蔡春昊，何元清，程德昊

(中國民用航空飛行學(xué)院 計算機學(xué)院，四川 德陽 618307)

0 引言

機場是實現(xiàn)民航的重要組成部分，提高機場的服務(wù)管理效率能有效提高民航運輸質(zhì)量。機場是一個多功能復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，研究機場室內(nèi)定位技術(shù)可以有效提高機場服務(wù)效率。常見的室內(nèi)定位技術(shù)有WiFi、藍牙、超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)、射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、ZigBee等[1]。譚凌云[2]和王忠明[3]分別基于ZigBee和WiFi技術(shù)研究機場室內(nèi)定位技術(shù)。2018年，胡明[4]建議以藍牙技術(shù)設(shè)計機場的室內(nèi)定位系統(tǒng)。2019年，藍牙5.1版本正式發(fā)布，藍牙定位進一步提高。藍牙具有易部署、精度高等優(yōu)點，適用在機場室內(nèi)定位系統(tǒng)。

1 藍牙室內(nèi)定位技術(shù)

1.1 常用室內(nèi)定位技術(shù)

WiFi定位技術(shù)是通過安裝無線基站，利用三邊無線網(wǎng)絡(luò)基站與定位終端接收的信號強度，硬件設(shè)備成本較低。ZigBee定位技術(shù)是一種短距離無線定位技術(shù)，有低功耗、成本低等優(yōu)點，但信號強度易受環(huán)境影響，穩(wěn)定性差。RFID定位技術(shù)是一種非接觸式的數(shù)據(jù)通信技術(shù)，定位終端在射頻磁場通過多對雙向通信傳送數(shù)據(jù)，有精度高、體積小和成本低的優(yōu)點。UWB定位技術(shù)使用固定位置的橋節(jié)點和信標點以及定位終端節(jié)點通過脈沖進行數(shù)據(jù)通信，有抗干擾、精度高等優(yōu)點。

1.2 藍牙定位技術(shù)概述

藍牙定位是通過測量定位終端接收到的基站信標信號強度實現(xiàn)的，其定位精度為1～3 m。藍牙成本低、消耗低、體積小、普及率高，適合移動終端多的機場環(huán)境。MAC地址和接收信號的強度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)值是藍牙定位的主要參數(shù)。

MAC是介質(zhì)訪問控制，是識別設(shè)備的標志符。MAC地址具有唯一性，由廠商的IEEE OUI代碼和24位自編設(shè)備號組成。

RSSI是接收信號強度指示器，用來判斷接收信號的質(zhì)量，是藍牙定位系統(tǒng)測距的重要參數(shù)。RSSI值為0是信號功率全部接收的理想狀態(tài)，所以實際中RSSI值為負值。RSSI與估算距離D滿足公式(1)。

(1)

其中，a是基站信標單位信號強度，n是環(huán)境影響系數(shù)。

2 機場藍牙定位系統(tǒng)設(shè)計

2.1 定位系統(tǒng)組成

藍牙定位系統(tǒng)由以下5部分組成[5]。(1)藍牙基站信標布設(shè)于定位環(huán)境，功能是標識位置和計算距離。本系統(tǒng)采用三角均勻部署的方法布設(shè)基站信標，兩兩間距5 m左右，實現(xiàn)機場三維空間三角網(wǎng)格狀交錯分布覆蓋。(2)定位終端是指有藍牙標簽的被定位的單元設(shè)備，終端接收基站信標的信號強度RSSI值是定位系統(tǒng)的重要參數(shù)。(3)數(shù)據(jù)庫用于存儲定位計算的有關(guān)數(shù)據(jù)，包含機場內(nèi)基站信標和定位終端的MAC地址、信號強度RSSI以及定位終端的位置坐標等數(shù)據(jù)。(4)服務(wù)器是整個定位系統(tǒng)核心的部分，包含數(shù)據(jù)訪問層和業(yè)務(wù)邏輯層。服務(wù)器調(diào)用數(shù)據(jù)庫的基站信標的坐標信息，接收定位終端的MAC地址、信號強度RSSI值，實現(xiàn)基于位置服務(wù)的算法結(jié)構(gòu)。(5)顯示端是用戶的使用界面，即在PC端或手機客戶端顯示服務(wù)器的處理結(jié)果。

2.2 定位算法

(1)濾波算法。藍牙信號強度易受環(huán)境干擾、不穩(wěn)定，需要濾波去噪。常見的濾波算法有均值濾波、滑動平均濾波、高斯濾波等，由于RSSI一般服從高斯分布，故采用高斯濾波。

首先計算RSSI的均值μ和標準差σ，則RSSI的概率密度函數(shù)為式(2)。

(2)

其置信區(qū)間(μ-σ≤RSSI(k)<μ+σ)的概率為式(3)。

P(μ-σ≤RSSI(k)<μ+σ)=F(μ+σ)-F(μ-σ)=2φ(1)-1=0.682 6

(3)

濾波后的RSSI值為式(4)。

(4)

式中，RSSI(k)∈(μ-σ，μ+σ)。

(2)測距定位算法。使用RSSI值測距并采用三角質(zhì)心算法計算位置坐標。如圖1所示，在無噪聲干擾情形下，假設(shè)基站信標A、B、C和定位終端T的位置坐標分別為(xa，ya)、(xb，yb)、(xc，yc)和(xt，yt)，則T到A、B、C的距離分別為Da、Db和Dc，距離關(guān)系滿足方程(5)，并且通過求解方程即可得到T估計的位置坐標。

(5)

圖2 機場環(huán)境模型

(6)

3 定位系統(tǒng)應(yīng)用研究

3.1 旅客服務(wù)應(yīng)用

機場藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)最重要的應(yīng)用是導(dǎo)航服務(wù)，旅客只需打開手機藍牙，進入機場室內(nèi)地圖即可獲得導(dǎo)航服務(wù)。導(dǎo)航服務(wù)可以實現(xiàn)地圖縮放、移動等基本展示功能，旅客還可以根據(jù)目標位置的信息搜索完成登機口、洗手間等位置引導(dǎo)功能，可以改善旅客的服務(wù)體驗，提高機場的服務(wù)水平。

此外，藍牙定位系統(tǒng)還可以實現(xiàn)乘機流程時間提示功能，通過手機藍牙實時定位監(jiān)視，系統(tǒng)將計算的旅客位置到達安檢口、登機口時間與規(guī)劃的旅客航班最優(yōu)的安檢、登機時間結(jié)合，提示旅客及時完成安檢、登機，避免誤機。機場還可以實現(xiàn)兒童安全監(jiān)控服務(wù)，兒童佩戴藍牙標簽，家長設(shè)置兒童安全活動區(qū)域，當該區(qū)域的藍牙基站未檢測到藍牙信號，藍牙定位系統(tǒng)將自動確定兒童位置并向家長發(fā)送警示信息，保障兒童安全。

3.2 機場管理應(yīng)用

藍牙室內(nèi)定位系統(tǒng)應(yīng)用在機場內(nèi)部工作人員可以緩解工作人員的壓力，提高管理效率。電子圍欄是藍牙室內(nèi)定位最基礎(chǔ)的應(yīng)用，可以應(yīng)用于機場設(shè)備設(shè)施的監(jiān)控，比如在一些貴重的可移動設(shè)備上貼上藍牙標簽，管理人員在后臺管理系統(tǒng)中可以實時查看位置，并且可以設(shè)置安全范圍，當設(shè)備超出安全范圍會自動警示，管理人員可以通過移動線路追查原因。

藍牙室內(nèi)定位還可以用于緊急情況防備。應(yīng)急設(shè)施設(shè)備如消防栓等要貼上藍牙標簽，平時可以通過定位系統(tǒng)確定其位置分布。當險情發(fā)生，可以及時利用設(shè)備位置信息和旅客位置信息及時搶險救災(zāi)、疏散人群，減少人員傷亡，降低機場損失。

4 結(jié)語

綜上，藍牙具有功耗低、成本低、易部署等優(yōu)點適合移動終端較多的機場環(huán)境。機場藍牙定位系統(tǒng)由藍牙基站信標、定位終端、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器和顯示端5部分組成，采用高斯濾波算法去除噪聲、三角質(zhì)心定位算法測距定位。藍牙機場定位系統(tǒng)可以為旅客提供室內(nèi)導(dǎo)航、登機提醒等服務(wù)，還可應(yīng)用于機場設(shè)備管理與安全預(yù)警，能有效提高機場服務(wù)質(zhì)量和管理效率。