北斗＋無縫定位關鍵技術

劉博斐 朱雨豪 陳鎖

摘要

物聯網、大數據、云計算、人工智能等核心技術的快速發展，位置信息服務在大型綜合商超、地鐵站、會展中心、地下停車場的需求也變得日益強烈，精準營銷、興趣數據的推送正逐步走向無縫定位技術應用的高潮。核心技術的發展促進了安防/AI、零售/AI、金融/AI等領域的應用不斷產生新的突破，智慧安防是人工智能應用方面最成熟的領域之一。安防領域主要以視頻監控為主，利用前端的圖像采集、感知，云端將采集的海量視頻圖像數據進行分析和處理，通過人工智能技術為上層提供人臉識別、車輛識別等相關應用。而無縫定位技術的應用將成為繼視頻監控后，下一個智慧安防應用的浪潮和風口，無縫定位技術旨在解決最后一百米的位置信息服務，最后一百米位置信息服務的解決足眾多定位技術融合發展的必然趨勢，如圖1所示無縫定位在無人駕駛領域的應用，SG技術的高快速傳輸通道將汽車與云端的交互速率提高10倍甚至100倍以上，而在室外行駛過程中，汽車的位置精度將由北斗/GPS來提供保障，室內停車可由如UWB、藍牙、Wi-Fi，Zigbee等為其提供室內高精度位置信息服務。

【關鍵詞】智慧安防 AI 5G 北斗 無縫定位

1 引言

在室外定位領域中，傳統的全球定位系統（Global Positioning System，GPS）仍是主流的解決方案。然而，由于美國關閉GPS致使臺海軍演導彈發射失敗、敘利亞防空癱瘓、俄羅斯在敘利亞行動受阻等系列事件，由此可見GPS定位對我國信息安全存在著十分重大的安全威脅。因此，為了有效應對這一威脅，采用我國自主研發的北斗定位系統是國家軍事發展戰略的當務之急，同時也為民用定位系統的發展帶來發展動力。目前，北斗衛星定位系統可在區域范圍內實現高精度、高可靠的定位服務。

而在室內定位領域中逐步成熟的定位技術如紅外線、超聲波、藍牙、Wi-Fi、Zigbee、UWB等，然而基于紅外線的室內定位系統雖然精度高，但其存在傳輸距離的局限性，導致其定位效果差;而超聲波室內定位技術的整體精度非常高，且有一定的穿透性和很強的抗干擾能力，但其原理是利用反射測距（易產生多徑效應）且易受非視距影響，因此不適用于大型室內場合場景;Wi-Fi、藍牙、Zigbee等技術均具有低功耗、時延小、低成本等特點，但是較低的傳輸速率使其并不適合大數據傳輸場景，且定位方法同樣受環境影響較大，非視距環境下容易造成數據的不準確;而基于802.15.4-2011的UWB技術則具備較強的抗多徑干擾能力和超高的時間分辨率，并具備一定的穿透能力，其非常具有室內大容量高精度場景定位的應用能力，其局限性在于部署成本相比其他定位技術高。

2 無縫定位系統的研究現狀

無縫定位是由于北斗、GPS等衛星定位技術因受建筑物、障礙物等的阻擋導致室內無法獲取定位信息而催生出的全新解決方案，為有效保障室內外無縫定位系統的順利切換，定位技術、算法、精度和覆蓋范圍的平滑過渡和無縫連接是完成無縫切換的重點。本文主要研究的室內外無縫定位技術以室外北斗定位系統為基礎，延伸室內最后一百米UWB定位，最終實現室外與室內定位的無縫對接。為保證定位精度和覆蓋范圍達到最優，并實現無縫連接，當前的無縫定位技術中仍存在以下問題：

（1）如何選取更適合的定位技術融合方法;

（2）衛星定位技術和LTWB、RFID、Wi-Fi等不同定位技術，分別應用于室內和室外兩種不同場景，無法同時覆蓋，且易受非視距環境和多徑效應的影響，導致無線電波傳輸受限;

（3）室內外無縫定位臨界點間的平穩切換;

（4）室內外定位技術的參考坐標系的統一等問題。

目前許多國內外的研究學者針對主要提出了包括以下幾種的無縫定位技術方法，即基于Wi-Fi與GPS的聯合定位技術、GPS與Zigbee融合的定位技術、基站（GSM、TD-SCDMA等）與Wi-Fi等聯合定位技術等，由此可見單一的定位技術是無法實現無縫定位的。然而，GPS衛星定位技術雖然是目前最普遍、應用最廣泛、使用最方便、成本最低的室外定位解決方案，但由于GPS定位系統受美國控制，對國家安全也存在一定威脅，而目前我國自主研發的北斗定位系統已具備區域定位的功能，因此未來隨著我國北斗定位系統的崛起，GPS室外定位的解決方案也會隨之逐漸退出中國的歷史舞臺。而對于室內定位技術而言，Wi-Fi、藍牙、Zigbee等均采用2.4GHz頻段，優點在于成本低、且有成熟的設備和解決方案的支撐，但缺點是該頻段易受干擾，定位算法基本是采用RSSI，即指紋識別算法，受環境影響導致定位精度不高。

3 無縫定位切換算法的模型研究

為解決無縫切換問題問題，本文研究內容主要提出了北斗+UWB的室內外無縫定位系統，研究室內外環境下的無縫定位自適應的切換算法實現這一目標，同時可通過增加閾值機制有效避免室內外定位系統反復切換造成的功耗和運算量的資源浪費，從而實現北斗衛星定位技術和室內UWB定位技術的無縫連接。在室外環境中利用北斗衛星定位技術進行定位，在室內外交界處切換到北斗/UWB融合定位模式，進入室內后切換到UWB定位模式。

如圖2所示為無縫定位切換模型，實現思路如下：

（1）定位感知層實時檢測標簽（Tag）至基站（Anchor）的發送與接收時間變化（以TDOA定位算法為例，利用發送與接收時間差可計算標簽的坐標位置信息），并定時上報至后端切換模塊，與此同時北斗終端模塊實時檢測接收衛星信號的數量;

（2）后端處理模塊通過Tag至Anchor反饋的時間變化，根據定位算法實時計算檢測位置坐標信息，并反饋至后端切換模塊。

（3）由于衛星信號和基站發射信號在室內外交疊處會存在一定延誤，致使瞬間數據信息的判斷不準確。此時后端切換模塊將會同時針對衛星信號的檢測數量和室內定位算法進行判斷，當后端切換模塊在窗口時間內檢測到的衛星信號數量大于等于4時即可切換至室外定位模式，并開啟北斗定位模式，關閉UWB室內定位模式，并計算出經緯度坐標位置信息，從而實現定位;當后端切換模塊檢測到的衛星信號數量小于4時，此時室外位置信息無法實現定位，即可切換關閉北斗定位模式，切換至至室內UWB定位模式，并重新根據室內定位算法并完成定位。

閾值以衛星信號數量為基礎，即衛星信號數量大于等于4，即閾值達到4或以上標準時，自動切換到北斗定位模式，反之亦然。

4 無縫定位技術的坐標統一模型

本文無縫定位技術的統一是以北斗衛星定位網絡研究基礎上的可擴展模型，即LYWB室內定位網絡是北斗衛星定位網絡上的擴展，位置信息的準確獲取是解決無縫定位系統的關鍵問題，終端從室內環境中獲取準確的位置坐標信息，直至進入到室外接收到北斗衛星信號，并利用北斗衛星定位完成室外位置信息的獲取。

解決無縫定位技術的關鍵問題，首先在于如何處理好室內坐標系與室外北斗坐標系之間的關系;結合相對位置與絕對位置的特點，為了統一室內外坐標系關系，將室外北斗絕對坐標信息轉換成以距離表示的相對坐標關系，統一到室內的起點相對基站坐標。如圖3所示為基站的絕對位置信息與相對位置信息標定與轉換轉換，AB1為輔助基站，RB1為室內和室外的交疊位置的基站，MB1和MB2為兩個不同室內區域的主基站。AB1可接收良好的北斗定位信息，其獲取的坐標信息為絕對位置信息;RB1約定與AB1間保持同一水平面上，并定期進行測距，根據距離和絕對位置坐標信息即可求得RB1的絕對位置信息，且RB1可實現位置信息的監測和校對;MB1與MB2和RB1間建立起位置同步信息確認機制。

5 結束語

在面對當前超高連接無縫高精度定位應用場景的需求，本文提出了基于北斗+UWB無縫定位系統模型，并結合當前無縫定位的現狀，探討了各種不同室內外聯合定位技術的優劣勢，并由此提出了北斗月+UWB無縫定位技術的優勢，進一步提出了一種無縫切換算法的模型和位置坐標統一的方法。隨著物聯網、云計算、大數據的崛起，未來在位置信息服務領域，無縫定位系統將得到快速的應用。

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