大型艦艇人員定位系統設計

任偉 鄭華 張曉再 林志勇

摘 要：本文介紹一種基于Zigbee無線傳感網絡技術進行大型艦船人員實時定位的研究。以艦船艙室、通道、戰位的實際布置情況為依據，研究了人員定位系統的總體方案設計，采用RSSI測距的定位算法解算位置節點的相對坐標。測試結果表明，系統設計合理可行，能夠應用在大型艦船的人員實時定位。

關鍵詞：艦船； Zigbee； 人員定位

中圖分類號：U674.7 文獻標識碼：A

Abstract： This paper introduces a Zigbee wireless sensor network technology for personnel real-time positioning of large warships.BY analyzing the actual arrangement of ship cabin， access and operation positions， the general schemes and software and hardware of system are designed. RSSI localization algorithm is adopted to calculate the relative coordinates of node position. The test results show that the system design is reasonable and feasible， and it can be applied to personnel real-time positioning in large warships.

Key words： Warship； Zigbee； Personnel positioning

1 引言

大型艦船艙室眾多、構造極為復雜。以某型航母為例，共有甲板十余層、艙室上千個，內部通道錯綜復雜，總長達數十千米，艦上工作人員達數千人。在進行一些訓練科目時，如果不能及時精確地掌握人員動態信息，極易產生傷亡事故。目前采用的定位方法，如GPS、北斗、GNSS等衛星導航系統，由于艙室內部的信號屏蔽及設備電磁干擾，定位精度和效果不盡人意，因此研究一種能夠有效在艦船艙室內部實時精確定位人員相對位置的系統顯得非常迫切和意義重大。

2 艙室人員定位方案及比較

2.1 無線射頻技術

利用無線射頻技術的艙室人員定位方案，包括應用射頻技術和無線通信技術。無線射頻技術的工作原理是艦員攜帶標識卡，每個標識卡唯一確定一個 ID，讀卡器安裝于艦艇艙室、通道、戰位，可主動或被動識別標識卡里的信息，再通過無線通信系統傳輸人員信息回控制站。該項技術成本偏高、系統抗電磁干擾能力較差、有效通信距離較短，難以進行艦艇的精確實時定位。

2.2 ZigBee定位技術

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、時延短的雙向無線通訊技術，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據的傳輸。該技術由 ZigBee 網絡協議支持，包含定位卡、接收器和定位器幾部分。定位處理器分布于不同位置用于接收檢測信號，具有三個工作頻段，每個頻段的傳輸速率不同，傳輸距離在10～75 m范圍，可根據接收器個數和定位器間的距離調節定位精度，適合大型艦艇的艙室人員定位。

3 總體方案設計

艦艇人員定位系統在結構上可分為兩部分：一是無線定位系統模塊，主要包括協調器節點、未知節點和參考節點；二是監控中心模塊，主要是方便用戶管理和實時監測。這兩個部分是由協調器通過串口與計算機連接起來，組成整個網絡定位系統。

各個節點都是通過 2.4GHz 頻率的射頻信號進行相互通信，協調器成功組建網絡且當各個節點成功入網后，它們之間就可以相互收發信息，信息的發送采用載波偵聽多路訪問形式。未知節點在通信范圍內廣播自己的 RSSI信息，參考節點收到未知節點 RSSI 信息后，經過處理連同自身的位置相關信息發送給未知節點，這些信息主要包括參考節點自身的 ID 和坐標信息、與未知節點間距離、數據長度等，未知節點收到這些信息以后，就把有用的信息存儲起來，然后發送給協調器，協調器收到信息后通過算法的計算處理求出未知節點相對坐標，并將相關位置信息發送給計算機。

系統所用的硬件節點模塊主要包括核心板模塊和底板模塊：核心板就是嵌入 CC2530 芯片的無線射頻收發模塊；底板主要提供方便用戶開發和使用的 I/O 口、外接電源接口、傳感器接口、串口轉換芯片、仿真器接口和LED 指示燈等，具有集成度高、體積小的優勢。

系統使用的軟件開發環境是由瑞典 IAR Systems 公司開發的產品—IAR Embedded Workbench，具有代碼執行率高、完全兼容C語言等特點。

4 基于 RSSI的定位算法

基于 RSSI的定位算法在基于接收信號強度指示的定位方法，發射信號強度和接收信號強度都是已知的，因為節點核心芯片中都具有射頻收發能力和 RSSI 測量功能，從數據包里即可讀取 RSSI 值。由于無線信號在艙室傳輸過程中會有一定的衰減，因此從接收節點的 RSSI 值即可得知信號的衰減值，然后根據理論模型就可求出節點間的距離，最后采用坐標計算方法完成定位。

經常使用的方法為質心算法，即利用幾何運算依次算出 3 個參考節點與未知節點的距離，再用公式對未知節點的坐標進行估算。將已知 3 個點的坐標做圓，如圖1所示。

5 系統定位模擬測試

選擇某艦建造分段進行定位系統測試， 艙室面積為6m×10 m×2.9 m。在走廊及兩邊設置10個參考節點， 利用PC為參考節點設置坐標位置， 將移動節點放置在參考節點區域， 通過服務器接口檢查移動節點的位置信息。結果表明，所有應用節點定位誤差統計值在1 m左右，能夠滿足定位精度的要求。

6 結論

本文采用RSSI的定位算法，設計了基于Zigbee無線傳感網絡技術，解決了一種復雜艙室環境和電磁環境下的人員高精度實時定位問題，彌補了衛星導航系統的不足，為艦艇訓練、人員安全提供了有益保障。