用系統(tǒng)。目前，比較有代表性的室內(nèi)定位手段是局域定位技術(shù)和超寬帶定位技術(shù)[1]。局域定位技術(shù)是在某一節(jié)點位置布設(shè)信號發(fā)生設(shè)備，通過識別節(jié)點指紋來判斷位置[2]，進行定位，而超寬帶技術(shù)則是利用信號傳輸時間計算距離實現(xiàn)定位[3]，其中局域定位技術(shù)，定位精度有限，而且在大型開闊場地無法布設(shè)設(shè)備，而超寬帶技術(shù)雖然能夠滿足室內(nèi)高精度定位的要求，但是其基站覆蓋半徑有限，如果要實現(xiàn)大范圍的信號覆蓋，就需要增加設(shè)備的布設(shè)數(shù)量，相應的就會增加設(shè)備成本，而且超寬帶定位技術(shù)，需要專屬終端，這些都限制了其應用市場與推廣價值。

同時，偽衛(wèi)星技術(shù)已得到快速發(fā)展，通過在室內(nèi)播發(fā)類GNSS信號，替代室外導航衛(wèi)星工作，為室內(nèi)偽衛(wèi)星信號與GNSS信號手機端的兼容提供了可能，為解決室內(nèi)廣域高精度定位提供了條件。而對于偽衛(wèi)星室內(nèi)高精度定位，影響偽衛(wèi)星室內(nèi)定位的關(guān)鍵因素是幾何布局，因為偽衛(wèi)星幾何布局不僅決定幾何精度，還影響信號功率的覆蓋、遠近效應及多徑效應等問題[4-5]，而在室內(nèi)情況下，這些問題嚴重影響偽衛(wèi)星信號質(zhì)量，信號質(zhì)量的好壞直接決定接收機的測距精度。

本文在充分考慮室內(nèi)信號多徑以及遠近效應影響的基礎(chǔ)上，對室內(nèi)偽衛(wèi)星幾何布局進行了研究，提出了這一種陣列式幾何布局方法，并通過實際測試驗證了方法的可行性，為偽衛(wèi)星載波相位指紋信息定位提供了數(shù)據(jù)支撐，為偽衛(wèi)星室內(nèi)定位提供了理論支持。

1 指紋信息定位

位置指紋定位是把實際環(huán)境中的位置和某些“指紋”關(guān)聯(lián)起來，一個位置對應某些獨特的指紋特征[6]，如圖1所示。

圖1 偽衛(wèi)星的位置指紋定位原理示意Fig.1 Schematic diagram of pseudo-satellite location fingerprint positioning

指紋可以是單維特征，也可以是多維特征，最常見的是信號強度。對于偽衛(wèi)星系統(tǒng)來說，用戶接收機即可以輸出載噪比C/N0，也可以輸出偽距和載波相位觀測量，從構(gòu)建位置指紋的角度講，常用的是載噪比和載波相位差，而載波相位差的位置指紋定位精度要遠高于載噪比。

2 室內(nèi)偽衛(wèi)星信號多徑與遠近效應

2.1 室內(nèi)信號多徑分析

多路徑是指接收機除接收到衛(wèi)星信號的直射波外，還接收到該直射波的一份甚至多份反射波的現(xiàn)象，而多路徑對接收機的性能影響稱為多路徑效應[7]。日常生活中,接收機接收到的導航信號多是多路徑信號，多路徑信號是直射信號與其他信號的疊加，而在實際定位過程中需要的是直射信號，所以多路徑信號會對接收機的跟蹤環(huán)路產(chǎn)生影響，造成碼和載波相位測量值誤差[8]，而同一接收機多路徑在不同時刻、不同地點又有所差異。

如果將偽衛(wèi)星布設(shè)在室內(nèi)，其室內(nèi)多徑效應自然不可避免，而且相對于室外，室內(nèi)偽衛(wèi)星信號的多路徑效應更加明顯，變化更復雜，主要原因是室內(nèi)環(huán)境相對較小，而且空間布局復雜，障礙物多。平時障礙物移動、人員的走動都能夠改變多路徑信號，而這些時刻變化的因素，造成了多路徑信號的多變，影響室內(nèi)多徑信號的分析與一致性。偽衛(wèi)星室內(nèi)多徑主要特性有以下幾點：

① 由于偽衛(wèi)星室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過發(fā)射天線發(fā)射信號，其位置是固定不變的，造成了多個路徑間的信號具有較強的關(guān)聯(lián)性，而接收機在靜態(tài)情況下進行單點定位，多路徑信號干擾更嚴重；

② 多路徑間時延相差很小、功率衰減很弱，而且路徑數(shù)更多；

③ 信號功率強，由于偽衛(wèi)星室內(nèi)定位系統(tǒng)主要通過在室內(nèi)布設(shè)發(fā)射天線，播發(fā)信號，信號源距離接收機的位置比較近，所以偽衛(wèi)星室內(nèi)定位系統(tǒng)的多徑干擾更強，并且更難消除。

2.2 室內(nèi)信號遠近效應分析

當偽衛(wèi)星部署在地面時，會存在遠近效應的問題，其主要原因是當偽衛(wèi)星布設(shè)在地面上時，用戶接收機在偽衛(wèi)星信號覆蓋區(qū)域移動時，相對于某一偽衛(wèi)星，其信號到接收機的傳輸距離變化明顯，相應的信號到達接收機時的功率也會有較大變化，此為遠近效應[9-10]。當應用在室內(nèi)時，其遠近效應更明顯。偽衛(wèi)星信號發(fā)射功率計算公式為：

(1)

式中，Pt為偽衛(wèi)星發(fā)射功率；Pr為接收機接收功率；d為幾何距離；Ga為天線增益。

由上式可得，當Pt，Pr，Ga的值確定后，d的取值范圍是受限制的.當偽衛(wèi)星布設(shè)于室內(nèi)時，假設(shè)偽衛(wèi)星需要覆蓋的室內(nèi)半徑為100 m，通過上式計算，100 m的范圍內(nèi)，偽衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)射功率變化范圍為40 dBm，相對于接收機信號載噪比會有40 dB的變化，對信號的接收造成嚴重影響。

3 室內(nèi)偽衛(wèi)星幾何布局方法研究

3.1 室內(nèi)偽衛(wèi)星信覆蓋性分析

由于一般接收機接收信號強度用載躁比來表征，故需確定信號功率與載躁比的轉(zhuǎn)化關(guān)系[11]。通常假設(shè)環(huán)境噪聲T=295k，k為玻爾茲曼常數(shù)，kT=-174 dBm/Hz，加上4 dB的噪聲指數(shù)，噪聲概率密度N0=-170 dBm/Hz。而室內(nèi)偽衛(wèi)星發(fā)射信號與覆蓋范圍的關(guān)系：

Pt-Pr=32.44+n×10×logd(km)+
20×logf(MHz)。

(2)

假設(shè)接收機的最小接收功率為-130 dBm，即最小接收載噪比為40 dB，偽衛(wèi)星信號覆蓋半徑為r，單位：m，其中，n取2.8，f為1 575.42 MHz，可推導出偽衛(wèi)星發(fā)射功率Pt與信號覆蓋半徑r的關(guān)系為：

Pt=n×10×lgr-94。

(3)

具體對應關(guān)系如表1所示。

表1 偽衛(wèi)星發(fā)射功率與覆蓋范圍的關(guān)系

如果傳輸距離為40 m，信號發(fā)射功率則為-49.1 dBm。運用對數(shù)距離路徑損耗模型計算得出的接收載噪比和信號傳輸距離St的關(guān)系如表2所示。

表2 接收載噪比與距離的理論關(guān)系Tab.2 Theoretical relationship between received carrier-to-noise ratio and distance

通過對接受載噪比與距離的關(guān)系，可以得出距離發(fā)射天線越遠，信號的功率變化越小，若在一個40 m×40 m×11 m的一個立體空間內(nèi)，僅考慮在地面移動，當天線在地面水平布設(shè)，信號傳輸距離范圍為1～40 m，載噪比變化范圍為84.9～41.7 dB。當天線在頂層垂直地面布設(shè)，信號傳輸距離范圍為11～37 m，載噪比變化范圍為55.8～41 dB。由此可知，天線垂直地面布設(shè)，信號功率變化越小。此數(shù)據(jù)只是理論值，因此實際應用中，發(fā)射天線垂直地面時，可降低信號功率變化。

3.2 室內(nèi)偽衛(wèi)星幾何布局設(shè)計

為解決偽衛(wèi)星室內(nèi)定位時的遠近效應以及減小信號多徑干擾等問題[12]，采用了陣列式布局的思想，通過室內(nèi)多徑信號的分析可知，天線布設(shè)越遠離墻面，多徑干擾越小。天線布設(shè)越集中，遠近效應越小，同時也會降低偽衛(wèi)星的DOP值，但采用指紋定位基本不受DOP值影響[13-14]。要保證偽衛(wèi)星用于室內(nèi)定位時，不受遠近效應的影響，就需要對陣列天線間的間距進行計算，天線布設(shè)方式如圖2所示，圖中為8個發(fā)射天線的布設(shè)，其他個數(shù)情況下，布設(shè)方式一致。

圖2 天線布設(shè)方式Fig.2 Antenna layout pattern

為保證信號無明顯遠近效應，避免對偽衛(wèi)星室內(nèi)定位造成影響，需要對定位區(qū)域內(nèi)偽衛(wèi)星信號間接收載噪比之差設(shè)置一個門限值，本文選取的門限值為3 dB，通過觀察圖2可知，當接收機位于A點的上方與發(fā)射天線處于同一面時，1號星與5號星的信號傳輸距離之差最大，為陣列圖形的直徑。假設(shè)陣列圖形的中心距建筑外圍的距離為12.5 m，高為11 m，通過與表2數(shù)據(jù)進行對照，可知當陣列圖形半徑為1.5 m時，4號星傳輸距離為11 m，5號星的傳輸距離為14 m，2星間的載噪比之差為3 dB，偽衛(wèi)星信號間最大接收載噪比之差小于門限值3 dB。

如若接收機僅在地面移動，偽衛(wèi)星信號間最大接收載噪比之差計算公式為：

P=P4-P5。

(4)

由式(2)可得：

(5)

當P=3 dB時，r=2.5。由此可知，當僅在地面移動時，陣列圖形的半徑會增大。

通過對陣列圖形半徑的計算，本文將陣列圖形半徑大于1.5 m的布設(shè)方式稱為分布式布局，而小于1.5 m時，稱為陣列式布局。

3.3 一般情況下室內(nèi)偽衛(wèi)星幾何布局設(shè)計

上面2節(jié)對某一環(huán)境下偽衛(wèi)星的發(fā)射功率與陣列天線的半徑進行了計算，通過計算可知，限制陣列偽衛(wèi)星覆蓋范圍的因素為發(fā)射機最大發(fā)射功率以及陣列天線最小半徑，下面將從兩方面對一般情況下的偽衛(wèi)星覆蓋范圍進行確定。

3.3.1 信號發(fā)射功率最大為0 dBm

當發(fā)射機最大信號發(fā)射功率為0 dBm時，通過式(2)計算可得，信號的覆蓋半徑為2 187 m，此情況是在不考慮接收機最大接收功率的前提下，由于接收機中都有自動增益控制，所以對于功率為0 dBm的信號，接收機都可以實現(xiàn)信號的接收。

3.3.2 陣列天線最小半徑為1.5 m

通過對陣列天線半徑分析可知，當行走界面與天線在同一界面時，信號間載噪比差值最大，而僅與天線陣列直徑有關(guān)，所以對于一般情況下的陣列偽衛(wèi)星仍然適用。

綜上可知，在一般情況下，此布設(shè)方式皆可滿足發(fā)射功率與布設(shè)半徑的要求。

4 陣列式幾何布局分析

測試環(huán)境如圖3所示。

圖3 測試環(huán)境Fig.3 Test environment

偽衛(wèi)星發(fā)射天線的布設(shè)方式如圖4所示，分為陣列式布局與分布式布局。

圖4 天線布局Fig.4 Antenna layout

信號測試方式如圖5所示。

圖5 信號測試方式Fig.5 Signal test method

圖中接收天線的位置位于距各發(fā)射天線等距的位置處，發(fā)射信號可由接收機接收處理，并通過上位機原件輸出原始觀測值以用于偽衛(wèi)星信號分析，上位機顯示界面如圖6所示。

圖6 信號接收結(jié)果Fig.6 Signal receiving results

為驗證偽衛(wèi)星系統(tǒng)的動態(tài)定位下載波在相位差的穩(wěn)定性，保證此布局方式的可行性，對陣列式布局以及分布式布局方式下，接收機接收載波相位數(shù)據(jù)進行了測試，測試結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 陣列式布局下動態(tài)差分結(jié)果Fig.7 Dynamic differential results in array layout

圖8 分布式布局下動態(tài)差分結(jié)果Fig.8 Dynamic differential results in distributed layout

通過圖7(a)與圖8(a)可知，相對于分布式，陣列式布局信號發(fā)生周跳的概率更小。對比圖7(b)和圖8(b)可知，在分布式布局下載波相位差分前后時刻間基本沒有關(guān)聯(lián)性，而對于某一接收機來說，在移動過程中由于是連續(xù)移動不存在跳變的情況，所以相應的載波相位差也應該是漸變的，具有一定關(guān)聯(lián)性的，而圖8(b)中的載波相位差分值相當凌亂，會造成無法定位的結(jié)果。在陣列式布局下，由圖7(b)可知，載波相位差分值連續(xù)性很好，但出現(xiàn)了跳變的情況，主要是因為接收機移動過程中，出現(xiàn)了信號重捕的過程，重捕后的信號，載波相位值會有所變化。分析可知，在分布式布局下，載波相位差分值的變化凌亂，而陣列式布局下載波相位查分變化更穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

當偽衛(wèi)星應用于室內(nèi)時，信號受遠近效應以及多路徑效應的影響嚴重，接收機輸出偽衛(wèi)星信號原始觀測量中的偽距、載波相位等會存在較大的測量誤差，在直接使用偽距、載波相位進行定位時，定位誤差較大，本文提出了一種陣列式幾何布局，能較好地降低了遠近效應與多路徑效應對接收信號的影響，測試結(jié)果表明，在陣列式布局下，接收機動態(tài)原始觀測量輸出載波相位差分值具有較高的穩(wěn)定性，完全可以滿足指紋定位的要求，對實際工程應用具有一定的指導意義。