信標定位技術在艦船內的應用研究*

李賢明 胡 垚 周 關

（中國船舶集團有限公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

定位技術一直與我們的生活密不可分，比如最常見的車輛導航。根據使用場景，定位技術分為室內定位和室外定位。室外定位主要依靠GPS，北斗，glonass等全球衛星定位導航系統。室內定位技術主要是RFID、藍牙、Zigbee、Wifi、UWB等無線技術。本文重點介紹一種適合艦船環境的信標定位技術。

艦船環境不同于普通室內環境，采用全金屬的艦體結構且艙室結構布局復雜，對無線信號傳輸的屏蔽遮擋嚴重，而傳統的室內定位技術，無論是基于信號場強、信噪比的（如：Zigbee、Wifi定位）還是基于信號到達時間的（如：UWB）定位，或是基于信號傳輸角度的（AOA）定位均需要至少三個定位參考基點，也即常見的三點（或三角）定位，也就是被定位目標在任意位置發射的無線信號需能夠被至少三個定位基點接收到，這樣不僅使得需要部署的定位基點數量大增，同時對無線信號傳輸的質量和可靠性提出了更高的要求。采用信標定位技術，創新性的將無線信號的傳輸與定位功能分離，定位基站僅負責定位信息的傳輸而不參與定位，人員佩戴的定位胸卡或定位手機讀取定位信標后經基站上傳中心端從而實現定位，有效提高了定位精度和可靠性，同時大大降低了艦船內部無線網絡敷設的難度。

2 傳統三點定位實現原理

傳統三點定位基于RSSII（信號場強指示）值，通過三角定位原理進行定位。如圖1所示，A點發出信號，同時被B1、B2、B3收到，三角定位算法通過已知的三個坐標反推出A點的坐標。

圖1 傳統三點定位原理圖

三點定位技術下，因業務屬性與技術要求各異，定位與無線通信系統難以有效融合，例如對于基于場強定位的Zigbee技術，從無線通信的要求來講，環境中任何位置能與一個基站可靠通信即可，而從定位的要求來看，則需要環境中任何位置能與三個基站可靠通信。

三點定位技術的實現需要部署大量的定位基站（定位參考點），這些定位基站均為有源設備，大量的有源設備散布在工程內部，除去造價與工程因素外，對系統的可靠性與維護工作也是不小的挑戰。

3 信標定位技術實現原理

不同于三點定位，信標定位技術主要依賴固定布置的信標（位置參考點）周期性往外發射攜帶其自身編號的無線信號，定位終端在其附近區域經過時接收該信號，獲得其編號及信號場強RSS信息并轉發至定位服務器，定位服務器通過比對編號與信標位置的數據庫、信號場強與位置的數據庫獲得其位置信息，查詢終端則可通過網絡訪問定位服務器獲得定位等信息，如圖2所示。

圖2 信標定標原理圖

信標定位技術首先實現了定位功能與基站的傳輸分離。定位終端與定位信標配合實現定位功能，定位基站僅負責定位信息的傳輸而不參與定位，人員佩戴的定位胸卡或定位手機讀取定位信標后采用802.15.4無線通信協議通過無線網絡傳輸至基站，再由基站通過IP網絡上傳中心端定位服務器，系統中的基站與射頻分布網絡只負責定位信號的傳輸。

信標定位技術同時實現了定位精度按需部署。工程中可按照不同的定位精度要求，按需部署定位信標，例如通過每個戰位部署一張信標或每個艙室部署一個信標可以實現定位到戰位或定位到艙室的不同精度。做到定位精度與有源基站部署密度無關。

4 信標定位技術在艦船內的應用研究

4.1 應用需求

隨著艦船設計排量越來越大，艙室設置越來復雜，駐艦人員越來越多，艦內找人難問題日益凸顯。為了便于及時找到人、聯系到人，首先必須解決人員定位問題。另外，為使人員位置信息融入到艦船日常管理的智能化、信息化過程中，需要實現重點戰位、重點艙室等關鍵位置的高精度定位。

就定位系統自身建設與維護的復雜程度、系統的可靠性而言，艦船復雜的內部結構、金屬的屏蔽環境使得信號的良好覆蓋與系統復雜程度、系統維護難度等成為矛盾，部隊需要一個結構簡單、可靠性高、易維護的定位系統。

4.2 基于信標定位技術的系統架構

基于信標定位技術的系統架構主要由定位信標、定位終端、射頻分布網絡、基站和定位服務器構成，如圖3所示。其中定位信標由艙內、艙外信標組成，信標的唯一性編碼與其安裝的位置在定位識別服務軟件中相關聯，定位終端通過讀取、轉發信標發射的唯一性編碼至定位識別服務軟件實現定位的功能。定位終端主要包含定位手機和定位胸卡，各終端以無線的方式與基站通信，定位手機兼具定位和通信功能（定位采用Zigbee（IEEE 802.15.4）技術，通信采用 Wifi（IEEE 802.11 b/g/n）技術），定位胸卡具備定位識別、運動探測和一鍵告警等功能。基站具有多路射頻輸出端口，射頻信號輸出至射頻分布網絡，射頻分布網絡由射頻線纜、天線、定向耦合器與功分器組成，連接基站的射頻輸出端口，以實現無線信號的均勻覆蓋。定位服務器安裝有定位識別服務軟件，實現對移動中的定位終端的定位、告警、統計等功能。

圖3 基于信標定位技術的系統架構

4.3 信標定位技術在艦船內應用的優勢

1）提高定位的可靠性同時降低系統設計和維護難度

采用信標定位技術擺脫了三點定位的束縛，通過與射頻分布網絡的結合，可以大幅減少基站的數量；信標定位基于信標的實際安裝位置與其唯一性地址編碼的對應關系，與信號強度、傳輸路徑等無關，因此射頻分布網絡可以方便地根據現場各艙室與通道的大小、隔墻的材質等調整無線信號的均勻分布，有效減少無線信號穿墻的數量，從而保障無線信號的傳輸質量與可靠性；另一方面由于減少了網絡中的有源設備，在降低工程造價、施工難度的同時，降低系統的維護難度。

2）實現了定位精度的按需部署

定位信標可以按照對通道、艙室、戰位等定位精度的要求不同而按需部署，定位信標可根據艦船環境選擇獨立安裝或安裝于天線內，由電池供電或由射頻分布網絡集中供電，實現按需安裝，移動方便，無需布線施工。如圖4為大型艙室內部部署定位信標定位區域示意圖，如圖5為艙外甲板部署定位信標定位區域示意圖。

如圖4～5所示，定位信標的信號發射以覆蓋被定位的區域為目的，沒有組網通信的需求，因而可以以微功率發射，降低了艦船金屬結構反射對定位精度的影響。

圖4 大型艙室內部定位區域示意圖

3）可實現與通信功能的兼容設計，擴展性好

無線通信與定位往往采用二種不同的通信技術體制，由于使用了不同的技術體制，系統組網則需要兩張網。由于信標定位技術將定位與通信功能分開，定位精度與基站的位置與數量無關，使得定位和無線通信可以共用一套射頻分布網絡實現，如圖6所示無線通信與定位信號在基站內分頻段混合后接入到射頻分布網絡，實現兩種通信體制的共網復用傳輸。

圖6 定位與通信共用射頻分布網絡

定位與通信共用射頻分布網絡實現了定位終端與基站之間的一跳星型組網，大幅簡化了網絡拓撲，提高了接入與傳輸的效率。同時兩個系統的融合，提升船內設計的集成優化水平，降低了系統的復雜程度和造價。

5 結語

信標定位技術解決了傳統三點定位無線組網和定位算法復雜的問題，將定位功能和信號傳輸分離，大幅減少了有源基站的數量降低了無線網絡設計和工程施工難度，同時提高了無線信號傳輸的可靠性，實現了定位精度按需部署，能夠更好地適應艦船內部應用場景，滿足定位需求。另外通過共用射頻分布網絡的設計，可實現定位與通信功能的融合，提升船內設計的集成優化水平。