北斗＋無(wú)縫定位關(guān)鍵技術(shù)

劉博斐 朱雨豪 陳鎖

摘要

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等核心技術(shù)的快速發(fā)展，位置信息服務(wù)在大型綜合商超、地鐵站、會(huì)展中心、地下停車(chē)場(chǎng)的需求也變得日益強(qiáng)烈，精準(zhǔn)營(yíng)銷(xiāo)、興趣數(shù)據(jù)的推送正逐步走向無(wú)縫定位技術(shù)應(yīng)用的高潮。核心技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了安防/AI、零售/AI、金融/AI等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷產(chǎn)生新的突破，智慧安防是人工智能應(yīng)用方面最成熟的領(lǐng)域之一。安防領(lǐng)域主要以視頻監(jiān)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，通過(guò)人工智能技術(shù)為上層提供人臉識(shí)別、車(chē)輛識(shí)別等相關(guān)應(yīng)用。而無(wú)縫定位技術(shù)的應(yīng)用將成為繼視頻監(jiān)控后，下一個(gè)智慧安防應(yīng)用的浪潮和風(fēng)口，無(wú)縫定位技術(shù)旨在解決最后一百米的位置信息服務(wù)，最后一百米位置信息服務(wù)的解決足眾多定位技術(shù)融合發(fā)展的必然趨勢(shì)，如圖1所示無(wú)縫定位在無(wú)人駕駛領(lǐng)域的應(yīng)用，SG技術(shù)的高快速傳輸通道將汽車(chē)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(guò)程中，汽車(chē)的位置精度將由北斗/GPS來(lái)提供保障，室內(nèi)停車(chē)可由如UWB、藍(lán)牙、Wi-Fi，Zigbee等為其提供室內(nèi)高精度位置信息服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】智慧安防 AI 5G 北斗 無(wú)縫定位

1 引言

在室外定位領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）仍是主流的解決方案。然而，由于美國(guó)關(guān)閉GPS致使臺(tái)海軍演導(dǎo)彈發(fā)射失敗、敘利亞防空癱瘓、俄羅斯在敘利亞行動(dòng)受阻等系列事件，由此可見(jiàn)GPS定位對(duì)我國(guó)信息安全存在著十分重大的安全威脅。因此，為了有效應(yīng)對(duì)這一威脅，采用我國(guó)自主研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)是國(guó)家軍事發(fā)展戰(zhàn)略的當(dāng)務(wù)之急，同時(shí)也為民用定位系統(tǒng)的發(fā)展帶來(lái)發(fā)展動(dòng)力。目前，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)可在區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠的定位服務(wù)。

而在室內(nèi)定位領(lǐng)域中逐步成熟的定位技術(shù)如紅外線、超聲波、藍(lán)牙、Wi-Fi、Zigbee、UWB等，然而基于紅外線的室內(nèi)定位系統(tǒng)雖然精度高，但其存在傳輸距離的局限性，導(dǎo)致其定位效果差;而超聲波室內(nèi)定位技術(shù)的整體精度非常高，且有一定的穿透性和很強(qiáng)的抗干擾能力，但其原理是利用反射測(cè)距（易產(chǎn)生多徑效應(yīng)）且易受非視距影響，因此不適用于大型室內(nèi)場(chǎng)合場(chǎng)景;Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee等技術(shù)均具有低功耗、時(shí)延小、低成本等特點(diǎn)，但是較低的傳輸速率使其并不適合大數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景，且定位方法同樣受環(huán)境影響較大，非視距環(huán)境下容易造成數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確;而基于802.15.4-2011的UWB技術(shù)則具備較強(qiáng)的抗多徑干擾能力和超高的時(shí)間分辨率，并具備一定的穿透能力，其非常具有室內(nèi)大容量高精度場(chǎng)景定位的應(yīng)用能力，其局限性在于部署成本相比其他定位技術(shù)高。

2 無(wú)縫定位系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

無(wú)縫定位是由于北斗、GPS等衛(wèi)星定位技術(shù)因受建筑物、障礙物等的阻擋導(dǎo)致室內(nèi)無(wú)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(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)的順利切換，定位技術(shù)、算法、精度和覆蓋范圍的平滑過(guò)渡和無(wú)縫連接是完成無(wú)縫切換的重點(diǎn)。本文主要研究的室內(nèi)外無(wú)縫定位技術(shù)以室外北斗定位系統(tǒng)為基礎(chǔ)，延伸室內(nèi)最后一百米UWB定位，最終實(shí)現(xiàn)室外與室內(nèi)定位的無(wú)縫對(duì)接。為保證定位精度和覆蓋范圍達(dá)到最優(yōu)，并實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，當(dāng)前的無(wú)縫定位技術(shù)中仍存在以下問(wèn)題：

（1）如何選取更適合的定位技術(shù)融合方法;

（2）衛(wèi)星定位技術(shù)和LTWB、RFID、Wi-Fi等不同定位技術(shù)，分別應(yīng)用于室內(nèi)和室外兩種不同場(chǎng)景，無(wú)法同時(shí)覆蓋，且易受非視距環(huán)境和多徑效應(yīng)的影響，導(dǎo)致無(wú)線電波傳輸受限;

（3）室內(nèi)外無(wú)縫定位臨界點(diǎn)間的平穩(wěn)切換;

（4）室內(nèi)外定位技術(shù)的參考坐標(biāo)系的統(tǒng)一等問(wèn)題。

目前許多國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者針對(duì)主要提出了包括以下幾種的無(wú)縫定位技術(shù)方法，即基于Wi-Fi與GPS的聯(lián)合定位技術(shù)、GPS與Zigbee融合的定位技術(shù)、基站（GSM、TD-SCDMA等）與Wi-Fi等聯(lián)合定位技術(shù)等，由此可見(jiàn)單一的定位技術(shù)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)縫定位的。然而，GPS衛(wèi)星定位技術(shù)雖然是目前最普遍、應(yīng)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(tǒng)受美國(guó)控制，對(duì)國(guó)家安全也存在一定威脅，而目前我國(guó)自主研發(fā)的北斗定位系統(tǒng)已具備區(qū)域定位的功能，因此未來(lái)隨著我國(guó)北斗定位系統(tǒng)的崛起，GPS室外定位的解決方案也會(huì)隨之逐漸退出中國(guó)的歷史舞臺(tái)。而對(duì)于室內(nèi)定位技術(shù)而言，Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee等均采用2.4GHz頻段，優(yōu)點(diǎn)在于成本低、且有成熟的設(shè)備和解決方案的支撐，但缺點(diǎn)是該頻段易受干擾，定位算法基本是采用RSSI，即指紋識(shí)別算法，受環(huán)境影響導(dǎo)致定位精度不高。

3 無(wú)縫定位切換算法的模型研究

為解決無(wú)縫切換問(wèn)題問(wèn)題，本文研究?jī)?nèi)容主要提出了北斗+UWB的室內(nèi)外無(wú)縫定位系統(tǒng)，研究室內(nèi)外環(huán)境下的無(wú)縫定位自適應(yīng)的切換算法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，同時(shí)可通過(guò)增加閾值機(jī)制有效避免室內(nèi)外定位系統(tǒng)反復(fù)切換造成的功耗和運(yùn)算量的資源浪費(fèi)，從而實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星定位技術(shù)和室內(nèi)UWB定位技術(shù)的無(wú)縫連接。在室外環(huán)境中利用北斗衛(wèi)星定位技術(shù)進(jìn)行定位，在室內(nèi)外交界處切換到北斗/UWB融合定位模式，進(jìn)入室內(nèi)后切換到UWB定位模式。

如圖2所示為無(wú)縫定位切換模型，實(shí)現(xiàn)思路如下：

（1）定位感知層實(shí)時(shí)檢測(cè)標(biāo)簽（Tag）至基站（Anchor）的發(fā)送與接收時(shí)間變化（以TDOA定位算法為例，利用發(fā)送與接收時(shí)間差可計(jì)算標(biāo)簽的坐標(biāo)位置信息），并定時(shí)上報(bào)至后端切換模塊，與此同時(shí)北斗終端模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)接收衛(wèi)星信號(hào)的數(shù)量;

（2）后端處理模塊通過(guò)Tag至Anchor反饋的時(shí)間變化，根據(jù)定位算法實(shí)時(shí)計(jì)算檢測(cè)位置坐標(biāo)信息，并反饋至后端切換模塊。

（3）由于衛(wèi)星信號(hào)和基站發(fā)射信號(hào)在室內(nèi)外交疊處會(huì)存在一定延誤，致使瞬間數(shù)據(jù)信息的判斷不準(zhǔn)確。此時(shí)后端切換模塊將會(huì)同時(shí)針對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的檢測(cè)數(shù)量和室內(nèi)定位算法進(jìn)行判斷，當(dāng)后端切換模塊在窗口時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的衛(wèi)星信號(hào)數(shù)量大于等于4時(shí)即可切換至室外定位模式，并開(kāi)啟北斗定位模式，關(guān)閉UWB室內(nèi)定位模式，并計(jì)算出經(jīng)緯度坐標(biāo)位置信息，從而實(shí)現(xiàn)定位;當(dāng)后端切換模塊檢測(cè)到的衛(wèi)星信號(hào)數(shù)量小于4時(shí)，此時(shí)室外位置信息無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位，即可切換關(guān)閉北斗定位模式，切換至至室內(nèi)UWB定位模式，并重新根據(jù)室內(nèi)定位算法并完成定位。

閾值以衛(wèi)星信號(hào)數(shù)量為基礎(chǔ)，即衛(wèi)星信號(hào)數(shù)量大于等于4，即閾值達(dá)到4或以上標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，自動(dòng)切換到北斗定位模式，反之亦然。

4 無(wú)縫定位技術(shù)的坐標(biāo)統(tǒng)一模型

本文無(wú)縫定位技術(shù)的統(tǒng)一是以北斗衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)研究基礎(chǔ)上的可擴(kuò)展模型，即LYWB室內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)是北斗衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)上的擴(kuò)展，位置信息的準(zhǔn)確獲取是解決無(wú)縫定位系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題，終端從室內(nèi)環(huán)境中獲取準(zhǔn)確的位置坐標(biāo)信息，直至進(jìn)入到室外接收到北斗衛(wèi)星信號(hào)，并利用北斗衛(wèi)星定位完成室外位置信息的獲取。

解決無(wú)縫定位技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題，首先在于如何處理好室內(nèi)坐標(biāo)系與室外北斗坐標(biāo)系之間的關(guān)系;結(jié)合相對(duì)位置與絕對(duì)位置的特點(diǎn)，為了統(tǒng)一室內(nèi)外坐標(biāo)系關(guān)系，將室外北斗絕對(duì)坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換成以距離表示的相對(duì)坐標(biāo)關(guān)系，統(tǒng)一到室內(nèi)的起點(diǎn)相對(duì)基站坐標(biāo)。如圖3所示為基站的絕對(duì)位置信息與相對(duì)位置信息標(biāo)定與轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換，AB1為輔助基站，RB1為室內(nèi)和室外的交疊位置的基站，MB1和MB2為兩個(gè)不同室內(nèi)區(qū)域的主基站。AB1可接收良好的北斗定位信息，其獲取的坐標(biāo)信息為絕對(duì)位置信息;RB1約定與AB1間保持同一水平面上，并定期進(jìn)行測(cè)距，根據(jù)距離和絕對(duì)位置坐標(biāo)信息即可求得RB1的絕對(duì)位置信息，且RB1可實(shí)現(xiàn)位置信息的監(jiān)測(cè)和校對(duì);MB1與MB2和RB1間建立起位置同步信息確認(rèn)機(jī)制。

5 結(jié)束語(yǔ)

在面對(duì)當(dāng)前超高連接無(wú)縫高精度定位應(yīng)用場(chǎng)景的需求，本文提出了基于北斗+UWB無(wú)縫定位系統(tǒng)模型，并結(jié)合當(dāng)前無(wú)縫定位的現(xiàn)狀，探討了各種不同室內(nèi)外聯(lián)合定位技術(shù)的優(yōu)劣勢(shì)，并由此提出了北斗月+UWB無(wú)縫定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提出了一種無(wú)縫切換算法的模型和位置坐標(biāo)統(tǒng)一的方法。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)的崛起，未來(lái)在位置信息服務(wù)領(lǐng)域，無(wú)縫定位系統(tǒng)將得到快速的應(yīng)用。

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