大型艦艇人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任偉 鄭華 張曉再 林志勇

摘 要：本文介紹一種基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行大型艦船人員實(shí)時(shí)定位的研究。以艦船艙室、通道、戰(zhàn)位的實(shí)際布置情況為依據(jù)，研究了人員定位系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)，采用RSSI測距的定位算法解算位置節(jié)點(diǎn)的相對坐標(biāo)。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可行，能夠應(yīng)用在大型艦船的人員實(shí)時(shí)定位。

關(guān)鍵詞：艦船； Zigbee； 人員定位

中圖分類號：U674.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper introduces a Zigbee wireless sensor network technology for personnel real-time positioning of large warships.BY analyzing the actual arrangement of ship cabin， access and operation positions， the general schemes and software and hardware of system are designed. RSSI localization algorithm is adopted to calculate the relative coordinates of node position. The test results show that the system design is reasonable and feasible， and it can be applied to personnel real-time positioning in large warships.

Key words： Warship； Zigbee； Personnel positioning

1 引言

大型艦船艙室眾多、構(gòu)造極為復(fù)雜。以某型航母為例，共有甲板十余層、艙室上千個，內(nèi)部通道錯綜復(fù)雜，總長達(dá)數(shù)十千米，艦上工作人員達(dá)數(shù)千人。在進(jìn)行一些訓(xùn)練科目時(shí)，如果不能及時(shí)精確地掌握人員動態(tài)信息，極易產(chǎn)生傷亡事故。目前采用的定位方法，如GPS、北斗、GNSS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由于艙室內(nèi)部的信號屏蔽及設(shè)備電磁干擾，定位精度和效果不盡人意，因此研究一種能夠有效在艦船艙室內(nèi)部實(shí)時(shí)精確定位人員相對位置的系統(tǒng)顯得非常迫切和意義重大。

2 艙室人員定位方案及比較

2.1 無線射頻技術(shù)

利用無線射頻技術(shù)的艙室人員定位方案，包括應(yīng)用射頻技術(shù)和無線通信技術(shù)。無線射頻技術(shù)的工作原理是艦員攜帶標(biāo)識卡，每個標(biāo)識卡唯一確定一個 ID，讀卡器安裝于艦艇艙室、通道、戰(zhàn)位，可主動或被動識別標(biāo)識卡里的信息，再通過無線通信系統(tǒng)傳輸人員信息回控制站。該項(xiàng)技術(shù)成本偏高、系統(tǒng)抗電磁干擾能力較差、有效通信距離較短，難以進(jìn)行艦艇的精確實(shí)時(shí)定位。

2.2 ZigBee定位技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、時(shí)延短的雙向無線通訊技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸。該技術(shù)由 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持，包含定位卡、接收器和定位器幾部分。定位處理器分布于不同位置用于接收檢測信號，具有三個工作頻段，每個頻段的傳輸速率不同，傳輸距離在10～75 m范圍，可根據(jù)接收器個數(shù)和定位器間的距離調(diào)節(jié)定位精度，適合大型艦艇的艙室人員定位。

3 總體方案設(shè)計(jì)

艦艇人員定位系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上可分為兩部分：一是無線定位系統(tǒng)模塊，主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、未知節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)；二是監(jiān)控中心模塊，主要是方便用戶管理和實(shí)時(shí)監(jiān)測。這兩個部分是由協(xié)調(diào)器通過串口與計(jì)算機(jī)連接起來，組成整個網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)。

各個節(jié)點(diǎn)都是通過 2.4GHz 頻率的射頻信號進(jìn)行相互通信，協(xié)調(diào)器成功組建網(wǎng)絡(luò)且當(dāng)各個節(jié)點(diǎn)成功入網(wǎng)后，它們之間就可以相互收發(fā)信息，信息的發(fā)送采用載波偵聽多路訪問形式。未知節(jié)點(diǎn)在通信范圍內(nèi)廣播自己的 RSSI信息，參考節(jié)點(diǎn)收到未知節(jié)點(diǎn) RSSI 信息后，經(jīng)過處理連同自身的位置相關(guān)信息發(fā)送給未知節(jié)點(diǎn)，這些信息主要包括參考節(jié)點(diǎn)自身的 ID 和坐標(biāo)信息、與未知節(jié)點(diǎn)間距離、數(shù)據(jù)長度等，未知節(jié)點(diǎn)收到這些信息以后，就把有用的信息存儲起來，然后發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到信息后通過算法的計(jì)算處理求出未知節(jié)點(diǎn)相對坐標(biāo)，并將相關(guān)位置信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)。

系統(tǒng)所用的硬件節(jié)點(diǎn)模塊主要包括核心板模塊和底板模塊：核心板就是嵌入 CC2530 芯片的無線射頻收發(fā)模塊；底板主要提供方便用戶開發(fā)和使用的 I/O 口、外接電源接口、傳感器接口、串口轉(zhuǎn)換芯片、仿真器接口和LED 指示燈等，具有集成度高、體積小的優(yōu)勢。

系統(tǒng)使用的軟件開發(fā)環(huán)境是由瑞典 IAR Systems 公司開發(fā)的產(chǎn)品—IAR Embedded Workbench，具有代碼執(zhí)行率高、完全兼容C語言等特點(diǎn)。

4 基于 RSSI的定位算法

基于 RSSI的定位算法在基于接收信號強(qiáng)度指示的定位方法，發(fā)射信號強(qiáng)度和接收信號強(qiáng)度都是已知的，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)核心芯片中都具有射頻收發(fā)能力和 RSSI 測量功能，從數(shù)據(jù)包里即可讀取 RSSI 值。由于無線信號在艙室傳輸過程中會有一定的衰減，因此從接收節(jié)點(diǎn)的 RSSI 值即可得知信號的衰減值，然后根據(jù)理論模型就可求出節(jié)點(diǎn)間的距離，最后采用坐標(biāo)計(jì)算方法完成定位。

經(jīng)常使用的方法為質(zhì)心算法，即利用幾何運(yùn)算依次算出 3 個參考節(jié)點(diǎn)與未知節(jié)點(diǎn)的距離，再用公式對未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行估算。將已知 3 個點(diǎn)的坐標(biāo)做圓，如圖1所示。

5 系統(tǒng)定位模擬測試

選擇某艦建造分段進(jìn)行定位系統(tǒng)測試， 艙室面積為6m×10 m×2.9 m。在走廊及兩邊設(shè)置10個參考節(jié)點(diǎn)， 利用PC為參考節(jié)點(diǎn)設(shè)置坐標(biāo)位置， 將移動節(jié)點(diǎn)放置在參考節(jié)點(diǎn)區(qū)域， 通過服務(wù)器接口檢查移動節(jié)點(diǎn)的位置信息。結(jié)果表明，所有應(yīng)用節(jié)點(diǎn)定位誤差統(tǒng)計(jì)值在1 m左右，能夠滿足定位精度的要求。

6 結(jié)論

本文采用RSSI的定位算法，設(shè)計(jì)了基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，解決了一種復(fù)雜艙室環(huán)境和電磁環(huán)境下的人員高精度實(shí)時(shí)定位問題，彌補(bǔ)了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不足，為艦艇訓(xùn)練、人員安全提供了有益保障。