基于北斗及藍牙的室內外無縫連續定位系統設計

宋海濤 劉榮斌 曹國興

摘要：在航空物流領域，主要采用航空容器集裝設備及無動力裝置車輛（拖斗車）進行貨物航空運輸及地面流行性運輸，其在貨站內及機場之間進行轉運。在室外，可以采用衛星定位的方式對其位置進行監控，但在貨站內無法獲取其衛星定位位置，因此設計了一種基于北斗及藍牙到達角（AOA）技術的高精度定位方式，實現了室內外無縫連續定位系統。該系統的建設通過科技創新的技術手段提高航空貨運物流領域面臨的貨物流動性無法確認的相關難題，以室內外位置定位為引領，以服務于業務場景為系統根本，極大地提高了航空貨物運輸領域的生產效率。

關鍵詞：室內外定位；高精度；北斗；藍牙到達角

中圖分類號：P228文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2023）06-48-5

0引言

目前在國際航空物流領域，主要采用航空容器集裝設備及相關無動力裝置車輛進行貨物航空運輸及地面流動性運輸。在國際航空運輸方面，航空容器集裝設備具備全球流動性特點，維護管理以及監控監管極其不易，在各航空公司之間亦有拆借情況，在管控中難免出現疏漏。尤其是當國際航線航空容器集裝設備下飛機后直接被裝入卡車運輸到其他地方時，其位置更無法得到有效管控，導致航空容器丟失事件時常發生，因此對其位置信息的管控迫在眉睫。在地面運輸方面，貨物通過拖斗車進行飛機與貨站之間的轉運，貨站與室內貨倉之間也需要進行相關貨物的流動轉運。相關操作人員急需了解哪些無動力設備可以使用、在什么位置、是否可以就近尋找到相關設備等信息。同時，在貨物處理上也需實時了解裝載貨物的這些航空容器及無動力裝置都放置在什么位置便于隨后開展分揀、拼裝等貨物作業。通過對航空容器及無動力裝置的位置定位，快速查找及使用相關設施，并在全流程業務系統基礎上完成貨物與容器的綁定，快速獲知貨物的位置信息，方便各運輸環節對貨物的后續處理。

基于北斗及藍牙到達角（AOA）技術的高精度室內外無縫連續定位系統通過差分定位以及藍牙AOA技術[1-3]，實現了室內外無縫連續亞米級的定位精度，該系統的建設旨在通過北斗衛星系統融合藍牙AOA的室內定位技術，打造基于航空貨運物流業務場景需求下的室內外一體化混合定位系統。

1系統組成

系統由物聯全球容器管控平臺、北斗超長待機定位終端、基于藍牙AOA技術的室內定位基站、高精度定位基準站、航空容器集裝設備及無動力裝置（貨運拖斗車）五部分組成，如圖1所示。

物聯全球容器管控平臺：完成終端數據接入與協議解析、數據存儲；完成室內定位數據解析與處理；平臺通過自研室內外定位算法，實現終端室內外狀態的判斷；完成室內外地圖整合，實現一張圖展示室內外全部位置；對外提供數據接口，可對接相關機場業務流程。

北斗超長待機定位終端：通過檢測運動、靜止狀態觸發北斗定位功能或藍牙AOA室內定位標簽功能；通過NB-IOT網絡將位置信息數據上報應用服務平臺。

基于藍牙AOA技術的室內定位基站：基于信號AOA的定位算法，通過硬件設備感知發射節點信號的到達方向，計算接收節點和錨節點之間的相對方位和角度，利用三角測量法等方式計算出未知節點的位置。藍牙AOA定位基站通過POE接口將采集到終端信息發送給平臺[4]。

高精度定位基準站：部署在系統需要室外定位的區域，用于獲取區域差分定位數據，并將差分定位數據通過NB-IOT網絡播發給終端，使終端在室外實現高精度定位。

航空容器及無動力裝置（拖斗車）：用于裝載機場、航空貨運公司日常物流貨物，也是本系統中需要定位的設備。

2系統設計

2.1系統工作原理

航空容器及無動力裝置（拖斗車）安裝北斗超長待機定位終端。在需要定位的區域建設一套差分基準站系統，實時接收衛星信號，計算出該區域定位信號誤差的修正數，并將修正數通過NB-IOT網絡播發給需要室外定位的終端，終端通過定位模塊最終計算出室外高精度位置[5]。

在貨站、倉庫等室內區域布設基于藍牙AOA技術的室內定位基站，藍牙信號AOA技術是終端藍牙通過單一天線發射尋向信號，而作為接收端的定位基站內建天線陣列，當信號通過時，會因陣列中接收到的不同距離、產生相位差異的信號，進而計算出相對的信號方向，定位基站通過POE總線將信號波達方向傳輸至后臺，并依據定位算法實現室內位置解算。

物聯全球容器管控平臺實現了藍牙AOA室內定位數據、終端定位數據及狀態信息數據接入與協議解析、數據存儲、數據處理。平臺依據室內定位數據及終端依據加速度計等傳感器上報的運動狀態信息等綜合判定算法，實現終端室內外狀態的判斷。

北斗超長待機定位終端長期休眠，直到監測到車輛從運動變為靜止后才會喚醒工作。終端喚醒后首先與平臺交互獲取室內外狀態通知，如果車輛處于貨站等室內時會開啟藍牙，配合室內定位基站完成室內定位；如果車輛處于停機坪等室外時會開啟北斗定位。終端通過NB-IOT網絡將相關設備信息及位置信息上報平臺，完成定位。

2.2室內外無縫連續定位工作原理

通過地圖融合方法，將室內測繪地圖與室外高精度地圖進行融合疊加，形成室內外融合高精度地圖，并通過測繪方式獲取室內疊層邊界高精度經緯度信息。平臺通過繪制的室內外邊界信息，劃分出室內室外狀態標識區域。對于判斷室內室外的存在狀態，需要依據終端目前所處區域進行二分類狀態判定。狀態一：終端由室外向室內移動，此時如果已經進入室內，則室內定位系統會收到根據藍牙信號判定的室內位置，室內定位系統推送已進入室內標識狀態，平臺判定為室內狀態；如果此時沒有進入室內，室內定位系統無法收到藍牙信號，則判定為沒有進入室內，無法觸發室內標識狀態，則平臺判定為室外狀態。狀態二：終端由室內向室外移動，如果此時終端已經在室外，則室內定位系統判定出區域標識狀態，平臺此時判定終端為室外狀態；如果此時終端未出室內區域，則室內定位系統推送終端位置，觸發室內標識狀態，平臺此時判定為室內狀態。通過室內定位系統、物聯容器管控平臺以及終端的工作機制3個關聯信息，可以判定終端目前處于室內外的狀態，從而達到室內外無縫連續定位[6]。

室內外狀態判定機制如圖2所示。

2.3終端設計

北斗超長待機定位監控終端由通信單元、定位單元、低功耗MCU、加速度傳感器、藍牙單元和電源管理單元等部分組成。低功耗MCU在滿足功能需求的同時選用國產芯片。加速度計用來監測終端運動狀態來觸發或喚醒設備進入/退出低功耗模式。藍牙單元用來支持藍牙AOA室內定位。電池單元選用大容量、寬溫、高可靠性電池組滿足長周期免維護的需求，具體組成框圖如圖3所示。

終端工作機制為：終端開始處于靜止待機狀態，加速度傳感器循環檢測，當偵測到終端處于運動狀態后，觸發MCU中斷，MCU開啟藍牙定位廣播及溫度、電量廣播，終端開啟通信模塊，登錄到物聯容器管控平臺上，同時上報運動狀態。上報完成后，MCU持續監測加速度傳感器狀態，如果在120 s內無相關狀態中斷MCU，則終端登錄平臺，上報此時狀態為靜止狀態。平臺通過室內外狀態標志，判斷此時為室內狀態還是室外狀態。如果此時為室內狀態，則終端關閉全部模塊，再次進入待機狀態，室內定位信息通過后臺解算出藍牙的具體位置，并通過經緯度轉化，定位到相關位置；如果此時判斷為室外狀態，則終端開啟定位模塊，并連接差分基準站，獲取差分信息，通過定位模塊解算，獲取高精度位置信息，通過通信模塊，將定位信息及溫度、電量信息上傳到平臺。此后，MCU關閉除加速度傳感器以外的其他全部模塊，自身進入低功耗模式，此時終端再次進入待機狀態，直至下次運動狀態檢測，終端完成全部狀態轉換[7]。終端工作流程如圖4所示。

3系統應用

本系統實現了某航空貨運物流公司國內貨站、國際貨站、代理倉以及機場范圍的室內外無縫連續定位的應用示范項目工作，主要完成了與對方系統的數據接入，機場地圖、國內貨站和國際貨站室內地圖接入，實現了室內及室外地圖的融合展示，室內外高精度位置數據接入、無動力裝置及容器信息展示、圍欄設置、容器參數設置、維修流程、保養流程、租賃流程等業務流程；實現了無動力裝置全生命周期業務流程的線上管理功能。

在國內貨站13個冷庫、國際貨站室內區域、代理倉、國際貨站5個冷庫完成了室內定位基站安裝，其中藍牙AOA室內定位基站如圖5所示。

通過安裝貨運3 150輛拖斗車定位監控終端，完成了貨運差分基準站建設。實現了貨站內拖斗車高精度亞米級室內外定位、拖斗車監管以及拖斗車全業務流程管理，提高了拖斗車的管理工作，其中北斗超長待機定位監控終端如圖6所示。

由物聯全球容器管控平臺、北斗超長待機定位終端、基于藍牙AOA技術的室內定位基站、高精度定位基準站、航空容器集裝設備及無動力裝置形成的一套完善的亞米級高精度室內外無縫定位管理系統，可為機場、貨運站等提供一整套完善的無動力容器管控系統，產生了良好的科技效益和社會效益。

4結束語

通過采用北斗高精度差分定位及藍牙AOA的室內定位技術，有效彌補了藍牙AOA定位范圍較小、北斗定位易受遮擋等不同系統的缺陷，實現了航空物流貨物等設備室內外定位的無縫切換，并在相關貨站區域內不受周圍環境的影響均能實現定位精度小于1 m。通過科技創新的技術手段提高航空貨運物流領域面臨的貨物流動性無法確認的相關難題，以室內外位置定位為引領，以服務于業務場景為系統根本，極大地提高了航空貨物運輸領域的生產效率。

參考文獻

[1]賈靈，王薪宇，胡海，等.一種融合RSSI和AOA定位算法的智能藍牙防丟器[J].單片機與嵌入式系統應用，2021，21（7）： 63-66.

[2]陳鑫，郭杭，余敏，等.基于多重信號分類改進算法的藍牙AOA高精度室內定位[C]//衛星導航定位技術文集（2021）.鄭州：測繪出版社，2021：32-37.

[3]祁星，姌董，段萌.面向工業室內定位的藍牙AOA與UWB混合組網方案[C]// 5G網絡創新研討會（2022）論文集.北京：[出版者不詳]，2022：264-270.

[4]裘有斌，陳廣香，吳迪，等.藍牙AOA高精度定位技術白皮書[EB/OL].[2022-10-30]. https：//www.iotku.com/News/ 542422779517992960.html.

[5]莊皓，原彬，張睿.基于北斗衛星導航系統的差分定位技術性能分析[J].現代導航，2018，9（3）：172-176.

[6]曾小江，江建華.高精度室內外無縫定位與導航方法淺析[J].江西測繪，2017（3）：52-53.

[7]郭凱旋，盧彥霖，馮濤，等.基于智能切換算法的室內外無縫定位技術研究[J].傳感器與微系統，2018，37（7）：49-51.