信標定位技術在艦船內(nèi)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(jù)使用場景，定位技術分為室內(nèi)定位和室外定位。室外定位主要依靠GPS，北斗，glonass等全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)。室內(nèi)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(huán)境的信標定位技術。

艦船環(huán)境不同于普通室內(nèi)環(huán)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?shù)钠帘握趽鯂乐?，而傳統(tǒng)的室內(nèi)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(fā)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(shù)量大增，同時對無線信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性提出了更高的要求。采用信標定位技術，創(chuàng)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(jīng)基站上傳中心端從而實現(xiàn)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(nèi)部無線網(wǎng)絡敷設的難度。

2 傳統(tǒng)三點定位實現(xiàn)原理

傳統(tǒng)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(fā)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(tǒng)三點定位原理圖

三點定位技術下，因業(yè)務屬性與技術要求各異，定位與無線通信系統(tǒng)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(huán)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(huán)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(xiàn)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(nèi)部，除去造價與工程因素外，對系統(tǒng)的可靠性與維護工作也是不小的挑戰(zhàn)。

3 信標定位技術實現(xiàn)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(fā)射攜帶其自身編號的無線信號，定位終端在其附近區(qū)域經(jīng)過時接收該信號，獲得其編號及信號場強RSS信息并轉發(fā)至定位服務器，定位服務器通過比對編號與信標位置的數(shù)據(jù)庫、信號場強與位置的數(shù)據(jù)庫獲得其位置信息，查詢終端則可通過網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)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(xié)議通過無線網(wǎng)絡傳輸至基站，再由基站通過IP網(wǎng)絡上傳中心端定位服務器，系統(tǒng)中的基站與射頻分布網(wǎng)絡只負責定位信號的傳輸。

信標定位技術同時實現(xiàn)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(zhàn)位部署一張信標或每個艙室部署一個信標可以實現(xiàn)定位到戰(zhàn)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(nèi)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(nèi)找人難問題日益凸顯。為了便于及時找到人、聯(lián)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(xiàn)重點戰(zhàn)位、重點艙室等關鍵位置的高精度定位。

就定位系統(tǒng)自身建設與維護的復雜程度、系統(tǒng)的可靠性而言，艦船復雜的內(nèi)部結構、金屬的屏蔽環(huán)境使得信號的良好覆蓋與系統(tǒng)復雜程度、系統(tǒng)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(tǒng)。

4.2 基于信標定位技術的系統(tǒng)架構

基于信標定位技術的系統(tǒng)架構主要由定位信標、定位終端、射頻分布網(wǎng)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(nèi)、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(lián)，定位終端通過讀取、轉發(fā)信標發(fā)射的唯一性編碼至定位識別服務軟件實現(xiàn)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(wǎng)絡，射頻分布網(wǎng)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(xiàn)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(xiàn)對移動中的定位終端的定位、告警、統(tǒng)計等功能。

圖3 基于信標定位技術的系統(tǒng)架構

4.3 信標定位技術在艦船內(nèi)應用的優(yōu)勢

1）提高定位的可靠性同時降低系統(tǒng)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(wǎng)絡的結合，可以大幅減少基站的數(shù)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(wǎng)絡可以方便地根據(jù)現(xiàn)場各艙室與通道的大小、隔墻的材質(zhì)等調(diào)整無線信號的均勻分布，有效減少無線信號穿墻的數(shù)量，從而保障無線信號的傳輸質(zhì)量與可靠性；另一方面由于減少了網(wǎng)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(tǒng)的維護難度。

2）實現(xiàn)了定位精度的按需部署

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

如圖4～5所示，定位信標的信號發(fā)射以覆蓋被定位的區(qū)域為目的，沒有組網(wǎng)通信的需求，因而可以以微功率發(fā)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(nèi)部定位區(qū)域示意圖

3）可實現(xiàn)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(tǒng)組網(wǎng)則需要兩張網(wǎng)。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(shù)量無關，使得定位和無線通信可以共用一套射頻分布網(wǎng)絡實現(xiàn)，如圖6所示無線通信與定位信號在基站內(nèi)分頻段混合后接入到射頻分布網(wǎng)絡，實現(xiàn)兩種通信體制的共網(wǎng)復用傳輸。

圖6 定位與通信共用射頻分布網(wǎng)絡

定位與通信共用射頻分布網(wǎng)絡實現(xiàn)了定位終端與基站之間的一跳星型組網(wǎng)，大幅簡化了網(wǎng)絡拓撲，提高了接入與傳輸?shù)男省Ｍ瑫r兩個系統(tǒng)的融合，提升船內(nèi)設計的集成優(yōu)化水平，降低了系統(tǒng)的復雜程度和造價。

5 結語

信標定位技術解決了傳統(tǒng)三點定位無線組網(wǎng)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(shù)量降低了無線網(wǎng)絡設計和工程施工難度，同時提高了無線信號傳輸?shù)目煽啃?，實現(xiàn)了定位精度按需部署，能夠更好地適應艦船內(nèi)部應用場景，滿足定位需求。另外通過共用射頻分布網(wǎng)絡的設計，可實現(xiàn)定位與通信功能的融合，提升船內(nèi)設計的集成優(yōu)化水平。