机场复杂区域融合定位的应用研究

朱 颖，徐 萌，郑 磊，王亚惠

（中国联合网络通信集团有限公司 上海分公司，上海 200082）

0 引 言

机场隶属于交通行业，运营的主要任务是通过物理感知实现监控、指引，保障人、车、航空器的有序移动。基于5G定位技术，通过对现有网络基站进行设备安装和软件升级即可提供米级定位服务，在个别精细化管理场景可以结合蓝牙、超宽带（Ultra Wide Band，UWB）等定位终端设备，实现机场复杂区域高精度定位服务[1]。基于复杂区域下的融合定位解决方案，可以实现对机场区域内无动力设备和有动力设备的精确定位，通过可视化呈现，便于统一管理。

1 关键技术

1.1 地理信息技术

地理信息系统（Geographic Information Systems，GIS）是一种重要的空间信息系统，该系统通过计算机采集地球表层中的一些数据，这些数据包含地理分布信息，采集完数据后进行数据的存储与管理，然后再通过相关运算加以处理并提供结果，最终实现结果的呈现。地理空间的实体数据信息和数据间的关系是该系统的主要治理对象，包括空间定位数据、图形数据、遥感影像数据、属性数据等[2]。地理信息系统包含了众多互相关联的子系统，例如数据采集子系统、管理子系统、分析子系统等。地理信息系统将空间数据通过编码为其赋予标准格式的地理坐标，实现了从定位、定性、定量等多个角度描述，这是地理信息系统有别于其他同质系统的根本所在。

1.2 定位技术

1.2.1 蓝牙定位技术

2019年初，蓝牙技术大联盟宣布蓝牙5.1引入了新的“寻向”功能，可以识别蓝牙信号方向，结束了以往通过接收信号强度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）的方式提供低精度指纹定位，大幅提高蓝牙定位的精确度，提供更好的位置服务[3]。

依据定位终端不同的上下行模式，蓝牙高精度定位使用到达角（Angle Of Arrival，AOA)进行定位。蓝牙定位系统主要由定位终端、定位标签、定位基站、定位引擎以及后台服务器组成，其中定位终端包括定制设备、日常使用的手机或平板等兼容5.1协议的设备，其定位部署情况如图1所示。

图1 蓝牙定位部署情况

在定位终端中安装蓝牙定位软件开发工具包（Software Development Kit，SDK），定位基站采集终端位置信息并上报至蓝牙网关，蓝牙网关负责对位置数据收集并回传至后台服务器，由后台服务器部署的定位引擎进行位置信息解算。

蓝牙定位原理如图2所示。

图2 蓝牙定位原理

AOA方法采用单天线发射测向信号，天线阵列内置在接收端设备中。当环境中检测到信号时，阵列中接收到的距离不同，从而产生相位差，最终计算出信号的相对方向[4]。

1.2.2 Wi-Fi定位技术

Wi-Fi技术组成的定位系统可以在复杂环境中实现定位、追踪，通过采集无线接入点的位置信息，再结合信号传播模型计算信号强度，最终确定该环境下设备的位置，精度在1～20 m[5]。如果仅依据所连接的接入点进行位置估算，没有参照周边无线接入信号时会出现误差。Wi-Fi信号覆盖面积半径在90 m左右，且易受周边信号的干扰。此外，该定位系统中的定位器的能耗也相对较高，其定位原理如图3所示。

图3 Wi-Fi 定位技术原理

该定位系统中每个无线接入点的物理地址（Media Access Control Address，MAC）具备全球唯一性，并且MAC地址在一段时间内是固定的。当设备开启Wi-Fi时，可以开始扫描无线接入点（Access Point，AP）并采集周围AP信号。即使周边信号是加密的或信号强度很弱，也不妨碍通过广播获取AP的MAC地址。定位设备将AP的信息发至定位服务器，由定位服务器获取该AP的位置，通过定位引擎再结合信号的强弱信息计算出定位设备位置。

1.2.3 UWB定位技术

UWB技术是近年来新兴的无线通信技术，相比传统通信技术存在较大差异。其不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微微秒级的极窄脉冲来传输数据，具有3.1～10.6 GHz量级的带宽[6]。超宽带定位采用超宽带脉冲通信技术，抗干扰能力强，还具有高传输速率、低发射功率、强穿透力、对信道衰落不敏感以及低功率谱密度等优点，在室内定位领域有较高的定位精度。

（1）TOA算法。基于到达时间的（Time of Arrival，TOA）定位算法主要是通过获取UWB信号精确的飞行时间来计算距离，然后再利用三边定位算法估算位置。基于TOA的三边定位原理如图4所示。

图4 基于TOA的三边定位原理

（2）TDOA算法。基于到达时间差（Time Difference Of Arrival，TDOA）的定位方法主要利用数学上的双曲线特性，需要定位基站之间的时间同步。当各定位基站时间同步时，待定位目标发出信号，该信号在经过一段飞行时间后到达定位基站。通过信号到达各基站的时间差可以获得距离差，再以两个基站的位置为焦点建立双曲线模型，在已经获取两组时间差时便可以建立两个双曲线方程组，最终通过求解方程组便可以估算出目标的位置[7]。

1.2.4 5G定位技术

5G定位技术主要分为基站估算定位和基于测量时间的定位算法。

（1）基站估算定位算法。基站估算定位通过被定位目标所在5G小区的位置信息粗略估计被定位目标的位置。在定位过程中，通过寻呼等方法确定被定位目标所在的小区ID，进一步得到小区的位置信息，从而得到被定位目标的粗略位置。

（2）基于测量时间的定位算法。被定位目标接收到来自不同基站的下行定位参考信号后，将其与时域或频域中本地生成的已知定位参考信号序列进行相关，寻找第一到达路径来估计到达时间，计算不同基站的到达时间与参考基站的到达时间差，并采用适当的位置求解算法给出被定位目标的位置信息[8,9]。

1.2.5 北斗定位技术

北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行设计的全球卫星导航系统，也是继全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、全球卫星导航系统 (Global Navigation Satellite System，GLONASS）之后的第3个成熟的卫星导航系统。由地面站向卫星I和卫星II同时发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户机广播。用户机响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回地面站。地面站接收并解调用户发来的信号，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。

1.3 融合定位引擎

融合定位引擎通过搭载Wi-Fi 定位引擎、蓝牙定位引擎、UWB定位引擎、5G定位引擎、北斗定位引擎以及广播式自动相关监视系统（Automation Dependent Surveillance -Broadcast，ADS-B）定位引擎等实现针对多种移动设备终端的定位，通过实时获取多源信号，由融合定位引擎计算出精确位置。通过对不同定位引擎计算出的定位数据精度的比对，选取最优定位精度。此外，根据环境区分择优调取不同的定位引擎，计算出最优定位数据结果。在计算车辆位置数据时，通过调用惯性传感器、陀螺仪等移动设备自带传感器，实现对定位结果的优化。当部分区域出现强信号干扰现象时，高精度综合定位系统可以通过惯性导航、补偿算法等方式实现在强信号干扰情况下的位置数据推算。

2 位置信息服务

2.1 位置数据处理

定位引擎主要采用三角定位算法和指纹定位算法进行位置信息计算。三角定位算法通过获取到达定位终端的信号强度或时间计算距离，再由三边距离信息计算定位终端的位置。指纹定位算法通过对目标定位区域完成定位基站信号覆盖后，结合定位基站在区域内每个位置点的信号强度数据获取指纹信息，然后生成指纹数据库用于指纹匹配和定位。

当位置信息计算完成后，定位数据将存储于数据服务器。定位服务器和数据服务器可置于同一台物理服务器（双机冗余系统）上，也可分别置于两台物理服务器（均为双机冗余），以提高系统可靠性。数据服务器存放预先采集到的指纹数据，并为位置服务器提供访问接口。为了提高并发访问处理能力，数据库服务将提供数据访问缓冲池。

2.2 位置数据展示

系统可结合地图服务实时展示位置信息，提供定位设备的使用频次、区域密度、电子围栏、历史轨迹、停留时长以及定位终端类型等多种数据。

2.3 位置存储服务

调用蓝牙、Wi-Fi、5G定位终端等外部位置信息并接入本系统，通过数据融合实现位置数据集中存储和统一分发共享。

2.4 位置共享服务

系统提供统一的开放式接口对接，为机场相关系统提供位置数据信息以实现共享位置服务。用户权限认证模块是进入系统的关键，包括用户身份认证、访问权限管理等功能。返回信息包含用户标识、时间戳、X坐标、Y坐标、楼宇号以及楼层标识，坐标体系可以根据业务系统需要转换成经纬度坐标。位置共享服务支持微信生态下的实时定位、路径绘制以及导航服务，并提供给相应的应用程序编程接口（Application Programming Interface，API）支持。基于IOS/安卓平台提供定位SDK，封装定位相关服务，供应用程序开发使用。定位SDK提供位置服务能力，供旅客定位导航、员工智能巡检、资产管理预警等业务扩展系统综合查询。后台统计记录定位日志，可以计算出定位错误或定位失败等异常统计数据，支持对所有定位数据调用的综合查询和统计，可以按照用户、地点、频次等多维度统计平台的使用情况。

3 结 论

随着国民经济建设和中国民航事业的快速发展，机场内设备需求逐年递增。机场设备数量、种类繁多，随着企业数字化转型继续推进，对于设备的定位、可视化管理需求逐渐增加。通过对多种定位技术的分析，针对机场复杂环境提出了融合定位技术，为机场复杂环境下的设备精准定位与可视化管理提出了可行性解决方案，助力机场数字化转型。