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    基于寬窄融合下的全域定位技術(shù)分析

    2020-05-20 06:39:24童舟城徐玲燕王艷艷
    數(shù)字通信世界 2020年4期
    關(guān)鍵詞:警力警員指紋

    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。

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