室內(nèi)定位技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

胡志慧 唐海

摘 要：隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展和智能移動(dòng)終端的普及應(yīng)用，基于位置服務(wù)的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。然而，GPS、北斗等衛(wèi)星定位系統(tǒng)在室內(nèi)的信號(hào)覆蓋差，無法滿足室內(nèi)定位精度的高要求。本文主要介紹了室內(nèi)位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和常見定位技術(shù)原理，并展望了未來的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：位置服務(wù);衛(wèi)星定位;室內(nèi)定位

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）04-0018-02

The Present Condition and Development of Indoor Positioning Technology

HU Zhihui TANG Hai

（School of Electrical & Information Engineering， Hubei University of Automotive Technology，Shiyan Hubei 442002）

Abstract： With the rapid development of wireless communication technology and the popular application of smart mobile terminals， location-based service technology has emerged. Because GPS， Beidou and other satellite positioning systems have poor indoor signal coverage， they can not meet the high requirements for indoor positioning accuracy.In this paper， the present situation of the indoor location service industry and the principle of common positioning technology were introduced， and the future development prospects were forecasted.

Keywords： location-based services;satellite positioning;indoor positioning

定位服務(wù)來源于英文Location Based Service。1994年，美國學(xué)者Schilit提出了定位服務(wù)的三大目標(biāo)：你在哪里、你和誰在一起以及你的附近有什么資源，構(gòu)成了LBS最基礎(chǔ)的內(nèi)容。目前，全球室外定位主要采用美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、中國北斗COMPASS以及歐洲的GALILEO這4套衛(wèi)星定位系統(tǒng)。它們提供的民商用信號(hào)定位精度均達(dá)到了10m以內(nèi)，軍用信號(hào)定位精度更是達(dá)到了厘米級(jí)別。然而，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)也存在局限性，在環(huán)境復(fù)雜的室內(nèi)效果大打折扣，如定位精度差、信號(hào)弱、顯示無法定位。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和室內(nèi)定位技術(shù)的創(chuàng)新，新型室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

1 位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

根據(jù)《2018中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》[1]，我國位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，產(chǎn)值已達(dá)到2 550億元，較2017年度增長20.4%。近年來，隨著移動(dòng)互聯(lián)的高速發(fā)展和云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的興起，傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展模式發(fā)生了改變，催生了眾多新業(yè)態(tài)。中國擁有全球最多的智能手機(jī)，人們對(duì)生活服務(wù)、出行及娛樂等的需求和習(xí)慣隨之改變，促使在室內(nèi)快速準(zhǔn)確獲得移動(dòng)終端的位置信息和提供位置服務(wù)的需求變得日益迫切。

中國現(xiàn)有火車站1 000余個(gè)，單日客流量超過1 000萬人;民用機(jī)場(chǎng)200多個(gè)，旅客年吞吐量已突破10億人;城市隨處可見的大型室內(nèi)停車場(chǎng)有車位數(shù)上千;1×105m2以上的大型倉庫數(shù)量不斷增加[2]。這些人們息息相關(guān)的生活場(chǎng)景，由于室內(nèi)空間日益龐大復(fù)雜，無法依靠傳統(tǒng)標(biāo)識(shí)進(jìn)行引導(dǎo)，需要依賴信息化的定位導(dǎo)航。例如，在火車站、飛機(jī)場(chǎng)，需要為旅客提供位置導(dǎo)航，同時(shí)監(jiān)控與分析客流，以便調(diào)度。在大型室內(nèi)停車場(chǎng)，需要為用戶提供停車、找車定位導(dǎo)航服務(wù)，以提高停車場(chǎng)管理效率和用戶停車體驗(yàn)。在大型倉庫，企業(yè)需要實(shí)現(xiàn)智能倉儲(chǔ)管理、自動(dòng)搬運(yùn)貨物以及貨物追蹤定位，以提高生產(chǎn)效率。

我國政府支持跨界融合的產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和應(yīng)用發(fā)展，2017年11月，在上海成功召開了第二屆全球室內(nèi)位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)峰會(huì)，成立了中國位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)生態(tài)協(xié)作圈的建立，提高了室內(nèi)位置服務(wù)全產(chǎn)業(yè)鏈競(jìng)爭能力，拓寬了應(yīng)用場(chǎng)景，引導(dǎo)了位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的健康穩(wěn)步發(fā)展。

2 室內(nèi)定位技術(shù)及原理

目前，室內(nèi)定位技術(shù)在國內(nèi)外都是研究熱門。美國高通公司和微軟研究院、澳大利亞Locate、芬蘭Ekahau及北京郵電大學(xué)等公司、研究機(jī)構(gòu)及國內(nèi)外大學(xué)，對(duì)室內(nèi)定位、室內(nèi)地圖等關(guān)鍵技術(shù)展開了深入研究，設(shè)計(jì)開發(fā)了各種室內(nèi)定位系統(tǒng)。室內(nèi)定位技術(shù)主要分為局域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)和廣域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)兩個(gè)方向。廣域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)需要特殊硬件的支持，花費(fèi)成本較高;而局域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)一般采用較常見的WiFi、藍(lán)牙及紅外線等技術(shù)，更適合商業(yè)推廣。

2.1 WiFi室內(nèi)定位技術(shù)

目前，室內(nèi)基本都有固定WiFi路由器供連接上網(wǎng)。WiFi定位采用指紋定位原理，選取多個(gè)AP（Access Point）采集指紋點(diǎn)構(gòu)造指紋地圖，完成信號(hào)比對(duì)，進(jìn)而完成定位。雖然這項(xiàng)技術(shù)的成本較低，使用普通上網(wǎng)路由器即可，但是采集數(shù)據(jù)較麻煩，需采集較多指紋點(diǎn)，且定位誤差要控制在3～5m[3]。

2.2 超聲波定位技術(shù)

超聲波定位技術(shù)需要特殊的超聲波發(fā)射源。已知超聲波傳播的速度為光速，測(cè)得至少3個(gè)發(fā)射源到待測(cè)點(diǎn)的時(shí)間，可得到發(fā)射源與待測(cè)點(diǎn)的距離，從而精確計(jì)算待測(cè)點(diǎn)的位置。這是利用幾何原理定位的，但是要發(fā)射源同步時(shí)鐘信號(hào)，并要求接受點(diǎn)能準(zhǔn)確計(jì)算信號(hào)到達(dá)時(shí)間，以便準(zhǔn)確定位。

2.3 藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)需要至少3個(gè)藍(lán)牙發(fā)射信號(hào)源，通過采集接收點(diǎn)藍(lán)牙信號(hào)的強(qiáng)度估算距離，從而使用幾何定位原理實(shí)現(xiàn)定位。目前，大部分手機(jī)終端都自帶藍(lán)牙模塊，可部署實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)，易受外部噪聲干擾，信號(hào)穩(wěn)定性較差，擴(kuò)散距離有限。

2.4 ZigBee定位技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種消耗功率低、傳輸速率低、花費(fèi)硬件資源少的無線即時(shí)通信技術(shù)。ZigBee定位技術(shù)需要特殊的信號(hào)發(fā)射器，利用幾何定位原理定位，技術(shù)實(shí)現(xiàn)和藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)類似。

2.5 紅外線定位技術(shù)

紅外線是一種波長介于無線電波和可見波之間的電磁波。紅外線定位技術(shù)通過室內(nèi)待定位設(shè)備上的光學(xué)傳感器接收到紅外線發(fā)射器發(fā)射的特定紅外線后進(jìn)行定位。1992年，AT&T實(shí)驗(yàn)室與Cambridge大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的Active Badge System被稱為第一代室內(nèi)定位系統(tǒng)，其平均定位精度可達(dá)到6m。2011年，德國Ambiplex提出的IR.Loc定位系統(tǒng)基于AOA測(cè)量熱輻射進(jìn)行定位，10m范圍內(nèi)的定位精度達(dá)到20～30cm[4]。

2.6 LED定位技術(shù)

LED定位技術(shù)是LED燈發(fā)出一定規(guī)律的光信號(hào)，通過設(shè)備的攝影頭接收光信號(hào)，然后分析光信號(hào)計(jì)算定位。該技術(shù)需使用特殊設(shè)備，成本較高，且分析光信號(hào)是技術(shù)難點(diǎn)。

2.7 超寬帶（UWB）定位技術(shù)

該技術(shù)通過到達(dá)時(shí)間差（TDOA）的不同實(shí)現(xiàn)定位，需提前部署多個(gè)信號(hào)發(fā)射源，測(cè)量不同的到達(dá)時(shí)間，以計(jì)算距離完成定位。雖然它具有體積小、功耗低、穿透力強(qiáng)、不易察覺和定位精度高等特點(diǎn)，但是系統(tǒng)建設(shè)成本較高，限制了技術(shù)的推廣應(yīng)用。

通過分析常見室內(nèi)定位技術(shù)，歸納其定位精度、部署成本等優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為組合/混合定位技術(shù)將成為未來室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

3 結(jié)語

隨著人們對(duì)室內(nèi)位置服務(wù)需求的持續(xù)增加、各種室內(nèi)定位技術(shù)的不斷發(fā)展和不同技術(shù)之間的互融與互補(bǔ)，室內(nèi)定位技術(shù)將日漸完善和精確。室內(nèi)位置服務(wù)使人與人、人與物、物與物之間的聯(lián)系更加緊密，真正實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]周慧.基于WiFi室內(nèi)定位技術(shù)研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2016.

[2]李同松.基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[3]華蕊，郝永平，楊芳.超聲波定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].國外電子測(cè)量技術(shù)，2009（6）：65-67.

[4]裴凌，劉東輝，錢久超.室內(nèi)定位技術(shù)與應(yīng)用綜述[J].導(dǎo)航定位與授時(shí)，2017（5）：1-10.