基于宽窄融合下的全域定位技术分析

童舟城，徐玲燕，王艳艳

（1.温岭市公安局，台州 318000；2.海能达通信股份有限公司，深圳 518057）

1 定位技术应用广泛

随着科技水平的进步和用户对位置服务需求的日益增长，定位技术在全球各领域和行业已得到广泛应用。例如，在户外，用户通过手机导航或车内导航查找目的地并规划行走路线；在机场，旅客通过定位和导航可快速查找登机口和值机柜台；在大型商场，顾客通过定位可查找商家、车辆停放位置和一键共享位置信息等。

根据使用场景的不同，定位分为室外定位和室内定位两大类。在室外，主要使用GNSS（Global Navigation Satellite System）定位技术满足用户在室外场景中的位置服务需求。在室内，由于GNSS 本身技术的限制，无法实现室内定位，目前常用的是基于WLAN、蓝牙、UWB 等无线定位技术形成的一套室内定位解决方案。

2 公安现状与分析

在公安用户的业务场景中，定位是基本需求，为可视化调度提供基础的位置数据，对公安的日常工作发挥着重要作用。当前公安的现状是主要使用GNSS 进行定位，定位上线率偏低。首先，因为警员在室内或关键建筑物（高铁站、地铁站、体育馆、大型商场等）内巡逻和执勤的情况越来越多，GNSS无法实现室内定位，导致指挥中心无法获取警员的定位信息。其次，因为公安窄带系统的容量有限，在大话务量场景中，语音业务会抢占定位的信道资源，导致定位信息上传失效或失败。

针对当前现状，我国公安用户对定位的需求如下：

（1）全场景定位：不仅需要快速获取室外执勤警员的定位信息，也需快速获取室内执勤警员的定位信息，为可视化调度提供有效的数据支撑。

（2）安全保密性：终端获取的定位信息来源需要绝对安全，定位信息的计算和存储过程，需要在公安允许的安全网络（公安移动信息网、视频专网等）范围内完成，或符合我国国家安全规范，保证与互联网的物理隔离。

（3）数据上传实时性：在安全获取定位信息的前提下，要保证定位信息的快速、实时上传。在窄带通道无法回传定位信息时，需有备份管道，如公网专用（专网VPN）通道。

（4）高精度：在符合公共安全信息通信规范前提下，采用卫星、Wi-Fi、基站等多种方式混合定位，精确计算和校准位置信息。同时支持快速定位，满足警员快速移动的定位需求。

宽窄融合下的全域定位方案可充分满足公安定位服务的以上需求，该方案使用GNSS 实现室外环境的快速、精准定位，在GNSS 信号弱或无信号的室内环境使用基站、Wi-Fi、蓝牙或UWB（超带宽）等无线定位技术进行定位，实现室内室外定位全覆盖。通过在公安允许的安全网络内部署私有定位服务，保证定位信息的保密性、安全性。同时，该方案还具备宽窄双通道数据传输机制，保证定位信息的实时上传，为可视化调度提供充分的定位基础信息，提高指挥调度的可靠性。

图1 室内室外全场景覆盖

3 全域定位技术分析

全域定位技术是指实现全时域（全天候、实时）、全空域（室内、室外无缝覆盖）的定位技术，按其空域性质，可分为室外GNSS技术及室内无线定位技术。

3.1 GNSS

GNSS（Global Navigation Satellite System），全球导航卫星系统。GNSS 是多系统、多层面、多模式的复杂组合系统，也是目前使用最为广泛、最受用户欢迎的室外定位系统，具有精度高、速度快、使用成本低的特点；GNSS 全球系统主要有GPS，GLONASS，BDS，Galileo；区域系统有印度的IRNSS、日本的QZSS 等；增强系统有美国的WAAS，日本的MSAS、欧盟的EGNOS、印度的GAGAN、尼日尼亚的NIG-GOMSAT-1等。

GPS 全球定位系统，是美国研发的卫星定位系统，由24颗卫星组成，使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，其民用领域开放的精度约为10米；到1994年，卫星星座己布设完成。

GLONASS 全球导航卫星系统，是前苏联开始、俄罗斯继承建设、与GPS 相抗衡的卫星导航系统；GLONASS 系统由24颗卫星组成，采用FDMA 技术，有更强的抗干扰能力；到2009年，其服务范围已经拓展到全球，精度在10米左右。

BDS 北斗卫星导航系统，是中国自主建设运行的全球卫星导航系统，2020年，将建成北斗三号系统，向全球提供服务；北斗系统包含30颗卫星，继承有源服务和无源服务两种技术体制，其全球定位精度优于10米，亚太地区定位精度优于5米。

Galileo 伽利略卫星导航系统，是欧洲于1999年初正式推出的旨在独立于GPS 和GLONASS 的全球卫星导航系统，伽利略系统由30颗卫星组成，主要为民用，公开服务定位精度通常为15-20米和5-10米两档。

3.2 室内定位技术

GNSS 系统在室外环境下拥有较高的定位精度，但在室内环境下，由于GNSS 信号受到遮挡，会导致无法定位；在室内环境下，随着无线通信技术的发展，新兴的无线定位技术，如Wi-Fi、蓝牙、UWB 等得到了广泛的应用，其中以Wi-Fi 作为基础定位设施的Wi-Fi 定位已经被广泛地使用在家庭、旅馆、咖啡馆、机场、商场等各类大型或小型建筑物内。

通常Wi-Fi 定位系统由接入点（AP）、定位标签/读卡器、定位服务器组成，其中定位服务器上部署了定位算法和Wi-Fi 数据库，Wi-Fi 数据库包含了MAC 地址、SSID、位置指纹数据库等信息。Wi-Fi 定位系统有两种实现方式：

一种方式为电子标签周期性向AP 发出信号，AP 接收到信号后，传送到后端定位服务器，通过三边定位法，即可在相应电子地图上显示电子标签的具体位置；另一种方式为读卡器接收周围AP 发出的周期性信号，并将接收到的信号传送到后端定位服务器，通过位置指纹法或三边定位法即可在相应电子地图上显示电子标签的具体位置。

无线定位技术的测距算法主要有：RSSI 接收信号强度指示；TOA 到达时间；TDOA 到达时间差；AOA 到达角等。

无线技术常用的定位方法主要有：

（1）三边定位法：通过RSSI 能够确定读卡器到AP 的距离，分别以已知位置的3个AP 为圆心，以读卡器到其的距离为半径作圆，所得的3个圆的交点即为读卡器的位置。

图2 三边定位法

（2）位置指纹法：“位置指纹”把实际环境中的位置和某种“指纹”联系起来，一个位置对应一个独特的指纹。位置指纹法的操作核心，实际上是通过获取到的信息值（RSSI）与先前建立的信息库进行匹配，最终确定待测点的定位结果。位置指纹的工作过程主要分为离线采集和定位两个阶段：离线采集阶段的主要工作是通过采集定位区域内定位信号的RSSI 建立指纹数据库；定位阶段的主要工作是将移动端在待测点采集到的定位信号特征与指纹库中的数据进行匹配，得出待测点所在的位置信息，其中，位置信息可以是二维坐标，也可以是地理信息。

3.3 室内融合定位

NLP（Network Location Provider），网络定位服务，网络定位是将手机设备收到的信号（主要是基站、Wi-Fi、蓝牙）发送到网络服务器，通过计算或比对获得位置信息。首先，需要建立每个位置的指纹—这是一个庞大且持续更新的数据。在定位时，实时指纹比对每个位置的历史指纹，确定位置。

警用多模终端NLP 方案，以第三方APK 方式集成于系统底层，向Android 系统提供网络定位服务，包含基站定位、Wi-Fi定位等，适用于室内、室外多种定位场景，支持全球定位，具有精度高、覆盖广、流量小、速度快等优点；结合GNSS 定位服务，为客户提供室内外无缝时域、空域位置服务。

图3 室内融合定位

3.4 公安内网融合定位

公安等特殊行业，其终端不允许接入公网，只能使用专用网络，普通NLP 方案无法直接使用，需要进行私有化部署。NLP私有化部署方案，可以将定位算法库，Wi-Fi 库，电磁信号库等在本地进行私有化部署，私有网络定位服务器与特定公有网络定位服务器之间会进行定期的更新，公有网络定位服务器将保障私有网络定位服务器定位库的更新和迭代。

图4 公安内网融合定位

NLP 私有化部署方案使用了通用的算法引擎，可以融合Wi-Fi，蓝牙，基站等各种信号源，在不同场景下，使用不同的算法，实现室内外无缝切换：采用了序贯学习算法，可以并行学习海量的接入Wi-Fi 等数据；快速的学习算法，大大提高了数据库的更新响应；优越的移动Wi-Fi 剔除算法，进一步提高了Wi-Fi 数据库的可靠性；通过信号建模和指纹AI 匹配定位算法的融合，提供最高精度服务；基于多种空间信号融合、支持室内外定位无缝对接的定位技术，能够达到响应速度更快、功耗更低、定位精度更高的定位效果。

警用多模终端产品，通过GNSS 定位服务结合NLP 私有化部署方案，能够为专用客户提供安全、实时、全天候的无缝时域、空域位置服务。

图5 定位数据实时上传

4 定位数据实时上传分析

警用多模终端，在室外可以通过GNSS 天线接收GPS、GLONASS、BD、Galileo、SBAS、QZSS 等GNSS 信 号，联 合通过公网系统向XTRA 服务器请求的A-GNSS 数据，实现快速、精准定位；在室内可以利用终端的Wi-Fi、蓝牙、基站及集成的NLP，结合各种传感器，通过公网（专用网）与公网（专用网）NLP 服务器交互，获得精准的室内位置信息；室内室外信号可以通过Kalman 滤波的方法实现无缝结合，实现室内外融合定位，最终将获取到的精确位置信息给终端应用或开启RoIP 功能（优先使用公网传输数据信息）通过公网（专用网）给传输到调度平台应用；终端窄带部分向宽带部分发送定位请求，宽带经过同样的定位过程后将位置信息（GNSS 定位时的经纬度、速度、高度、时间等；NLP 定位时的经纬度）给到窄带平台，窄带平台通过专网将位置信息传送到调度平台以实现调度应用。

图6 可视化调度框图

5 应用分析

使用宽窄融合下的全域定位方案，既可实现室内室外定位全覆盖又能满足定位数据的实时上传，满足公安全场景定位、安全保密性和数据上传实时性等需求，为可视化调度提供充分的定位基础信息，提高指挥调度的可靠性。具体可应用的场景包括日常接处警可视化调度、重大安保任务调度和警员勤务督察等。

5.1 日常接处警可视化调度

（1）自动推荐调配警力：日常接处警时，指挥调度平台可基于警力分布情况并结合各分局或市局派警准则，为接警员推荐最佳的处警力量。接警员在指挥调度平台上一键派警和呼叫警力，调派警员前往警情发生地处理警情并反馈事件处理进展。

（2）警力监控和跟踪：警力出警过程中，需对其进行实时跟踪，可基于定位地图，实时一键音视频呼叫警员，及时关注警员出警状态，并可将其出警的活动轨迹进行保存，为后续优化出警路线以及更合理调派警力提供分析数据。

5.2 重大安保任务调度

（1）动态圈选：若在安保任务进行时发现可疑人员或者扰乱人员，指挥中心可通过在定位地图上圈选警情发生地的周边警力或获取固定点警力等方式选中警力，自动构建呼叫组，实现对选中警力的集中调度。

（2）一键调度：基于终端实时回传的定位信息实现定位地图可视化，安保指挥员可一键发起移动终端的视频回传操作，随时掌握现场情况，提高现场感知能力。

（3）路线偏离预警：在重要人的安保过程中，引导车或者警卫人员因某种原因偏离或者脱离原设置好的行进路线时，系统会发出警报，提醒警卫人员和指挥人员关注；指挥人员可根据警卫人员的运动轨迹进行实时指挥调度，并对其周边安保警员发出指令，查清原因。

5.3 警员勤务督察

（1）警力巡视：在日常执勤中，基于地图上的定位信息，系统自动检测警力是否到岗，以短信或者报警的方式提醒和督促警员到达指定岗位位置进入执勤状态。

（2）越岗提示：当警力超过管辖区域范围时，会出现该区域岗位空缺的现象。此时，系统会自动发出警告信息提醒执勤人员和值班人员，防止警力部署失控现象出现。

（3）到岗统计：系统根据地图上的定位信息，自动检测管辖范围内各岗位警员的到岗情况，以统计执勤实到岗位人数。

6 结束语

实时、精准的位置信息为可视化调度提供重要的基础数据来源，对公安的日常工作发挥着重要作用。宽窄融合下的全域定位方案可为公安用户提供室内室外全场景定位，并可通过宽窄双通道进行位置信息回传，调度中心可实时查看警力分布情况，实现日常接处警、重大安保时的准确、高效调度，满足公安用户业务场景中的实战需求。