室内定位技术在船舶上的应用研究及方案设计

周锦标，赵乾宏，余 坤，张建飞，丁 广

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

室内定位技术在船舶上的应用研究及方案设计

周锦标，赵乾宏，余 坤，张建飞，丁 广

(中国卫星海上测控部，江苏 江阴 214431)

为了满足远洋大型船舶对人员和物品进行方便、快捷和高效管理的需求，利用无线定位技术构建一种适用于大型船舶的室内实时定位系统。在简要介绍人员定位基本原理的基础上，通过分析比对当前常用的无线定位技术的优缺点，针对船舶复杂环境的室内定位需求，给出了基于ZigBee技术和基于RSSI测距定位算法的船舶室内定位系统初步设计方案。该设计方案实现了对船舶人员或物品地理位置的实时精确测定和管理。

人员定位；紫蜂；蓝牙；射频识别

0 引 言

基于卫星通信的全球定位系统GPS以良好的定位精度解决了军事和民用的很多室外定位的实际问题[1]。但是，对于室内空间的定位，由于信号的屏蔽，其定位精度就明显下降，甚至无法工作。

研究新的室内定位系统，对某一个人或物品在某一时间所处的室内地理位置进行精确测定，以便为用户提供相关的位置信息服务，或进行实时的监测和跟踪，在军用、民用和商用领域具有现实的重要意义。目前室内定位技术及其服务主要应用于：公共安全，如紧急救援；报警信息发布，跟踪业务，如犯罪嫌疑人的跟踪，走失老人和儿童的寻找，车辆的防盗报警，交通监控；基于位置的信息业务等。

船舶由于其工作环境特殊，用常规手段进行人员定位比较困难，建立一套有效的船仓室内人员定位系统对提高船员的考勤管理、访客的监控管理和遇险应急救援具有重要意义。

1 室内定位技术

室内定位技术目前主要分为基于无线通信系统实现人员的定位与管理以及其他定位技术，例如红外线室内定位技术、超声波室内定位技术、计算机视觉定位技术、磁场定位技术、惯导定位技术等。其中，基于无线通信系统的定位技术应用极为普遍。目前常用的无线定位技术主要有以下几种：蓝牙技术、Wi-Fi技术、超宽带技术、RFID技术和Zigbee技术[2]。它们基本上覆盖了目前的应用需求，在各自的领域发挥着巨大的作用。

1.1 蓝牙室内定位技术

蓝牙室内定位技术是利用在室内安装的若干个蓝牙局域网接入点，使该网络工作于基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网（piconet）的主设备，然后通过测量信号强度对新加入的盲节点进行三角定位。

蓝牙室内定位的优点是：设备体积小、低功耗，容易集成在手机等移动设备中；蓝牙传输不受视距的影响。缺点是：对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大，而且蓝牙器件和设备的价格比较昂贵。

蓝牙技术主要应用于小范围定位，例如单层大厅或仓库[3]。

1.2 Wi-Fi室内定位技术

Wi-Fi定位技术有2种：一种是通过移动设备和3个无线网络接入点的无线信号强度，通过差分算法，来比较精准地对人和车辆的进行三角定位；另一种是事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过用拥有巨量数据的数据库对新加入的设备的信号强度进行对比，来确定位置。

Wi-Fi定位技术优点是：总精度较高，硬件成本低，传输速率高；可应用于实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务。缺点是：传输距离较短，功耗较高，一般是星型拓扑结构。

Wi-Fi定位适用于对人或者车的定位导航，可用于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。

1.3 射频识别室内定位技术

射频识别（RFID）室内定位技术利用射频方式，固定天线把无线电信号调成电磁场，附着于物品的标签经过磁场后生成感应电流把数据传送出去，以双向通信方式进行数据交换，以达到识别和三角定位的目的。

射频识别室内定位的优点是：作用距离很近，但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息。缺点是：不具有通信能力，抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中，且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。

射频识别室内定位已经被仓库、工厂、商场广泛使用在货物、商品流转定位上。感应门禁卡和商场防盗系统用的就是这种技术。

1.4 Zigbee室内定位技术

工业控制、环境监测、智能家居控制等应用领域已经在广泛使用Zigbee模块构建传感器网络。而Zigbee技术的低功耗、低成本、高可靠的特点也为构建室内定位系统提供了很好的方案[4]。

Zigbee室内定位技术通过若干待测节点和参考节点与网关之间形成组网，网络中的待测节点发出广播信息，并从各相邻的参考节点采集数据，选择信号最强的参考节点的X和Y坐标。然后，计算与参考节点相关的其他节点的坐标。最后，对定位引擎中的数据进行处理，并考虑距离最近参考节点的偏移值，从而获得待测节点在大型网络中的实际位置。

Zigbee室内定位技术优点是：功耗低、成本较低、延时短、高容量以及高安全，传输距离较长；可支持网状拓扑，树状拓扑和星型拓扑结构，组网灵活，可实现多跳传输。缺点是：传输速率低，定位精度对算法要求较高。

1.5 超宽带室内定位技术

超宽带（UWB）定位技术是一种全新的、与传统通信定位技术有极大差异的新技术。它利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通信，并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。

超宽带定位技术的优点是：具有GHz量级的带宽，定位精度高；穿透力强，抗多径效果好、安全性高。缺点是：由于新加入的盲节点需要主动通信，导致功耗较高，同时该系统成本高。

超宽带技术可用于雷达探测，同时应用于各个领域的室内精确定位和导航。

1.6 分析与比较

基于无线通信系统的室内定位技术的对比如表1所示。

从不同的室内定位技术对比来看，经过成本以及传输距离的考虑，Zigbee技术以及WiFi技术较为合适。而针对船舶室内复杂环境对定位的要求，Zigbee技术相对WiFi来说功耗更低以及有着更丰富的组网方式，同时传输速率亦能满足基本需求。

2 定位算法选择

根据定位手段的不同，目前绝大多数的定位算法可分为两大类：基于测距的定位和无需测距的定位）。基于测距的定位是通过测量节点间的相互距离或方位信息，进而通过相应方法进行计算，得到相关节点的位置坐标；无需测距的定位则不需要测量距离或方位信息，而是根据网络的连通性等信息实现节点定位。

表 1 基于无线通信系统的室内定位技术特性比对表Tab. 1 Comparing chart of indoor positioning technique characteristic according to wireless communication system

2.1 基于测距技术的节点定位算法

测量节点间距离或方位时常用的方法有基于到达时间（TOA）、基于到达时间差（TDOA）、基于到达角度（AOA）和基于接收信号强度指示（RSSI）的方法。

在TOA（Time of Arrival）定位中，己知信号在网络中的传播速度，根据信号在节点间的传播时间来得到节点间的距离，然后利用已有的算法计算出相应节点的位置坐标[5]。

TDOA（Time Difference of Arrival）是根据同一节点发送2个不同信号的到达时间差来测距的，在时钟同步的条件下，同时发射2种信号，由锚节点计算出收到2种信号到达的时间差，计算出网络节点到邻居锚节点的距离信息，然后利用三角定位方法进行定位。

AOA（Angle of Arrival）是通过角度测量节点距离的，在该技术中，未知节点通过天线阵列或者其他接收设备获取参考节点无线信号到达方向，计算节点间的相对方向角，然后利用三角测量法计算未知节点的位置信息[6]。

2.2 基于非测距技术的定位算法

质心（Centroid）算法：传感器网络中包含参考节点和普通节点。参考节点的位置或坐标都已知为（Xi，Yi），普通节点利用接收到的参考节点的位置或坐标来估算自己的位置或坐标。

APIT算法的基本思想是：未知节点通过锚节点的通信传播过程，获得所有邻居锚节点的信息，若未知节点的邻居锚节点数目为n，则每次从n个锚节点中取3个作为一组，判断该节点是否包含在以该3个锚节点为顶点的三角形中，穷尽所有组合。对所有包含该未知节点的三角形进行区域重合，求出该重合区域的执行位置，即得到该节点的位置信息。

DV-HOP算法的基本过程是网络中的未知节点通过距离矢量交换协议过得距离锚节点的跳数，然后由锚节点计算网络平均每跳距离，并广播至网络中，未知节点接收到锚节点发送的校正值后，计算到锚节点的距离，该距离就等于网络平均每跳距离与未知节点到锚节点跳数相乘，然后利用三角测量法对未知节点进行定位[7]。

基于非测距技术的定位算法不需要测量节点的相互距离或角度，对节点的硬件要求相对较低，但定位的误差也相应的有所增大。

2.3 分析与比较

在各类定位算法中，基于测距技术的定位算法相对于非测距技术算法定位精度更高。如表2所示，基于测距技术的定位算法中的RSSI算法相对TODA和AOA算法虽然精度略低，但是通常情况下传感器节点配置的无线信号收发器，能够发射和接收无线信号，且传感器节点在设计的时候就具备测量RSSI值的能力，可以非常容易获取测距所需要的RSSI值参数，因此RSSI测距法无需额外的硬件支持，是一种低成本、低能耗且易于实现的测距方法，更适用于室内定位[8]。

表 2 室内定位算术特性比对表Tab. 2 Comparing chart of indoor positioning arithmetic characteristic

通过以上比较可知，对于船舶内人员分布密集以及无线通信范围小的室内环境，为达到精度以及控制成本的要求，采用测距技术算法中基于RSSI值算法更为合适。

3 船舶人员定位系统设计与实现

3.1 船舶人员定位系统硬件架构

系统硬件架构如图1所示，主要由微基站、定位终端标签、定位服务器、管理服务器及管理客户端几部分组成。

定位终端标签用于录入相关人员信息，作为唯一标识，以一定频率发送数据至微基站。微基站用于搜集定位标签或定位终端上报信息，判断标签位置，同时将数据转发至定位服务器。定位服务器用于搜集微基站上报相关数据并进行分析处理，计算出定位标签或终端的实时坐标。管理服务器对系统各设备状态进行监控和管理，同时提供位置信息的存储、查询。管理客户端还可以提供定位标签、终端实时位置的三维显示，以及相关区域数据统计。

3.2 船舶人员定位系统原理

船舶人员定位系统基于Zigbee技术设计，通过在室内安装定位微基站设备，采集定位标签及终端上报的数据信息转发至定位服务器，服务器通过定位标签及终端信号强度（RSSI）值，判断标签及终端与定位微基站距离，再通过三角测量计算出标签及终端实时坐标。其系统原理如图2所示。

3.3 船舶人员定位实现流程

船舶人员定位主要经过4个流程：定位信息预处理、定位运算、位置值后处理、位置值存储管理。其流程如图3所示。

在图3中，定位服务器接收到由微基站设备转发的定位信息后，首先滤除不可用的定位信息，然后对经过预处理的有效定位信息，进行字段处理，提取出与定位相关的时间片、RSSI、LQI等数据，送至单点运算器进行运算处理；通过单点的距离运算，得到定位终端距离微基站设备的相对距离，送至多点相对位置运算器进行处理；多点相对位置运算器根据距离数据，计算出定位终端距离单个微基站设备的相对坐标，即校正后的距离数据以及角度数据，该坐标数据被送到3D坐标转换进行坐标处理；经过3D坐标转换后，可以得到移动坐标在楼层的具体平面坐标数据；3D坐标值将被存储，用于后续位置服务管理模块进行管理调用。

3.4 船舶人员定位系统功能

船舶人员定位系统可实现的应用功能主要有三维定位、考勤管理、访客管理、应急救援及查询管理等。

三维显示功能可以用三维显示的直观方式展现船舶的外形，同时将系统各设备，人员的位置在三维图形中以不同的方式进行标示，同时以平面显示每层的结构布局，当人员或设备在楼内被定位时，监控屏幕就会有一个对应的点标示，实时动态显示到相应的图示位置。三维显示功能示例图如图4所示。

考勤管理功能可以根据人员的位置数据以及设定考勤管理的条件，自动进行人员的出勤统计，形成考勤的各项报表，以表格的形式导出。

当外来人员来访时，访客管理功能可以通过身份证读取来访人员信息，与来访定位终端关联，同时设定管理信息，如来访限制时间、限制区域等，系统将对来访人员进行管理，当人员进入限制区域时，系统将给与提示。

应急救援功能是在紧急情况下，系统能知道每一个被救援人员精准位置，以便能快速、高效完成救援任务。同时，当人员遭遇危险时，能主动发送告警，系统将给与警示并且显示该人员实时位置。

查询管理功能是利用系统内存储的人员、设备识别以及位置信息，通过友好的人机界面对这些信息进行查询。而且，对于历史信息，可以通过输入时间的方式，查询其历史数据，回放历史的运动轨迹等。

4 结 语

本文分析了当前几种常用的室内无线定位技术，对基于Zigbee技术的船舶人员管理定位系统进行了设计。目前该设计方案在某船已经工程实现。经测试，该系统运行稳定，定位精度高，可以实现对船舶人员的实时管理和追踪，不仅为船舶事故的及时处理、事后分析及援救工作提供重要依据，而且提高了船舶人员管理水平和安全性。

[1]刘基余, GPS卫星导航定位原理与方法[M]. 北京: 科学出版社, 2002.

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Research and project design on technology of indoor positioning on ship

ZHOU Jin-biao, ZHAO Qian-hong, YU Kun, ZHANG Jian-fei, DING Guang
(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department, Jiangyin 214431, China)

For satisfying the deep-sea and large ships to manage the personnel and product conveniently, rapidly and efficiently, it is applicable to set up a kind of indoor real-time positioning system for the large ships using the wireless positioning technique. This paper introduces the theory of person location technology. By comparing the advantages and disadvantages of current and common wireless location technology, and considering the positioning needs of the ship complex environment, select the ZigBee technology and RSSI ranging-positioning algorithm for initial designing real-time wireless positioning system on ship. The design project can carry out accurate and real-time raging geography position and managment of the personnel or the product on ship.

person location；ZigBee；Bluetooth；RFID

signal strength indicator）算法是由未知节点发射无线信号，由接收节点测量接收到的无线信号强度，通过信号强度，得出节点之间的距离后根据三角测量法或其他算法求解节点坐标未知信息。可计算出传播过程中的损耗，再利用已知的理论或经验的信号传播衰减模型计算出节点之间的距离。

TN966

A

1672 – 7649(2017)08 – 0176 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.037

2016 – 08 – 19；

2016 – 11 – 27

周锦标(1966 – )，男，高级工程师，研究方向为海上航天测控总体。