宋海濤 劉榮斌 曹?chē)?guó)興

摘要：在航空物流領(lǐng)域，主要采用航空容器集裝設(shè)備及無(wú)動(dòng)力裝置車(chē)輛（拖斗車(chē)）進(jìn)行貨物航空運(yùn)輸及地面流行性運(yùn)輸，其在貨站內(nèi)及機(jī)場(chǎng)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。在室外，可以采用衛(wèi)星定位的方式對(duì)其位置進(jìn)行監(jiān)控，但在貨站內(nèi)無(wú)法獲取其衛(wèi)星定位位置，因此設(shè)計(jì)了一種基于北斗及藍(lán)牙到達(dá)角（AOA）技術(shù)的高精度定位方式，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外無(wú)縫連續(xù)定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建設(shè)通過(guò)科技創(chuàng)新的技術(shù)手段提高航空貨運(yùn)物流領(lǐng)域面臨的貨物流動(dòng)性無(wú)法確認(rèn)的相關(guān)難題，以室內(nèi)外位置定位為引領(lǐng)，以服務(wù)于業(yè)務(wù)場(chǎng)景為系統(tǒng)根本，極大地提高了航空貨物運(yùn)輸領(lǐng)域的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)外定位；高精度；北斗；藍(lán)牙到達(dá)角

中圖分類(lèi)號(hào)：P228文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2023）06-48-5

0引言

目前在國(guó)際航空物流領(lǐng)域，主要采用航空容器集裝設(shè)備及相關(guān)無(wú)動(dòng)力裝置車(chē)輛進(jìn)行貨物航空運(yùn)輸及地面流動(dòng)性運(yùn)輸。在國(guó)際航空運(yùn)輸方面，航空容器集裝設(shè)備具備全球流動(dòng)性特點(diǎn)，維護(hù)管理以及監(jiān)控監(jiān)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(xiàn)疏漏。尤其是當(dāng)國(guó)際航線航空容器集裝設(shè)備下飛機(jī)后直接被裝入卡車(chē)運(yùn)輸?shù)狡渌胤綍r(shí)，其位置更無(wú)法得到有效管控，導(dǎo)致航空容器丟失事件時(shí)常發(fā)生，因此對(duì)其位置信息的管控迫在眉睫。在地面運(yùn)輸方面，貨物通過(guò)拖斗車(chē)進(jìn)行飛機(jī)與貨站之間的轉(zhuǎn)運(yùn)，貨站與室內(nèi)貨倉(cāng)之間也需要進(jìn)行相關(guān)貨物的流動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)。相關(guān)操作人員急需了解哪些無(wú)動(dòng)力設(shè)備可以使用、在什么位置、是否可以就近尋找到相關(guān)設(shè)備等信息。同時(shí)，在貨物處理上也需實(shí)時(shí)了解裝載貨物的這些航空容器及無(wú)動(dòng)力裝置都放置在什么位置便于隨后開(kāi)展分揀、拼裝等貨物作業(yè)。通過(guò)對(duì)航空容器及無(wú)動(dòng)力裝置的位置定位，快速查找及使用相關(guān)設(shè)施，并在全流程業(yè)務(wù)系統(tǒng)基礎(chǔ)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(yùn)輸環(huán)節(jié)對(duì)貨物的后續(xù)處理。

基于北斗及藍(lán)牙到達(dá)角（AOA）技術(shù)的高精度室內(nèi)外無(wú)縫連續(xù)定位系統(tǒng)通過(guò)差分定位以及藍(lán)牙AOA技術(shù)[1-3]，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)外無(wú)縫連續(xù)亞米級(jí)的定位精度，該系統(tǒng)的建設(shè)旨在通過(guò)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)融合藍(lán)牙AOA的室內(nèi)定位技術(shù)，打造基于航空貨運(yùn)物流業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求下的室內(nèi)外一體化混合定位系統(tǒng)。

1系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由物聯(lián)全球容器管控平臺(tái)、北斗超長(zhǎng)待機(jī)定位終端、基于藍(lán)牙AOA技術(shù)的室內(nèi)定位基站、高精度定位基準(zhǔn)站、航空容器集裝設(shè)備及無(wú)動(dòng)力裝置（貨運(yùn)拖斗車(chē)）五部分組成，如圖1所示。

物聯(lián)全球容器管控平臺(tái)：完成終端數(shù)據(jù)接入與協(xié)議解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；完成室內(nèi)定位數(shù)據(jù)解析與處理；平臺(tái)通過(guò)自研室內(nèi)外定位算法，實(shí)現(xiàn)終端室內(nèi)外狀態(tài)的判斷；完成室內(nèi)外地圖整合，實(shí)現(xiàn)一張圖展示室內(nèi)外全部位置；對(duì)外提供數(shù)據(jù)接口，可對(duì)接相關(guān)機(jī)場(chǎng)業(yè)務(wù)流程。

北斗超長(zhǎng)待機(jī)定位終端：通過(guò)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)、靜止?fàn)顟B(tài)觸發(fā)北斗定位功能或藍(lán)牙AOA室內(nèi)定位標(biāo)簽功能；通過(guò)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將位置信息數(shù)據(jù)上報(bào)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)。

基于藍(lán)牙AOA技術(shù)的室內(nèi)定位基站：基于信號(hào)AOA的定位算法，通過(guò)硬件設(shè)備感知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)方向，計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)方位和角度，利用三角測(cè)量法等方式計(jì)算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。藍(lán)牙AOA定位基站通過(guò)POE接口將采集到終端信息發(fā)送給平臺(tái)[4]。

高精度定位基準(zhǔn)站：部署在系統(tǒng)需要室外定位的區(qū)域，用于獲取區(qū)域差分定位數(shù)據(jù)，并將差分定位數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)播發(fā)給終端，使終端在室外實(shí)現(xiàn)高精度定位。

航空容器及無(wú)動(dòng)力裝置（拖斗車(chē)）：用于裝載機(jī)場(chǎng)、航空貨運(yùn)公司日常物流貨物，也是本系統(tǒng)中需要定位的設(shè)備。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)工作原理

航空容器及無(wú)動(dòng)力裝置（拖斗車(chē)）安裝北斗超長(zhǎng)待機(jī)定位終端。在需要定位的區(qū)域建設(shè)一套差分基準(zhǔn)站系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算出該區(qū)域定位信號(hào)誤差的修正數(shù)，并將修正數(shù)通過(guò)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)播發(fā)給需要室外定位的終端，終端通過(guò)定位模塊最終計(jì)算出室外高精度位置[5]。

在貨站、倉(cāng)庫(kù)等室內(nèi)區(qū)域布設(shè)基于藍(lán)牙AOA技術(shù)的室內(nèi)定位基站，藍(lán)牙信號(hào)AOA技術(shù)是終端藍(lán)牙通過(guò)單一天線發(fā)射尋向信號(hào)，而作為接收端的定位基站內(nèi)建天線陣列，當(dāng)信號(hào)通過(guò)時(shí)，會(huì)因陣列中接收到的不同距離、產(chǎn)生相位差異的信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出相對(duì)的信號(hào)方向，定位基站通過(guò)POE總線將信號(hào)波達(dá)方向傳輸至后臺(tái)，并依據(jù)定位算法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)位置解算。

物聯(lián)全球容器管控平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙AOA室內(nèi)定位數(shù)據(jù)、終端定位數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息數(shù)據(jù)接入與協(xié)議解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理。平臺(tái)依據(jù)室內(nèi)定位數(shù)據(jù)及終端依據(jù)加速度計(jì)等傳感器上報(bào)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息等綜合判定算法，實(shí)現(xiàn)終端室內(nèi)外狀態(tài)的判斷。

北斗超長(zhǎng)待機(jī)定位終端長(zhǎng)期休眠，直到監(jiān)測(cè)到車(chē)輛從運(yùn)動(dòng)變?yōu)殪o止后才會(huì)喚醒工作。終端喚醒后首先與平臺(tái)交互獲取室內(nèi)外狀態(tài)通知，如果車(chē)輛處于貨站等室內(nèi)時(shí)會(huì)開(kāi)啟藍(lán)牙，配合室內(nèi)定位基站完成室內(nèi)定位；如果車(chē)輛處于停機(jī)坪等室外時(shí)會(huì)開(kāi)啟北斗定位。終端通過(guò)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)設(shè)備信息及位置信息上報(bào)平臺(tái)，完成定位。

2.2室內(nèi)外無(wú)縫連續(xù)定位工作原理

通過(guò)地圖融合方法，將室內(nèi)測(cè)繪地圖與室外高精度地圖進(jìn)行融合疊加，形成室內(nèi)外融合高精度地圖，并通過(guò)測(cè)繪方式獲取室內(nèi)疊層邊界高精度經(jīng)緯度信息。平臺(tái)通過(guò)繪制的室內(nèi)外邊界信息，劃分出室內(nèi)室外狀態(tài)標(biāo)識(shí)區(qū)域。對(duì)于判斷室內(nèi)室外的存在狀態(tài)，需要依據(jù)終端目前所處區(qū)域進(jìn)行二分類(lèi)狀態(tài)判定。狀態(tài)一：終端由室外向室內(nèi)移動(dòng)，此時(shí)如果已經(jīng)進(jìn)入室內(nèi)，則室內(nèi)定位系統(tǒng)會(huì)收到根據(jù)藍(lán)牙信號(hào)判定的室內(nèi)位置，室內(nèi)定位系統(tǒng)推送已進(jìn)入室內(nèi)標(biāo)識(shí)狀態(tài)，平臺(tái)判定為室內(nèi)狀態(tài)；如果此時(shí)沒(méi)有進(jìn)入室內(nèi)，室內(nèi)定位系統(tǒng)無(wú)法收到藍(lán)牙信號(hào)，則判定為沒(méi)有進(jìn)入室內(nèi)，無(wú)法觸發(fā)室內(nèi)標(biāo)識(shí)狀態(tài)，則平臺(tái)判定為室外狀態(tài)。狀態(tài)二：終端由室內(nèi)向室外移動(dòng)，如果此時(shí)終端已經(jīng)在室外，則室內(nèi)定位系統(tǒng)判定出區(qū)域標(biāo)識(shí)狀態(tài)，平臺(tái)此時(shí)判定終端為室外狀態(tài)；如果此時(shí)終端未出室內(nèi)區(qū)域，則室內(nèi)定位系統(tǒng)推送終端位置，觸發(fā)室內(nèi)標(biāo)識(shí)狀態(tài)，平臺(tái)此時(shí)判定為室內(nèi)狀態(tài)。通過(guò)室內(nèi)定位系統(tǒng)、物聯(lián)容器管控平臺(tái)以及終端的工作機(jī)制3個(gè)關(guān)聯(lián)信息，可以判定終端目前處于室內(nèi)外的狀態(tài)，從而達(dá)到室內(nèi)外無(wú)縫連續(xù)定位[6]。

室內(nèi)外狀態(tài)判定機(jī)制如圖2所示。

2.3終端設(shè)計(jì)

北斗超長(zhǎng)待機(jī)定位監(jiān)控終端由通信單元、定位單元、低功耗MCU、加速度傳感器、藍(lán)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(shí)選用國(guó)產(chǎn)芯片。加速度計(jì)用來(lái)監(jiān)測(cè)終端運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)觸發(fā)或喚醒設(shè)備進(jìn)入/退出低功耗模式。藍(lán)牙單元用來(lái)支持藍(lán)牙AOA室內(nèi)定位。電池單元選用大容量、寬溫、高可靠性電池組滿足長(zhǎng)周期免維護(hù)的需求，具體組成框圖如圖3所示。

終端工作機(jī)制為：終端開(kāi)始處于靜止待機(jī)狀態(tài)，加速度傳感器循環(huán)檢測(cè)，當(dāng)偵測(cè)到終端處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)后，觸發(fā)MCU中斷，MCU開(kāi)啟藍(lán)牙定位廣播及溫度、電量廣播，終端開(kāi)啟通信模塊，登錄到物聯(lián)容器管控平臺(tái)上，同時(shí)上報(bào)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。上報(bào)完成后，MCU持續(xù)監(jiān)測(cè)加速度傳感器狀態(tài)，如果在120 s內(nèi)無(wú)相關(guān)狀態(tài)中斷MCU，則終端登錄平臺(tái)，上報(bào)此時(shí)狀態(tài)為靜止?fàn)顟B(tài)。平臺(tái)通過(guò)室內(nèi)外狀態(tài)標(biāo)志，判斷此時(shí)為室內(nèi)狀態(tài)還是室外狀態(tài)。如果此時(shí)為室內(nèi)狀態(tài)，則終端關(guān)閉全部模塊，再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，室內(nèi)定位信息通過(guò)后臺(tái)解算出藍(lán)牙的具體位置，并通過(guò)經(jīng)緯度轉(zhuǎn)化，定位到相關(guān)位置；如果此時(shí)判斷為室外狀態(tài)，則終端開(kāi)啟定位模塊，并連接差分基準(zhǔn)站，獲取差分信息，通過(guò)定位模塊解算，獲取高精度位置信息，通過(guò)通信模塊，將定位信息及溫度、電量信息上傳到平臺(tái)。此后，MCU關(guān)閉除加速度傳感器以外的其他全部模塊，自身進(jìn)入低功耗模式，此時(shí)終端再次進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，直至下次運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)，終端完成全部狀態(tài)轉(zhuǎn)換[7]。終端工作流程如圖4所示。

3系統(tǒng)應(yīng)用

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了某航空貨運(yùn)物流公司國(guó)內(nèi)貨站、國(guó)際貨站、代理倉(cāng)以及機(jī)場(chǎng)范圍的室內(nèi)外無(wú)縫連續(xù)定位的應(yīng)用示范項(xiàng)目工作，主要完成了與對(duì)方系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接入，機(jī)場(chǎng)地圖、國(guó)內(nèi)貨站和國(guó)際貨站室內(nèi)地圖接入，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)及室外地圖的融合展示，室內(nèi)外高精度位置數(shù)據(jù)接入、無(wú)動(dòng)力裝置及容器信息展示、圍欄設(shè)置、容器參數(shù)設(shè)置、維修流程、保養(yǎng)流程、租賃流程等業(yè)務(wù)流程；實(shí)現(xiàn)了無(wú)動(dòng)力裝置全生命周期業(yè)務(wù)流程的線上管理功能。

在國(guó)內(nèi)貨站13個(gè)冷庫(kù)、國(guó)際貨站室內(nèi)區(qū)域、代理倉(cāng)、國(guó)際貨站5個(gè)冷庫(kù)完成了室內(nèi)定位基站安裝，其中藍(lán)牙AOA室內(nèi)定位基站如圖5所示。

通過(guò)安裝貨運(yùn)3 150輛拖斗車(chē)定位監(jiān)控終端，完成了貨運(yùn)差分基準(zhǔn)站建設(shè)。實(shí)現(xiàn)了貨站內(nèi)拖斗車(chē)高精度亞米級(jí)室內(nèi)外定位、拖斗車(chē)監(jiān)管以及拖斗車(chē)全業(yè)務(wù)流程管理，提高了拖斗車(chē)的管理工作，其中北斗超長(zhǎng)待機(jī)定位監(jiān)控終端如圖6所示。

由物聯(lián)全球容器管控平臺(tái)、北斗超長(zhǎng)待機(jī)定位終端、基于藍(lán)牙AOA技術(shù)的室內(nèi)定位基站、高精度定位基準(zhǔn)站、航空容器集裝設(shè)備及無(wú)動(dòng)力裝置形成的一套完善的亞米級(jí)高精度室內(nèi)外無(wú)縫定位管理系統(tǒng)，可為機(jī)場(chǎng)、貨運(yùn)站等提供一整套完善的無(wú)動(dòng)力容器管控系統(tǒng)，產(chǎn)生了良好的科技效益和社會(huì)效益。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用北斗高精度差分定位及藍(lán)牙AOA的室內(nèi)定位技術(shù)，有效彌補(bǔ)了藍(lán)牙AOA定位范圍較小、北斗定位易受遮擋等不同系統(tǒng)的缺陷，實(shí)現(xiàn)了航空物流貨物等設(shè)備室內(nèi)外定位的無(wú)縫切換，并在相關(guān)貨站區(qū)域內(nèi)不受周?chē)h(huán)境的影響均能實(shí)現(xiàn)定位精度小于1 m。通過(guò)科技創(chuàng)新的技術(shù)手段提高航空貨運(yùn)物流領(lǐng)域面臨的貨物流動(dòng)性無(wú)法確認(rèn)的相關(guān)難題，以室內(nèi)外位置定位為引領(lǐng)，以服務(wù)于業(yè)務(wù)場(chǎng)景為系統(tǒng)根本，極大地提高了航空貨物運(yùn)輸領(lǐng)域的生產(chǎn)效率。

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