李賢明 胡 垚 周 關
(中國船舶集團有限公司第七二二研究所 武漢 430205)
定位技術一直與我們的生活密不可分,比如最常見的車輛導航。根據(jù)使用場景,定位技術分為室內(nèi)定位和室外定位。室外定位主要依靠GPS,北斗,glonass等全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)。室內(nèi)定位技術主要是RFID、藍牙、Zigbee、Wifi、UWB等無線技術。本文重點介紹一種適合艦船環(huán)境的信標定位技術。
艦船環(huán)境不同于普通室內(nèi)環(huán)境,采用全金屬的艦體結構且艙室結構布局復雜,對無線信號傳輸?shù)钠帘握趽鯂乐?,而傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術,無論是基于信號場強、信噪比的(如:Zigbee、Wifi定位)還是基于信號到達時間的(如:UWB)定位,或是基于信號傳輸角度的(AOA)定位均需要至少三個定位參考基點,也即常見的三點(或三角)定位,也就是被定位目標在任意位置發(fā)射的無線信號需能夠被至少三個定位基點接收到,這樣不僅使得需要部署的定位基點數(shù)量大增,同時對無線信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性提出了更高的要求。采用信標定位技術,創(chuàng)新性的將無線信號的傳輸與定位功能分離,定位基站僅負責定位信息的傳輸而不參與定位,人員佩戴的定位胸卡或定位手機讀取定位信標后經(jīng)基站上傳中心端從而實現(xiàn)定位,有效提高了定位精度和可靠性,同時大大降低了艦船內(nèi)部無線網(wǎng)絡敷設的難度。
傳統(tǒng)三點定位基于RSSII(信號場強指示)值,通過三角定位原理進行定位。如圖1所示,A點發(fā)出信號,同時被B1、B2、B3收到,三角定位算法通過已知的三個坐標反推出A點的坐標。
圖1 傳統(tǒng)三點定位原理圖
三點定位技術下,因業(yè)務屬性與技術要求各異,定位與無線通信系統(tǒng)難以有效融合,例如對于基于場強定位的Zigbee技術,從無線通信的要求來講,環(huán)境中任何位置能與一個基站可靠通信即可,而從定位的要求來看,則需要環(huán)境中任何位置能與三個基站可靠通信。
三點定位技術的實現(xiàn)需要部署大量的定位基站(定位參考點),這些定位基站均為有源設備,大量的有源設備散布在工程內(nèi)部,除去造價與工程因素外,對系統(tǒng)的可靠性與維護工作也是不小的挑戰(zhàn)。
不同于三點定位,信標定位技術主要依賴固定布置的信標(位置參考點)周期性往外發(fā)射攜帶其自身編號的無線信號,定位終端在其附近區(qū)域經(jīng)過時接收該信號,獲得其編號及信號場強RSS信息并轉發(fā)至定位服務器,定位服務器通過比對編號與信標位置的數(shù)據(jù)庫、信號場強與位置的數(shù)據(jù)庫獲得其位置信息,查詢終端則可通過網(wǎng)絡訪問定位服務器獲得定位等信息,如圖2所示。
圖2 信標定標原理圖
信標定位技術首先實現(xiàn)了定位功能與基站的傳輸分離。定位終端與定位信標配合實現(xiàn)定位功能,定位基站僅負責定位信息的傳輸而不參與定位,人員佩戴的定位胸卡或定位手機讀取定位信標后采用802.15.4無線通信協(xié)議通過無線網(wǎng)絡傳輸至基站,再由基站通過IP網(wǎng)絡上傳中心端定位服務器,系統(tǒng)中的基站與射頻分布網(wǎng)絡只負責定位信號的傳輸。
信標定位技術同時實現(xiàn)了定位精度按需部署。工程中可按照不同的定位精度要求,按需部署定位信標,例如通過每個戰(zhàn)位部署一張信標或每個艙室部署一個信標可以實現(xiàn)定位到戰(zhàn)位或定位到艙室的不同精度。做到定位精度與有源基站部署密度無關。
隨著艦船設計排量越來越大,艙室設置越來復雜,駐艦人員越來越多,艦內(nèi)找人難問題日益凸顯。為了便于及時找到人、聯(lián)系到人,首先必須解決人員定位問題。另外,為使人員位置信息融入到艦船日常管理的智能化、信息化過程中,需要實現(xiàn)重點戰(zhàn)位、重點艙室等關鍵位置的高精度定位。
就定位系統(tǒng)自身建設與維護的復雜程度、系統(tǒng)的可靠性而言,艦船復雜的內(nèi)部結構、金屬的屏蔽環(huán)境使得信號的良好覆蓋與系統(tǒng)復雜程度、系統(tǒng)維護難度等成為矛盾,部隊需要一個結構簡單、可靠性高、易維護的定位系統(tǒng)。
基于信標定位技術的系統(tǒng)架構主要由定位信標、定位終端、射頻分布網(wǎng)絡、基站和定位服務器構成,如圖3所示。其中定位信標由艙內(nèi)、艙外信標組成,信標的唯一性編碼與其安裝的位置在定位識別服務軟件中相關聯(lián),定位終端通過讀取、轉發(fā)信標發(fā)射的唯一性編碼至定位識別服務軟件實現(xiàn)定位的功能。定位終端主要包含定位手機和定位胸卡,各終端以無線的方式與基站通信,定位手機兼具定位和通信功能(定位采用Zigbee(IEEE 802.15.4)技術,通信采用 Wifi(IEEE 802.11 b/g/n)技術),定位胸卡具備定位識別、運動探測和一鍵告警等功能。基站具有多路射頻輸出端口,射頻信號輸出至射頻分布網(wǎng)絡,射頻分布網(wǎng)絡由射頻線纜、天線、定向耦合器與功分器組成,連接基站的射頻輸出端口,以實現(xiàn)無線信號的均勻覆蓋。定位服務器安裝有定位識別服務軟件,實現(xiàn)對移動中的定位終端的定位、告警、統(tǒng)計等功能。
圖3 基于信標定位技術的系統(tǒng)架構
1)提高定位的可靠性同時降低系統(tǒng)設計和維護難度
采用信標定位技術擺脫了三點定位的束縛,通過與射頻分布網(wǎng)絡的結合,可以大幅減少基站的數(shù)量;信標定位基于信標的實際安裝位置與其唯一性地址編碼的對應關系,與信號強度、傳輸路徑等無關,因此射頻分布網(wǎng)絡可以方便地根據(jù)現(xiàn)場各艙室與通道的大小、隔墻的材質(zhì)等調(diào)整無線信號的均勻分布,有效減少無線信號穿墻的數(shù)量,從而保障無線信號的傳輸質(zhì)量與可靠性;另一方面由于減少了網(wǎng)絡中的有源設備,在降低工程造價、施工難度的同時,降低系統(tǒng)的維護難度。
2)實現(xiàn)了定位精度的按需部署
定位信標可以按照對通道、艙室、戰(zhàn)位等定位精度的要求不同而按需部署,定位信標可根據(jù)艦船環(huán)境選擇獨立安裝或安裝于天線內(nèi),由電池供電或由射頻分布網(wǎng)絡集中供電,實現(xiàn)按需安裝,移動方便,無需布線施工。如圖4為大型艙室內(nèi)部部署定位信標定位區(qū)域示意圖,如圖5為艙外甲板部署定位信標定位區(qū)域示意圖。
如圖4~5所示,定位信標的信號發(fā)射以覆蓋被定位的區(qū)域為目的,沒有組網(wǎng)通信的需求,因而可以以微功率發(fā)射,降低了艦船金屬結構反射對定位精度的影響。
圖4 大型艙室內(nèi)部定位區(qū)域示意圖
3)可實現(xiàn)與通信功能的兼容設計,擴展性好
無線通信與定位往往采用二種不同的通信技術體制,由于使用了不同的技術體制,系統(tǒng)組網(wǎng)則需要兩張網(wǎng)。由于信標定位技術將定位與通信功能分開,定位精度與基站的位置與數(shù)量無關,使得定位和無線通信可以共用一套射頻分布網(wǎng)絡實現(xiàn),如圖6所示無線通信與定位信號在基站內(nèi)分頻段混合后接入到射頻分布網(wǎng)絡,實現(xiàn)兩種通信體制的共網(wǎng)復用傳輸。
圖6 定位與通信共用射頻分布網(wǎng)絡
定位與通信共用射頻分布網(wǎng)絡實現(xiàn)了定位終端與基站之間的一跳星型組網(wǎng),大幅簡化了網(wǎng)絡拓撲,提高了接入與傳輸?shù)男省M瑫r兩個系統(tǒng)的融合,提升船內(nèi)設計的集成優(yōu)化水平,降低了系統(tǒng)的復雜程度和造價。
信標定位技術解決了傳統(tǒng)三點定位無線組網(wǎng)和定位算法復雜的問題,將定位功能和信號傳輸分離,大幅減少了有源基站的數(shù)量降低了無線網(wǎng)絡設計和工程施工難度,同時提高了無線信號傳輸?shù)目煽啃?,實現(xiàn)了定位精度按需部署,能夠更好地適應艦船內(nèi)部應用場景,滿足定位需求。另外通過共用射頻分布網(wǎng)絡的設計,可實現(xiàn)定位與通信功能的融合,提升船內(nèi)設計的集成優(yōu)化水平。