室內定位技術原理分析與應用場景

人類為了不讓自己迷失在茫茫大自然中，先后發(fā)明羅盤、指南針等工具，衛(wèi)星定位的問世，解決了“我在哪里”的問題。

如今物聯(lián)網是“信息化”時代的重要發(fā)展階段，隨著社會信息化水平的普遍提高，其社會的重要性日益顯現(xiàn)。

云計算、大數據、機器人、智能感知等技術慢慢進入到我們的視野之中，讓我們看到了新技術的強大生命力，越來越多的軟硬件和方案解決廠商也加入了這場技術游戲角逐之中。

定位技術作為感知層重要技術之一，具有舉足輕重的地位。機器人、智能控制、VR等技術幾乎都需要定位技術的支持，室外定位我們主要依賴于GPS、北斗等衛(wèi)星定位技術。

然而，人的一生當中有80%的時間是在室內度過的，個人用戶、服務機器人、新型物聯(lián)網設備等大量的定位需求也發(fā)生在室內；而室內場景受到建筑物的遮擋，GNSS信號快速衰減，甚至完全拒止，無法滿足室內場景中導航定位的需要。

近年來，位置服務的相關技術和產業(yè)正從室外向室內發(fā)展，以提供無所不在的基于位置的服務，其主要推動力是室內位置服務所能帶來的巨大的應用和商業(yè)潛能。許多公司包括OS提供商、服務提供商，設備和芯片提供商都在競爭這個市場。

室內定位技術原理

目前的定位技術多要借助輔助節(jié)點進行定位， 通過不同的測距方式， 計算出待測節(jié)點相對于輔助節(jié)點的位置，然后與數據庫中事先收集的數據進行比對， 從而確定當前位置，如圖所示。

首先在室內環(huán)境設置固定位置的輔助節(jié)點， 這些節(jié)點的位置已知，有的位置信息是直接存在節(jié)點中， 如ＲFID 的標簽，有的是存在電腦終端的數據庫中， 如紅外線、超聲波等。

然后測量待測節(jié)點到輔助節(jié)點的距離， 從而確定相對位置。使用某種方式進行測距通常需要一對發(fā)射和接收設備，按照發(fā)射機和接收機的位置大體可以分為兩種: 發(fā)射機位于被測節(jié)點， 接收機位于輔助節(jié)點，例如紅外線，超聲波和 ＲFID; 另一種是發(fā)射機位于輔助節(jié)點， 接收 機 位 于 被 測 節(jié) 點， 例如 WiFi、超寬帶、ZigBee和藍牙。

最后分析計算位置， 利用計算機終端的數據庫進行匹配，從而得出具體位置。具體流程如上圖所示， 除了用到之前已知的輔助節(jié)點位置和計算得出的距離外，還需要一定的模型來提高精度。

室內定位的技術分支多樣

下圖是各種室內定位方案的對比圖：

目前室內定位常用的定位方法，從原理上主要分為七種：鄰近探測法、質心定位法、多邊定位法、三角定位法、極點法、指紋定位法和航位推算法。

定位原理	描述	特點
臨近探測法	通過一些有范圍限制的物理信號的接收，從而判斷移動設備是否出現(xiàn)在某一個發(fā)射點附近。	該方法雖然只能提供大概的定位信息，但其布設成本低、易于搭建，適合于一些對定位精度要求不高的應用，例如自動識別系統(tǒng)用于公司的員工簽到。
質心定位法	根據移動設備可接收信號范圍內所有已知的信標（beacon）位置，計算其質心坐標作為移動設備的坐標。	該方法易于理解，計算量小，定位精度取決于信標的布設密度。
多邊定位法	通過測量待測目標到已知參考點之間的距離，從而確定待測目標的位置。	精度高、應用廣。
三角定位法	該方法是在獲取待測目標相對２個已知參考點的角度后結合兩參考點間的距離信息可以確定唯一的三角形，即可確定待測目標的位置。	精度高、應用廣。
極點法	通過測量相對某一已知參考點的距離和角度從而確定待測點的位置。	該方法僅需已知一個參考點的位置坐標，因此使用非常方便，已經在大地測量中得到廣泛應用。
指紋定位法	在定位空間中建立指紋數據庫，通過將實際信息與數據庫中的參數進行對比來實現(xiàn)定位。	指紋定位的優(yōu)勢是幾乎不需要參考測量點，定位精度相對較高；但缺點是前期離線建立指紋庫的工作量巨大，同時很難自適應于環(huán)境變化較大的場景。
航位推算法	是在已知上一位置的基礎上，通過計算或已知的運動速度和時間計算得到當前的位置。	數據穩(wěn)定，無依賴，但該方法存在累積誤差，定位精度隨著時間增加而惡化。

不同的室內定位方法選擇不同的觀測量，通過不同的觀測量提取算法所需要的信息。下表對主要的觀測量進行簡要的介紹。

觀測量	簡介
RSSI(接收信號強度指示)測量	它是通過計算信號的傳播損耗，可以使用理論或者經驗模型來將傳播損耗轉化為距離，也可以用于指紋定位建立指紋庫。
TOA（到達時間）測量	該方法主要測量信號在基站和移動臺之間的單程傳播時間或來回傳播時間。前者要求基站與移動臺間的時鐘同步。
TDOA（到達時間差）測量	該方法同樣是測量信號到達時間，但使用到達時間差進行定位計算，可利用雙曲線交點確定移動臺位置，故可以避免對基站和移動臺的精確同步。
AOA（到達角度）測量	該方法是指接收機通過天線陣列測出電磁波的入射角度，包括測量基站信號到移動臺的角度或者移動臺信號到達基站的角度。每種方式均會產生從基站到移動臺的方向線。2個基站可以得到2條方向線，其交點即為移動臺位置。因此，AOA方法只需要2個基站即可確定移動臺位置。
方向和距離	獲取方向和距離多用于航位推算定位，采用自包含傳感器記錄載體的物理信息，計算得到方向和距離，從而在已知上一位置的基礎上計算得到當前的位置。

多種室內定位技術

根據上面介紹的定位原理和觀測量，衍生出了多種室內定位技術，下面將對主流的室內定位技術進行簡要介紹。

1、超寬帶（UWB）技術

超寬帶技術是近年來新興一項全新的、與傳統(tǒng)通信技術有極大差異的通信無線新技術。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有3.1~10.6GHz量級的帶寬。目前，包括美國，日本，加拿大等在內的國家都在研究這項技術，在無線室內定位領域具有良好的前景。

UWB技術是一種傳輸速率高（最高可達1000Mbps以上），發(fā)射功率較低，穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線技術，無載波。正是這些優(yōu)點，使它在室內定位領域得到了較為精確的結果。超寬帶室內定位技術常采用TDOA演示測距定位算法，就是通過信號到達的時間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統(tǒng)包括產生、發(fā)射、接收、處理極窄脈沖信號的無線電系統(tǒng)。

而超寬帶室內定位系統(tǒng)則包括UWB接收器、UWB參考標簽和主動UWB標簽。定位過程中由UWB接收器接收標簽發(fā)射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元進行測距定位計算分析。

UWB室內定位結構圖

超寬帶可用于室內精確定位，例如戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機器人運動跟蹤等。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點。因此，超寬帶技術可以應用于室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。

定位精度：根據不同公司使用的技術手段或算法不同，精度可保持在0.1 m~0.5 m。

2、藍牙技術

藍牙技術通過測量信號強度進行定位。這是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，在室內安裝適當的藍牙局域網接入點，把網絡配置成基于多用戶的基礎網絡連接模式，并保證藍牙局域網接入點始終是這個微微網(piconet)的主設備，就可以獲得用戶的位置信息。藍牙技術主要應用于小范圍定位，例如單層大廳或倉庫。藍牙室內定位技術最大的優(yōu)點是設備體積小、易于集成在PDA、PC 以及手機中，因此很容易推廣普及。理論上，對于持有集成了藍牙功能移動終端設備的用戶，只要設備的藍牙功能開啟，藍牙室內定位系統(tǒng)就能夠對其進行位置判斷。

采用該技術作室內短距離定位時容易發(fā)現(xiàn)設備且信號傳輸不受視距的影響。其不足在于藍牙器件和設備的價格比較昂貴，而且對于復雜的空間環(huán)境，藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大。

定位精度：根據不同公司使用的技術手段或算法不同，精度可保持在3 m~15 m。

缺陷：信號傳輸距離短。

3、超聲波定位技術

超聲波定位目前大多數采用反射式測距法。系統(tǒng)由一個主測距器和若干個電子標簽組成，主測距器可放置于移動機器人本體上，各個電子標簽放置于室內空間的固定位置。定位過程如下：先由上位機發(fā)送同頻率的信號給各個電子標簽，電子標簽接收到后又反射傳輸給主測距器，從而可以確定各個電子標簽到主測距器之間的距離，并得到定位坐標。目前，比較流行的基于超聲波室內定位的技術還有下面兩種：一種為將超聲波與射頻技術結合進行定位。由于射頻信號傳輸速率接近光速，遠高于射頻速率，那么可以利用射頻信號先激活電子標簽而后使其接收超聲波信號，利用時間差的方法測距。這種技術成本低，功耗小，精度高。另一種為多超聲波定位技術。該技術采用全局定位可在移動機器人身上4個朝向安裝4個超聲波傳感器，將待定位空間區(qū)，由超聲波傳感器測距形成坐標，總體把握數據，抗干擾性強，精度高，而且可以解決機器人迷路問題。

定位精度：超聲波定位精度可達厘米級，精度比較高。

缺陷：超聲波在傳輸過程中衰減明顯從而影響其定位有效范圍，且易受干擾。

4、紅外線定位技術

紅外線是一種波長間于無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外線室內定位技術定位的原理是，紅外線標識發(fā)射調制的紅外射線，通過安裝在室內的光學傳感器接收進行定位。雖然紅外線具有相對較高的室內定位精度，但是由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點使其室內定位的效果很差。當標識放在口袋里或者有墻壁及其他遮擋時就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，造價較高。因此，紅外線只適合短距離傳播，而且容易被熒光燈或者房間內的燈光干擾，在精確定位上有局限性。

典型的紅外線室內定位系統(tǒng)Activebadges使待測物體附上一個電子標，該標識通過紅外發(fā)射機向室內固定放置的紅外接收機周期發(fā)送該待測物唯一ID，接收機再通過有線網絡將數據傳輸給數據庫。這個定位技術功耗較大且常常會受到室內墻體或物體的阻隔，實用性較低。如果將紅外線與超聲波技術相結合也可方便地實現(xiàn)定位功能。用紅外線觸發(fā)定位信號使參考點的超聲波發(fā)射器向待測點發(fā)射超聲波，應用TOA基本算法，通過計時器測距定位。一方面降低了功耗，另一方面避免了超聲波反射式定位技術傳輸距離短的缺陷。使得紅外技術與超聲波技術優(yōu)勢互補。

定位精度：紅外線定位精度可5 m ~10 m。

缺陷：紅外線在傳輸過程中易于受物體或墻體阻隔且傳輸距離較短，定位系統(tǒng)復雜度較高，有效性和實用性較其它技術仍有差距。

5、射頻識別技術（RFID）

射頻定位技術實現(xiàn)起來非常方便，而且系統(tǒng)受環(huán)境的干擾較小，電子標簽信息可以編輯改寫比較靈活。射頻識別技術利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數據以達到識別和定位的目的。這種技術作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，成本較低。 RFID技術原理：射頻識別（RFID）技術是一種操控簡易，適用于自動控制領域的技術，它利用了電感和電磁耦合或雷達反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。射頻（RF）是具有一定波長的電磁波，它的頻率描述為：kHz、MHz、GHz，范圍從低頻到微波不一。

RFID室內定位系統(tǒng)的基本結構：該系統(tǒng)通常由電子標簽、射頻讀寫器、中間件以及計算機數據庫組成，結構如下圖所示。射頻標簽和讀寫器是通過由天線架起的空間電磁波的傳輸通道進行數據交換的。在定位系統(tǒng)應用中，將射頻讀寫器放置在待測移動物體上，射頻電子標簽嵌入到操作環(huán)境中。電子標簽上存儲有位置識別的信息，讀寫器則通過有線或無線形式連接到信息數據庫。

RFID基本結構圖

6、WIFI技術

無線局域網絡(WLAN)是一種全新的信息獲取平臺，可以在廣泛的應用領域內實現(xiàn)復雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務，而網絡節(jié)點自身定位是大多數應用的基礎和前提。當前比較流行的Wi-Fi定位是無線局域網絡系列標準之IEEE802.11b的無線以太網已經成的一種定位解決方案。

在無線局域網中的AP接入點或是無線網卡都可以方便測得無線信號的強度，利用這一點可以通過匹配信號強度的方法進行定位。位置指紋法是一種常用的無線局域網室內定位技術，典型的系統(tǒng)是RADAR原型系統(tǒng)，由微軟研發(fā)。基于RSSI技術的RADAR室內定位系統(tǒng)運行分兩個過程，分別是先在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域對設置的若干個AP固定點離線采集其位置信息以及信號強度，通過有線網絡傳輸給數據中心形成位置指紋數據庫，再對實時待測物所測算得到信號強度利用最近鄰居法分析匹配出其位置。

某公司開發(fā)了能夠利用Wi-Fi進行室內定位的軟件。Wi-Fi繪圖的精確度大約在1米至20米的范圍內，總體而言，它比蜂窩網絡三角測量定位方法更精確。但是，如果定位的測算僅僅依賴于哪個Wi-Fi的接入點最近，而不是依賴于合成的信號強度圖，那么在樓層定位上很容易出錯。目前，它應用于小范圍的室內定位，成本較低。但無論是用于室內還是室外定位，Wi-Fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑90米以內的區(qū)域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。

精度：2 m ~10 m。

缺陷：采集數據工作量大，而且為了達到較高的精度，固定點AP的位置測算設置比較繁瑣。

7、ZigBee技術

ZigBee（IEEE 802.15.4）是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，它介于射頻識別和藍牙之間，也可以用于室內定位。主要面向無線個人區(qū)域網（PAN），網絡系統(tǒng)在應用中表現(xiàn)出近距離，低功耗，低成本等特征，這些都可以滿足室內定位系統(tǒng)的要求和條件。應用ZigBee技術的室內定位系統(tǒng)是通過在傳感器網絡中布置參考節(jié)點，移動節(jié)點構成系統(tǒng)的，參考節(jié)點為靜態(tài)節(jié)點，它們發(fā)送位置信息和RSSI值給移動待測節(jié)點，該節(jié)點將數據寫入定位模塊，分析計算得到自身位置。該系統(tǒng)常采用分布式節(jié)點設置，可以減少網絡數據工作量和通信延遲的問題。ZigBee最顯著的技術特點是它的低功耗和低成本。

精度：2 m ~5 m。

缺陷：網絡穩(wěn)定性還有待提高，易受環(huán)境干擾。

除了以上提及的定位技術，還有基于計算機視覺、光跟蹤定位、基于圖像分析、磁場以及信標定位等。此外，還有基于圖像分析的定位技術、信標定位、三角定位等。目前很多技術還處于研究試驗階段，如基于磁場壓力感應進行定位的技術。

技術對比

在精度、定位方法、實例和優(yōu)缺點等方面對當前比較成熟的幾種室內定位技術進行對比，從宏觀上掌握室內定位技術領域發(fā)展的方向和目前研究的瓶頸問題。

室內定位面臨的挑戰(zhàn)

和室外定位相比，室內定位面臨很多獨特的挑戰(zhàn)， 比如說室內的環(huán)境動態(tài)性很強，可以說是多種多樣，不同的大廈會有不同的室內布局;室內的環(huán)境更加精細，由此也需要更高的精度來分辨不同的特征。

那么實用的室內定位解決方案都需要滿足那些要求呢?主要包括以下幾個方面：精度、覆蓋范圍、可靠性、成本、功耗、可擴展性和響應時間。

精度：

對精度的要求不同的應用差別很大，比如在超市或倉庫找一個特定的商品可能需要1米甚至更低的精度，如果在購物中心尋找一個特定的品牌或餐館，5-10米的精度就能滿足要求。

覆蓋范圍：

覆蓋范圍主要是指一個技術和解決方案可以在多大的范圍內提供滿足精度的覆蓋。有些技術需要相應或專用的基礎設施支撐并結合相應的定位終端使用，這樣它的覆蓋就只是布局了相應技術的環(huán)境范圍。

可靠性：

前面提到室內環(huán)境動態(tài)性很強，會經常發(fā)生改變，比如商場的設置和隔斷會經常發(fā)生變化。另一方面，定位所依賴的基礎設施也會經常發(fā)生變化。舉個例子，一些大型的會議，參展商會架設自己的WiFi 熱點， 這些設施會動態(tài)變化位置，甚至有時開有時關，如果定位技術是基于WiFi的，可靠的系統(tǒng)應該不會受到這些因素的影響。

成本和復雜度：

成本和復雜度指標涵蓋兩個方面。一個是定位終端的成本，是不是可以用終端已有的硬件而不添加新的硬件。另一方面是布局和維護的成本及其復雜度，包括布局與維護定位所需要的設施和采集相關的數據庫。

功耗：

定位所產生的功耗是一個很重要的指標尤其對使用電池的移動設備，如果功耗大很快使設備沒電了，就限制了用戶的使用。有調查表明，電池消耗過快是很多用戶不開啟定位功能的一個主要因素。所以，如果要實現(xiàn)隨時隨地的位置感知，必須降低定位所增加的設備額外功耗。

可擴展性：

可擴展性指一個解覺方案擴展到更大的覆蓋范圍使用的能力，和方便地移植到不同的環(huán)境和應用的能力。

響應時間：系統(tǒng)給出一個位置更新所需的時間是響應時間，不同的應用需求不同，比如移動用戶和導航應用需要快的位置更新。

室內定位技術的應用場景

室內定位的需求越來越廣泛，包括消防、學校、商場、醫(yī)院、停車場、軌道列車、物流倉儲、地下作業(yè)等場合，尤其是涉及到公共安全、地鐵、礦洞作業(yè)等領域，室內定位技術的需求更為迫切。

1、室內位置服務

室內位置服務在大型商超、機場、酒店、博物館、會展中心等大型室內場景中得到了應用。在布局比較復雜的大型超市中，用戶能夠查找感興趣商品的所在位置；在大型購物商場，用戶也可以查找想要去的店鋪和娛樂場所，同時商家也可以針對性地進行廣告推送，提供個性化營銷。在博物館或會展中心，室內定位也可以方便地提供定位導航服務。

2、公共安全

室內定位對應急救援、消防、安全執(zhí)法等方面具有重要作用。當發(fā)生地震、火災等緊急事件時，救援的必要條件是快速確定人員位置。特別是當建筑物由于緊急事件布局發(fā)生變化時，憑借經驗很難快速定位人員位置。室內定位技術可以為救援提供強有力的技術支持，更好地保障救援人員和受困人員的安全，更快地開展有效救援。

3、人員物品管理

室內定位可以為特殊人群如學生、病人、犯人等提供室內的定位監(jiān)護服務。具體地，為學生父母提供學生的到校情況；為公司員工提供簽到服務；為監(jiān)獄提供犯人活動情況匯報；為幼兒園設立電子圍欄提供實時監(jiān)護。

同時，室內定位也可以為倉儲提供物品的定位服務，方便物品的防盜、整理、運輸，提供全程的位置記錄。

4、智能交通

室內定位技術結合傳統(tǒng)定位技術可提供室內外無縫定位導航服務，可為車輛提供從道路到停車場的全程導航服務，同時也解決了大型復雜地下停車場的尋車難題。

5、大數據分析

室內定位可以記錄用戶的活動軌跡，對這些數據進行大數據分析，將用戶的位置與行為及其背后的興趣偏好聯(lián)系起來。因此，對室內定位數據進行挖掘和分析具有極大的商業(yè)價值和應用前景。例如對某商場的消費者活動進行分析，可以分析出消費者對某個店鋪的光顧頻率和停留時間，從而得出消費者的興趣和偏好以及店鋪熱度，為商業(yè)分析提供有力幫助。

6、社交網絡

社交網絡在人們的生活中扮演著重要的角色，位置是社交網絡的核心，在占人們生活時間80%左右的室內環(huán)境下，真實準確的位置能把朋友與活動關聯(lián)起來。

室內定位技術是當前熱門研究領域， 有著廣泛的應用前景，下一步的研究工作可以從以下幾個方面進行：

( 1) 提出新的定位方法。當前的定位技術都是建立在鄰近信息、場景分析和幾何特征三種定位方法之上的，假如可以提出新的定位方法， 那必然是一篇全新的領域，對室內定位技術起到巨大的推動作用。

( 2) 使用新的無線介質。目前的定位技術都是建立在傳統(tǒng)無線介質之上的， 各有優(yōu)缺點。假如能提出一種新的無線介質，可以克服之前的缺點，則會大幅促進室內定位技術的發(fā)展。

( 3) 多技術融合。鑒于目前的主流技術各有優(yōu)缺點， 各技術的融合將是取長補短的有力方法。但面臨的問題有通用標準化的問題，各技術無縫連接的問題，以及技術融合后的功耗問題等。

( 4) 現(xiàn)有技術優(yōu)化。主要是針對目前技術存在的缺點進行優(yōu)化。從之前的對比可以看出，目前技術的主要缺點集中在精度低、作用距離短、易受干擾、功耗大、依賴輔助設施、造價高等方面， 針對某一技術的某一缺點進行優(yōu)化改進， 將大幅提高該技術的實用性。