基于寬窄融合下的全域定位技術分析

童舟城，徐玲燕，王艷艷

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

1 定位技術應用廣泛

隨著科技水平的進步和用戶對位置服務需求的日益增長，定位技術在全球各領域和行業已得到廣泛應用。例如，在戶外，用戶通過手機導航或車內導航查找目的地并規劃行走路線；在機場，旅客通過定位和導航可快速查找登機口和值機柜臺；在大型商場，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。

根據使用場景的不同，定位分為室外定位和室內定位兩大類。在室外，主要使用GNSS（Global Navigation Satellite System）定位技術滿足用戶在室外場景中的位置服務需求。在室內，由于GNSS 本身技術的限制，無法實現室內定位，目前常用的是基于WLAN、藍牙、UWB 等無線定位技術形成的一套室內定位解決方案。

2 公安現狀與分析

在公安用戶的業務場景中，定位是基本需求，為可視化調度提供基礎的位置數據，對公安的日常工作發揮著重要作用。當前公安的現狀是主要使用GNSS 進行定位，定位上線率偏低。首先，因為警員在室內或關鍵建筑物（高鐵站、地鐵站、體育館、大型商場等）內巡邏和執勤的情況越來越多，GNSS無法實現室內定位，導致指揮中心無法獲取警員的定位信息。其次，因為公安窄帶系統的容量有限，在大話務量場景中，語音業務會搶占定位的信道資源，導致定位信息上傳失效或失敗。

針對當前現狀，我國公安用戶對定位的需求如下：

（1）全場景定位：不僅需要快速獲取室外執勤警員的定位信息，也需快速獲取室內執勤警員的定位信息，為可視化調度提供有效的數據支撐。

（2）安全保密性：終端獲取的定位信息來源需要絕對安全，定位信息的計算和存儲過程，需要在公安允許的安全網絡（公安移動信息網、視頻專網等）范圍內完成，或符合我國國家安全規范，保證與互聯網的物理隔離。

（3）數據上傳實時性：在安全獲取定位信息的前提下，要保證定位信息的快速、實時上傳。在窄帶通道無法回傳定位信息時，需有備份管道，如公網專用（專網VPN）通道。

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

寬窄融合下的全域定位方案可充分滿足公安定位服務的以上需求，該方案使用GNSS 實現室外環境的快速、精準定位，在GNSS 信號弱或無信號的室內環境使用基站、Wi-Fi、藍牙或UWB（超帶寬）等無線定位技術進行定位，實現室內室外定位全覆蓋。通過在公安允許的安全網絡內部署私有定位服務，保證定位信息的保密性、安全性。同時，該方案還具備寬窄雙通道數據傳輸機制，保證定位信息的實時上傳，為可視化調度提供充分的定位基礎信息，提高指揮調度的可靠性。

圖1 室內室外全場景覆蓋

3 全域定位技術分析

全域定位技術是指實現全時域（全天候、實時）、全空域（室內、室外無縫覆蓋）的定位技術，按其空域性質，可分為室外GNSS技術及室內無線定位技術。

3.1 GNSS

GNSS（Global Navigation Satellite System），全球導航衛星系統。GNSS 是多系統、多層面、多模式的復雜組合系統，也是目前使用最為廣泛、最受用戶歡迎的室外定位系統，具有精度高、速度快、使用成本低的特點；GNSS 全球系統主要有GPS，GLONASS，BDS，Galileo；區域系統有印度的IRNSS、日本的QZSS 等；增強系統有美國的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，是美國研發的衛星定位系統，由24顆衛星組成，使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛星，其民用領域開放的精度約為10米；到1994年，衛星星座己布設完成。

GLONASS 全球導航衛星系統，是前蘇聯開始、俄羅斯繼承建設、與GPS 相抗衡的衛星導航系統；GLONASS 系統由24顆衛星組成，采用FDMA 技術，有更強的抗干擾能力；到2009年，其服務范圍已經拓展到全球，精度在10米左右。

BDS 北斗衛星導航系統，是中國自主建設運行的全球衛星導航系統，2020年，將建成北斗三號系統，向全球提供服務；北斗系統包含30顆衛星，繼承有源服務和無源服務兩種技術體制，其全球定位精度優于10米，亞太地區定位精度優于5米。

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

3.2 室內定位技術

GNSS 系統在室外環境下擁有較高的定位精度，但在室內環境下，由于GNSS 信號受到遮擋，會導致無法定位；在室內環境下，隨著無線通信技術的發展，新興的無線定位技術，如Wi-Fi、藍牙、UWB 等得到了廣泛的應用，其中以Wi-Fi 作為基礎定位設施的Wi-Fi 定位已經被廣泛地使用在家庭、旅館、咖啡館、機場、商場等各類大型或小型建筑物內。

通常Wi-Fi 定位系統由接入點（AP）、定位標簽/讀卡器、定位服務器組成，其中定位服務器上部署了定位算法和Wi-Fi 數據庫，Wi-Fi 數據庫包含了MAC 地址、SSID、位置指紋數據庫等信息。Wi-Fi 定位系統有兩種實現方式：

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

無線定位技術的測距算法主要有：RSSI 接收信號強度指示；TOA 到達時間；TDOA 到達時間差；AOA 到達角等。

無線技術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AP 為圓心，以讀卡器到其的距離為半徑作圓，所得的3個圓的交點即為讀卡器的位置。

圖2 三邊定位法

（2）位置指紋法：“位置指紋”把實際環境中的位置和某種“指紋”聯系起來，一個位置對應一個獨特的指紋。位置指紋法的操作核心，實際上是通過獲取到的信息值（RSSI）與先前建立的信息庫進行匹配，最終確定待測點的定位結果。位置指紋的工作過程主要分為離線采集和定位兩個階段：離線采集階段的主要工作是通過采集定位區域內定位信號的RSSI 建立指紋數據庫；定位階段的主要工作是將移動端在待測點采集到的定位信號特征與指紋庫中的數據進行匹配，得出待測點所在的位置信息，其中，位置信息可以是二維坐標，也可以是地理信息。

3.3 室內融合定位

NLP（Network Location Provider），網絡定位服務，網絡定位是將手機設備收到的信號（主要是基站、Wi-Fi、藍牙）發送到網絡服務器，通過計算或比對獲得位置信息。首先，需要建立每個位置的指紋—這是一個龐大且持續更新的數據。在定位時，實時指紋比對每個位置的歷史指紋，確定位置。

警用多模終端NLP 方案，以第三方APK 方式集成于系統底層，向Android 系統提供網絡定位服務，包含基站定位、Wi-Fi定位等，適用于室內、室外多種定位場景，支持全球定位，具有精度高、覆蓋廣、流量小、速度快等優點；結合GNSS 定位服務，為客戶提供室內外無縫時域、空域位置服務。

圖3 室內融合定位

3.4 公安內網融合定位

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

圖4 公安內網融合定位

NLP 私有化部署方案使用了通用的算法引擎，可以融合Wi-Fi，藍牙，基站等各種信號源，在不同場景下，使用不同的算法，實現室內外無縫切換：采用了序貫學習算法，可以并行學習海量的接入Wi-Fi 等數據；快速的學習算法，大大提高了數據庫的更新響應；優越的移動Wi-Fi 剔除算法，進一步提高了Wi-Fi 數據庫的可靠性；通過信號建模和指紋AI 匹配定位算法的融合，提供最高精度服務；基于多種空間信號融合、支持室內外定位無縫對接的定位技術，能夠達到響應速度更快、功耗更低、定位精度更高的定位效果。

警用多模終端產品，通過GNSS 定位服務結合NLP 私有化部署方案，能夠為專用客戶提供安全、實時、全天候的無縫時域、空域位置服務。

圖5 定位數據實時上傳

4 定位數據實時上傳分析

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，聯 合通過公網系統向XTRA 服務器請求的A-GNSS 數據，實現快速、精準定位；在室內可以利用終端的Wi-Fi、藍牙、基站及集成的NLP，結合各種傳感器，通過公網（專用網）與公網（專用網）NLP 服務器交互，獲得精準的室內位置信息；室內室外信號可以通過Kalman 濾波的方法實現無縫結合，實現室內外融合定位，最終將獲取到的精確位置信息給終端應用或開啟RoIP 功能（優先使用公網傳輸數據信息）通過公網（專用網）給傳輸到調度平臺應用；終端窄帶部分向寬帶部分發送定位請求，寬帶經過同樣的定位過程后將位置信息（GNSS 定位時的經緯度、速度、高度、時間等；NLP 定位時的經緯度）給到窄帶平臺，窄帶平臺通過專網將位置信息傳送到調度平臺以實現調度應用。

圖6 可視化調度框圖

5 應用分析

使用寬窄融合下的全域定位方案，既可實現室內室外定位全覆蓋又能滿足定位數據的實時上傳，滿足公安全場景定位、安全保密性和數據上傳實時性等需求，為可視化調度提供充分的定位基礎信息，提高指揮調度的可靠性。具體可應用的場景包括日常接處警可視化調度、重大安保任務調度和警員勤務督察等。

5.1 日常接處警可視化調度

（1）自動推薦調配警力：日常接處警時，指揮調度平臺可基于警力分布情況并結合各分局或市局派警準則，為接警員推薦最佳的處警力量。接警員在指揮調度平臺上一鍵派警和呼叫警力，調派警員前往警情發生地處理警情并反饋事件處理進展。

（2）警力監控和跟蹤：警力出警過程中，需對其進行實時跟蹤，可基于定位地圖，實時一鍵音視頻呼叫警員，及時關注警員出警狀態，并可將其出警的活動軌跡進行保存，為后續優化出警路線以及更合理調派警力提供分析數據。

5.2 重大安保任務調度

（1）動態圈選：若在安保任務進行時發現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生地的周邊警力或獲取固定點警力等方式選中警力，自動構建呼叫組，實現對選中警力的集中調度。

（2）一鍵調度：基于終端實時回傳的定位信息實現定位地圖可視化，安保指揮員可一鍵發起移動終端的視頻回傳操作，隨時掌握現場情況，提高現場感知能力。

（3）路線偏離預警：在重要人的安保過程中，引導車或者警衛人員因某種原因偏離或者脫離原設置好的行進路線時，系統會發出警報，提醒警衛人員和指揮人員關注；指揮人員可根據警衛人員的運動軌跡進行實時指揮調度，并對其周邊安保警員發出指令，查清原因。

5.3 警員勤務督察

（1）警力巡視：在日常執勤中，基于地圖上的定位信息，系統自動檢測警力是否到崗，以短信或者報警的方式提醒和督促警員到達指定崗位位置進入執勤狀態。

（2）越崗提示：當警力超過管轄區域范圍時，會出現該區域崗位空缺的現象。此時，系統會自動發出警告信息提醒執勤人員和值班人員，防止警力部署失控現象出現。

（3）到崗統計：系統根據地圖上的定位信息，自動檢測管轄范圍內各崗位警員的到崗情況，以統計執勤實到崗位人數。

6 結束語

實時、精準的位置信息為可視化調度提供重要的基礎數據來源，對公安的日常工作發揮著重要作用。寬窄融合下的全域定位方案可為公安用戶提供室內室外全場景定位，并可通過寬窄雙通道進行位置信息回傳，調度中心可實時查看警力分布情況，實現日常接處警、重大安保時的準確、高效調度，滿足公安用戶業務場景中的實戰需求。