機場復雜區域融合定位的應用研究

朱 穎，徐 萌，鄭 磊，王亞惠

（中國聯合網絡通信集團有限公司 上海分公司，上海 200082）

0 引 言

機場隸屬于交通行業，運營的主要任務是通過物理感知實現監控、指引，保障人、車、航空器的有序移動。基于5G定位技術，通過對現有網絡基站進行設備安裝和軟件升級即可提供米級定位服務，在個別精細化管理場景可以結合藍牙、超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）等定位終端設備，實現機場復雜區域高精度定位服務[1]。基于復雜區域下的融合定位解決方案，可以實現對機場區域內無動力設備和有動力設備的精確定位，通過可視化呈現，便于統一管理。

1 關鍵技術

1.1 地理信息技術

地理信息系統（Geographic Information Systems，GIS）是一種重要的空間信息系統，該系統通過計算機采集地球表層中的一些數據，這些數據包含地理分布信息，采集完數據后進行數據的存儲與管理，然后再通過相關運算加以處理并提供結果，最終實現結果的呈現。地理空間的實體數據信息和數據間的關系是該系統的主要治理對象，包括空間定位數據、圖形數據、遙感影像數據、屬性數據等[2]。地理信息系統包含了眾多互相關聯的子系統，例如數據采集子系統、管理子系統、分析子系統等。地理信息系統將空間數據通過編碼為其賦予標準格式的地理坐標，實現了從定位、定性、定量等多個角度描述，這是地理信息系統有別于其他同質系統的根本所在。

1.2 定位技術

1.2.1 藍牙定位技術

2019年初，藍牙技術大聯盟宣布藍牙5.1引入了新的“尋向”功能，可以識別藍牙信號方向，結束了以往通過接收信號強度（Received Signal Strength Indicator，RSSI）的方式提供低精度指紋定位，大幅提高藍牙定位的精確度，提供更好的位置服務[3]。

依據定位終端不同的上下行模式，藍牙高精度定位使用到達角（Angle Of Arrival，AOA)進行定位。藍牙定位系統主要由定位終端、定位標簽、定位基站、定位引擎以及后臺服務器組成，其中定位終端包括定制設備、日常使用的手機或平板等兼容5.1協議的設備，其定位部署情況如圖1所示。

圖1 藍牙定位部署情況

在定位終端中安裝藍牙定位軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK），定位基站采集終端位置信息并上報至藍牙網關，藍牙網關負責對位置數據收集并回傳至后臺服務器，由后臺服務器部署的定位引擎進行位置信息解算。

藍牙定位原理如圖2所示。

圖2 藍牙定位原理

AOA方法采用單天線發射測向信號，天線陣列內置在接收端設備中。當環境中檢測到信號時，陣列中接收到的距離不同，從而產生相位差，最終計算出信號的相對方向[4]。

1.2.2 Wi-Fi定位技術

Wi-Fi技術組成的定位系統可以在復雜環境中實現定位、追蹤，通過采集無線接入點的位置信息，再結合信號傳播模型計算信號強度，最終確定該環境下設備的位置，精度在1～20 m[5]。如果僅依據所連接的接入點進行位置估算，沒有參照周邊無線接入信號時會出現誤差。Wi-Fi信號覆蓋面積半徑在90 m左右，且易受周邊信號的干擾。此外，該定位系統中的定位器的能耗也相對較高，其定位原理如圖3所示。

圖3 Wi-Fi 定位技術原理

該定位系統中每個無線接入點的物理地址（Media Access Control Address，MAC）具備全球唯一性，并且MAC地址在一段時間內是固定的。當設備開啟Wi-Fi時，可以開始掃描無線接入點（Access Point，AP）并采集周圍AP信號。即使周邊信號是加密的或信號強度很弱，也不妨礙通過廣播獲取AP的MAC地址。定位設備將AP的信息發至定位服務器，由定位服務器獲取該AP的位置，通過定位引擎再結合信號的強弱信息計算出定位設備位置。

1.2.3 UWB定位技術

UWB技術是近年來新興的無線通信技術，相比傳統通信技術存在較大差異。其不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或微微秒級的極窄脈沖來傳輸數據，具有3.1～10.6 GHz量級的帶寬[6]。超寬帶定位采用超寬帶脈沖通信技術，抗干擾能力強，還具有高傳輸速率、低發射功率、強穿透力、對信道衰落不敏感以及低功率譜密度等優點，在室內定位領域有較高的定位精度。

（1）TOA算法。基于到達時間的（Time of Arrival，TOA）定位算法主要是通過獲取UWB信號精確的飛行時間來計算距離，然后再利用三邊定位算法估算位置。基于TOA的三邊定位原理如圖4所示。

圖4 基于TOA的三邊定位原理

（2）TDOA算法。基于到達時間差（Time Difference Of Arrival，TDOA）的定位方法主要利用數學上的雙曲線特性，需要定位基站之間的時間同步。當各定位基站時間同步時，待定位目標發出信號，該信號在經過一段飛行時間后到達定位基站。通過信號到達各基站的時間差可以獲得距離差，再以兩個基站的位置為焦點建立雙曲線模型，在已經獲取兩組時間差時便可以建立兩個雙曲線方程組，最終通過求解方程組便可以估算出目標的位置[7]。

1.2.4 5G定位技術

5G定位技術主要分為基站估算定位和基于測量時間的定位算法。

（1）基站估算定位算法。基站估算定位通過被定位目標所在5G小區的位置信息粗略估計被定位目標的位置。在定位過程中，通過尋呼等方法確定被定位目標所在的小區ID，進一步得到小區的位置信息，從而得到被定位目標的粗略位置。

（2）基于測量時間的定位算法。被定位目標接收到來自不同基站的下行定位參考信號后，將其與時域或頻域中本地生成的已知定位參考信號序列進行相關，尋找第一到達路徑來估計到達時間，計算不同基站的到達時間與參考基站的到達時間差，并采用適當的位置求解算法給出被定位目標的位置信息[8,9]。

1.2.5 北斗定位技術

北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國自行設計的全球衛星導航系統，也是繼全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、全球衛星導航系統 (Global Navigation Satellite System，GLONASS）之后的第3個成熟的衛星導航系統。由地面站向衛星I和衛星II同時發送詢問信號，經衛星轉發器向服務區內的用戶機廣播。用戶機響應其中一顆衛星的詢問信號，并同時向兩顆衛星發送響應信號，經衛星轉發回地面站。地面站接收并解調用戶發來的信號，然后根據用戶的申請服務內容進行相應的數據處理。

1.3 融合定位引擎

融合定位引擎通過搭載Wi-Fi 定位引擎、藍牙定位引擎、UWB定位引擎、5G定位引擎、北斗定位引擎以及廣播式自動相關監視系統（Automation Dependent Surveillance -Broadcast，ADS-B）定位引擎等實現針對多種移動設備終端的定位，通過實時獲取多源信號，由融合定位引擎計算出精確位置。通過對不同定位引擎計算出的定位數據精度的比對，選取最優定位精度。此外，根據環境區分擇優調取不同的定位引擎，計算出最優定位數據結果。在計算車輛位置數據時，通過調用慣性傳感器、陀螺儀等移動設備自帶傳感器，實現對定位結果的優化。當部分區域出現強信號干擾現象時，高精度綜合定位系統可以通過慣性導航、補償算法等方式實現在強信號干擾情況下的位置數據推算。

2 位置信息服務

2.1 位置數據處理

定位引擎主要采用三角定位算法和指紋定位算法進行位置信息計算。三角定位算法通過獲取到達定位終端的信號強度或時間計算距離，再由三邊距離信息計算定位終端的位置。指紋定位算法通過對目標定位區域完成定位基站信號覆蓋后，結合定位基站在區域內每個位置點的信號強度數據獲取指紋信息，然后生成指紋數據庫用于指紋匹配和定位。

當位置信息計算完成后，定位數據將存儲于數據服務器。定位服務器和數據服務器可置于同一臺物理服務器（雙機冗余系統）上，也可分別置于兩臺物理服務器（均為雙機冗余），以提高系統可靠性。數據服務器存放預先采集到的指紋數據，并為位置服務器提供訪問接口。為了提高并發訪問處理能力，數據庫服務將提供數據訪問緩沖池。

2.2 位置數據展示

系統可結合地圖服務實時展示位置信息，提供定位設備的使用頻次、區域密度、電子圍欄、歷史軌跡、停留時長以及定位終端類型等多種數據。

2.3 位置存儲服務

調用藍牙、Wi-Fi、5G定位終端等外部位置信息并接入本系統，通過數據融合實現位置數據集中存儲和統一分發共享。

2.4 位置共享服務

系統提供統一的開放式接口對接，為機場相關系統提供位置數據信息以實現共享位置服務。用戶權限認證模塊是進入系統的關鍵，包括用戶身份認證、訪問權限管理等功能。返回信息包含用戶標識、時間戳、X坐標、Y坐標、樓宇號以及樓層標識，坐標體系可以根據業務系統需要轉換成經緯度坐標。位置共享服務支持微信生態下的實時定位、路徑繪制以及導航服務，并提供給相應的應用程序編程接口（Application Programming Interface，API）支持。基于IOS/安卓平臺提供定位SDK，封裝定位相關服務，供應用程序開發使用。定位SDK提供位置服務能力，供旅客定位導航、員工智能巡檢、資產管理預警等業務擴展系統綜合查詢。后臺統計記錄定位日志，可以計算出定位錯誤或定位失敗等異常統計數據，支持對所有定位數據調用的綜合查詢和統計，可以按照用戶、地點、頻次等多維度統計平臺的使用情況。

3 結 論

隨著國民經濟建設和中國民航事業的快速發展，機場內設備需求逐年遞增。機場設備數量、種類繁多，隨著企業數字化轉型繼續推進，對于設備的定位、可視化管理需求逐漸增加。通過對多種定位技術的分析，針對機場復雜環境提出了融合定位技術，為機場復雜環境下的設備精準定位與可視化管理提出了可行性解決方案，助力機場數字化轉型。