蘇 敏,秦紅磊

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191)

調(diào)頻廣播定位技術(shù)的研究

蘇 敏,秦紅磊

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京 100191)

針對全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下會出現(xiàn)無法定位的問題,本文提出了一種基于公共調(diào)頻廣播信號的定位方法。該方法利用調(diào)頻廣播的多種信號特征,結(jié)合指紋定位技術(shù)進(jìn)行定位。調(diào)頻廣播覆蓋范圍廣、信號穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),可使其應(yīng)用于室內(nèi)外定位。在室外復(fù)雜環(huán)境,研究區(qū)域級別定位;在室內(nèi)環(huán)境,除了區(qū)域級別定位,還研究精確定位。文中除了闡述方法的原理,還應(yīng)用了幾種不同的定位算法并比較其結(jié)果。結(jié)果表明,室外的區(qū)域判別準(zhǔn)確率可達(dá)90.81%,室內(nèi)的區(qū)域判別準(zhǔn)確率可達(dá)100%,室內(nèi)精確定位的精度可達(dá)11.16 m。

調(diào)頻廣播;指紋定位;室外定位;室內(nèi)定位

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步,現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)、軍事對導(dǎo)航定位系統(tǒng)性能要求日益增高,無線電導(dǎo)航是一種重要的導(dǎo)航手段,而其中應(yīng)用最廣泛的是全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。但是,在復(fù)雜環(huán)境下,如樓宇密集的室外和室內(nèi)環(huán)境,衛(wèi)星導(dǎo)航會因?yàn)閬G失衛(wèi)星信息而出現(xiàn)無法準(zhǔn)確定位的情形,這時(shí)就需要其他導(dǎo)航手段進(jìn)行補(bǔ)充。在這種情形下,出現(xiàn)了基于藍(lán)牙、射頻識別(radio frequency identification,RFID)、紅外線、無線保真(wireless fidelity,WiFi)等定位技術(shù)。但是,因?yàn)檫@些信號覆蓋范圍小,所以在定位區(qū)域上有很大限制,大部分只用于室內(nèi)環(huán)境。而且對于不具備這些設(shè)備的環(huán)境,需要增加相應(yīng)的發(fā)射源。調(diào)頻(frequency modulation,FM)廣播有著悠久的歷史,其發(fā)射基站多、覆蓋范圍廣、信號穩(wěn)定、受干擾小、接收成本低等優(yōu)點(diǎn)使得其成為一種很有潛力的導(dǎo)航源。

目前,國內(nèi)外基于FM廣播的導(dǎo)航定位研究并不多,主要處于理論研究階段。2003年[1]微軟公司成立的首個研究利用FM廣播定位的團(tuán)隊(duì),采用智能手表采集公共FM廣播信號強(qiáng)度并將其排序后用于定位,區(qū)域定位準(zhǔn)確率可達(dá)80%。文獻(xiàn)[2]展示了兩年后,他們改進(jìn)了系統(tǒng)的算法后,在美國西雅圖地區(qū)其定位精度可以達(dá)到8 km。2009 年,文獻(xiàn)[3]展示了“FINDR”定位系統(tǒng),該系統(tǒng)使用短射程FM信號傳送器發(fā)射信號并利用接收信號強(qiáng)度、定向天線間夾角和信號傳播時(shí)間來確定用戶的位置。文獻(xiàn)[4-7]第一次將公共FM廣播信號用于室內(nèi)定位:用智能手機(jī)收集信號強(qiáng)度特征,并用指紋定位法取得了很好的定位結(jié)果。文獻(xiàn)[8]介紹了用信號傳播模型進(jìn)行自動數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建,省去大量時(shí)間和人力資源。

總而言之,目前大部分研究主要是基于FM廣播信號強(qiáng)度特征來進(jìn)行定位,方法主要有兩種:一種是建立信號傳播模型,另一種是指紋定位法。與之前的研究不同的是,除了信號強(qiáng)度特征外,本文還采用了FM廣播信號的其他特征參數(shù),將幾種特征參數(shù)融合后進(jìn)行定位。定位方法主要采用指紋定位法,因?yàn)樵趶?fù)雜環(huán)境下,FM廣播信號的傳播模型受多種因素影響,難以建立。而指紋定位法目前已被廣泛應(yīng)用于各種室內(nèi)定位,可行性良好。

1 基于指紋的FM廣播信號定位方法

指紋定位法分兩個階段:第一階段是數(shù)據(jù)特征地圖的采集階段,也稱訓(xùn)練階段,第二階段是在線定位階段。在本研究中,第一個階段主要是采集公共FM廣播信號的信號特征,第二個階段是利用不同的定位算法進(jìn)行位置的解算[9]。如圖1所示。

圖1 基于指紋的FM廣播信號定位方法框圖

1.1 FM廣播信號特征數(shù)據(jù)庫的采集

在FM廣播特征數(shù)據(jù)庫的采集階段,需要考慮兩個問題:第一個是采集設(shè)備的選擇,第二個是采集地點(diǎn)的選擇。因?yàn)椴杉O(shè)備采集數(shù)據(jù)的可靠性、采集地點(diǎn)的適配性都會關(guān)系到未來定位準(zhǔn)確率和精度。

由于FM廣播的覆蓋范圍非常廣,包含室內(nèi)和室外的大部分區(qū)域。所以在本研究中將其應(yīng)用于室外和室內(nèi)的定位。對于室外區(qū)域,主要進(jìn)行區(qū)域級別定位;對于室內(nèi)區(qū)域,主要進(jìn)行區(qū)域級別定位和精確定位。

因?yàn)橹讣y定位法主要利用環(huán)境信道特征的不同來定位,所以在采集區(qū)域的選擇上,主要選擇環(huán)境特征較明顯的區(qū)域。圖2與圖3是室外和室內(nèi)的采集區(qū)域。其中圖2是北京航空航天大學(xué)校園,將其劃分成10個區(qū)域;圖3是北京航空航天大學(xué)教學(xué)樓內(nèi)的某一層,因?yàn)闊o法進(jìn)入每個房間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,主要在走廊進(jìn)行采集,采集分成7個區(qū)域。

圖2 室外實(shí)驗(yàn)區(qū)域

圖3 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)域

FM廣播自20世紀(jì)30年代誕生以來,已經(jīng)經(jīng)歷了近一個世紀(jì)的發(fā)展,就目前來說,FM廣播主要的用途是用來傳輸音頻信號,所以市面上關(guān)于接收FM廣播的產(chǎn)品主要是收音機(jī),或者是直接的收音芯片。而在本文的研究中,需要得到可以利用其定位的信號特征參數(shù),如接收信號強(qiáng)度(received signal strength indicator,RSSI)等。經(jīng)過幾個方案的嘗試,最終構(gòu)建了如圖4的采集系統(tǒng)。

圖4 數(shù)據(jù)庫采集系統(tǒng)

該采集系統(tǒng)有著很多優(yōu)點(diǎn),它不僅可以實(shí)時(shí)的保存采集到的數(shù)據(jù),而且因?yàn)槠潴w積小而具有很好的便攜性。除此之外,它不僅可以采集FM廣播的RSSI特征而且還給出幾個其他可用于定位的特征參數(shù),包括信噪比(signal-noise ratio,SNR),多徑指示(Multipath),頻率偏移。這些特征參數(shù)為以后提升定位準(zhǔn)確率與精度提供了有利的條件。

1.2 在線定位階段

在這一階段,要結(jié)合在第一階段采集的特征數(shù)據(jù)庫完成位置的解算,最重要的是定位算法的選擇。本研究中主要采用了K-近鄰定位算法(K-nearest neighbor,KNN),K-近鄰加權(quán)定位算法(K-weighted nearest neighbor,KWNN),高斯過程回歸算法(Gaussian process regression, GPR),人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。下面分別簡單介紹一下各種算法。

1.2.1 KNN與KWNN

KNN算法原理簡單且容易實(shí)現(xiàn),其基本思想是:在給定一個未知的位置后,根據(jù)與該位置FM信號特征的相似程度在特征數(shù)據(jù)庫中選取k個參考點(diǎn),然后根據(jù)這k個參考點(diǎn)的位置進(jìn)行測試點(diǎn)位置的判定。相似程度主要用歐氏距離評估:

式(1)中,p代表每個參考點(diǎn)的特征向量的維數(shù),即選取的調(diào)頻廣播電臺數(shù)目。XRPi是某個參考點(diǎn)特征參數(shù)向量的第i個分量,XTi是測試點(diǎn)特征參數(shù)向量的第i個分量。

KWNN與KNN的不同,主要體現(xiàn)在不同距離的近鄰對預(yù)測估計(jì)貢獻(xiàn)的大小上。

式(2)是直接將k個近鄰參考點(diǎn)的位置(xi,yi)的平均作為測試點(diǎn)的位置。式(3)是將每個近鄰參考點(diǎn)的位置用式(1)中的歐氏距離進(jìn)行加權(quán)后得出測試點(diǎn)的位置[10]。

1.2.2 GPR定位算法

GPR是基于貝葉斯理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論發(fā)展起來的一種全新機(jī)器學(xué)習(xí)方法,適于處理高維數(shù)、小樣本和非線性等復(fù)雜回歸問題。該方法具有容易實(shí)現(xiàn)、超參數(shù)自適應(yīng)獲取以及輸出具有概率意義等優(yōu)點(diǎn)[11]。在GPR中,為了保證建模的準(zhǔn)確性,只將RSSI特征參數(shù)應(yīng)用其中。

在本文中,考慮滿足模型:y=f(x)+ε。其中,觀測量y是位置坐標(biāo),輸入量x是FM廣播信號的RSSI,ε是噪聲,假設(shè)其滿足ε～N(0),則可以得到觀測量y滿足分布:

式(4)中,K是協(xié)方差函數(shù)的矩陣,協(xié)方差函數(shù)反應(yīng)不同點(diǎn)函數(shù)值的相關(guān)性。在本文中,選取最常用的協(xié)方差函數(shù)即平方指數(shù)協(xié)方差:

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

室外的主要實(shí)驗(yàn)區(qū)域是北京航空航天大學(xué)校園內(nèi)部,如圖2所示,被劃分的10個區(qū)域都有著不同的環(huán)境特征,對每個區(qū)域都用圖4中所述的采集設(shè)備采集了一定數(shù)量的參考點(diǎn),共計(jì)550個,每個參考點(diǎn)的數(shù)據(jù)包括12個電臺的RSSI、SNR和Multipath等特征參數(shù),還有它們所屬的區(qū)域號;室內(nèi)的主要實(shí)驗(yàn)區(qū)域是北京航空航天大學(xué)新主樓,目前共采集了400余個參考點(diǎn)的數(shù)據(jù)。圖3是北京航空航天大學(xué)新主樓四層的采集區(qū)域圖,這一層被劃分成7個區(qū)域,主要地點(diǎn)是不同的走廊。對于每個參考點(diǎn),除了RSSI、SNR和Multipath等特征參數(shù)和區(qū)域號外,還標(biāo)定了它們的相對位置坐標(biāo)。圖5和圖6是室內(nèi)外不同地點(diǎn)的FM廣播信號強(qiáng)度分布圖,表1是室內(nèi)外數(shù)據(jù)庫中存儲的信息。

圖5 室外信號強(qiáng)度分布圖

圖6 室內(nèi)信號強(qiáng)度分布圖

表1 數(shù)據(jù)庫中存儲信息

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 室內(nèi)外區(qū)域級別定位結(jié)果分析

區(qū)域級別的定位實(shí)質(zhì)上是一種分類的問題,本研究中主要采用的定位算法是KNN,將k個近鄰參考點(diǎn)所在頻率最多的區(qū)域作為測試點(diǎn)的區(qū)域。圖7和圖8是將三種特征參數(shù)分別作為輸入的定位結(jié)果:

圖7 基于KNN的室外區(qū)域定位準(zhǔn)確率

圖8 基于KNN的室內(nèi)區(qū)域定位準(zhǔn)確率

由圖7和圖8可知,基于KNN的定位算法, k的選取對定位結(jié)果有很大影響。室外區(qū)域級別定位的最高準(zhǔn)確率可以達(dá)到80.37%,室內(nèi)最高可達(dá)到71.43%。分別比較基于RSSI、SNR、Multipath三種特征參數(shù)的定位結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn),基于RSSI的定位結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他兩種定位參數(shù),原因可能是RSSI能更好的反映FM廣播信號在某一環(huán)境下的特征。

圖9是將三種特征參數(shù)融合后室外區(qū)域級別的定位結(jié)果。

由圖9可以看出將這三種特征參數(shù)進(jìn)行兩兩融合或三者融合后可以有效提升定位的準(zhǔn)確率,最高的準(zhǔn)確率能夠達(dá)到90.80%。但是,由表2也可以看出,并不是特征參數(shù)融合的越多越好,要搭配適當(dāng)才能出最佳效果,在以后的研究中可以考慮自適應(yīng)融合,選取最佳搭配組合。

2.2.2 室內(nèi)精確定位結(jié)果分析

在室內(nèi)區(qū)域,對定位精度有著更高的要求,所以除了區(qū)域級別的定位外,還要研究精確定位。在室內(nèi)的精確定位,主要采取KNN、KWNN和GPR定位算法。

圖10是在圖3實(shí)驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行的基于KNN和KWNN的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析:

由圖10可知KNN與KWNN的定位結(jié)果極其相似,說明在本實(shí)驗(yàn)中,加權(quán)并沒有改善定位效果。原因可能是近鄰點(diǎn)與測試點(diǎn)的距離相差不大。在圖3的113 m×42 m的區(qū)域里,定位的最小均方根誤差是基于RSSI的17.84 m。

基于KNN、KWNN的定位算法,將三種特征參數(shù)融合后的定位結(jié)果如表3。

圖9 基于三種參數(shù)融合后的室外區(qū)域定位結(jié)果

表2 基于不同特征參數(shù)的室內(nèi)外區(qū)域定位準(zhǔn)確率比較

對于GPR定位算法,因?yàn)镚PR只能解決回歸問題,不適用于分類問題,所以在本研究中只將其應(yīng)用于室內(nèi)的精確定位中,而且只將RSSI特征參數(shù)作為唯一的輸入。通過將RSSI與位置坐標(biāo)建立模型,得到的定位誤差是13.34 m。圖11是KNN、KWNN、GPR三種算法的誤差累計(jì)分布函數(shù)(cumulative distribution function,CDF),如圖11所示,GPR的性能要優(yōu)于其他兩種算法。

圖10 基于KNN和KWNN的室內(nèi)定位誤差分析

表3 基于不同特征參數(shù)的室內(nèi)定位精度比較

圖11 三種算法的CDF圖

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于公共FM廣播信號的定位方法,該方法利用了多種FM廣播信號特征參數(shù),采用指紋定位法進(jìn)行定位。第一階段采集室內(nèi)外的FM廣播信號特征數(shù)據(jù)庫,第二階段用KNN、KWNN、GPR三種定位算法進(jìn)行了位置的解算。KNN與KWNN可用于區(qū)域級別的定位和精確定位,GPR只能用于精確定位。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析,將多種參數(shù)融合后再進(jìn)行定位可將室外區(qū)域級別定位準(zhǔn)確率從80.46%提升至90.81%,室內(nèi)區(qū)域級別定位準(zhǔn)確率從71.43%提升至100%,室內(nèi)精確定位誤差從17.84 m降至11.16 m。在單獨(dú)利用RSSI特征參數(shù)定位時(shí),GPR比KNN、KWNN更有優(yōu)勢。下一步研究主要會從如何提升FM廣播定位性能來進(jìn)行,定位區(qū)域的適配性、特征參數(shù)如何組合都會在考慮范圍之內(nèi)。

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Research on Location with FM Broadcasting Signal

SU Min,QIN Honglei
(School of Electronic and Information Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)

Because GNSS will be unavailable in a complex environment,a method using FM broadcasting signal to locate was proposed,which used many FM signal features and the fingerprinting technique to locate.The wide coverage,good stability and strong anti-interference ability ma k e FM broadcasting signal a good choice in indoor and outdoor positioning.The research focuses on the regional level location in the outdoor,while the accurate location is also in consideration in the indoor.In addition to the theory statement,several algorithms were applied and the experimental results were compared.It turns out that the outdoor regional level positioning accuracy can reach 90.81%,which is 100%in indoor environment,and the accuracy of indoor accurate positioning is 11.16 m.

FM radio;fingerprinting technique;outdoor positioning;indoor positioning

TN96

A

2095-4999(2015)-04-0044-06

2014-10-16

蘇敏(1990—),女,內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭人,碩士生,主要研究方向?yàn)榛贔M廣播的定位技術(shù)。

蘇敏,秦紅磊.調(diào)頻廣播定位技術(shù)的研究[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2015,3(4):44-49.SU Min,QIN Honglei.Research on Location with FM Broadcasting Signal[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):44-49.

10.16547/j.cn k i.10-1096.20150409