杜 凱，陳振杰，蔚保國，祝瑞輝，賈浩男，康習(xí)勇

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點實驗室，河北 石家莊 050081;2.戰(zhàn)略支援保障部隊航天系統(tǒng)部駐石家莊地區(qū)軍代室，河北 石家莊 050081)

0 引言

人們大多數(shù)時間生活在室內(nèi)。特別是在大型商場購物、地下停車場尋車和體育場進出口查找等場合，人們對室內(nèi)場合位置服務(wù)需求迫切。王楊[1]和席瑞[2]等人對室內(nèi)主流定位技術(shù)和原理進行了總結(jié)。石高濤[3]等人研究了基于WiFi智能手機室內(nèi)定位方法?；谏漕l識別的室內(nèi)定位技術(shù)被廣范地研究[4-6]，常用于制作電子圍欄系統(tǒng)。超快帶是一種高精度室內(nèi)定位技術(shù)[7]。文獻[8-9]改進了基于到達信號強度和信號指紋的定位方法，為室內(nèi)定位提供了思路，然而WiFi室內(nèi)定位精度較低，不能滿足用于高精度的需求，射頻作用距離和范圍有限，雖然超快帶能夠提高較高的定位精度，但需要專門的接收設(shè)備，無法用常規(guī)商用接收機芯片融合。北斗偽衛(wèi)星是一種能夠發(fā)射北斗B1/GPS L1導(dǎo)航信號的地面無線基站設(shè)備，是室內(nèi)定位常用的一種技術(shù)手段。

基于北斗偽衛(wèi)星的定位終端可以借助現(xiàn)有的商用芯片，只需要修改定位芯片的軟件，無需更改硬件，能實現(xiàn)室外GNSS和室內(nèi)北斗衛(wèi)星信號的同時接收和解析，且基于北斗偽衛(wèi)星的室內(nèi)定位技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度室內(nèi)定位[10]。然而，目前的室內(nèi)定位終端采用智能手機[11]和基于GNSS接收機，都是室外定位終端[12-14]，直接使用都無法接收室內(nèi)偽衛(wèi)星信號。考慮到北斗偽衛(wèi)星具有與空間導(dǎo)航信號相同的缺點，即無法在遮擋區(qū)域?qū)崿F(xiàn)正常定位，因此，在室內(nèi)走廊、角落等區(qū)域，單獨使用北斗衛(wèi)星無法滿足連續(xù)定位。本文將偽衛(wèi)星定位和微慣導(dǎo)定位無縫融合，利用微慣導(dǎo)在遮擋區(qū)域進行連續(xù)定位，解決了空間導(dǎo)航信號不連續(xù)的問題。

1 終端總體設(shè)計

終端包括天線、北斗偽衛(wèi)星定位模塊、慣性傳感器定位模塊、智能手機和軟件APP模塊。其中，北斗偽衛(wèi)星定位模塊用于接收、解析北斗偽衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并將解析出的數(shù)據(jù)經(jīng)藍牙上傳到智能手機端。慣性傳感器安裝在行人腳部，用于采集行人運動狀態(tài)參數(shù)，并經(jīng)藍牙上傳到手機端。智能手機通過藍牙接收北斗偽衛(wèi)星模塊和慣性傳感器模塊信號，送入到軟件APP模塊實現(xiàn)組合定位和位置的界面地圖顯示，如圖1所示。

圖1 室內(nèi)定位終端組成Fig.1 Composition of indoor positioning terminal

1.1 小型化四臂螺旋天線

考慮到便攜性，本終端采用了小型化、高精度的四臂螺旋天線，如圖2所示。該天線具備以下優(yōu)點：支持3系統(tǒng)7頻點B1/B2/B3/L1/L2/G1/G2，高精度高質(zhì)量高動態(tài)信號接收，八臂四饋零相位技術(shù)，高精度，結(jié)構(gòu)輕小，僅為19 g，支持GNSS差分高精度定位。天線接口為SMA-K形式。

圖2 小型化四臂螺旋天線Fig.2 Miniaturized four-arm helical antenna

1.2 北斗偽衛(wèi)星定位模塊

室內(nèi)定位模塊基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片設(shè)計，集成了LNA，SAW和TCXO、藍牙和電源設(shè)計等器件，可以接收BD B1，GPS L1，GLONASS L1 和Galileo E1等4個頻點的衛(wèi)星信號實現(xiàn)精確定位，具有極低功耗與小體積特點。其衛(wèi)星導(dǎo)航定位芯片內(nèi)置偽衛(wèi)星IP軟核，能夠接收和解析北斗偽衛(wèi)星導(dǎo)航信號。整個室內(nèi)定位模塊的組成如圖3所示。

圖3 偽衛(wèi)星定位模塊組成Fig.3 Pseudolite positioning module

北斗偽衛(wèi)星IP軟核是一段程序代碼，使衛(wèi)星導(dǎo)航芯片能夠捕獲跟蹤北斗偽衛(wèi)星導(dǎo)航信號，并輸出導(dǎo)航信號的原始觀測量信息(偽距、載波相位和多普勒等)。內(nèi)置北斗衛(wèi)星IP軟核的衛(wèi)星導(dǎo)航芯片能夠同時接收解析空間導(dǎo)航衛(wèi)星和室內(nèi)北斗偽衛(wèi)星信號。

1.3 微慣性傳感器定位模塊

微慣導(dǎo)定位功能模塊組成，如圖4所示。主要由傳感器、處理器、電源和嵌入式算法軟件等組成，其中定位方式包括較高精度的微慣性器件，通信方式包括藍牙和RS232/422。

圖4 微慣導(dǎo)定位功能模塊組成Fig.4 Composition of micro inertial navigation module

微慣性傳感器安裝在腳部，主要采用運動約束微慣導(dǎo)定位算法。雙足交替前進過程中，雙腳交替前進，一腳靜止，另一腳邁動，單步過程靜止時間約占38.5%，靜止運動特征可被足部穿戴微慣性傳感器識別，用以輔助微慣性導(dǎo)航。分析顯示，純慣導(dǎo)定位誤差隨時間呈指數(shù)增長，有靜止特征約束微慣導(dǎo)定位誤差呈線性增長，理論上可以提供定位精度。

行人運動特征示意如圖5所示。微慣導(dǎo)室內(nèi)定位誤差發(fā)散如圖6所示。

圖5 行人運動特征示意Fig.5 Schematic diagram of pedestrian movement characteristics

圖6 微慣導(dǎo)室內(nèi)定位誤差發(fā)散Fig.6 Divergence of indoor position error for micro inertial navigation

1.4 電源設(shè)計

電源模塊負責(zé)將鋰電池提供的3.3～4.2 V的電壓轉(zhuǎn)換為室內(nèi)定位模塊所需的3.3，3.0，1.8，1.2 V，如圖7所示。

圖7 電源轉(zhuǎn)換示意Fig.7 Schematic diagram of power conversion

鋰電池具備充放電功能，其中充電管理單元主要負責(zé)對鋰電池進行充放電管理。通過外接適配器給鋰電池充電，充電過程中通過指示燈顏色標識出充電或充滿狀態(tài)，同時可以對鋰電池剩余電量給出信號指示。當剩余電量不足時給出警告提示并關(guān)機保護。

1.5 外殼結(jié)構(gòu)設(shè)計

手持定位終端的結(jié)構(gòu)殼體設(shè)計借鑒手機電池背夾的結(jié)構(gòu)形式，需要考慮的設(shè)計要素：方便攜帶、容易與手機結(jié)構(gòu)結(jié)合并固定?？紤]到各型號手機的生命周期短的特點，需要進一步考慮手持定位終端的結(jié)構(gòu)殼體可以兼容多型手機的結(jié)構(gòu)形式，可與不同尺寸的手機貼合使用，如圖8所示。

圖8 外殼結(jié)構(gòu)Fig.8 Shell structure

1.6 通信

通信模塊采用無線和有線2種方式，其中無線采用低功耗藍牙模塊，適用于北斗偽衛(wèi)星定位模塊、慣性傳感器模塊與智能手機連接。保留了北斗偽衛(wèi)星模塊與智能手機的有線連接方式，即通過OTG數(shù)據(jù)線分別連接智能手機與北斗偽衛(wèi)星定位模塊的Type-C接口。

2 終端軟件設(shè)計

終端軟件由觀測量采集軟件、定位解算軟件和應(yīng)用軟件組成。觀測量采集軟件實現(xiàn)北斗偽衛(wèi)星定位模塊和慣性傳感器定位模塊的接入和觀測量數(shù)據(jù)獲??；定位解算軟件包括北斗偽衛(wèi)星定位解算和慣性傳感器定位解算；應(yīng)用軟件實現(xiàn)了偽衛(wèi)星和慣性傳感器的智能混合定位，并疊加高精度室內(nèi)地圖。終端軟件組成如圖9所示。

圖9 終端軟件組成Fig.9 Terminal software composition

2.1 觀測量采集軟件

觀測量采集軟件利用低功耗藍牙(BLE)與手持定位模塊和微慣性傳感器進行數(shù)據(jù)傳輸，BLE的連接建立在通用層性配置文件(Generic Attribute Profile，GATT)協(xié)議之上。GATT 是一個在藍牙連接之上的發(fā)送和接收很短的數(shù)據(jù)段的通用規(guī)范。GATT給設(shè)備定義了若干角色，其中主要的2個是外圍設(shè)備和中心設(shè)備，外設(shè)通過廣播自己來讓中心設(shè)備發(fā)現(xiàn)自己，并建立GATT連接，從而進行更多的數(shù)據(jù)交換，一個外設(shè)只能連接一個中心設(shè)備，而一個中心設(shè)備可以連接多個外設(shè)。將智能手機作為中心設(shè)備，手持定位模塊和微慣性傳感器作為2個外圍設(shè)備進行觀測量傳輸。GATT連接拓撲如圖10所示。

圖10 GATT連接拓撲Fig.10 GATT connection topology

2.2 定位解算軟件

定位解算軟件包括偽衛(wèi)星定位解算和微慣導(dǎo)定位解算2部分。偽衛(wèi)星定位解算采用載波相位差算法，實現(xiàn)亞米級定位。微慣導(dǎo)定位解算是在已知位置點上，利用相對位移進行位置推導(dǎo)。由于微慣導(dǎo)傳感會在固定方向上產(chǎn)生角度偏差，隨著位移增大，導(dǎo)致其定位誤差越大，因此需對慣導(dǎo)定位結(jié)果進行糾偏，糾偏算法如下：

2.3 應(yīng)用軟件

應(yīng)用軟件接收偽衛(wèi)星和微慣導(dǎo)2類定位結(jié)果，并對定位結(jié)果進行融合擇優(yōu)，輸出最終混合定位結(jié)果，疊加高精度地圖，將組合定位終端的定位結(jié)果進行可視化展示。

應(yīng)用軟件定位混合流程可描述如下：① 接收偽衛(wèi)星定位結(jié)果，同時記錄第一個定位結(jié)果作為微慣導(dǎo)初始點；② 位移后記錄偽衛(wèi)星定位結(jié)果作為微慣導(dǎo)糾偏點，并計算出微慣導(dǎo)角偏差；③ 當偽衛(wèi)星因信號遮擋等原因無法解算出定位時，利用角偏差計算微慣導(dǎo)定位結(jié)果并輸出；④ 當偽衛(wèi)星信號重新捕獲后，輸出偽衛(wèi)星定位結(jié)果，并記錄偽衛(wèi)星的高精度定位結(jié)果作為微慣導(dǎo)糾偏點。終端軟件界面如圖11所示。

圖11 終端軟件界面Fig.11 Terminal software interface

3 試驗分析

試驗采用自主研制的室內(nèi)定位終端，如圖12所示。

圖12 北斗偽衛(wèi)星與慣性傳感器室內(nèi)定位終端Fig.12 Indoor positioning terminal of pseudolite and inertial sensor

試驗時，啟動北斗偽衛(wèi)星與慣性傳感器定位終端，運行智能手機端APP軟件，點擊藍牙連接，將北斗偽衛(wèi)星與慣性傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)藍牙上報的智能手機，開啟位置數(shù)據(jù)記錄功能。試驗場地選擇某單位C7人工智能試驗場及其周邊室外區(qū)域，試驗路徑包括室外和室內(nèi)2部分。實驗者從室內(nèi)出發(fā)，沿室內(nèi)規(guī)劃的矩形軌跡行走2周后沿室內(nèi)墻壁從C7樓北門出去，然后從C7樓東邊道路由北向南行走，從C7南門進入，最終回到起點。當行走至參考點1，2，3，4，5，6時，點擊保存10 s定位結(jié)果，用于定位精度分析。試驗環(huán)境和試驗定位軌跡如圖13所示。定位結(jié)果如表1所示。

圖13 試驗環(huán)境和試驗定位軌跡Fig.13 Test environment and test result trajectory

表1 定位結(jié)果Tab.1 Position results

通過數(shù)據(jù)分析可知，室內(nèi)組合定位終端平均定位精度優(yōu)于0.3 m。

4 結(jié)束語

本文提出的北斗偽衛(wèi)星與慣性傳感器室內(nèi)組合定位終端，通過將偽衛(wèi)星定位IP軟核內(nèi)嵌到衛(wèi)星導(dǎo)航芯片的方法，實現(xiàn)了北斗偽衛(wèi)星信號的接收。與慣性傳感器結(jié)合，解決室內(nèi)連續(xù)無縫的高精度定位。隨著人們對室內(nèi)位置服務(wù)需求的增長及北斗偽衛(wèi)星和慣性觸感器組合定位技術(shù)的不斷改進，該定位終端將會得到更多應(yīng)用。