北斗＋无缝定位关键技术

刘博斐 朱雨豪 陈锁

摘要

物联网、大数据、云计算、人工智能等核心技术的快速发展，位置信息服务在大型综合商超、地铁站、会展中心、地下停车场的需求也变得日益强烈，精准营销、兴趣数据的推送正逐步走向无缝定位技术应用的高潮。核心技术的发展促进了安防/AI、零售/AI、金融/AI等领域的应用不断产生新的突破，智慧安防是人工智能应用方面最成熟的领域之一。安防领域主要以视频监控为主，利用前端的图像采集、感知，云端将采集的海量视频图像数据进行分析和处理，通过人工智能技术为上层提供人脸识别、车辆识别等相关应用。而无缝定位技术的应用将成为继视频监控后，下一个智慧安防应用的浪潮和风口，无缝定位技术旨在解决最后一百米的位置信息服务，最后一百米位置信息服务的解决足众多定位技术融合发展的必然趋势，如图1所示无缝定位在无人驾驶领域的应用，SG技术的高快速传输通道将汽车与云端的交互速率提高10倍甚至100倍以上，而在室外行驶过程中，汽车的位置精度将由北斗/GPS来提供保障，室内停车可由如UWB、蓝牙、Wi-Fi，Zigbee等为其提供室内高精度位置信息服务。

【关键词】智慧安防 AI 5G 北斗 无缝定位

1 引言

在室外定位领域中，传统的全球定位系统（Global Positioning System，GPS）仍是主流的解决方案。然而，由于美国关闭GPS致使台海军演导弹发射失败、叙利亚防空瘫痪、俄罗斯在叙利亚行动受阻等系列事件，由此可见GPS定位对我国信息安全存在着十分重大的安全威胁。因此，为了有效应对这一威胁，采用我国自主研发的北斗定位系统是国家军事发展战略的当务之急，同时也为民用定位系统的发展带来发展动力。目前，北斗卫星定位系统可在区域范围内实现高精度、高可靠的定位服务。

而在室内定位领域中逐步成熟的定位技术如红外线、超声波、蓝牙、Wi-Fi、Zigbee、UWB等，然而基于红外线的室内定位系统虽然精度高，但其存在传输距离的局限性，导致其定位效果差;而超声波室内定位技术的整体精度非常高，且有一定的穿透性和很强的抗干扰能力，但其原理是利用反射测距（易产生多径效应）且易受非视距影响，因此不适用于大型室内场合场景;Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等技术均具有低功耗、时延小、低成本等特点，但是较低的传输速率使其并不适合大数据传输场景，且定位方法同样受环境影响较大，非视距环境下容易造成数据的不准确;而基于802.15.4-2011的UWB技术则具备较强的抗多径干扰能力和超高的时间分辨率，并具备一定的穿透能力，其非常具有室内大容量高精度场景定位的应用能力，其局限性在于部署成本相比其他定位技术高。

2 无缝定位系统的研究现状

无缝定位是由于北斗、GPS等卫星定位技术因受建筑物、障碍物等的阻挡导致室内无法获取定位信息而催生出的全新解决方案，为有效保障室内外无缝定位系统的顺利切换，定位技术、算法、精度和覆盖范围的平滑过渡和无缝连接是完成无缝切换的重点。本文主要研究的室内外无缝定位技术以室外北斗定位系统为基础，延伸室内最后一百米UWB定位，最终实现室外与室内定位的无缝对接。为保证定位精度和覆盖范围达到最优，并实现无缝连接，当前的无缝定位技术中仍存在以下问题：

（1）如何选取更适合的定位技术融合方法;

（2）卫星定位技术和LTWB、RFID、Wi-Fi等不同定位技術，分别应用于室内和室外两种不同场景，无法同时覆盖，且易受非视距环境和多径效应的影响，导致无线电波传输受限;

（3）室内外无缝定位临界点间的平稳切换;

（4）室内外定位技术的参考坐标系的统一等问题。

目前许多国内外的研究学者针对主要提出了包括以下几种的无缝定位技术方法，即基于Wi-Fi与GPS的联合定位技术、GPS与Zigbee融合的定位技术、基站（GSM、TD-SCDMA等）与Wi-Fi等联合定位技术等，由此可见单一的定位技术是无法实现无缝定位的。然而，GPS卫星定位技术虽然是目前最普遍、应用最广泛、使用最方便、成本最低的室外定位解决方案，但由于GPS定位系统受美国控制，对国家安全也存在一定威胁，而目前我国自主研发的北斗定位系统已具备区域定位的功能，因此未来随着我国北斗定位系统的崛起，GPS室外定位的解决方案也会随之逐渐退出中国的历史舞台。而对于室内定位技术而言，Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等均采用2.4GHz频段，优点在于成本低、且有成熟的设备和解决方案的支撑，但缺点是该频段易受干扰，定位算法基本是采用RSSI，即指纹识别算法，受环境影响导致定位精度不高。

3 无缝定位切换算法的模型研究

为解决无缝切换问题问题，本文研究内容主要提出了北斗+UWB的室内外无缝定位系统，研究室内外环境下的无缝定位自适应的切换算法实现这一目标，同时可通过增加阈值机制有效避免室内外定位系统反复切换造成的功耗和运算量的资源浪费，从而实现北斗卫星定位技术和室内UWB定位技术的无缝连接。在室外环境中利用北斗卫星定位技术进行定位，在室内外交界处切换到北斗/UWB融合定位模式，进入室内后切换到UWB定位模式。

如图2所示为无缝定位切换模型，实现思路如下：

（1）定位感知层实时检测标签（Tag）至基站（Anchor）的发送与接收时间变化（以TDOA定位算法为例，利用发送与接收时间差可计算标签的坐标位置信息），并定时上报至后端切换模块，与此同时北斗终端模块实时检测接收卫星信号的数量;

（2）后端处理模块通过Tag至Anchor反馈的时间变化，根据定位算法实时计算检测位置坐标信息，并反馈至后端切换模块。

（3）由于卫星信号和基站发射信号在室内外交叠处会存在一定延误，致使瞬间数据信息的判断不准确。此时后端切换模块将会同时针对卫星信号的检测数量和室内定位算法进行判断，当后端切换模块在窗口时间内检测到的卫星信号数量大于等于4时即可切换至室外定位模式，并开启北斗定位模式，关闭UWB室内定位模式，并计算出经纬度坐标位置信息，从而实现定位;当后端切换模块检测到的卫星信号数量小于4时，此时室外位置信息无法实现定位，即可切换关闭北斗定位模式，切换至至室内UWB定位模式，并重新根据室内定位算法并完成定位。

阈值以卫星信号数量为基础，即卫星信号数量大于等于4，即阈值达到4或以上标准时，自动切换到北斗定位模式，反之亦然。

4 无缝定位技术的坐标统一模型

本文无缝定位技术的统一是以北斗卫星定位网络研究基础上的可扩展模型，即LYWB室内定位网络是北斗卫星定位网络上的扩展，位置信息的准确获取是解决无缝定位系统的关键问题，终端从室内环境中获取准确的位置坐标信息，直至进入到室外接收到北斗卫星信号，并利用北斗卫星定位完成室外位置信息的获取。

解决无缝定位技术的关键问题，首先在于如何處理好室内坐标系与室外北斗坐标系之间的关系;结合相对位置与绝对位置的特点，为了统一室内外坐标系关系，将室外北斗绝对坐标信息转换成以距离表示的相对坐标关系，统一到室内的起点相对基站坐标。如图3所示为基站的绝对位置信息与相对位置信息标定与转换转换，AB1为辅助基站，RB1为室内和室外的交叠位置的基站，MB1和MB2为两个不同室内区域的主基站。AB1可接收良好的北斗定位信息，其获取的坐标信息为绝对位置信息;RB1约定与AB1间保持同一水平面上，并定期进行测距，根据距离和绝对位置坐标信息即可求得RB1的绝对位置信息，且RB1可实现位置信息的监测和校对;MB1与MB2和RB1间建立起位置同步信息确认机制。

5 结束语

在面对当前超高连接无缝高精度定位应用场景的需求，本文提出了基于北斗+UWB无缝定位系统模型，并结合当前无缝定位的现状，探讨了各种不同室内外联合定位技术的优劣势，并由此提出了北斗月+UWB无缝定位技术的优势，进一步提出了一种无缝切换算法的模型和位置坐标统一的方法。随着物联网、云计算、大数据的崛起，未来在位置信息服务领域，无缝定位系统将得到快速的应用。

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