任修坤，李 珂，鄭娜娥，朱世磊

(解放軍信息工程大學(xué),河南 鄭州 450001)

基于chirp信號(hào)的室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

任修坤，李 珂，鄭娜娥，朱世磊

(解放軍信息工程大學(xué),河南 鄭州 450001)

室內(nèi)定位系統(tǒng)成熟的產(chǎn)品少、需求高，因此開(kāi)發(fā)實(shí)用的室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有重要意義。基于無(wú)線chirp擴(kuò)頻信號(hào)具有的較高時(shí)間分辨率，利用雙邊TOA（到達(dá)時(shí)間）測(cè)距技術(shù)和泰勒級(jí)數(shù)定位解算算法，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種可用于室內(nèi)導(dǎo)航定位的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的組成架構(gòu)、工作原理、硬件設(shè)計(jì)、軟件方案和工作流程，最后在實(shí)際室內(nèi)環(huán)境中測(cè)得系統(tǒng)的定位精度優(yōu)于1 m，具有極高的實(shí)用性。

室內(nèi)定位；chirp信號(hào)；雙邊TOA測(cè)距；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言

隨著科技發(fā)展，位置服務(wù)（LBS）市場(chǎng)快速增長(zhǎng)，在緊急救助、交通運(yùn)輸、治安消防、個(gè)性化服務(wù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大活力。目前，北斗、GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航定位已滲透人們的生活。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類有超過(guò)80%的時(shí)間在室內(nèi)活動(dòng)[1]，而室內(nèi)屬于衛(wèi)星覆蓋的盲區(qū)。目前，室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)尚不成熟，各種技術(shù)方法紛繁復(fù)雜，如何突破室內(nèi)定位的難題，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[2-3]。本文依托chirp擴(kuò)頻信號(hào)TOA測(cè)距技術(shù)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)，以期能夠?yàn)檫@場(chǎng)技術(shù)浪潮提供參考。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括定位控制中心、數(shù)據(jù)收發(fā)器、測(cè)量基站、用戶標(biāo)簽四個(gè)部分。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）定位控制中心：主要完成位置解算、數(shù)據(jù)庫(kù)、管理、數(shù)據(jù)分析等功能，并提供用戶交互界面，方便參數(shù)配置和定位結(jié)果獲取。

（2）數(shù)據(jù)收發(fā)器：主要完成用戶標(biāo)簽與測(cè)量基站之間TOA數(shù)據(jù)的上傳，同時(shí)完成參數(shù)配置及控制命令的分發(fā)任務(wù)。

（3）測(cè)量基站：根據(jù)用戶標(biāo)簽請(qǐng)求，收發(fā)chirp信號(hào)，與用戶標(biāo)簽完成通信。

（4）用戶標(biāo)簽：與測(cè)量基站通信，完成與測(cè)量基站之間的TOA參數(shù)測(cè)量；與數(shù)據(jù)收發(fā)器通信，并將測(cè)量結(jié)果上傳。

1.2 系統(tǒng)原理

該系統(tǒng)利用無(wú)線chirp擴(kuò)頻信號(hào)來(lái)測(cè)量用戶到測(cè)量基站間的距離[4]，并聯(lián)合多個(gè)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行解算得到用戶的相對(duì)坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的定位。

1.2.1 測(cè)距原理

測(cè)距采用基于匹配濾波器的時(shí)延估計(jì)方法[5-6]，如圖2所示。接收端將接收信號(hào)與本地匹配信號(hào)進(jìn)行匹配濾波（輸出信號(hào)如圖3所示），得到chirp擴(kuò)頻信號(hào)的傳播時(shí)延估計(jì)，獲得測(cè)量值TOA。

圖2 測(cè)距方法框

由圖3可見(jiàn)，該信號(hào)具有十分尖銳的特性。原來(lái)幅度為1的chirp信號(hào)，輸出壓縮脈沖的包絡(luò)幅度放大為原來(lái)的 BT[7]（B為信號(hào)帶寬、T為碼元周期），而持續(xù)時(shí)間壓縮為主瓣時(shí)間為2/B的脈沖。在多徑信道中，兩條多徑之間的最小分辨率為1/B[8]，因此采用該信號(hào)有利于獲得更為精準(zhǔn)的TOA信息。

圖3 匹配濾波輸出信號(hào)

1.2.2 異步測(cè)量方法

本系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量TOA參數(shù)，獲得測(cè)量基站與用戶標(biāo)簽之間的距離。這一過(guò)程要求收發(fā)端之間同步，否則將出現(xiàn)較大偏差[9]。然而，同步系統(tǒng)布設(shè)難、成本高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。為此，采用一種異步測(cè)量方法，即雙邊TOA測(cè)距方法[10]來(lái)解決該問(wèn)題。其具體流程如圖4所示。

圖4 雙邊TOA測(cè)距方法示意

（1）用戶標(biāo)簽向測(cè)量基站發(fā)送測(cè)量請(qǐng)求，同時(shí)記錄本地發(fā)送時(shí)刻t11；

（2）測(cè)量基站收到測(cè)量請(qǐng)求后，記錄本地接收時(shí)刻t21，并產(chǎn)生應(yīng)答ACK；

（3）測(cè)量基站發(fā)送ACK，并記錄本地發(fā)送時(shí)刻t22，計(jì)算T2=t22-t21；

（4）用戶標(biāo)簽接收到ACK后，記錄該時(shí)刻為t12，并計(jì)算T1=t12-t11；

（5）由測(cè)量基站再次發(fā)起相同流程的測(cè)量過(guò)程，并由此計(jì)算T3和T4，其中T3=t24-t23，T4=t14-t13；

（6）用戶標(biāo)簽計(jì)算信號(hào)傳播時(shí)延：

采用上述異步測(cè)量方法不需要同步機(jī)制，消除了時(shí)鐘漂移引起的誤差，從而可以獲得較高精度的TOA信息。

1.2.3 解算原理

定位控制中心通過(guò)數(shù)據(jù)收發(fā)器得到測(cè)量的TOA數(shù)據(jù)后，采用泰勒級(jí)數(shù)定位解算算法[11]解算出用戶標(biāo)簽的相對(duì)位置。該算法是無(wú)線定位中一種較精確的遞歸算法，需要提供一個(gè)估計(jì)坐標(biāo)作為初始條件，通過(guò)求解TOA測(cè)量值在每次遞歸中的局部最小誤差[12]，修正上一次估計(jì)結(jié)果，更有利于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的跟蹤。

定位控制中心獲取到用戶標(biāo)簽與四個(gè)測(cè)量基站的距離后，結(jié)合測(cè)量基站的已知坐標(biāo)信息，可以計(jì)算出用戶標(biāo)簽所在的位置。

具體原理如下[13]：

設(shè)用戶標(biāo)簽與測(cè)量基站的位置坐標(biāo)分別為(x,y)和(xi,yi)。

其中

則根據(jù)最小二乘法[9]得：

因此，第n+1迭代坐標(biāo)(xn+1,yn+1)為

重復(fù)上述步驟，若Δx、Δy達(dá)到預(yù)設(shè)的門(mén)限值，即Δx+Δy＜ξ(ξ＞0)時(shí)，此時(shí)刻的定位坐標(biāo)(x,y)即為最終的用戶標(biāo)簽坐標(biāo)。

2 軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件主要是設(shè)計(jì)測(cè)量基站和用戶標(biāo)簽。因兩者功能基本相同，所以采用相同的硬件，包括信號(hào)收發(fā)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、電源四個(gè)模塊。它的PCB設(shè)計(jì)如圖5所示，實(shí)物如圖6所示。

圖5 測(cè)量基站和用戶標(biāo)簽PCB設(shè)計(jì)

圖6 硬件實(shí)物

（1）信號(hào)收發(fā)模塊：選用NANOPAN5375的無(wú)線模塊，實(shí)現(xiàn)chirp擴(kuò)頻信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)送、接收和測(cè)量。此外，還可用于數(shù)據(jù)傳輸。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊：選用ATMEGA1280主控芯片，完成對(duì)信號(hào)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊的控制和定位數(shù)據(jù)的初步處理。

（3）數(shù)據(jù)傳輸模塊：支持有線和無(wú)線兩種傳輸方式。有線方式采用以太網(wǎng)控制芯片W5300，系統(tǒng)容量較大。無(wú)線方式借助信號(hào)收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，部署方便。

2.2 軟件方案

軟件主要由定位控制中心、測(cè)量基站、用戶標(biāo)簽等軟件組成，具體軟件架構(gòu)如圖7所示。其中，定位控制中心主要完成系統(tǒng)的控制、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、信息的配置與顯示功能；測(cè)量基站和用戶標(biāo)簽，可實(shí)現(xiàn)用戶到基站的距離測(cè)量功能，用于獲取用戶的位置信息；數(shù)據(jù)收發(fā)器是數(shù)據(jù)收發(fā)管道，完成TOA數(shù)據(jù)的上傳及參數(shù)、命令的下發(fā)任務(wù)，由Nano硬件模塊完成。

圖7 軟件架構(gòu)

定位控制中心軟件分為信息處理層、信息適配層及應(yīng)用層。應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，方便用戶使用系統(tǒng)；信息適配層主要完成參數(shù)配置信息的轉(zhuǎn)發(fā)及信息、圖像的收集與顯示；信息處理層主要包含數(shù)據(jù)庫(kù)、位置解算引擎等模塊。考慮系統(tǒng)兼容、界面美觀，用C#語(yǔ)言完成開(kāi)發(fā)。

測(cè)量基站軟件由參數(shù)配置、Nano板級(jí)驅(qū)動(dòng)、測(cè)距軟件三部分組成。參數(shù)配置軟件主要完成對(duì)基站的系統(tǒng)配置，如帶寬、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)、發(fā)送功率等；Nano板級(jí)驅(qū)動(dòng)軟件，主要通過(guò)控制Nano硬件模塊，實(shí)現(xiàn)與用戶標(biāo)簽的通信及TOA測(cè)距的功能；測(cè)距軟件則分為匹配濾波、峰值檢測(cè)、時(shí)延估計(jì)三部分。

用戶標(biāo)簽軟件與測(cè)量基站軟件基本類似，區(qū)別在于其測(cè)距軟件增加了距離計(jì)算功能。

工作流程：當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，定位控制中心檢測(cè)到用戶標(biāo)簽后，會(huì)對(duì)用戶標(biāo)簽和其周圍的測(cè)量基站進(jìn)行初始化，并由用戶標(biāo)簽向測(cè)量基站發(fā)起測(cè)量請(qǐng)求，具體流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)工作流程

3 系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試

3.1 有效測(cè)距半徑

有效測(cè)距半徑是指以測(cè)量基站為圓心，單個(gè)用戶標(biāo)簽與測(cè)量基站間可進(jìn)行測(cè)距的最大距離。

考慮到室 內(nèi)空間有限，有效測(cè)距半徑測(cè)試在室外開(kāi)展。測(cè)試方法：使用測(cè)量基站不間斷地向用戶標(biāo)簽發(fā)送測(cè)量請(qǐng)求，若用戶標(biāo)簽?zāi)軌蚪邮盏皆撜?qǐng)求，則以LED閃爍表示；若無(wú)法收到該請(qǐng)求，則LED燈熄滅。當(dāng)用戶標(biāo)簽的LED燈持續(xù)熄滅5 s以上時(shí)，則判定標(biāo)簽位置超過(guò)有效測(cè)距半徑。

經(jīng)多次測(cè)試，本系統(tǒng)的有效測(cè)距半徑為180 m。

3.2 定位精度

將4個(gè)測(cè)量基站A1-A4按圖9位置懸掛于室內(nèi)四角，并將9個(gè)用戶標(biāo)簽布設(shè)在圖中三角形標(biāo)志所在位置。用全站儀和本系統(tǒng)同時(shí)對(duì)9個(gè)用戶標(biāo)簽進(jìn)行分別測(cè)量，獲取9個(gè)空間測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)誤差。重復(fù)100次實(shí)驗(yàn)，可得到最大的誤差累積曲線，如圖10所示。可以看出，系統(tǒng)的定位精度優(yōu)于1 m。

圖9 測(cè)試場(chǎng)景示意

圖10 定位精度誤差累積曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

基于chirp信號(hào)的室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研制是無(wú)線電信號(hào)應(yīng)用于室內(nèi)定位的一次嘗試，測(cè)試結(jié)果表明本系統(tǒng)具有較好的性能。該系統(tǒng)選用chirp擴(kuò)頻信號(hào)，提升了抗干擾性；采用雙邊TOA測(cè)距技術(shù)，大大降低了系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的要求。該系統(tǒng)的有效測(cè)距半徑達(dá)到180 m，在常規(guī)辦公環(huán)境下室內(nèi)定位精度優(yōu)于1 m，可用于公共安全及應(yīng)急響應(yīng)、室內(nèi)導(dǎo)引、弱勢(shì)群體監(jiān)護(hù)等領(lǐng)域，為人們的生活帶來(lái)一定的便利，對(duì)后續(xù)室內(nèi)導(dǎo)航定位產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)研制具有重要意義。

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任修坤（1979—），男，碩士，講師，主要研究方向?yàn)槭覂?nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位技術(shù)；

李 珂（1991—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槭覂?nèi)無(wú)線定位技術(shù)；

鄭娜娥（1984—），女，博士，講師，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)；

朱世磊（1987—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信技術(shù)。

Indoor Navigation and Positioning System Design and Implementation
based On Chirp Signal

REN Xiu-kun, LI Ke,ZHENG Na-e,ZHU Shi-lei
(PLA Information Engineering University,Zhengzhou Henan,450001，China)

The demand of Indoor positioning systems increasingly high, but related products that relatively mature is quite rare nowadays, developing a practical indoor navigation and positioning system is of great importance. Based on the wireless chirp spread spectrum signal with a high time resolution, an experimental verification system has been designed and developed in this paper which can be used for indoor navigation and positioning by utilizing the bilateral TOA (Time of Arrival) ranging technology and Taylor series positioning algorithm. This paper has provided the architecture, working principle, hardware design and software solution, as well as the work flow of the system, then a test result of the system conducted in the practical indoor environment has been given in the end with a positioning accuracy better than 1 meter.This result shows that it has very high practicability.

Indoor positioning;Chirpsignal;Bilateral TOA ranging;Design and implementation

TN95；TN911.7

：A

：1002-0802(2016)-06-0788-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.06.025

2016-02-13;

：2016-05-05 Received date:2016-02-13;Revised date:2016-05-05