室內定位方法和技術綜述

張勝利 焦誠 付永恒

摘要：位置服務是促進經濟社會發(fā)展的基本要素之一，當前GNSS技術和移動通信技術發(fā)展迅速，室外定位在強勁需求牽引下，技術不斷豐富完善，方案日益成熟完備，在移動互聯(lián)時代和物聯(lián)網時代背景下，室內定位技術及應用需求越來越迫切。本文闡述并梳理了室內定位主要算法原理，介紹了各種室內定位技術，在對主要技術指標進行了比較，展望了技術發(fā)展前景和演進趨勢，有一定參考提供參考。

關鍵詞：室內定位;方法;技術;綜述

中圖分類號：TP242? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-9416（2018）10-0000-00

1 概述

導航定位是人類生產生活的基本需要，羅盤、指南針等工具的發(fā)明促進了經濟社會發(fā)展。當今最普及的室外定位技術是全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）和移動通信網基站定位。GNSS定位原理：導航衛(wèi)星在軌連續(xù)播發(fā)導航電文，用戶接收4顆及以上衛(wèi)星，解算三維位置和時間信息。移動基站定位原理是：測量鄰近基站至用戶手機的下行導頻信號，獲取信號到達時間TOA（Time of Arrival）或到達時間差TDOA（Time Difference of Arrival），結合基站坐標解算用戶位置。衛(wèi)星定位覆蓋區(qū)域廣定位精度高，但受到建筑物遮蔽影響時，GNSS信號急劇衰落精度顯著降低，滿足不了室內定位需要;移動基站室內定位精度偏低也不能滿足精度要求。

人類80%的時間生活在室內，物聯(lián)網時代迫切需要在機場、地下停車場、物流倉儲、大型超市等場合，快捷地確定室內人員、終端、重要資產和重點目標等位置信息。因此開發(fā)了基于紅外線、A-GPS、射頻識別（RFID）、藍牙、超聲波、光跟蹤、超寬帶、無線局域網絡、偽衛(wèi)星、圖像分析計算機視覺等技術的多種室內定位方法，目前這些技術都存在一定局限，尚無一種普適性技術滿足各種場景下應用。

2 主要的室內定位算法

室內建筑墻體交錯、障礙物多樣、布局復雜多變，根據應用需要派生出不同的技術路線，涉及多技術多學科交叉融合，但是定位關鍵還是后臺核心算法。

鄰近探測法：布設發(fā)射節(jié)點向外輻射信號，定位時通過搜索信號估算信號源的距離和位置。該方法定位精度不高，參考點密度影響定位精度，優(yōu)點是易于搭建操作簡便成本低，適于精度要求不高的場景。

質心法：布設參考點，定位時根據待測目標探測到的所有參考點，求解其質心坐標則為近似坐標。質心坐標求解過程，就是對各參考點橫坐標和縱坐標取平均值，求解速度快。

極點法：只要一個參考點通過測量待測目標與參考點間離和方位，解算位置坐標。使用簡單方便，測量精度高，廣泛用于大地測量。

多邊定位法：通過參考點與待測目標間的距離測量，求解待測目標位置坐標，是使用最廣泛的定位算法。有四種測距方法：信號到達時間（TOA，Time of Arrival）、信號到達時間差（TDOA，Time Difference of Arrival）、信號到達角度（AOA，Angle of Arrival）和接收信號強度 （RSSI，Received Signal Strength Indication）。

——TOA 法，通過測量接收信號到達時間值，獲取待測節(jié)點與各信標節(jié)點間距離，以信標節(jié)點為圓心、距離值為半徑作3個圓，交點就是待測節(jié)點位置。TOA法要求各節(jié)點間時鐘精確同步，否則無法交匯于一點。

——TDOA法，需要至少3個參考節(jié)點，通過測量信號到達不同參考節(jié)點的時間差，通過交互獲得兩組時間差，定位歸結為求解兩組雙曲線交點。該方法資源要求低定位精度高。

——AOA法，通過2個以上信標節(jié)點，測量待測節(jié)點信號到達時的角度，解算位置坐標。AOA法精度隨天線角度測定精度變化，增加節(jié)點密度可提升精度。

——RSSI法，布設多個接收節(jié)點檢測信號功率，根據信號傳播損耗模型，計算各節(jié)點間距離，獲得發(fā)射節(jié)點位置。

場景分析法：也稱指紋定位法，預先采集室內各點信號特征參數，建立特征參數指紋數據庫，實時匹配接收信號獲取待測目標位置。優(yōu)點是參考點需求少定位精度高;缺點是準備工作量大，需建立參考點并采集指紋數據庫。

航位推算法：根據設定的初始參數，如起始坐標、時間、速度等，按時間變化規(guī)律估計當前位置坐標。行人航跡推算定位就是通過慣性傳感器對行人步數、步幅和方向進行檢測。

3主流室內定位技術

室內定位技術是測繪技術和信息技術的深度融合集成與綜合運用，多種方法各有優(yōu)劣，既可獨立使用也可組合使用。

3.1 WiFi定位技術

部署WiFi無線熱點（AP），AP均含有MAC地址和信號強度信息。MAC地址全球唯一用于確定具體AP;信號強度與AP間距離有函數關系，用于解算待測目標和AP間距離。待測目標掃描AP信號，獲取MAC地址和信號強度信息，送到位置服務器采用多邊定位或指紋數據庫等算法，解算位置并返回待測目標，精度取決于部署AP個數和信號穩(wěn)定程度。

地磁定位根據室內地磁場分布差異確定室內位置，與WiFi指紋定位類似，不作介紹。

3.2 慣性導航技術

慣性導航是一種自主式導航技術，利用陀螺儀、慣性傳感器、加速度傳感器等組件，采集載體速度、方向、加速度等數據，經過積分運用航位外推算法獲取自身位置。慣導一般安裝在待測目標內部，工作時不需外部數據，不向外輻射能量也不易受外部干擾，但啟動后精度誤差隨時間逐漸積累需外界定期校準。

3.3 藍牙室內定位技術

藍牙是一種使用2.4～2.485GHz的ISM頻段的短距離通信無線技術標準，可低成本實現固定和移動信息設備互聯(lián)組網。藍牙與WiFi定位差別不大，用于精度較WiFi略高的小范圍定位場景。部署藍牙局域網接入點，保證局域網藍牙接入點始終是主設備，網絡連接模式配置為基于多用戶的基礎網絡，采用近鄰法、多邊定位法、信號強度測量等定位算法解算位置。

ZigBee與藍牙二者定位技術類似，不再作介紹。

3.4 RFID定位技術

RFID（Radio Frequency Identification） 無線射頻識別，是一種用于識別特定目標并讀寫相關數據的非接觸無線通信技術。由RFID標簽和閱讀器構成，通過在定位區(qū)域設置若干固定RFID閱讀器，待測目標上安置RFID標簽，RFID標簽存儲如身份ID、接收信號強度等特征參數。閱讀器讀取RFID標簽的信息，采用相關算法確定標簽所在位置坐標。

RFID定位技術雖然作用范圍較小僅幾十米，但具有電磁場非視距傳輸優(yōu)點使用成本低，能在幾毫秒內獲得厘米級精度的定位信息。緊急救援、資產管理、人員追蹤等領域大量應用RFID定位技術。

3.5 紅外線室內定位方法

紅外線是波長1mm到760nm之間的電磁波，具有反射、散射、折射等特性。高于絕對零度（-273.15攝氏度）的物質都向外輻射紅外線。

一種方法是部署多個固定節(jié)點安裝接收器，在待測目標上安裝發(fā)射器發(fā)射調制的紅外線，采用相關算法確定位置。優(yōu)點是定位精確反應靈敏，缺陷是紅外線僅適于視距傳播、無法穿透障礙物作用距離短，且易受到熒光燈等光線干擾難以精確定位。

另外一種方法是部署多對紅外線發(fā)收器，利用紅外線編織成網覆蓋待測空間，直接對空間內運動目標進行定位。優(yōu)勢是待測目標不必攜帶任何定位標簽隱蔽性強，常用于較高等級的安防領域。劣勢是需布設大量紅外收發(fā)器成本偏高。

3.6 超聲波定位技術

超聲波穿透力強，方向性好，是頻率高于20KHz的聲波。超聲波定位系統(tǒng)由若干應答器和一個主測距器組成，采用反射式測距方式，待測目標安裝主測距器發(fā)送同頻信號，室內固定位置安裝多應答器接收超聲波后將信號反射回主測距器，通過解算獲得相互間距離，采用多邊定位等相關算法求解待測目標坐標。

超聲波定位精度高達厘米級而且結構簡單;缺點是大量的底層硬件設施投資成本較高，非視距傳播和多徑效應影響定位精度。

3.7 超寬帶（UWB）定位技術

超寬帶（UWB）是一種穿透能力較強的無載波窄脈沖無線技術，傳輸速率達1Gbps，發(fā)射功率較低。工作原理是定位區(qū)域布設四個以上坐標已知的定位基站，在待測目標上安放UWB定位標簽，標簽按一定頻率發(fā)射脈沖與定位基站間通信，使用TDOA到達時間差等方法獲取相互間距離，采用多邊定位或者指紋定位方法確定位置。

超寬帶系統(tǒng)穿透力強、定位精度高、抗多徑效應好、功耗低、系統(tǒng)復雜度低，適于室內動態(tài)和靜止物體以及人員定位跟蹤與導航，具有廣闊應用前景。缺點是UWB建設成本高難以大范圍室內覆蓋。

3.8 LED可見光定位技術

LED可見光定位技術高效節(jié)能不易受到電磁干擾，兼具照明和定位兩種功能。是在室內布設帶有位置信息的LED陣列發(fā)送信號，待測目標攜帶光探測器接收信號，解調實現距離測量，采用相應算法確定待測目標的位置坐標，還可利用接收燈光到達角度進一步修正定位結果。高通公司據此方法達到厘米級精度。

3.9 各種室內定位技術比較

各種室內定位技術的不同參數指標對比如表1所示。

4 結語

綜上可知，室內定位應用環(huán)境復雜需求多樣，研究人員針對各種室內應用場景，開發(fā)了適應不同需求的定位方法和技術，定位精度、穩(wěn)健性等指標不斷提高，但是室內定位技術種類偏多，尚未形成普適性的解決方案，一定程度阻礙了行業(yè)發(fā)展。

當前室內定位技術研究，呈現出GPS位置信息、慣導信息、移動基站定位信息和其它信息深度融合，多種方法優(yōu)勢互補、多學科相互交叉、多源信號處理、多元信息融合發(fā)展的趨勢，各類技術相互汲取優(yōu)勢彌補不足，不斷迭代演進是基本發(fā)展途徑，隨著的物聯(lián)網、無線通信等技術的發(fā)展和普及，更加完備優(yōu)化的室內定位方法和技術將不斷涌現，室內定位應用將迎來新的發(fā)展機遇，在經濟社會發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

參考文獻

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Overview of Indoor Positioning Methods and Techniques

ZHANG Sheng-li，JIAO Cheng，FU Yong-heng

（Beijing Satellite Navigation Center，Beijing? 100094）

Abstract： Location service is one of the basic elements to promote economic and social development. Currently， GNSS technology and mobile communication technology are developing rapidly. Outdoor positioning is under the traction of strong demand. The technology is continuously enriched and perfected， and the program is increasingly mature and complete. In the era of mobile internet and the Internet of Things Under the background of the times， indoor positioning technology and application requirements are becoming more and more urgent. This paper expounds and sorts out the main algorithm principle of indoor positioning， introduces various indoor positioning technologies， compares the main technical indicators， and forecasts the development prospects and evolution trends of the technology.

Keywords： indoor positioning; method; technology; review