基于北斗及藍牙的室內(nèi)外無縫連續(xù)定位系統(tǒng)設計

宋海濤 劉榮斌 曹國興

摘要：在航空物流領域，主要采用航空容器集裝設備及無動力裝置車輛（拖斗車）進行貨物航空運輸及地面流行性運輸，其在貨站內(nèi)及機場之間進行轉運。在室外，可以采用衛(wèi)星定位的方式對其位置進行監(jiān)控，但在貨站內(nèi)無法獲取其衛(wèi)星定位位置，因此設計了一種基于北斗及藍牙到達角（AOA）技術的高精度定位方式，實現(xiàn)了室內(nèi)外無縫連續(xù)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建設通過科技創(chuàng)新的技術手段提高航空貨運物流領域面臨的貨物流動性無法確認的相關難題，以室內(nèi)外位置定位為引領，以服務于業(yè)務場景為系統(tǒng)根本，極大地提高了航空貨物運輸領域的生產(chǎn)效率。

關鍵詞：室內(nèi)外定位；高精度；北斗；藍牙到達角

中圖分類號：P228文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2023）06-48-5

0引言

目前在國際航空物流領域，主要采用航空容器集裝設備及相關無動力裝置車輛進行貨物航空運輸及地面流動性運輸。在國際航空運輸方面，航空容器集裝設備具備全球流動性特點，維護管理以及監(jiān)控監(jiān)管極其不易，在各航空公司之間亦有拆借情況，在管控中難免出現(xiàn)疏漏。尤其是當國際航線航空容器集裝設備下飛機后直接被裝入卡車運輸?shù)狡渌胤綍r，其位置更無法得到有效管控，導致航空容器丟失事件時常發(fā)生，因此對其位置信息的管控迫在眉睫。在地面運輸方面，貨物通過拖斗車進行飛機與貨站之間的轉運，貨站與室內(nèi)貨倉之間也需要進行相關貨物的流動轉運。相關操作人員急需了解哪些無動力設備可以使用、在什么位置、是否可以就近尋找到相關設備等信息。同時，在貨物處理上也需實時了解裝載貨物的這些航空容器及無動力裝置都放置在什么位置便于隨后開展分揀、拼裝等貨物作業(yè)。通過對航空容器及無動力裝置的位置定位，快速查找及使用相關設施，并在全流程業(yè)務系統(tǒng)基礎上完成貨物與容器的綁定，快速獲知貨物的位置信息，方便各運輸環(huán)節(jié)對貨物的后續(xù)處理。

基于北斗及藍牙到達角（AOA）技術的高精度室內(nèi)外無縫連續(xù)定位系統(tǒng)通過差分定位以及藍牙AOA技術[1-3]，實現(xiàn)了室內(nèi)外無縫連續(xù)亞米級的定位精度，該系統(tǒng)的建設旨在通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)融合藍牙AOA的室內(nèi)定位技術，打造基于航空貨運物流業(yè)務場景需求下的室內(nèi)外一體化混合定位系統(tǒng)。

1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由物聯(lián)全球容器管控平臺、北斗超長待機定位終端、基于藍牙AOA技術的室內(nèi)定位基站、高精度定位基準站、航空容器集裝設備及無動力裝置（貨運拖斗車）五部分組成，如圖1所示。

物聯(lián)全球容器管控平臺：完成終端數(shù)據(jù)接入與協(xié)議解析、數(shù)據(jù)存儲；完成室內(nèi)定位數(shù)據(jù)解析與處理；平臺通過自研室內(nèi)外定位算法，實現(xiàn)終端室內(nèi)外狀態(tài)的判斷；完成室內(nèi)外地圖整合，實現(xiàn)一張圖展示室內(nèi)外全部位置；對外提供數(shù)據(jù)接口，可對接相關機場業(yè)務流程。

北斗超長待機定位終端：通過檢測運動、靜止狀態(tài)觸發(fā)北斗定位功能或藍牙AOA室內(nèi)定位標簽功能；通過NB-IOT網(wǎng)絡將位置信息數(shù)據(jù)上報應用服務平臺。

基于藍牙AOA技術的室內(nèi)定位基站：基于信號AOA的定位算法，通過硬件設備感知發(fā)射節(jié)點信號的到達方向，計算接收節(jié)點和錨節(jié)點之間的相對方位和角度，利用三角測量法等方式計算出未知節(jié)點的位置。藍牙AOA定位基站通過POE接口將采集到終端信息發(fā)送給平臺[4]。

高精度定位基準站：部署在系統(tǒng)需要室外定位的區(qū)域，用于獲取區(qū)域差分定位數(shù)據(jù)，并將差分定位數(shù)據(jù)通過NB-IOT網(wǎng)絡播發(fā)給終端，使終端在室外實現(xiàn)高精度定位。

航空容器及無動力裝置（拖斗車）：用于裝載機場、航空貨運公司日常物流貨物，也是本系統(tǒng)中需要定位的設備。

2系統(tǒng)設計

2.1系統(tǒng)工作原理

航空容器及無動力裝置（拖斗車）安裝北斗超長待機定位終端。在需要定位的區(qū)域建設一套差分基準站系統(tǒng)，實時接收衛(wèi)星信號，計算出該區(qū)域定位信號誤差的修正數(shù)，并將修正數(shù)通過NB-IOT網(wǎng)絡播發(fā)給需要室外定位的終端，終端通過定位模塊最終計算出室外高精度位置[5]。

在貨站、倉庫等室內(nèi)區(qū)域布設基于藍牙AOA技術的室內(nèi)定位基站，藍牙信號AOA技術是終端藍牙通過單一天線發(fā)射尋向信號，而作為接收端的定位基站內(nèi)建天線陣列，當信號通過時，會因陣列中接收到的不同距離、產(chǎn)生相位差異的信號，進而計算出相對的信號方向，定位基站通過POE總線將信號波達方向傳輸至后臺，并依據(jù)定位算法實現(xiàn)室內(nèi)位置解算。

物聯(lián)全球容器管控平臺實現(xiàn)了藍牙AOA室內(nèi)定位數(shù)據(jù)、終端定位數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息數(shù)據(jù)接入與協(xié)議解析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理。平臺依據(jù)室內(nèi)定位數(shù)據(jù)及終端依據(jù)加速度計等傳感器上報的運動狀態(tài)信息等綜合判定算法，實現(xiàn)終端室內(nèi)外狀態(tài)的判斷。

北斗超長待機定位終端長期休眠，直到監(jiān)測到車輛從運動變?yōu)殪o止后才會喚醒工作。終端喚醒后首先與平臺交互獲取室內(nèi)外狀態(tài)通知，如果車輛處于貨站等室內(nèi)時會開啟藍牙，配合室內(nèi)定位基站完成室內(nèi)定位；如果車輛處于停機坪等室外時會開啟北斗定位。終端通過NB-IOT網(wǎng)絡將相關設備信息及位置信息上報平臺，完成定位。

2.2室內(nèi)外無縫連續(xù)定位工作原理

通過地圖融合方法，將室內(nèi)測繪地圖與室外高精度地圖進行融合疊加，形成室內(nèi)外融合高精度地圖，并通過測繪方式獲取室內(nèi)疊層邊界高精度經(jīng)緯度信息。平臺通過繪制的室內(nèi)外邊界信息，劃分出室內(nèi)室外狀態(tài)標識區(qū)域。對于判斷室內(nèi)室外的存在狀態(tài)，需要依據(jù)終端目前所處區(qū)域進行二分類狀態(tài)判定。狀態(tài)一：終端由室外向室內(nèi)移動，此時如果已經(jīng)進入室內(nèi)，則室內(nèi)定位系統(tǒng)會收到根據(jù)藍牙信號判定的室內(nèi)位置，室內(nèi)定位系統(tǒng)推送已進入室內(nèi)標識狀態(tài)，平臺判定為室內(nèi)狀態(tài)；如果此時沒有進入室內(nèi)，室內(nèi)定位系統(tǒng)無法收到藍牙信號，則判定為沒有進入室內(nèi)，無法觸發(fā)室內(nèi)標識狀態(tài)，則平臺判定為室外狀態(tài)。狀態(tài)二：終端由室內(nèi)向室外移動，如果此時終端已經(jīng)在室外，則室內(nèi)定位系統(tǒng)判定出區(qū)域標識狀態(tài)，平臺此時判定終端為室外狀態(tài)；如果此時終端未出室內(nèi)區(qū)域，則室內(nèi)定位系統(tǒng)推送終端位置，觸發(fā)室內(nèi)標識狀態(tài)，平臺此時判定為室內(nèi)狀態(tài)。通過室內(nèi)定位系統(tǒng)、物聯(lián)容器管控平臺以及終端的工作機制3個關聯(lián)信息，可以判定終端目前處于室內(nèi)外的狀態(tài)，從而達到室內(nèi)外無縫連續(xù)定位[6]。

室內(nèi)外狀態(tài)判定機制如圖2所示。

2.3終端設計

北斗超長待機定位監(jiān)控終端由通信單元、定位單元、低功耗MCU、加速度傳感器、藍牙單元和電源管理單元等部分組成。低功耗MCU在滿足功能需求的同時選用國產(chǎn)芯片。加速度計用來監(jiān)測終端運動狀態(tài)來觸發(fā)或喚醒設備進入/退出低功耗模式。藍牙單元用來支持藍牙AOA室內(nèi)定位。電池單元選用大容量、寬溫、高可靠性電池組滿足長周期免維護的需求，具體組成框圖如圖3所示。

終端工作機制為：終端開始處于靜止待機狀態(tài)，加速度傳感器循環(huán)檢測，當偵測到終端處于運動狀態(tài)后，觸發(fā)MCU中斷，MCU開啟藍牙定位廣播及溫度、電量廣播，終端開啟通信模塊，登錄到物聯(lián)容器管控平臺上，同時上報運動狀態(tài)。上報完成后，MCU持續(xù)監(jiān)測加速度傳感器狀態(tài)，如果在120 s內(nèi)無相關狀態(tài)中斷MCU，則終端登錄平臺，上報此時狀態(tài)為靜止狀態(tài)。平臺通過室內(nèi)外狀態(tài)標志，判斷此時為室內(nèi)狀態(tài)還是室外狀態(tài)。如果此時為室內(nèi)狀態(tài)，則終端關閉全部模塊，再次進入待機狀態(tài)，室內(nèi)定位信息通過后臺解算出藍牙的具體位置，并通過經(jīng)緯度轉化，定位到相關位置；如果此時判斷為室外狀態(tài)，則終端開啟定位模塊，并連接差分基準站，獲取差分信息，通過定位模塊解算，獲取高精度位置信息，通過通信模塊，將定位信息及溫度、電量信息上傳到平臺。此后，MCU關閉除加速度傳感器以外的其他全部模塊，自身進入低功耗模式，此時終端再次進入待機狀態(tài)，直至下次運動狀態(tài)檢測，終端完成全部狀態(tài)轉換[7]。終端工作流程如圖4所示。

3系統(tǒng)應用

本系統(tǒng)實現(xiàn)了某航空貨運物流公司國內(nèi)貨站、國際貨站、代理倉以及機場范圍的室內(nèi)外無縫連續(xù)定位的應用示范項目工作，主要完成了與對方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，機場地圖、國內(nèi)貨站和國際貨站室內(nèi)地圖接入，實現(xiàn)了室內(nèi)及室外地圖的融合展示，室內(nèi)外高精度位置數(shù)據(jù)接入、無動力裝置及容器信息展示、圍欄設置、容器參數(shù)設置、維修流程、保養(yǎng)流程、租賃流程等業(yè)務流程；實現(xiàn)了無動力裝置全生命周期業(yè)務流程的線上管理功能。

在國內(nèi)貨站13個冷庫、國際貨站室內(nèi)區(qū)域、代理倉、國際貨站5個冷庫完成了室內(nèi)定位基站安裝，其中藍牙AOA室內(nèi)定位基站如圖5所示。

通過安裝貨運3 150輛拖斗車定位監(jiān)控終端，完成了貨運差分基準站建設。實現(xiàn)了貨站內(nèi)拖斗車高精度亞米級室內(nèi)外定位、拖斗車監(jiān)管以及拖斗車全業(yè)務流程管理，提高了拖斗車的管理工作，其中北斗超長待機定位監(jiān)控終端如圖6所示。

由物聯(lián)全球容器管控平臺、北斗超長待機定位終端、基于藍牙AOA技術的室內(nèi)定位基站、高精度定位基準站、航空容器集裝設備及無動力裝置形成的一套完善的亞米級高精度室內(nèi)外無縫定位管理系統(tǒng)，可為機場、貨運站等提供一整套完善的無動力容器管控系統(tǒng)，產(chǎn)生了良好的科技效益和社會效益。

4結束語

通過采用北斗高精度差分定位及藍牙AOA的室內(nèi)定位技術，有效彌補了藍牙AOA定位范圍較小、北斗定位易受遮擋等不同系統(tǒng)的缺陷，實現(xiàn)了航空物流貨物等設備室內(nèi)外定位的無縫切換，并在相關貨站區(qū)域內(nèi)不受周圍環(huán)境的影響均能實現(xiàn)定位精度小于1 m。通過科技創(chuàng)新的技術手段提高航空貨運物流領域面臨的貨物流動性無法確認的相關難題，以室內(nèi)外位置定位為引領，以服務于業(yè)務場景為系統(tǒng)根本，極大地提高了航空貨物運輸領域的生產(chǎn)效率。

參考文獻

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