信标定位技术在舰船内的应用研究*

李贤明 胡 垚 周 关

（中国船舶集团有限公司第七二二研究所 武汉 430205）

1 引言

定位技术一直与我们的生活密不可分，比如最常见的车辆导航。根据使用场景，定位技术分为室内定位和室外定位。室外定位主要依靠GPS，北斗，glonass等全球卫星定位导航系统。室内定位技术主要是RFID、蓝牙、Zigbee、Wifi、UWB等无线技术。本文重点介绍一种适合舰船环境的信标定位技术。

舰船环境不同于普通室内环境，采用全金属的舰体结构且舱室结构布局复杂，对无线信号传输的屏蔽遮挡严重，而传统的室内定位技术，无论是基于信号场强、信噪比的（如：Zigbee、Wifi定位）还是基于信号到达时间的（如：UWB）定位，或是基于信号传输角度的（AOA）定位均需要至少三个定位参考基点，也即常见的三点（或三角）定位，也就是被定位目标在任意位置发射的无线信号需能够被至少三个定位基点接收到，这样不仅使得需要部署的定位基点数量大增，同时对无线信号传输的质量和可靠性提出了更高的要求。采用信标定位技术，创新性的将无线信号的传输与定位功能分离，定位基站仅负责定位信息的传输而不参与定位，人员佩戴的定位胸卡或定位手机读取定位信标后经基站上传中心端从而实现定位，有效提高了定位精度和可靠性，同时大大降低了舰船内部无线网络敷设的难度。

2 传统三点定位实现原理

传统三点定位基于RSSII（信号场强指示）值，通过三角定位原理进行定位。如图1所示，A点发出信号，同时被B1、B2、B3收到，三角定位算法通过已知的三个坐标反推出A点的坐标。

图1 传统三点定位原理图

三点定位技术下，因业务属性与技术要求各异，定位与无线通信系统难以有效融合，例如对于基于场强定位的Zigbee技术，从无线通信的要求来讲，环境中任何位置能与一个基站可靠通信即可，而从定位的要求来看，则需要环境中任何位置能与三个基站可靠通信。

三点定位技术的实现需要部署大量的定位基站（定位参考点），这些定位基站均为有源设备，大量的有源设备散布在工程内部，除去造价与工程因素外，对系统的可靠性与维护工作也是不小的挑战。

3 信标定位技术实现原理

不同于三点定位，信标定位技术主要依赖固定布置的信标（位置参考点）周期性往外发射携带其自身编号的无线信号，定位终端在其附近区域经过时接收该信号，获得其编号及信号场强RSS信息并转发至定位服务器，定位服务器通过比对编号与信标位置的数据库、信号场强与位置的数据库获得其位置信息，查询终端则可通过网络访问定位服务器获得定位等信息，如图2所示。

图2 信标定标原理图

信标定位技术首先实现了定位功能与基站的传输分离。定位终端与定位信标配合实现定位功能，定位基站仅负责定位信息的传输而不参与定位，人员佩戴的定位胸卡或定位手机读取定位信标后采用802.15.4无线通信协议通过无线网络传输至基站，再由基站通过IP网络上传中心端定位服务器，系统中的基站与射频分布网络只负责定位信号的传输。

信标定位技术同时实现了定位精度按需部署。工程中可按照不同的定位精度要求，按需部署定位信标，例如通过每个战位部署一张信标或每个舱室部署一个信标可以实现定位到战位或定位到舱室的不同精度。做到定位精度与有源基站部署密度无关。

4 信标定位技术在舰船内的应用研究

4.1 应用需求

随着舰船设计排量越来越大，舱室设置越来复杂，驻舰人员越来越多，舰内找人难问题日益凸显。为了便于及时找到人、联系到人，首先必须解决人员定位问题。另外，为使人员位置信息融入到舰船日常管理的智能化、信息化过程中，需要实现重点战位、重点舱室等关键位置的高精度定位。

就定位系统自身建设与维护的复杂程度、系统的可靠性而言，舰船复杂的内部结构、金属的屏蔽环境使得信号的良好覆盖与系统复杂程度、系统维护难度等成为矛盾，部队需要一个结构简单、可靠性高、易维护的定位系统。

4.2 基于信标定位技术的系统架构

基于信标定位技术的系统架构主要由定位信标、定位终端、射频分布网络、基站和定位服务器构成，如图3所示。其中定位信标由舱内、舱外信标组成，信标的唯一性编码与其安装的位置在定位识别服务软件中相关联，定位终端通过读取、转发信标发射的唯一性编码至定位识别服务软件实现定位的功能。定位终端主要包含定位手机和定位胸卡，各终端以无线的方式与基站通信，定位手机兼具定位和通信功能（定位采用Zigbee（IEEE 802.15.4）技术，通信采用 Wifi（IEEE 802.11 b/g/n）技术），定位胸卡具备定位识别、运动探测和一键告警等功能。基站具有多路射频输出端口，射频信号输出至射频分布网络，射频分布网络由射频线缆、天线、定向耦合器与功分器组成，连接基站的射频输出端口，以实现无线信号的均匀覆盖。定位服务器安装有定位识别服务软件，实现对移动中的定位终端的定位、告警、统计等功能。

图3 基于信标定位技术的系统架构

4.3 信标定位技术在舰船内应用的优势

1）提高定位的可靠性同时降低系统设计和维护难度

采用信标定位技术摆脱了三点定位的束缚，通过与射频分布网络的结合，可以大幅减少基站的数量；信标定位基于信标的实际安装位置与其唯一性地址编码的对应关系，与信号强度、传输路径等无关，因此射频分布网络可以方便地根据现场各舱室与通道的大小、隔墙的材质等调整无线信号的均匀分布，有效减少无线信号穿墙的数量，从而保障无线信号的传输质量与可靠性；另一方面由于减少了网络中的有源设备，在降低工程造价、施工难度的同时，降低系统的维护难度。

2）实现了定位精度的按需部署

定位信标可以按照对通道、舱室、战位等定位精度的要求不同而按需部署，定位信标可根据舰船环境选择独立安装或安装于天线内，由电池供电或由射频分布网络集中供电，实现按需安装，移动方便，无需布线施工。如图4为大型舱室内部部署定位信标定位区域示意图，如图5为舱外甲板部署定位信标定位区域示意图。

如图4～5所示，定位信标的信号发射以覆盖被定位的区域为目的，没有组网通信的需求，因而可以以微功率发射，降低了舰船金属结构反射对定位精度的影响。

图4 大型舱室内部定位区域示意图

3）可实现与通信功能的兼容设计，扩展性好

无线通信与定位往往采用二种不同的通信技术体制，由于使用了不同的技术体制，系统组网则需要两张网。由于信标定位技术将定位与通信功能分开，定位精度与基站的位置与数量无关，使得定位和无线通信可以共用一套射频分布网络实现，如图6所示无线通信与定位信号在基站内分频段混合后接入到射频分布网络，实现两种通信体制的共网复用传输。

图6 定位与通信共用射频分布网络

定位与通信共用射频分布网络实现了定位终端与基站之间的一跳星型组网，大幅简化了网络拓扑，提高了接入与传输的效率。同时两个系统的融合，提升船内设计的集成优化水平，降低了系统的复杂程度和造价。

5 结语

信标定位技术解决了传统三点定位无线组网和定位算法复杂的问题，将定位功能和信号传输分离，大幅减少了有源基站的数量降低了无线网络设计和工程施工难度，同时提高了无线信号传输的可靠性，实现了定位精度按需部署，能够更好地适应舰船内部应用场景，满足定位需求。另外通过共用射频分布网络的设计，可实现定位与通信功能的融合，提升船内设计的集成优化水平。