室內(nèi)定位技術(shù)在船舶上的應(yīng)用研究及方案設(shè)計

周錦標(biāo)，趙乾宏，余 坤，張建飛，丁 廣

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

室內(nèi)定位技術(shù)在船舶上的應(yīng)用研究及方案設(shè)計

周錦標(biāo)，趙乾宏，余 坤，張建飛，丁 廣

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431)

為了滿足遠(yuǎn)洋大型船舶對人員和物品進(jìn)行方便、快捷和高效管理的需求，利用無線定位技術(shù)構(gòu)建一種適用于大型船舶的室內(nèi)實時定位系統(tǒng)。在簡要介紹人員定位基本原理的基礎(chǔ)上，通過分析比對當(dāng)前常用的無線定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，針對船舶復(fù)雜環(huán)境的室內(nèi)定位需求，給出了基于ZigBee技術(shù)和基于RSSI測距定位算法的船舶室內(nèi)定位系統(tǒng)初步設(shè)計方案。該設(shè)計方案實現(xiàn)了對船舶人員或物品地理位置的實時精確測定和管理。

人員定位；紫蜂；藍(lán)牙；射頻識別

0 引 言

基于衛(wèi)星通信的全球定位系統(tǒng)GPS以良好的定位精度解決了軍事和民用的很多室外定位的實際問題[1]。但是，對于室內(nèi)空間的定位，由于信號的屏蔽，其定位精度就明顯下降，甚至無法工作。

研究新的室內(nèi)定位系統(tǒng)，對某一個人或物品在某一時間所處的室內(nèi)地理位置進(jìn)行精確測定，以便為用戶提供相關(guān)的位置信息服務(wù)，或進(jìn)行實時的監(jiān)測和跟蹤，在軍用、民用和商用領(lǐng)域具有現(xiàn)實的重要意義。目前室內(nèi)定位技術(shù)及其服務(wù)主要應(yīng)用于：公共安全，如緊急救援；報警信息發(fā)布，跟蹤業(yè)務(wù)，如犯罪嫌疑人的跟蹤，走失老人和兒童的尋找，車輛的防盜報警，交通監(jiān)控；基于位置的信息業(yè)務(wù)等。

船舶由于其工作環(huán)境特殊，用常規(guī)手段進(jìn)行人員定位比較困難，建立一套有效的船倉室內(nèi)人員定位系統(tǒng)對提高船員的考勤管理、訪客的監(jiān)控管理和遇險應(yīng)急救援具有重要意義。

1 室內(nèi)定位技術(shù)

室內(nèi)定位技術(shù)目前主要分為基于無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)人員的定位與管理以及其他定位技術(shù)，例如紅外線室內(nèi)定位技術(shù)、超聲波室內(nèi)定位技術(shù)、計算機(jī)視覺定位技術(shù)、磁場定位技術(shù)、慣導(dǎo)定位技術(shù)等。其中，基于無線通信系統(tǒng)的定位技術(shù)應(yīng)用極為普遍。目前常用的無線定位技術(shù)主要有以下幾種：藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、超寬帶技術(shù)、RFID技術(shù)和Zigbee技術(shù)[2]。它們基本上覆蓋了目前的應(yīng)用需求，在各自的領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。

1.1 藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)

藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)是利用在室內(nèi)安裝的若干個藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，使該網(wǎng)絡(luò)工作于基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)始終是這個微微網(wǎng)（piconet）的主設(shè)備，然后通過測量信號強(qiáng)度對新加入的盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三角定位。

藍(lán)牙室內(nèi)定位的優(yōu)點(diǎn)是：設(shè)備體積小、低功耗，容易集成在手機(jī)等移動設(shè)備中；藍(lán)牙傳輸不受視距的影響。缺點(diǎn)是：對于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大，而且藍(lán)牙器件和設(shè)備的價格比較昂貴。

藍(lán)牙技術(shù)主要應(yīng)用于小范圍定位，例如單層大廳或倉庫[3]。

1.2 Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)

Wi-Fi定位技術(shù)有2種：一種是通過移動設(shè)備和3個無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的無線信號強(qiáng)度，通過差分算法，來比較精準(zhǔn)地對人和車輛的進(jìn)行三角定位；另一種是事先記錄巨量的確定位置點(diǎn)的信號強(qiáng)度，通過用擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫對新加入的設(shè)備的信號強(qiáng)度進(jìn)行對比，來確定位置。

Wi-Fi定位技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：總精度較高，硬件成本低，傳輸速率高；可應(yīng)用于實現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務(wù)。缺點(diǎn)是：傳輸距離較短，功耗較高，一般是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

Wi-Fi定位適用于對人或者車的定位導(dǎo)航，可用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導(dǎo)航的場合。

1.3 射頻識別室內(nèi)定位技術(shù)

射頻識別（RFID）室內(nèi)定位技術(shù)利用射頻方式，固定天線把無線電信號調(diào)成電磁場，附著于物品的標(biāo)簽經(jīng)過磁場后生成感應(yīng)電流把數(shù)據(jù)傳送出去，以雙向通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，以達(dá)到識別和三角定位的目的。

射頻識別室內(nèi)定位的優(yōu)點(diǎn)是：作用距離很近，但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息。缺點(diǎn)是：不具有通信能力，抗干擾能力較差，不便于整合到其他系統(tǒng)之中，且用戶的安全隱私保障和國際標(biāo)準(zhǔn)化都不夠完善。

射頻識別室內(nèi)定位已經(jīng)被倉庫、工廠、商場廣泛使用在貨物、商品流轉(zhuǎn)定位上。感應(yīng)門禁卡和商場防盜系統(tǒng)用的就是這種技術(shù)。

1.4 Zigbee室內(nèi)定位技術(shù)

工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、智能家居控制等應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)在廣泛使用Zigbee模塊構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)。而Zigbee技術(shù)的低功耗、低成本、高可靠的特點(diǎn)也為構(gòu)建室內(nèi)定位系統(tǒng)提供了很好的方案[4]。

Zigbee室內(nèi)定位技術(shù)通過若干待測節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間形成組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的待測節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播信息，并從各相鄰的參考節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，選擇信號最強(qiáng)的參考節(jié)點(diǎn)的X和Y坐標(biāo)。然后，計算與參考節(jié)點(diǎn)相關(guān)的其他節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。最后，對定位引擎中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并考慮距離最近參考節(jié)點(diǎn)的偏移值，從而獲得待測節(jié)點(diǎn)在大型網(wǎng)絡(luò)中的實際位置。

Zigbee室內(nèi)定位技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：功耗低、成本較低、延時短、高容量以及高安全，傳輸距離較長；可支持網(wǎng)狀拓?fù)?，樹狀拓?fù)浜托切屯負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，組網(wǎng)靈活，可實現(xiàn)多跳傳輸。缺點(diǎn)是：傳輸速率低，定位精度對算法要求較高。

1.5 超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)

超寬帶（UWB）定位技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信定位技術(shù)有極大差異的新技術(shù)。它利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點(diǎn)和橋節(jié)點(diǎn)，與新加入的盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置。

超寬帶定位技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：具有GHz量級的帶寬，定位精度高；穿透力強(qiáng)，抗多徑效果好、安全性高。缺點(diǎn)是：由于新加入的盲節(jié)點(diǎn)需要主動通信，導(dǎo)致功耗較高，同時該系統(tǒng)成本高。

超寬帶技術(shù)可用于雷達(dá)探測，同時應(yīng)用于各個領(lǐng)域的室內(nèi)精確定位和導(dǎo)航。

1.6 分析與比較

基于無線通信系統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)的對比如表1所示。

從不同的室內(nèi)定位技術(shù)對比來看，經(jīng)過成本以及傳輸距離的考慮，Zigbee技術(shù)以及WiFi技術(shù)較為合適。而針對船舶室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境對定位的要求，Zigbee技術(shù)相對WiFi來說功耗更低以及有著更豐富的組網(wǎng)方式，同時傳輸速率亦能滿足基本需求。

2 定位算法選擇

根據(jù)定位手段的不同，目前絕大多數(shù)的定位算法可分為兩大類：基于測距的定位和無需測距的定位）?；跍y距的定位是通過測量節(jié)點(diǎn)間的相互距離或方位信息，進(jìn)而通過相應(yīng)方法進(jìn)行計算，得到相關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)；無需測距的定位則不需要測量距離或方位信息，而是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的連通性等信息實現(xiàn)節(jié)點(diǎn)定位。

表 1 基于無線通信系統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)特性比對表Tab. 1 Comparing chart of indoor positioning technique characteristic according to wireless communication system

2.1 基于測距技術(shù)的節(jié)點(diǎn)定位算法

測量節(jié)點(diǎn)間距離或方位時常用的方法有基于到達(dá)時間（TOA）、基于到達(dá)時間差（TDOA）、基于到達(dá)角度（AOA）和基于接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）的方法。

在TOA（Time of Arrival）定位中，己知信號在網(wǎng)絡(luò)中的傳播速度，根據(jù)信號在節(jié)點(diǎn)間的傳播時間來得到節(jié)點(diǎn)間的距離，然后利用已有的算法計算出相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)[5]。

TDOA（Time Difference of Arrival）是根據(jù)同一節(jié)點(diǎn)發(fā)送2個不同信號的到達(dá)時間差來測距的，在時鐘同步的條件下，同時發(fā)射2種信號，由錨節(jié)點(diǎn)計算出收到2種信號到達(dá)的時間差，計算出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)到鄰居錨節(jié)點(diǎn)的距離信息，然后利用三角定位方法進(jìn)行定位。

AOA（Angle of Arrival）是通過角度測量節(jié)點(diǎn)距離的，在該技術(shù)中，未知節(jié)點(diǎn)通過天線陣列或者其他接收設(shè)備獲取參考節(jié)點(diǎn)無線信號到達(dá)方向，計算節(jié)點(diǎn)間的相對方向角，然后利用三角測量法計算未知節(jié)點(diǎn)的位置信息[6]。

2.2 基于非測距技術(shù)的定位算法

質(zhì)心（Centroid）算法：傳感器網(wǎng)絡(luò)中包含參考節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)。參考節(jié)點(diǎn)的位置或坐標(biāo)都已知為（Xi，Yi），普通節(jié)點(diǎn)利用接收到的參考節(jié)點(diǎn)的位置或坐標(biāo)來估算自己的位置或坐標(biāo)。

APIT算法的基本思想是：未知節(jié)點(diǎn)通過錨節(jié)點(diǎn)的通信傳播過程，獲得所有鄰居錨節(jié)點(diǎn)的信息，若未知節(jié)點(diǎn)的鄰居錨節(jié)點(diǎn)數(shù)目為n，則每次從n個錨節(jié)點(diǎn)中取3個作為一組，判斷該節(jié)點(diǎn)是否包含在以該3個錨節(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)的三角形中，窮盡所有組合。對所有包含該未知節(jié)點(diǎn)的三角形進(jìn)行區(qū)域重合，求出該重合區(qū)域的執(zhí)行位置，即得到該節(jié)點(diǎn)的位置信息。

DV-HOP算法的基本過程是網(wǎng)絡(luò)中的未知節(jié)點(diǎn)通過距離矢量交換協(xié)議過得距離錨節(jié)點(diǎn)的跳數(shù)，然后由錨節(jié)點(diǎn)計算網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離，并廣播至網(wǎng)絡(luò)中，未知節(jié)點(diǎn)接收到錨節(jié)點(diǎn)發(fā)送的校正值后，計算到錨節(jié)點(diǎn)的距離，該距離就等于網(wǎng)絡(luò)平均每跳距離與未知節(jié)點(diǎn)到錨節(jié)點(diǎn)跳數(shù)相乘，然后利用三角測量法對未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位[7]。

基于非測距技術(shù)的定位算法不需要測量節(jié)點(diǎn)的相互距離或角度，對節(jié)點(diǎn)的硬件要求相對較低，但定位的誤差也相應(yīng)的有所增大。

2.3 分析與比較

在各類定位算法中，基于測距技術(shù)的定位算法相對于非測距技術(shù)算法定位精度更高。如表2所示，基于測距技術(shù)的定位算法中的RSSI算法相對TODA和AOA算法雖然精度略低，但是通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)配置的無線信號收發(fā)器，能夠發(fā)射和接收無線信號，且傳感器節(jié)點(diǎn)在設(shè)計的時候就具備測量RSSI值的能力，可以非常容易獲取測距所需要的RSSI值參數(shù)，因此RSSI測距法無需額外的硬件支持，是一種低成本、低能耗且易于實現(xiàn)的測距方法，更適用于室內(nèi)定位[8]。

表 2 室內(nèi)定位算術(shù)特性比對表Tab. 2 Comparing chart of indoor positioning arithmetic characteristic

通過以上比較可知，對于船舶內(nèi)人員分布密集以及無線通信范圍小的室內(nèi)環(huán)境，為達(dá)到精度以及控制成本的要求，采用測距技術(shù)算法中基于RSSI值算法更為合適。

3 船舶人員定位系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 船舶人員定位系統(tǒng)硬件架構(gòu)

系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示，主要由微基站、定位終端標(biāo)簽、定位服務(wù)器、管理服務(wù)器及管理客戶端幾部分組成。

定位終端標(biāo)簽用于錄入相關(guān)人員信息，作為唯一標(biāo)識，以一定頻率發(fā)送數(shù)據(jù)至微基站。微基站用于搜集定位標(biāo)簽或定位終端上報信息，判斷標(biāo)簽位置，同時將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至定位服務(wù)器。定位服務(wù)器用于搜集微基站上報相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理，計算出定位標(biāo)簽或終端的實時坐標(biāo)。管理服務(wù)器對系統(tǒng)各設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和管理，同時提供位置信息的存儲、查詢。管理客戶端還可以提供定位標(biāo)簽、終端實時位置的三維顯示，以及相關(guān)區(qū)域數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

3.2 船舶人員定位系統(tǒng)原理

船舶人員定位系統(tǒng)基于Zigbee技術(shù)設(shè)計，通過在室內(nèi)安裝定位微基站設(shè)備，采集定位標(biāo)簽及終端上報的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)至定位服務(wù)器，服務(wù)器通過定位標(biāo)簽及終端信號強(qiáng)度（RSSI）值，判斷標(biāo)簽及終端與定位微基站距離，再通過三角測量計算出標(biāo)簽及終端實時坐標(biāo)。其系統(tǒng)原理如圖2所示。

3.3 船舶人員定位實現(xiàn)流程

船舶人員定位主要經(jīng)過4個流程：定位信息預(yù)處理、定位運(yùn)算、位置值后處理、位置值存儲管理。其流程如圖3所示。

在圖3中，定位服務(wù)器接收到由微基站設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的定位信息后，首先濾除不可用的定位信息，然后對經(jīng)過預(yù)處理的有效定位信息，進(jìn)行字段處理，提取出與定位相關(guān)的時間片、RSSI、LQI等數(shù)據(jù)，送至單點(diǎn)運(yùn)算器進(jìn)行運(yùn)算處理；通過單點(diǎn)的距離運(yùn)算，得到定位終端距離微基站設(shè)備的相對距離，送至多點(diǎn)相對位置運(yùn)算器進(jìn)行處理；多點(diǎn)相對位置運(yùn)算器根據(jù)距離數(shù)據(jù)，計算出定位終端距離單個微基站設(shè)備的相對坐標(biāo)，即校正后的距離數(shù)據(jù)以及角度數(shù)據(jù)，該坐標(biāo)數(shù)據(jù)被送到3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換進(jìn)行坐標(biāo)處理；經(jīng)過3D坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，可以得到移動坐標(biāo)在樓層的具體平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)；3D坐標(biāo)值將被存儲，用于后續(xù)位置服務(wù)管理模塊進(jìn)行管理調(diào)用。

3.4 船舶人員定位系統(tǒng)功能

船舶人員定位系統(tǒng)可實現(xiàn)的應(yīng)用功能主要有三維定位、考勤管理、訪客管理、應(yīng)急救援及查詢管理等。

三維顯示功能可以用三維顯示的直觀方式展現(xiàn)船舶的外形，同時將系統(tǒng)各設(shè)備，人員的位置在三維圖形中以不同的方式進(jìn)行標(biāo)示，同時以平面顯示每層的結(jié)構(gòu)布局，當(dāng)人員或設(shè)備在樓內(nèi)被定位時，監(jiān)控屏幕就會有一個對應(yīng)的點(diǎn)標(biāo)示，實時動態(tài)顯示到相應(yīng)的圖示位置。三維顯示功能示例圖如圖4所示。

考勤管理功能可以根據(jù)人員的位置數(shù)據(jù)以及設(shè)定考勤管理的條件，自動進(jìn)行人員的出勤統(tǒng)計，形成考勤的各項報表，以表格的形式導(dǎo)出。

當(dāng)外來人員來訪時，訪客管理功能可以通過身份證讀取來訪人員信息，與來訪定位終端關(guān)聯(lián)，同時設(shè)定管理信息，如來訪限制時間、限制區(qū)域等，系統(tǒng)將對來訪人員進(jìn)行管理，當(dāng)人員進(jìn)入限制區(qū)域時，系統(tǒng)將給與提示。

應(yīng)急救援功能是在緊急情況下，系統(tǒng)能知道每一個被救援人員精準(zhǔn)位置，以便能快速、高效完成救援任務(wù)。同時，當(dāng)人員遭遇危險時，能主動發(fā)送告警，系統(tǒng)將給與警示并且顯示該人員實時位置。

查詢管理功能是利用系統(tǒng)內(nèi)存儲的人員、設(shè)備識別以及位置信息，通過友好的人機(jī)界面對這些信息進(jìn)行查詢。而且，對于歷史信息，可以通過輸入時間的方式，查詢其歷史數(shù)據(jù)，回放歷史的運(yùn)動軌跡等。

4 結(jié) 語

本文分析了當(dāng)前幾種常用的室內(nèi)無線定位技術(shù)，對基于Zigbee技術(shù)的船舶人員管理定位系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。目前該設(shè)計方案在某船已經(jīng)工程實現(xiàn)。經(jīng)測試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，定位精度高，可以實現(xiàn)對船舶人員的實時管理和追蹤，不僅為船舶事故的及時處理、事后分析及援救工作提供重要依據(jù)，而且提高了船舶人員管理水平和安全性。

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Research and project design on technology of indoor positioning on ship

ZHOU Jin-biao, ZHAO Qian-hong, YU Kun, ZHANG Jian-fei, DING Guang
(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431, China)

For satisfying the deep-sea and large ships to manage the personnel and product conveniently, rapidly and efficiently, it is applicable to set up a kind of indoor real-time positioning system for the large ships using the wireless positioning technique. This paper introduces the theory of person location technology. By comparing the advantages and disadvantages of current and common wireless location technology, and considering the positioning needs of the ship complex environment, select the ZigBee technology and RSSI ranging-positioning algorithm for initial designing real-time wireless positioning system on ship. The design project can carry out accurate and real-time raging geography position and managment of the personnel or the product on ship.

person location；ZigBee；Bluetooth；RFID

signal strength indicator）算法是由未知節(jié)點(diǎn)發(fā)射無線信號，由接收節(jié)點(diǎn)測量接收到的無線信號強(qiáng)度，通過信號強(qiáng)度，得出節(jié)點(diǎn)之間的距離后根據(jù)三角測量法或其他算法求解節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)未知信息。可計算出傳播過程中的損耗，再利用已知的理論或經(jīng)驗的信號傳播衰減模型計算出節(jié)點(diǎn)之間的距離。

TN966

A

1672 – 7649(2017)08 – 0176 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.037

2016 – 08 – 19；

2016 – 11 – 27

周錦標(biāo)(1966 – )，男，高級工程師，研究方向為海上航天測控總體。