物聯(lián)網(wǎng)定位技術超全解析！定位正在從室外走向室內

賈靜靜

摘 要：隨著社會的進步和科技的發(fā)展，定位技術在技術手段、定位精度、可用性等方面均取得了質的飛越，并且逐步從航海、航天、航空、測繪、軍事、自然災害預防等領域滲透到社會生活的方方面面，成為人們日常生活中不可或缺的重要應用——如人員搜尋、位置查找、交通管理、車輛導航與路線規(guī)劃等。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；定位技術

早在15世紀，當人類開始探索海洋時，定位技術也隨之而生。當時的定位方法十分粗糙，僅僅運用航海圖和星象圖確定自身位置。

隨著社會的進步和科技的發(fā)展，定位技術在技術手段、定位精度、可用性等方面均取得了質的飛越，并且逐步從航海、航天、航空、測繪、軍事、自然災害預防等領域滲透到社會生活的方方面面，成為人們日常生活中不可或缺的重要應用——如人員搜尋、位置查找、交通管理、車輛導航與路線規(guī)劃等。

總體來說，定位可以按照使用場景的不同劃分為室內定位和室外定位兩大類，因為場景不同，需求亦不同，所以采用的定位技術也不盡相同。

目前，應用于室外定位的主流技術主要包括衛(wèi)星定位和基站定位兩種。

1 衛(wèi)星定位

衛(wèi)星定位即通過接收衛(wèi)星提供的經(jīng)緯度坐標信號來進行定位，衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要包括美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）、歐洲伽利略（GALILEO）系統(tǒng)、中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其中GPS是現(xiàn)階段應用最為廣泛、技術最為成熟的衛(wèi)星定位技術。

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分、用戶設備部分組成。

空間部分由24 顆工作衛(wèi)星組成，它們均勻分布在6 個軌道面上（每個軌道面4 顆），衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。

控制部分主要由監(jiān)測站、主控站、備用主控站、信息注入站構成，主要負責GPS衛(wèi)星陣的管理控制。

用戶設備部分主要為GPS接收機，其主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲得定位信息和觀測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)定位。

GPS定位即通過四顆已知位置的衛(wèi)星來確定GPS接收器的位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層的干擾，這一距離并非用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距）。

當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導航電文。導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。然而，由于用戶接收機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘并非時刻同步，因此，除用戶的三維坐標x、y、z外，還要引進一個變量t，即將衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程對這4個未知數(shù)求解。若想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。

衛(wèi)星定位雖然精度高、覆蓋廣，但其成本昂貴、功耗大，并不適合于所有用戶。GPS定位原理如圖1所示。

2 基站定位

基站定位一般應用于手機用戶，手機基站定位服務又叫做移動位置服務（Location Based Service，LBS），可通過電信移動運營商的網(wǎng)絡（如GSM網(wǎng)）獲取移動終端用戶的位置信息。

手機等移動設備在插入SIM卡開機后，會主動搜索周圍的基站信息，并與基站建立聯(lián)系。在可以搜索到信號的區(qū)域，手機可搜索到不止一個基站，但遠近程度不同，再進行通信時會選取距離最近、信號最強的基站作為通信基站。其余基站并非無用基站，當使用者位置發(fā)生移動時，不同基站的信號強度亦會發(fā)生變化。如果基站A的信號不如基站B強度高，那么手機為了防止突然間中斷鏈接，會先和基站B通信，協(xié)調好通信方式后便會從A切換到B。而這也解釋了為什么待機一天，在火車上比在家里耗電多的原因。

基站定位的原理很簡單，距離基站越遠，信號越差，根據(jù)手機接收的信號強度可以大致估計距離基站的遠近，當手機同時搜索到至少三個基站的信號時，大致可以估計出距離基站的遠近；基站在移動網(wǎng)絡中是唯一確定的，其地理位置也是唯一的，因此可以得到三個基站（三個點）與手機的距離，而根據(jù)三點定位原理，以基站為圓心，距離為半徑，多次畫圓得到的圓的交點就是手機的位置?；尽叭c定位”原理如圖2所示。

由于基站定位時，信號很容易受到干擾，且精度誤差約為150 m，故無法為開車導航。該方法的定位條件是處在有基站信號的位置，手機處于SIM卡注冊狀態(tài)（飛行模式下開WiFi和拔出SIM卡都不行）且必須收到3個基站的信號（無論是否在室內）。但定位速度快，一旦有信號就可以定位，目前主要用途是在沒有GPS與WiFi的情況下快速大致了解自身的位置。兩種室外定位技術對比見表1所列。

GPS和基站定位技術基本滿足了用戶在室外場景中對位置服務的需求。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(wǎng)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(chǎn)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應用和商業(yè)潛能。許多公司包括OS提供商、服務提供商及設備和芯片提供商都在競爭這個市場。

3 室內定位應用

室內定位即通過技術手段獲知人們在室內所處的實時位置或者行動軌跡?；谶@些信息能夠實現(xiàn)多種應用。

大型商場中的商戶能夠通過室內定位技術獲知哪些地方人流量最大，客人們通常會選擇哪些行動路線等，從而更科學地布置柜臺或者選擇舉辦促銷活動的地點。

客人也可以利用室內定位技術更方便地找到所需購買物品的擺放區(qū)域，并獲得前往該處的最佳路線。

家長不用再擔心孩子在商場中走失，通過室內定位技術可以實時定位孩子的位置。

公司的管理者則可以運用室內定位技術實時獲知室內的人員狀況，從而更好地優(yōu)化空調的使用等，達到節(jié)能減排的目的，還能夠有效提高安全保衛(wèi)水平。

通過部署室內定位技術，電信運營商能夠更好地找到室內覆蓋的“盲點”和“熱點”區(qū)域，更好地為用戶提供室內通信服務。

4 室內定位面臨的挑戰(zhàn)

與室外定位相比，室內定位面臨很多獨特的挑戰(zhàn)，比如室內的環(huán)境動態(tài)性很強且種類多樣，不同的大廈會有不同的室內布局；室內的環(huán)境更加精細。因此需要更高的精度來分辨不同的特征。

室內定位解決方案主要包括精度、覆蓋范圍、可靠性、成本、功耗、可擴展性和響應時間等要素。

精度：不同應用對精度的要求差別很大，比如在超市或倉庫，尋找一個特定商品可能需要1 m甚至更低的精度，而如果在購物中心尋找一個特定的品牌或餐館，5～10 m的精度就能滿足要求。

覆蓋范圍：覆蓋范圍主要是指一種技術或解決方案可以在多大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。

可靠性：一方面，室內環(huán)境動態(tài)性很強，會經(jīng)常發(fā)生改變，比如商場的設置和隔斷會經(jīng)常發(fā)生變化；另一方面，定位所依賴的基礎設施也會經(jīng)常發(fā)生變化。如一些大型會議，參展商會架設自己的WiFi熱點，但這些設施會動態(tài)變換位置，甚至時開時關。

成本和復雜度：成本和復雜度指標涵蓋兩個方面，一是定位終端的成本，是否可用終端已有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的設施和采集相關數(shù)據(jù)庫。

功耗：定位所產(chǎn)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而言，如果功耗大對設備電量消耗過大，就會在很大程度上限制用戶的使用。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。因此，若要實現(xiàn)隨時隨地的位置感知，須降低定位所增加的設備額外功耗。

可擴展性：可擴展性指一個解決方案擴展到更大覆蓋范圍使用的能力，以及方便地移植到不同環(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，如移動用戶和導航應用需要快速的位置更新。

5 蓬勃發(fā)展的室內定位技術

室內定位技術分支多樣，圖3所示為各種室內定位方案的對比。

目前室內定位常用的定位方法從原理上主要分為鄰近探測法、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。不同算法的描述與特點見表2所列。

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出算法所需信息。主要觀測量的簡要介紹見表3所列。

5.1 WiFi定位技術

目前WiFi是相對成熟且應用較多的技術，這幾年有不少公司投入到了該領域。WiFi室內定位技術主要有兩種。

WiFi定位一般采用“近鄰法”判斷，即最靠近哪個熱點或基站，即認為處在什么位置。若附近有多個信源，則可通過交叉定位（三角定位）提高定位精度。

由于WiFi已普及，因此無需鋪設專門的設備用于定位。用戶在使用智能手機時開啟WiFi、移動蜂窩網(wǎng)絡就可能成為數(shù)據(jù)源。該技術具有便于擴展、可自動更新數(shù)據(jù)、成本低等優(yōu)勢，因此最先實現(xiàn)了規(guī)?；?。

但WiFi熱點受周圍環(huán)境的影響較大，精度較低。為了提高定位精度，部分公司做了WiFi指紋采集，事先記錄巨量確定位置點的信號強度，通過對比新加入的設備信號強度與擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫來確定位置。由于采集工作需要耗費大量人力，且要定期進行維護，導致技術難以擴展。

WiFi定位可以實現(xiàn)復雜的大范圍定位，但精度僅約2 m，無法精準定位。因此該方法適用于對人或車的定位導航，或醫(yī)療機構、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導航的場合。

5.2 FRID定位

RFID定位的基本原理是通過一組固定的閱讀器讀取目標RFID標簽的特征信息（如身份ID、接收信號強度等），同樣可以采用近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方法確定標簽所在位置。

這種技術雖然作用距離短（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，且傳輸范圍大，成本較低。同時由于其非接觸和非視距等優(yōu)點，有望成為優(yōu)選的室內定位技術。

目前，射頻識別研究的熱點和難點在于理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標準化等問題。其雖具有標識的體積較小、造價較低等優(yōu)點，但由于作用距離近，不具有通信能力，且不便于整合到其他系統(tǒng)中，無法做到精準定位，且布設讀卡器和天線難度大、成本高。

5.3 紅外技術

紅外線是一種波長在無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外定位主要包括兩種具體實現(xiàn)方法。一種是為定位對象附上一個會發(fā)射紅外線的電子標簽，通過室內安放的多個紅外傳感器測量信號源的距離或角度，從而計算出對象所在的位置。這種方法在空曠的室內容易實現(xiàn)較高精度，可實現(xiàn)對紅外輻射源的被動定位，但由于紅外很容易被障礙物遮擋，傳輸距離不長，因此需要大量部署傳感器，導致硬件和施工成本較高。此外，紅外易受熱源、燈光等干擾，導致定位精度和準確度下降。該技術目前主要用于軍事方面，可對飛行器、坦克、導彈等紅外輻射源進行被動定位，也可用于室內自走機器人的位置定位。另一種紅外定位方法是紅外織網(wǎng)，即通過多對發(fā)射器和接收器織成的紅外線網(wǎng)覆蓋待測空間，直接對運動目標進行定位。這種方式的優(yōu)勢在于定位對象無需攜帶任何終端或標簽，隱蔽性強，常用于安防領域。劣勢在于要實現(xiàn)精度較高的定位需要部署大量紅外接收和發(fā)射器，成本較高，因此只有高等級的安防才會采用此技術。

5.4 超聲波技術

超聲波定位目前大多采用反射式測距法。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，各電子標簽放置于室內空間的固定位置。

定位過程：先由上位機發(fā)送同頻率的信號給各電子標簽，待電子標簽接收后反射傳輸給主測距器，從而確定各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主要有兩種。一種是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，因此，可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方法，在移動機器人身上的4個朝向安裝4個超聲波傳感器，將待定位空間分區(qū)，由超聲波傳感器測距形成坐標，可從總體上把握數(shù)據(jù)，抗干擾性強，精度高，同時還可用于解決機器人迷路問題。

超聲波定位精度可達厘米級，精度較高。缺陷是超聲波在傳輸過程中衰減明顯，從而影響其定位有效范圍。

5.5 藍牙技術

藍牙定位基于信號場強指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）定位原理，根據(jù)定位端的不同，其定位方式分為網(wǎng)絡側定位和終端側定位兩種。

網(wǎng)絡側定位系統(tǒng)由終端（手機等帶低功耗藍牙的終端）、藍牙beacon節(jié)點，藍牙網(wǎng)關，無線局域網(wǎng)及后端數(shù)據(jù)服務器構成。其具體定位過程如下：

（1）首先在區(qū)域內鋪設beacon和藍牙網(wǎng)關；

（2）當終端進入beacon信號覆蓋范圍后，終端就能感應到beacon的廣播信號，在某beacon下的RSSI值通過藍牙網(wǎng)關經(jīng)WiFi網(wǎng)絡傳送到后端數(shù)據(jù)服務器，通過服務器內置的定位算法測算出終端的具體位置。

終端側定位系統(tǒng)由終端設備（如嵌入SDK軟件包的手機）和beacon組成。其具體定位原理如下：

（1）首先在區(qū)域內鋪設藍牙信標；

（2）beacon不斷向周圍廣播信號和數(shù)據(jù)包；

（3）當終端設備進入beacon信號覆蓋范圍后，測出其在不同基站下的RSSI值，然后再通過手機內置的定位算法測算出具體位置。

終端側定位一般用于室內定位導航、精準位置營銷等用戶終端；而網(wǎng)絡側定位主要用于人員跟蹤定位、資產(chǎn)定位及客流分析等情境。藍牙定位的優(yōu)勢在于實現(xiàn)簡單，定位精度與藍牙信標的鋪設密度及發(fā)射功率有密切關系?？赏ㄟ^深度睡眠、免連接、協(xié)議簡單等方式達到省電的目的。

5.6 慣性導航技術

這是一種純客戶端的技術，主要利用終端慣性傳感器采集的運動數(shù)據(jù)，如加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等信息，基于航位推測法，經(jīng)過各種運算得到物體的位置信息。隨著行走時間的增加，慣性導航定位的誤差也在不斷累積，需要外界更高精度的數(shù)據(jù)源對其進行校準。所以現(xiàn)在慣性導航一般和WiFi指紋結合在一起， 每過一段時間通過WiFi請求室內位置，以此來對MEMS產(chǎn)生的誤差進行修正。目前該技術的商用比較成熟，已在掃地機器人中得到應用。

5.7 超寬帶定位技術

超寬帶（UWB）技術是近年來新興的一項全新的與傳統(tǒng)通信技術有極大差異的無線通信新技術。無需使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，只通過發(fā)送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.1～10.6 GHz量級帶寬。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、發(fā)射功率較低、穿透能力較強且基于極窄脈沖的無線技術，無載波。正是這些優(yōu)點，使得它在室內定位中能夠得到較為精確的結果。

超寬帶定位技術利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點和橋節(jié)點，與新加入的盲節(jié)點進行通信，并利用三角定位或“指紋”定位方式來確定位置。

超寬帶可用于室內精確定位，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，超寬帶技術可應用于室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航。根據(jù)不同公司使用的技術手段或算法不同，精度可保持在0.1～0.5 m范圍內。

5.8 LED可見光技術

可見光是一個新興領域，通過對每個LED燈進行編碼，將ID調制在燈光上，燈會不斷發(fā)射自己的ID，可通過手機前置攝像頭來識別這些編碼。利用所獲取的識別信息在地圖數(shù)據(jù)庫中確定對應的位置信息，完成定位。

根據(jù)燈光到達的角度進一步細化定位結果，目前高通公司已達到了厘米級定位精度。由于無需額外部署基礎設施，終端數(shù)量的擴大對性能沒有任何影響，可達到非常高的精度，該技術被高通公司看好。

目前，北美有很多商場已開始使用可見光技術。用戶下載應用，到達商場里某一個貨架后，可通過檢測貨架周圍的燈光知曉具體位置，商家通過此種方法向消費者推送商品折扣等信息。

5.9 地磁定位技術

地球可視為一個磁偶極，其中一極位于地理北極附近，另一極位于地理南極附近。地磁場包括基本磁場和變化磁場兩部分?；敬艌鍪堑卮艌龅闹饕糠郑鹪从诘厍騼炔?，比較穩(wěn)定，屬于靜磁場。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源于地球內部，相對比較微弱。

現(xiàn)代建筑的鋼筋混凝土結構會在局部范圍內對地磁產(chǎn)生干擾，指南針也可能因此受到影響。原則上說，非均勻的磁場環(huán)境會因其路徑不同而產(chǎn)生不同的磁場觀測結果。這種被稱為IndoorAtlas的定位技術，正是利用了地磁在室內的此種變化進行室內導航，且導航精度已達到0.1～2 m。

但使用地磁定位技術進行導航稍顯麻煩，需要先將室內樓層平面圖上傳到IndoorAtlas 提供的地圖云中，然后使用其移動客戶端實地記錄目標地點不同方位的地磁場。只有將記錄的地磁數(shù)據(jù)經(jīng)客戶端上傳至云端，其他人才能夠利用已記錄的地磁進行精確的室內導航。

百度于2014年戰(zhàn)略投資了地磁定位技術開發(fā)商IndoorAtlas，并于2015年6月宣布在自己的地圖應用中使用其地磁定位技術，將該技術與WiFi熱點地圖、慣性導航技術聯(lián)合使用。在宣傳商業(yè)應用中，可達到米級定位標準，但磁信號容易受環(huán)境中不斷變化的電、磁信號源干擾，定位結果不穩(wěn)定，影響精度。

5.10 視覺定位

視覺定位系統(tǒng)可以分為兩類：一類是通過移動的傳感器（如攝像頭）采集圖像確定該傳感器的位置；另一類是固定位置的傳感器確定圖像中待測目標的位置。根據(jù)所選參考點的不同又可分為參考三維建筑模型、圖像、預部署目標、投影目標、參考其他傳感器和無參考等。

參考3D建筑模型和圖像分別是將已有建筑結構數(shù)據(jù)庫和預先標定的圖像進行比對。而為了提高魯棒性，參考預部署目標使用布置好的特定圖像標志（如二維碼）作為參考點；投影目標則在參考預部署目標的基礎上在室內環(huán)境投影參考點。參考其他傳感器則可融合其他傳感器數(shù)據(jù)以提高精度、覆蓋范圍或魯棒性。

除了以上提及的，目前定位技術的種類多達幾十甚至上百種，而每種定位技術都有自己的優(yōu)缺點和適合的應用場景，沒有絕對的勝負之分。根據(jù)不用的需求因地制宜地部署解決方案方為上策。