機(jī)場(chǎng)復(fù)雜區(qū)域融合定位的應(yīng)用研究

朱 穎，徐 萌，鄭 磊，王亞惠

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司 上海分公司，上海 200082）

0 引 言

機(jī)場(chǎng)隸屬于交通行業(yè)，運(yùn)營的主要任務(wù)是通過物理感知實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、指引，保障人、車、航空器的有序移動(dòng)?；?G定位技術(shù)，通過對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基站進(jìn)行設(shè)備安裝和軟件升級(jí)即可提供米級(jí)定位服務(wù)，在個(gè)別精細(xì)化管理場(chǎng)景可以結(jié)合藍(lán)牙、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）等定位終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)復(fù)雜區(qū)域高精度定位服務(wù)[1]。基于復(fù)雜區(qū)域下的融合定位解決方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)無動(dòng)力設(shè)備和有動(dòng)力設(shè)備的精確定位，通過可視化呈現(xiàn)，便于統(tǒng)一管理。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 地理信息技術(shù)

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS）是一種重要的空間信息系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)采集地球表層中的一些數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)包含地理分布信息，采集完數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，然后再通過相關(guān)運(yùn)算加以處理并提供結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)結(jié)果的呈現(xiàn)。地理空間的實(shí)體數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)間的關(guān)系是該系統(tǒng)的主要治理對(duì)象，包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)等[2]。地理信息系統(tǒng)包含了眾多互相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)，例如數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、管理子系統(tǒng)、分析子系統(tǒng)等。地理信息系統(tǒng)將空間數(shù)據(jù)通過編碼為其賦予標(biāo)準(zhǔn)格式的地理坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了從定位、定性、定量等多個(gè)角度描述，這是地理信息系統(tǒng)有別于其他同質(zhì)系統(tǒng)的根本所在。

1.2 定位技術(shù)

1.2.1 藍(lán)牙定位技術(shù)

2019年初，藍(lán)牙技術(shù)大聯(lián)盟宣布藍(lán)牙5.1引入了新的“尋向”功能，可以識(shí)別藍(lán)牙信號(hào)方向，結(jié)束了以往通過接收信號(hào)強(qiáng)度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）的方式提供低精度指紋定位，大幅提高藍(lán)牙定位的精確度，提供更好的位置服務(wù)[3]。

依據(jù)定位終端不同的上下行模式，藍(lán)牙高精度定位使用到達(dá)角（Angle Of Arrival，AOA)進(jìn)行定位。藍(lán)牙定位系統(tǒng)主要由定位終端、定位標(biāo)簽、定位基站、定位引擎以及后臺(tái)服務(wù)器組成，其中定位終端包括定制設(shè)備、日常使用的手機(jī)或平板等兼容5.1協(xié)議的設(shè)備，其定位部署情況如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙定位部署情況

在定位終端中安裝藍(lán)牙定位軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK），定位基站采集終端位置信息并上報(bào)至藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)對(duì)位置數(shù)據(jù)收集并回傳至后臺(tái)服務(wù)器，由后臺(tái)服務(wù)器部署的定位引擎進(jìn)行位置信息解算。

藍(lán)牙定位原理如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙定位原理

AOA方法采用單天線發(fā)射測(cè)向信號(hào)，天線陣列內(nèi)置在接收端設(shè)備中。當(dāng)環(huán)境中檢測(cè)到信號(hào)時(shí)，陣列中接收到的距離不同，從而產(chǎn)生相位差，最終計(jì)算出信號(hào)的相對(duì)方向[4]。

1.2.2 Wi-Fi定位技術(shù)

Wi-Fi技術(shù)組成的定位系統(tǒng)可以在復(fù)雜環(huán)境中實(shí)現(xiàn)定位、追蹤，通過采集無線接入點(diǎn)的位置信息，再結(jié)合信號(hào)傳播模型計(jì)算信號(hào)強(qiáng)度，最終確定該環(huán)境下設(shè)備的位置，精度在1～20 m[5]。如果僅依據(jù)所連接的接入點(diǎn)進(jìn)行位置估算，沒有參照周邊無線接入信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤差。Wi-Fi信號(hào)覆蓋面積半徑在90 m左右，且易受周邊信號(hào)的干擾。此外，該定位系統(tǒng)中的定位器的能耗也相對(duì)較高，其定位原理如圖3所示。

圖3 Wi-Fi 定位技術(shù)原理

該定位系統(tǒng)中每個(gè)無線接入點(diǎn)的物理地址（Media Access Control Address，MAC）具備全球唯一性，并且MAC地址在一段時(shí)間內(nèi)是固定的。當(dāng)設(shè)備開啟Wi-Fi時(shí)，可以開始掃描無線接入點(diǎn)（Access Point，AP）并采集周圍AP信號(hào)。即使周邊信號(hào)是加密的或信號(hào)強(qiáng)度很弱，也不妨礙通過廣播獲取AP的MAC地址。定位設(shè)備將AP的信息發(fā)至定位服務(wù)器，由定位服務(wù)器獲取該AP的位置，通過定位引擎再結(jié)合信號(hào)的強(qiáng)弱信息計(jì)算出定位設(shè)備位置。

1.2.3 UWB定位技術(shù)

UWB技術(shù)是近年來新興的無線通信技術(shù)，相比傳統(tǒng)通信技術(shù)存在較大差異。其不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或微微秒級(jí)的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，具有3.1～10.6 GHz量級(jí)的帶寬[6]。超寬帶定位采用超寬帶脈沖通信技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，還具有高傳輸速率、低發(fā)射功率、強(qiáng)穿透力、對(duì)信道衰落不敏感以及低功率譜密度等優(yōu)點(diǎn)，在室內(nèi)定位領(lǐng)域有較高的定位精度。

（1）TOA算法。基于到達(dá)時(shí)間的（Time of Arrival，TOA）定位算法主要是通過獲取UWB信號(hào)精確的飛行時(shí)間來計(jì)算距離，然后再利用三邊定位算法估算位置?；赥OA的三邊定位原理如圖4所示。

圖4 基于TOA的三邊定位原理

（2）TDOA算法?；诘竭_(dá)時(shí)間差（Time Difference Of Arrival，TDOA）的定位方法主要利用數(shù)學(xué)上的雙曲線特性，需要定位基站之間的時(shí)間同步。當(dāng)各定位基站時(shí)間同步時(shí)，待定位目標(biāo)發(fā)出信號(hào)，該信號(hào)在經(jīng)過一段飛行時(shí)間后到達(dá)定位基站。通過信號(hào)到達(dá)各基站的時(shí)間差可以獲得距離差，再以兩個(gè)基站的位置為焦點(diǎn)建立雙曲線模型，在已經(jīng)獲取兩組時(shí)間差時(shí)便可以建立兩個(gè)雙曲線方程組，最終通過求解方程組便可以估算出目標(biāo)的位置[7]。

1.2.4 5G定位技術(shù)

5G定位技術(shù)主要分為基站估算定位和基于測(cè)量時(shí)間的定位算法。

（1）基站估算定位算法?；竟浪愣ㄎ煌ㄟ^被定位目標(biāo)所在5G小區(qū)的位置信息粗略估計(jì)被定位目標(biāo)的位置。在定位過程中，通過尋呼等方法確定被定位目標(biāo)所在的小區(qū)ID，進(jìn)一步得到小區(qū)的位置信息，從而得到被定位目標(biāo)的粗略位置。

（2）基于測(cè)量時(shí)間的定位算法。被定位目標(biāo)接收到來自不同基站的下行定位參考信號(hào)后，將其與時(shí)域或頻域中本地生成的已知定位參考信號(hào)序列進(jìn)行相關(guān)，尋找第一到達(dá)路徑來估計(jì)到達(dá)時(shí)間，計(jì)算不同基站的到達(dá)時(shí)間與參考基站的到達(dá)時(shí)間差，并采用適當(dāng)?shù)奈恢们蠼馑惴ńo出被定位目標(biāo)的位置信息[8,9]。

1.2.5 北斗定位技術(shù)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國自行設(shè)計(jì)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (Global Navigation Satellite System，GLONASS）之后的第3個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。由地面站向衛(wèi)星I和衛(wèi)星II同時(shí)發(fā)送詢問信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶機(jī)廣播。用戶機(jī)響應(yīng)其中一顆衛(wèi)星的詢問信號(hào)，并同時(shí)向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回地面站。地面站接收并解調(diào)用戶發(fā)來的信號(hào)，然后根據(jù)用戶的申請(qǐng)服務(wù)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

1.3 融合定位引擎

融合定位引擎通過搭載Wi-Fi 定位引擎、藍(lán)牙定位引擎、UWB定位引擎、5G定位引擎、北斗定位引擎以及廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)（Automation Dependent Surveillance -Broadcast，ADS-B）定位引擎等實(shí)現(xiàn)針對(duì)多種移動(dòng)設(shè)備終端的定位，通過實(shí)時(shí)獲取多源信號(hào)，由融合定位引擎計(jì)算出精確位置。通過對(duì)不同定位引擎計(jì)算出的定位數(shù)據(jù)精度的比對(duì)，選取最優(yōu)定位精度。此外，根據(jù)環(huán)境區(qū)分擇優(yōu)調(diào)取不同的定位引擎，計(jì)算出最優(yōu)定位數(shù)據(jù)結(jié)果。在計(jì)算車輛位置數(shù)據(jù)時(shí)，通過調(diào)用慣性傳感器、陀螺儀等移動(dòng)設(shè)備自帶傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)定位結(jié)果的優(yōu)化。當(dāng)部分區(qū)域出現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)干擾現(xiàn)象時(shí)，高精度綜合定位系統(tǒng)可以通過慣性導(dǎo)航、補(bǔ)償算法等方式實(shí)現(xiàn)在強(qiáng)信號(hào)干擾情況下的位置數(shù)據(jù)推算。

2 位置信息服務(wù)

2.1 位置數(shù)據(jù)處理

定位引擎主要采用三角定位算法和指紋定位算法進(jìn)行位置信息計(jì)算。三角定位算法通過獲取到達(dá)定位終端的信號(hào)強(qiáng)度或時(shí)間計(jì)算距離，再由三邊距離信息計(jì)算定位終端的位置。指紋定位算法通過對(duì)目標(biāo)定位區(qū)域完成定位基站信號(hào)覆蓋后，結(jié)合定位基站在區(qū)域內(nèi)每個(gè)位置點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)獲取指紋信息，然后生成指紋數(shù)據(jù)庫用于指紋匹配和定位。

當(dāng)位置信息計(jì)算完成后，定位數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)服務(wù)器。定位服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器可置于同一臺(tái)物理服務(wù)器（雙機(jī)冗余系統(tǒng)）上，也可分別置于兩臺(tái)物理服務(wù)器（均為雙機(jī)冗余），以提高系統(tǒng)可靠性。數(shù)據(jù)服務(wù)器存放預(yù)先采集到的指紋數(shù)據(jù)，并為位置服務(wù)器提供訪問接口。為了提高并發(fā)訪問處理能力，數(shù)據(jù)庫服務(wù)將提供數(shù)據(jù)訪問緩沖池。

2.2 位置數(shù)據(jù)展示

系統(tǒng)可結(jié)合地圖服務(wù)實(shí)時(shí)展示位置信息，提供定位設(shè)備的使用頻次、區(qū)域密度、電子圍欄、歷史軌跡、停留時(shí)長(zhǎng)以及定位終端類型等多種數(shù)據(jù)。

2.3 位置存儲(chǔ)服務(wù)

調(diào)用藍(lán)牙、Wi-Fi、5G定位終端等外部位置信息并接入本系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)位置數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)和統(tǒng)一分發(fā)共享。

2.4 位置共享服務(wù)

系統(tǒng)提供統(tǒng)一的開放式接口對(duì)接，為機(jī)場(chǎng)相關(guān)系統(tǒng)提供位置數(shù)據(jù)信息以實(shí)現(xiàn)共享位置服務(wù)。用戶權(quán)限認(rèn)證模塊是進(jìn)入系統(tǒng)的關(guān)鍵，包括用戶身份認(rèn)證、訪問權(quán)限管理等功能。返回信息包含用戶標(biāo)識(shí)、時(shí)間戳、X坐標(biāo)、Y坐標(biāo)、樓宇號(hào)以及樓層標(biāo)識(shí)，坐標(biāo)體系可以根據(jù)業(yè)務(wù)系統(tǒng)需要轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度坐標(biāo)。位置共享服務(wù)支持微信生態(tài)下的實(shí)時(shí)定位、路徑繪制以及導(dǎo)航服務(wù)，并提供給相應(yīng)的應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，API）支持?；贗OS/安卓平臺(tái)提供定位SDK，封裝定位相關(guān)服務(wù)，供應(yīng)用程序開發(fā)使用。定位SDK提供位置服務(wù)能力，供旅客定位導(dǎo)航、員工智能巡檢、資產(chǎn)管理預(yù)警等業(yè)務(wù)擴(kuò)展系統(tǒng)綜合查詢。后臺(tái)統(tǒng)計(jì)記錄定位日志，可以計(jì)算出定位錯(cuò)誤或定位失敗等異常統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，支持對(duì)所有定位數(shù)據(jù)調(diào)用的綜合查詢和統(tǒng)計(jì)，可以按照用戶、地點(diǎn)、頻次等多維度統(tǒng)計(jì)平臺(tái)的使用情況。

3 結(jié) 論

隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和中國民航事業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)場(chǎng)內(nèi)設(shè)備需求逐年遞增。機(jī)場(chǎng)設(shè)備數(shù)量、種類繁多，隨著企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型繼續(xù)推進(jìn)，對(duì)于設(shè)備的定位、可視化管理需求逐漸增加。通過對(duì)多種定位技術(shù)的分析，針對(duì)機(jī)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境提出了融合定位技術(shù)，為機(jī)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境下的設(shè)備精準(zhǔn)定位與可視化管理提出了可行性解決方案，助力機(jī)場(chǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。