2020各種主流室內(nèi)定位技術(shù)之間的對(duì)比

室內(nèi)定位技術(shù)在過(guò)去的數(shù)年間正在諸多行業(yè)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，在我們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜絹?lái)越重要的角色。過(guò)去三十年間，以GPS為代表的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)重塑了人類生活，成為現(xiàn)代社會(huì)的一個(gè)重要技術(shù)里程碑。從地圖導(dǎo)航到社交網(wǎng)絡(luò)，位置服務(wù)都在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。另一方面，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市的面貌正在發(fā)生深刻的改變。

越來(lái)越多的摩天大樓、購(gòu)物商場(chǎng)、交通樞紐、體育場(chǎng)館、醫(yī)療中心正在成為城市新地標(biāo)。這些現(xiàn)代化的大型建筑，無(wú)一例外，都擁有巨量的室內(nèi)空間。智能手機(jī)及其他無(wú)線設(shè)備的普遍使用，更是直接引爆了對(duì)室內(nèi)位置數(shù)據(jù)的市場(chǎng)需求。然而，由于非視線通信問(wèn)題，GPS無(wú)法在室內(nèi)條件下提供可靠的位置數(shù)據(jù)。因此，室內(nèi)定位技術(shù)正在成為學(xué)術(shù)研究和行業(yè)應(yīng)用的熱點(diǎn)領(lǐng)域。

商用室內(nèi)定位系統(tǒng)依據(jù)其所依托的定位技術(shù)一般可以分為四類，以計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)為基礎(chǔ)的室內(nèi)定位系統(tǒng)、以無(wú)線通訊技術(shù)為基礎(chǔ)的室內(nèi)定位系統(tǒng)、以LED可見光技術(shù)為基礎(chǔ)的室內(nèi)定位系統(tǒng)和以地磁匹配為基礎(chǔ)的室內(nèi)定位技術(shù)。

不同室內(nèi)定位技術(shù)的對(duì)比及優(yōu)缺點(diǎn)如表1。要實(shí)現(xiàn)商業(yè)場(chǎng)景下可以落地的高精度室內(nèi)定位系統(tǒng)，不僅僅取決于某種技術(shù)本身的定位精度，更要綜合考慮環(huán)境、施工、部署、推廣等等因素。基于計(jì)算機(jī)視覺的室內(nèi)定位系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺算法，利用定位過(guò)程中攝像頭拍攝到的圖像信息與預(yù)先采集的定位場(chǎng)館的視覺照片數(shù)據(jù)庫(kù)做比對(duì)，從而確定人員的位置坐標(biāo)。

隨著近幾年人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)視覺的室內(nèi)定位系統(tǒng)精度有很大提升，一般在1到2米。其缺點(diǎn)較為明顯：如果是基于移動(dòng)智能設(shè)備的主動(dòng)定位，那么要求行人在定位過(guò)程中始終打開攝像頭；如果是被動(dòng)定位，那么需要預(yù)先在場(chǎng)館內(nèi)安裝大量高清攝像頭，工程造價(jià)較高。

無(wú)線電波通訊技術(shù)也可以用于構(gòu)建室內(nèi)定位系統(tǒng)，常見的Wi-Fi、藍(lán)牙低功耗、RFID、UWB、Zigbee都屬于這類。

室內(nèi)的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)不僅可以作為一般網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，也可以利用其空間傳播的路徑損耗效應(yīng)（pathloss）建立路徑損耗模型，從而實(shí)現(xiàn)位置數(shù)據(jù)的解算。其優(yōu)點(diǎn)是可以利用室內(nèi)已經(jīng)部署的Wi-Fi路由設(shè)備，無(wú)需額外部署。但是，如果場(chǎng)館本身沒有Wi-Fi設(shè)備，就需要額外部署。

其缺點(diǎn)是由于室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，無(wú)線電波在室內(nèi)空間傳播過(guò)程中還存在陰影效應(yīng)（shadowing）和多路傳播效應(yīng)（multipath），無(wú)論是模型法還是指紋法，都很難建立能夠真實(shí)反映室內(nèi)空間的傳播模型。因此，商用Wi-Fi室內(nèi)定位系統(tǒng)的定位精度一般在15米到25米左右，具體依賴于室內(nèi)已有的Wi-Fi設(shè)備數(shù)量及分布。

分別由蘋果公司推出的iBeacon協(xié)議及谷歌公司推出的Eddystone協(xié)議是藍(lán)牙低功耗技術(shù)在室內(nèi)定位領(lǐng)域的代表。其定位原理與Wi-Fi技術(shù)類似，優(yōu)點(diǎn)是藍(lán)牙低功耗設(shè)備功耗較低，無(wú)需額外供電，僅依靠紐扣電池即可。一般的智能手機(jī)也都擁有藍(lán)牙掃描的能力。其缺點(diǎn)是，要達(dá)到1-2米的定位精度需要在室內(nèi)部署大量的beacon設(shè)備。

RFID即射頻識(shí)別技術(shù)，利用射頻信號(hào)的電磁傳輸特性在射頻標(biāo)簽及射頻閱讀器之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率較高、安全性好，且不受非視線通信問(wèn)題困擾。其缺點(diǎn)是，需要在定位區(qū)域部署大量的RFID設(shè)備，且需要定位人員手持RFID標(biāo)簽，因此，在室內(nèi)定位領(lǐng)域沒有得到大規(guī)模商業(yè)推廣。

UWB即超廣波技術(shù)，可以在較低功耗的條件下于1納秒內(nèi)發(fā)送超過(guò)500MHz帶寬的脈沖信號(hào)，主要用于短距通信領(lǐng)域。其優(yōu)點(diǎn)是，由于其特殊的信號(hào)類型及頻譜，相對(duì)于其他無(wú)線電波信號(hào)，UWB信號(hào)在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境下不受多路效應(yīng)的影響，并具有極佳的障礙物穿透能力，定位精度可以達(dá)到10cm級(jí)別。

但是，UWB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定發(fā)展較為緩慢，因此其并未推廣到消費(fèi)電子領(lǐng)域，普通的移動(dòng)智能設(shè)備并不支持UWB協(xié)議，僅用于少數(shù)要求較高的特殊工業(yè)場(chǎng)景。此外，基于UWB技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)的搭建需要極高的硬件花費(fèi)和部署成本

Zigbee技術(shù)基于IEEE 802.15.4協(xié)議，主要用于低成本、低數(shù)據(jù)傳輸、低功耗的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。一般商業(yè)領(lǐng)域的絕大多數(shù)用戶智能設(shè)備并不支持這一協(xié)議，因此在商業(yè)室內(nèi)定位領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用不多。可見光通信技術(shù)利用LED光源發(fā)出的高頻閃爍信號(hào)來(lái)編碼LED發(fā)射源的位置坐標(biāo)信息，感光傳感器將接收到的可見光信號(hào)解碼并計(jì)算出移動(dòng)設(shè)備的位置信息。

其優(yōu)點(diǎn)是可以依托室內(nèi)已經(jīng)部署的LED燈光，且不受無(wú)線電波干擾的影響。其缺點(diǎn)是，要求LED燈光具備閃爍編碼功能，并且會(huì)由于非視線通信問(wèn)題造成定位精度急劇下降。基于地磁的室內(nèi)定位技術(shù)是近幾年逐漸在商業(yè)場(chǎng)景落地的一種新型定位技術(shù)。地球磁場(chǎng)是無(wú)處不在的，地球上任何一點(diǎn)的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)可以根據(jù)國(guó)際地磁和高空大氣物理協(xié)會(huì)（IAGA）發(fā)布的國(guó)際地磁參考場(chǎng)模型（IGRF）和地點(diǎn)經(jīng)緯度信息計(jì)算得出。

在鋼筋水泥混凝土的建筑物結(jié)構(gòu)內(nèi)，地磁場(chǎng)曲線受到鐵元素磁化后的影響而發(fā)生扭曲。這種扭曲只與室內(nèi)空間的相對(duì)位置相關(guān)，從而形成獨(dú)特的地磁指紋特征。如果預(yù)先采集室內(nèi)地磁指紋特征并生成地磁指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，那么就可以在定位時(shí)通過(guò)地磁數(shù)據(jù)信號(hào)解算出室內(nèi)位置。

其優(yōu)點(diǎn)是，地磁信號(hào)不存在非視線通信問(wèn)題，也沒有無(wú)線電波的陰影效應(yīng)及多路效應(yīng)等的干擾，只要室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)保持大體不變，地磁信號(hào)就是相對(duì)穩(wěn)定的。其缺點(diǎn)是，并非所有室內(nèi)位置的地磁指紋特征具備較強(qiáng)的特異性，因此會(huì)有相似特征的問(wèn)題，這就對(duì)算法的特征提取能力和魯棒性提出了更高的要求。

通常情況下，當(dāng)?shù)卮胖讣y特異性不足時(shí)，可以通過(guò)融合其他室內(nèi)定位技術(shù)的方式提高算法整體的收斂性。

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