智能手表室內(nèi)定位技術(shù)簡(jiǎn)析

徐 偉，楊 麗，鐘 飛，鄔治平

（依波精品（深圳）有限公司，廣東 深圳 518107）

智能手表室內(nèi)定位技術(shù)簡(jiǎn)析

徐 偉，楊 麗，鐘 飛，鄔治平

（依波精品（深圳）有限公司，廣東 深圳 518107）

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的發(fā)展，位置服務(wù)日益成為人們生活、工作當(dāng)中不可缺少的一部分。與此同時(shí)，可穿戴設(shè)備的興起，促使對(duì)位置服務(wù)的需求進(jìn)一步提高，尤其是智能手表，監(jiān)護(hù)人隨時(shí)掌握兒童、老人的位置信息，就顯得至關(guān)重要。眾多擁有定位功能的智能手表，其GPS定位模塊已基本滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)室外定位的要求，但是室內(nèi)智能手表的定位精度仍不盡人意。因此，探討智能手表的室內(nèi)定位技術(shù)是很有必要的。

智能手表；室內(nèi)定位技術(shù)；WPS定位；慣性導(dǎo)航技術(shù)

1 定位技術(shù)原理

目前的定位原理大致上分為4種，分別是鄰近信息法、場(chǎng)景分析法、幾何特征定位法和慣性導(dǎo)航定位技術(shù)[2]。鄰近信息法是根據(jù)信號(hào)的作用范圍，大致定位信號(hào)源的位置；場(chǎng)景分析法需要事先知道場(chǎng)景位置的特征數(shù)據(jù)，對(duì)待測(cè)位置回傳信號(hào)進(jìn)行匹配，從而得出位置；幾何特征定位法主要有三邊定位、三角定位和雙曲線定位；慣性導(dǎo)航定位技術(shù)，以牛頓力學(xué)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)傳感器測(cè)得人體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)（比如加速度、步長(zhǎng)步數(shù)等），經(jīng)過(guò)計(jì)算實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的實(shí)時(shí)定位。

最常見(jiàn)的測(cè)距方法包括基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TOA）的方法、基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDOA）的方法、基于信號(hào)到達(dá)角度（AOA）的方法和基于信號(hào)強(qiáng)度（RSS）的方法[3]。

1.1 TOA定位

TOA（Time Of Arrival）定位就是測(cè)量出3個(gè)或者多個(gè)基站和移動(dòng)端之間的信號(hào)（電磁波）傳播時(shí)間，從而得到3個(gè)或多個(gè)基站到移動(dòng)端距離的估計(jì)值。TOA方程組有：

式（1）中：（x0，y0）為移動(dòng)端位置坐標(biāo)；（xi，yi）為基站i位置坐標(biāo)；i為第i個(gè)基站；c為電磁波傳播速度（光速）；ti為電磁波傳播時(shí)間。

圖1為T(mén)OA定位原理圖。

圖1 TOA定位原理圖

圖2 一種無(wú)解情形

在TOA定位原理圖中，D點(diǎn)作為移動(dòng)端位置，在具備了3個(gè)基站位置后，就能聯(lián)立方程組，求得移動(dòng)端具體的位置坐標(biāo)。但是，當(dāng)A，B，C3個(gè)圓不存在交于一點(diǎn)的情況時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致上述方程組（1）無(wú)解，圖2顯示的是較為特殊的一種無(wú)解情況，通過(guò)估算能得到移動(dòng)端的具體位置坐標(biāo)。

此時(shí)的估算結(jié)果為所圍區(qū)域（陰影）的預(yù)估值。其方法是：選取圓B和圓C的2個(gè)交點(diǎn)中離圓A近的點(diǎn)，確定點(diǎn)1，同理可以確定點(diǎn)2、點(diǎn)3.此時(shí)，點(diǎn)D的估算位置為：

其他無(wú)解情況，參照類(lèi)似解法，進(jìn)行移動(dòng)端位置的估算。從TOA定位技術(shù)的計(jì)算原理可以看到，各個(gè)基站和移動(dòng)端在接收信號(hào)時(shí)間上需要同步，任何很小的時(shí)間誤差將會(huì)被放大很多倍，又由于多徑效應(yīng)影響帶來(lái)的誤差，單純的TOA定位技術(shù)在實(shí)際中應(yīng)用很少。

1.2 TDOA定位

TDOA（Time Difference Of Arrival）定位技術(shù)是對(duì)TOA定位的改進(jìn)，將基站和移動(dòng)端的信號(hào)傳播時(shí)間t1，t2，t3兩兩做差，基站和移動(dòng)端之間構(gòu)建一個(gè)“測(cè)距差系統(tǒng)”?；疚恢么_定后，在二維空間中，移動(dòng)端到2個(gè)基站之間的距離差為常數(shù)的軌跡，即為一對(duì)曲線，因此TDOA定位系統(tǒng)也被稱(chēng)作“雙曲線系統(tǒng)”。

通過(guò)這一公式可知，這里以基站間的距離作為焦距，基站作為交點(diǎn)，建立雙曲線方程，此時(shí)移動(dòng)端的位置就在曲線上。在多個(gè)基站情形下，得到的多條雙曲線和TOA類(lèi)似，移動(dòng)端位置坐標(biāo)就是這些曲線的交點(diǎn)。

由于TDOA定位技術(shù)通過(guò)測(cè)得基站間的距離，會(huì)抵消掉信號(hào)在傳遞過(guò)程中的時(shí)間誤差和多徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差，因此相對(duì)于TOA來(lái)說(shuō)，精度有很大的提高，更具實(shí)用性。

1.3 AOA定位

AOA（Angle OfArrival）定位是一種兩基站無(wú)線定位方法，基于信號(hào)的入射角進(jìn)行定位，是一種典型的測(cè)角系統(tǒng)。

圖3為AOA定位技術(shù)原理圖。

圖3AOA定位技術(shù)原理圖

如圖3所示，基站和移動(dòng)端連線，基站和移動(dòng)端連接的射線形成2個(gè)夾角，即夾角1和夾角2，2條射線的交點(diǎn)就是移動(dòng)端的位置。此時(shí)有：

式（3）中：i為基站個(gè)數(shù)，在此i取1，2.

AOA通過(guò)兩線相交定位，具有唯一性，對(duì)于信號(hào)接收角度有很高的要求，必須配備方向性很強(qiáng)的天線陣列。當(dāng)移動(dòng)端距離基站較遠(yuǎn)時(shí)，基站定位角度的微小偏差會(huì)導(dǎo)致較大誤差。

1.4 RSS定位

在RSS定位技術(shù)中，利用無(wú)線信號(hào)在傳播過(guò)程中的衰減，從接收信號(hào)強(qiáng)度中推算出定位距離[4]，假定信號(hào)強(qiáng)度是信號(hào)發(fā)射端和接收端距離的一元函數(shù)，信號(hào)強(qiáng)度和距離的理想函數(shù)關(guān)系為：

式（4）中：P（r）為接收端的信號(hào)功率；r為信號(hào)發(fā)射接收端間距離；P（r0）為發(fā)射端信號(hào)功率；α為路徑損耗隨著距離r的增加而增加的速率。

在實(shí)際運(yùn)用中，需要考慮建筑物墻壁對(duì)信號(hào)傳遞的干擾。一種關(guān)于信號(hào)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式模型，考慮了信號(hào)傳遞中墻壁對(duì)信號(hào)輕度的衰減作用。

式（5）中：n為信號(hào)傳遞中穿過(guò)的隔墻數(shù)；WAF為隔墻衰減因子。

很明顯，RSS定位技術(shù)無(wú)需復(fù)雜的時(shí)鐘同步，但由于信道的快速衰落和無(wú)線信號(hào)傳輸環(huán)境的變化，即使接收端和發(fā)送端都不移動(dòng)，也可能出現(xiàn)嚴(yán)重的震蕩；信號(hào)在非直徑路徑上的衰減要大于直線路徑上的衰減，計(jì)算得到的路徑就要比實(shí)際的路徑長(zhǎng)，這樣定位就會(huì)產(chǎn)生很大的誤差[5]。

2 智能手表室內(nèi)定位技術(shù)

2.1 基于WIFI的定位系統(tǒng)

隨著WIFI網(wǎng)絡(luò)的盛行，越來(lái)越多的智能手表品牌（比如蘋(píng)果、三星、華為）也推出了可接入WIFI連接模塊的智能手表，實(shí)現(xiàn)了智能手表上APP的應(yīng)用和運(yùn)行。基于WIFI定位系統(tǒng)（WPS，WIFI-Based Positioning System），WIFI用戶(hù)將終端網(wǎng)卡主動(dòng)掃描或被動(dòng)監(jiān)聽(tīng)其接收范圍內(nèi)各個(gè)WIFI的信道接入點(diǎn)（AP，Access Point）的信號(hào)，通過(guò)監(jiān)聽(tīng)掃描所接收到的數(shù)據(jù)幀中的MAC地址和SSID來(lái)辨識(shí)所有AP，并收集記錄其相應(yīng)的數(shù)據(jù)。WIFI信號(hào)發(fā)射設(shè)備作為一個(gè)無(wú)線接入點(diǎn)，意味著實(shí)現(xiàn)了全球一個(gè)位置的一個(gè)唯一ID。對(duì)于一個(gè)空間位置來(lái)說(shuō)，AP的ID越多，定位也就會(huì)越準(zhǔn)確。AP采集并建立數(shù)據(jù)庫(kù)，采集的點(diǎn)越多，定位也就越準(zhǔn)確。

2.2 基于藍(lán)牙低功耗定位

藍(lán)牙（Buletooth）是一種設(shè)備間短距離無(wú)線通信技術(shù)，最新的藍(lán)牙4.0通訊距離達(dá)到了100 m，這為智能手表室內(nèi)定位提供了更大的技術(shù)空間，定位精度也能相應(yīng)地得到提升。藍(lán)牙定位一般是基于RSS原理進(jìn)行定位，分為網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位和終端側(cè)定位。其中的終端側(cè)定位系統(tǒng)，適用于智能手表的室內(nèi)定位技術(shù)。該系統(tǒng)由終端設(shè)備（比如智能手表）和beacon組成。在需要定位的區(qū)域內(nèi)建立藍(lán)牙基站，當(dāng)智能手表佩戴者進(jìn)入該區(qū)域內(nèi)時(shí)，就會(huì)測(cè)出beacon向其發(fā)送的廣播信號(hào)和數(shù)據(jù)包，得到不同基站下的RSS值、智能手表內(nèi)置的算法（三角或三邊算法等），進(jìn)而得到智能手表佩戴者的具體位置。

2.3 慣性導(dǎo)航定位

WPS室內(nèi)定位和藍(lán)牙室內(nèi)定位都是基于無(wú)線信號(hào)的發(fā)射或接收，對(duì)終端的定位必須要在室內(nèi)區(qū)域內(nèi)安裝有發(fā)射器或者接收器，無(wú)法單純地依靠終端進(jìn)行定位。但是隨著IC（Integrated Circuit）技術(shù)的快速發(fā)展，慣性傳感器的出現(xiàn)順利地解決了這一難題。慣性導(dǎo)航以牛頓力學(xué)理論為基礎(chǔ)，需要通過(guò)加速度計(jì)測(cè)得人或者物的移動(dòng)加速度，通過(guò)2次積分求距離；通過(guò)磁阻傳感器和角速度傳感器測(cè)量運(yùn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)體的實(shí)時(shí)定位。

表1 智能手表定位技術(shù)對(duì)比

3 幾種智能手表室內(nèi)定位技術(shù)的比較

通過(guò)上述分析，智能手表的室內(nèi)定位技術(shù)還是相對(duì)有限的，其中，基于無(wú)線電磁波短距離的定位（WPS定位、藍(lán)牙定位），都需要在區(qū)域內(nèi)布置相應(yīng)的WIFI發(fā)射設(shè)備或基站節(jié)點(diǎn)，前期的投入相對(duì)較大。但是隨著這些AP的增多，定位將更加精確，其中，慣性導(dǎo)航技術(shù)能夠依靠智能手表內(nèi)的傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算定位，這在某種程度上過(guò)于依靠傳感器的精度等級(jí)。幾種智能手表室內(nèi)定位技術(shù)的對(duì)比情況如表1所示。

［1］王楊，趙紅東.室內(nèi)定位技術(shù)綜述及發(fā)展前景展望［J］.測(cè)控技術(shù)，2016，35（7）：1-3.

［2］徐偉.基于Android手機(jī)的室內(nèi)定位技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.武漢：華中師范大學(xué)，2014.

［3］劉林.無(wú)線定位基本概念與原理［J］.學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，2007（4）：11-12.

［4］陳永光，李修和.基于信號(hào)強(qiáng)度的室內(nèi)定位技術(shù)［J］.電子學(xué)報(bào)，2004，32（9）：1457-1458.

［5］朱敏.室內(nèi)定位技術(shù)分析［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2008（277）：79-80.

TP391.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.015

2095－6835（2018）01－0015－03

目前，在市面的智能手表中，很多產(chǎn)品把多重定位技術(shù)作為一個(gè)賣(mài)點(diǎn)，主要是室外定位技術(shù)和室內(nèi)技術(shù)等某幾種定位技術(shù)的融合。其中，室外技術(shù)包括導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS（即GPS、GLANESS、GALILEO、北斗）和導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)（比如美國(guó)的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS、歐洲的EGNOS歐洲靜地導(dǎo)航重疊系統(tǒng)、日本的MSAS多功能運(yùn)輸衛(wèi)星增強(qiáng)系統(tǒng)等）。當(dāng)然，還要涵蓋在建和以后要建設(shè)的其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。室內(nèi)定位技術(shù)主要有基于WIFI的定位系統(tǒng)（WPS）、慣性傳感器定位技術(shù)、磁場(chǎng)強(qiáng)度室內(nèi)定位技術(shù)、紅外線定位技術(shù)、超聲波室內(nèi)定位技術(shù)、射頻識(shí)別定位技術(shù)、超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)、低功耗藍(lán)牙技術(shù)等[1]。目前適合于智能手表室內(nèi)定位技術(shù)的主要有WPS定位、基于藍(lán)牙的低功耗定位和慣性傳感器定位。

智能手表采用的定位技術(shù)GPS或者北斗，在室外廣闊的環(huán)境中能提供非常精確的定位信息，但是進(jìn)入室內(nèi)，由于鋼筋混凝土墻體的遮擋，GPS信號(hào)變?nèi)?，定位精度大幅度降低，因此針?duì)智能手表的室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展就顯得尤為重要。

〔編輯：劉曉芳〕