基于寬窄融合下的全域定位技術(shù)分析

童舟城，徐玲燕，王艷艷

（1.溫嶺市公安局，臺(tái)州 318000；2.海能達(dá)通信股份有限公司，深圳 518057）

1 定位技術(shù)應(yīng)用廣泛

隨著科技水平的進(jìn)步和用戶對(duì)位置服務(wù)需求的日益增長(zhǎng)，定位技術(shù)在全球各領(lǐng)域和行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。例如，在戶外，用戶通過手機(jī)導(dǎo)航或車內(nèi)導(dǎo)航查找目的地并規(guī)劃行走路線；在機(jī)場(chǎng)，旅客通過定位和導(dǎo)航可快速查找登機(jī)口和值機(jī)柜臺(tái)；在大型商場(chǎng)，顧客通過定位可查找商家、車輛停放位置和一鍵共享位置信息等。

根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，定位分為室外定位和室內(nèi)定位兩大類。在室外，主要使用GNSS（Global Navigation Satellite System）定位技術(shù)滿足用戶在室外場(chǎng)景中的位置服務(wù)需求。在室內(nèi)，由于GNSS 本身技術(shù)的限制，無法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，目前常用的是基于WLAN、藍(lán)牙、UWB 等無線定位技術(shù)形成的一套室內(nèi)定位解決方案。

2 公安現(xiàn)狀與分析

在公安用戶的業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，定位是基本需求，為可視化調(diào)度提供基礎(chǔ)的位置數(shù)據(jù)，對(duì)公安的日常工作發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前公安的現(xiàn)狀是主要使用GNSS 進(jìn)行定位，定位上線率偏低。首先，因?yàn)榫瘑T在室內(nèi)或關(guān)鍵建筑物（高鐵站、地鐵站、體育館、大型商場(chǎng)等）內(nèi)巡邏和執(zhí)勤的情況越來越多，GNSS無法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，導(dǎo)致指揮中心無法獲取警員的定位信息。其次，因?yàn)楣舱瓗到y(tǒng)的容量有限，在大話務(wù)量場(chǎng)景中，語音業(yè)務(wù)會(huì)搶占定位的信道資源，導(dǎo)致定位信息上傳失效或失敗。

針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀，我國(guó)公安用戶對(duì)定位的需求如下：

（1）全場(chǎng)景定位：不僅需要快速獲取室外執(zhí)勤警員的定位信息，也需快速獲取室內(nèi)執(zhí)勤警員的定位信息，為可視化調(diào)度提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

（2）安全保密性：終端獲取的定位信息來源需要絕對(duì)安全，定位信息的計(jì)算和存儲(chǔ)過程，需要在公安允許的安全網(wǎng)絡(luò)（公安移動(dòng)信息網(wǎng)、視頻專網(wǎng)等）范圍內(nèi)完成，或符合我國(guó)國(guó)家安全規(guī)范，保證與互聯(lián)網(wǎng)的物理隔離。

（3）數(shù)據(jù)上傳實(shí)時(shí)性：在安全獲取定位信息的前提下，要保證定位信息的快速、實(shí)時(shí)上傳。在窄帶通道無法回傳定位信息時(shí)，需有備份管道，如公網(wǎng)專用（專網(wǎng)VPN）通道。

（4）高精度：在符合公共安全信息通信規(guī)范前提下，采用衛(wèi)星、Wi-Fi、基站等多種方式混合定位，精確計(jì)算和校準(zhǔn)位置信息。同時(shí)支持快速定位，滿足警員快速移動(dòng)的定位需求。

寬窄融合下的全域定位方案可充分滿足公安定位服務(wù)的以上需求，該方案使用GNSS 實(shí)現(xiàn)室外環(huán)境的快速、精準(zhǔn)定位，在GNSS 信號(hào)弱或無信號(hào)的室內(nèi)環(huán)境使用基站、Wi-Fi、藍(lán)牙或UWB（超帶寬）等無線定位技術(shù)進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外定位全覆蓋。通過在公安允許的安全網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部署私有定位服務(wù)，保證定位信息的保密性、安全性。同時(shí)，該方案還具備寬窄雙通道數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，保證定位信息的實(shí)時(shí)上傳，為可視化調(diào)度提供充分的定位基礎(chǔ)信息，提高指揮調(diào)度的可靠性。

圖1 室內(nèi)室外全場(chǎng)景覆蓋

3 全域定位技術(shù)分析

全域定位技術(shù)是指實(shí)現(xiàn)全時(shí)域（全天候、實(shí)時(shí)）、全空域（室內(nèi)、室外無縫覆蓋）的定位技術(shù)，按其空域性質(zhì)，可分為室外GNSS技術(shù)及室內(nèi)無線定位技術(shù)。

3.1 GNSS

GNSS（Global Navigation Satellite System），全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。GNSS 是多系統(tǒng)、多層面、多模式的復(fù)雜組合系統(tǒng)，也是目前使用最為廣泛、最受用戶歡迎的室外定位系統(tǒng)，具有精度高、速度快、使用成本低的特點(diǎn)；GNSS 全球系統(tǒng)主要有GPS，GLONASS，BDS，Galileo；區(qū)域系統(tǒng)有印度的IRNSS、日本的QZSS 等；增強(qiáng)系統(tǒng)有美國(guó)的WAAS，日本的MSAS、歐盟的EGNOS、印度的GAGAN、尼日尼亞的NIG-GOMSAT-1等。

GPS 全球定位系統(tǒng)，是美國(guó)研發(fā)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，由24顆衛(wèi)星組成，使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星，其民用領(lǐng)域開放的精度約為10米；到1994年，衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。

GLONASS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，是前蘇聯(lián)開始、俄羅斯繼承建設(shè)、與GPS 相抗衡的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；GLONASS 系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成，采用FDMA 技術(shù)，有更強(qiáng)的抗干擾能力；到2009年，其服務(wù)范圍已經(jīng)拓展到全球，精度在10米左右。

BDS 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是中國(guó)自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，2020年，將建成北斗三號(hào)系統(tǒng)，向全球提供服務(wù)；北斗系統(tǒng)包含30顆衛(wèi)星，繼承有源服務(wù)和無源服務(wù)兩種技術(shù)體制，其全球定位精度優(yōu)于10米，亞太地區(qū)定位精度優(yōu)于5米。

Galileo 伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是歐洲于1999年初正式推出的旨在獨(dú)立于GPS 和GLONASS 的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，伽利略系統(tǒng)由30顆衛(wèi)星組成，主要為民用，公開服務(wù)定位精度通常為15-20米和5-10米兩檔。

3.2 室內(nèi)定位技術(shù)

GNSS 系統(tǒng)在室外環(huán)境下?lián)碛休^高的定位精度，但在室內(nèi)環(huán)境下，由于GNSS 信號(hào)受到遮擋，會(huì)導(dǎo)致無法定位；在室內(nèi)環(huán)境下，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，新興的無線定位技術(shù)，如Wi-Fi、藍(lán)牙、UWB 等得到了廣泛的應(yīng)用，其中以Wi-Fi 作為基礎(chǔ)定位設(shè)施的Wi-Fi 定位已經(jīng)被廣泛地使用在家庭、旅館、咖啡館、機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)等各類大型或小型建筑物內(nèi)。

通常Wi-Fi 定位系統(tǒng)由接入點(diǎn)（AP）、定位標(biāo)簽/讀卡器、定位服務(wù)器組成，其中定位服務(wù)器上部署了定位算法和Wi-Fi 數(shù)據(jù)庫(kù)，Wi-Fi 數(shù)據(jù)庫(kù)包含了MAC 地址、SSID、位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)等信息。Wi-Fi 定位系統(tǒng)有兩種實(shí)現(xiàn)方式：

一種方式為電子標(biāo)簽周期性向AP 發(fā)出信號(hào)，AP 接收到信號(hào)后，傳送到后端定位服務(wù)器，通過三邊定位法，即可在相應(yīng)電子地圖上顯示電子標(biāo)簽的具體位置；另一種方式為讀卡器接收周圍AP 發(fā)出的周期性信號(hào)，并將接收到的信號(hào)傳送到后端定位服務(wù)器，通過位置指紋法或三邊定位法即可在相應(yīng)電子地圖上顯示電子標(biāo)簽的具體位置。

無線定位技術(shù)的測(cè)距算法主要有：RSSI 接收信號(hào)強(qiáng)度指示；TOA 到達(dá)時(shí)間；TDOA 到達(dá)時(shí)間差；AOA 到達(dá)角等。

無線技術(shù)常用的定位方法主要有：

（1）三邊定位法：通過RSSI 能夠確定讀卡器到AP 的距離，分別以已知位置的3個(gè)AP 為圓心，以讀卡器到其的距離為半徑作圓，所得的3個(gè)圓的交點(diǎn)即為讀卡器的位置。

圖2 三邊定位法

（2）位置指紋法：“位置指紋”把實(shí)際環(huán)境中的位置和某種“指紋”聯(lián)系起來，一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)特的指紋。位置指紋法的操作核心，實(shí)際上是通過獲取到的信息值（RSSI）與先前建立的信息庫(kù)進(jìn)行匹配，最終確定待測(cè)點(diǎn)的定位結(jié)果。位置指紋的工作過程主要分為離線采集和定位兩個(gè)階段：離線采集階段的主要工作是通過采集定位區(qū)域內(nèi)定位信號(hào)的RSSI 建立指紋數(shù)據(jù)庫(kù)；定位階段的主要工作是將移動(dòng)端在待測(cè)點(diǎn)采集到的定位信號(hào)特征與指紋庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得出待測(cè)點(diǎn)所在的位置信息，其中，位置信息可以是二維坐標(biāo)，也可以是地理信息。

3.3 室內(nèi)融合定位

NLP（Network Location Provider），網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)定位是將手機(jī)設(shè)備收到的信號(hào)（主要是基站、Wi-Fi、藍(lán)牙）發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過計(jì)算或比對(duì)獲得位置信息。首先，需要建立每個(gè)位置的指紋—這是一個(gè)龐大且持續(xù)更新的數(shù)據(jù)。在定位時(shí)，實(shí)時(shí)指紋比對(duì)每個(gè)位置的歷史指紋，確定位置。

警用多模終端NLP 方案，以第三方APK 方式集成于系統(tǒng)底層，向Android 系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)，包含基站定位、Wi-Fi定位等，適用于室內(nèi)、室外多種定位場(chǎng)景，支持全球定位，具有精度高、覆蓋廣、流量小、速度快等優(yōu)點(diǎn)；結(jié)合GNSS 定位服務(wù)，為客戶提供室內(nèi)外無縫時(shí)域、空域位置服務(wù)。

圖3 室內(nèi)融合定位

3.4 公安內(nèi)網(wǎng)融合定位

公安等特殊行業(yè)，其終端不允許接入公網(wǎng)，只能使用專用網(wǎng)絡(luò)，普通NLP 方案無法直接使用，需要進(jìn)行私有化部署。NLP私有化部署方案，可以將定位算法庫(kù)，Wi-Fi 庫(kù)，電磁信號(hào)庫(kù)等在本地進(jìn)行私有化部署，私有網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)器與特定公有網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)器之間會(huì)進(jìn)行定期的更新，公有網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)器將保障私有網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)器定位庫(kù)的更新和迭代。

圖4 公安內(nèi)網(wǎng)融合定位

NLP 私有化部署方案使用了通用的算法引擎，可以融合Wi-Fi，藍(lán)牙，基站等各種信號(hào)源，在不同場(chǎng)景下，使用不同的算法，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無縫切換：采用了序貫學(xué)習(xí)算法，可以并行學(xué)習(xí)海量的接入Wi-Fi 等數(shù)據(jù)；快速的學(xué)習(xí)算法，大大提高了數(shù)據(jù)庫(kù)的更新響應(yīng)；優(yōu)越的移動(dòng)Wi-Fi 剔除算法，進(jìn)一步提高了Wi-Fi 數(shù)據(jù)庫(kù)的可靠性；通過信號(hào)建模和指紋AI 匹配定位算法的融合，提供最高精度服務(wù)；基于多種空間信號(hào)融合、支持室內(nèi)外定位無縫對(duì)接的定位技術(shù)，能夠達(dá)到響應(yīng)速度更快、功耗更低、定位精度更高的定位效果。

警用多模終端產(chǎn)品，通過GNSS 定位服務(wù)結(jié)合NLP 私有化部署方案，能夠?yàn)閷Ｓ每蛻籼峁┌踩?、?shí)時(shí)、全天候的無縫時(shí)域、空域位置服務(wù)。

圖5 定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳

4 定位數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳分析

警用多模終端，在室外可以通過GNSS 天線接收GPS、GLONASS、BD、Galileo、SBAS、QZSS 等GNSS 信 號(hào)，聯(lián) 合通過公網(wǎng)系統(tǒng)向XTRA 服務(wù)器請(qǐng)求的A-GNSS 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)定位；在室內(nèi)可以利用終端的Wi-Fi、藍(lán)牙、基站及集成的NLP，結(jié)合各種傳感器，通過公網(wǎng)（專用網(wǎng)）與公網(wǎng)（專用網(wǎng)）NLP 服務(wù)器交互，獲得精準(zhǔn)的室內(nèi)位置信息；室內(nèi)室外信號(hào)可以通過Kalman 濾波的方法實(shí)現(xiàn)無縫結(jié)合，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外融合定位，最終將獲取到的精確位置信息給終端應(yīng)用或開啟RoIP 功能（優(yōu)先使用公網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)信息）通過公網(wǎng)（專用網(wǎng)）給傳輸?shù)秸{(diào)度平臺(tái)應(yīng)用；終端窄帶部分向?qū)拵Р糠职l(fā)送定位請(qǐng)求，寬帶經(jīng)過同樣的定位過程后將位置信息（GNSS 定位時(shí)的經(jīng)緯度、速度、高度、時(shí)間等；NLP 定位時(shí)的經(jīng)緯度）給到窄帶平臺(tái)，窄帶平臺(tái)通過專網(wǎng)將位置信息傳送到調(diào)度平臺(tái)以實(shí)現(xiàn)調(diào)度應(yīng)用。

圖6 可視化調(diào)度框圖

5 應(yīng)用分析

使用寬窄融合下的全域定位方案，既可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外定位全覆蓋又能滿足定位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳，滿足公安全場(chǎng)景定位、安全保密性和數(shù)據(jù)上傳實(shí)時(shí)性等需求，為可視化調(diào)度提供充分的定位基礎(chǔ)信息，提高指揮調(diào)度的可靠性。具體可應(yīng)用的場(chǎng)景包括日常接處警可視化調(diào)度、重大安保任務(wù)調(diào)度和警員勤務(wù)督察等。

5.1 日常接處警可視化調(diào)度

（1）自動(dòng)推薦調(diào)配警力：日常接處警時(shí)，指揮調(diào)度平臺(tái)可基于警力分布情況并結(jié)合各分局或市局派警準(zhǔn)則，為接警員推薦最佳的處警力量。接警員在指揮調(diào)度平臺(tái)上一鍵派警和呼叫警力，調(diào)派警員前往警情發(fā)生地處理警情并反饋事件處理進(jìn)展。

（2）警力監(jiān)控和跟蹤：警力出警過程中，需對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，可基于定位地圖，實(shí)時(shí)一鍵音視頻呼叫警員，及時(shí)關(guān)注警員出警狀態(tài)，并可將其出警的活動(dòng)軌跡進(jìn)行保存，為后續(xù)優(yōu)化出警路線以及更合理調(diào)派警力提供分析數(shù)據(jù)。

5.2 重大安保任務(wù)調(diào)度

（1）動(dòng)態(tài)圈選：若在安保任務(wù)進(jìn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)可疑人員或者擾亂人員，指揮中心可通過在定位地圖上圈選警情發(fā)生地的周邊警力或獲取固定點(diǎn)警力等方式選中警力，自動(dòng)構(gòu)建呼叫組，實(shí)現(xiàn)對(duì)選中警力的集中調(diào)度。

（2）一鍵調(diào)度：基于終端實(shí)時(shí)回傳的定位信息實(shí)現(xiàn)定位地圖可視化，安保指揮員可一鍵發(fā)起移動(dòng)終端的視頻回傳操作，隨時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，提高現(xiàn)場(chǎng)感知能力。

（3）路線偏離預(yù)警：在重要人的安保過程中，引導(dǎo)車或者警衛(wèi)人員因某種原因偏離或者脫離原設(shè)置好的行進(jìn)路線時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒警衛(wèi)人員和指揮人員關(guān)注；指揮人員可根據(jù)警衛(wèi)人員的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)指揮調(diào)度，并對(duì)其周邊安保警員發(fā)出指令，查清原因。

5.3 警員勤務(wù)督察

（1）警力巡視：在日常執(zhí)勤中，基于地圖上的定位信息，系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)警力是否到崗，以短信或者報(bào)警的方式提醒和督促警員到達(dá)指定崗位位置進(jìn)入執(zhí)勤狀態(tài)。

（2）越崗提示：當(dāng)警力超過管轄區(qū)域范圍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)該區(qū)域崗位空缺的現(xiàn)象。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警告信息提醒執(zhí)勤人員和值班人員，防止警力部署失控現(xiàn)象出現(xiàn)。

（3）到崗統(tǒng)計(jì)：系統(tǒng)根據(jù)地圖上的定位信息，自動(dòng)檢測(cè)管轄范圍內(nèi)各崗位警員的到崗情況，以統(tǒng)計(jì)執(zhí)勤實(shí)到崗位人數(shù)。

6 結(jié)束語

實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的位置信息為可視化調(diào)度提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，對(duì)公安的日常工作發(fā)揮著重要作用。寬窄融合下的全域定位方案可為公安用戶提供室內(nèi)室外全場(chǎng)景定位，并可通過寬窄雙通道進(jìn)行位置信息回傳，調(diào)度中心可實(shí)時(shí)查看警力分布情況，實(shí)現(xiàn)日常接處警、重大安保時(shí)的準(zhǔn)確、高效調(diào)度，滿足公安用戶業(yè)務(wù)場(chǎng)景中的實(shí)戰(zhàn)需求。