常用室內(nèi)定位方法與技術(shù)概述

桑媛

摘?要： 隨著信息技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日趨成熟，移動(dòng)設(shè)備的室內(nèi)感知與定位需求也越來(lái)越高。為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備的室內(nèi)定位，多種室內(nèi)定位方法被提出?；诖?，本文簡(jiǎn)要介紹了較為常用的幾種室內(nèi)定位算法，并分析其適用特點(diǎn)與使用環(huán)境。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)?室內(nèi)定位?RSSI TOA RFID

中圖分類號(hào)：TN929.5??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????文章編號(hào)：1003-9082（2020）09-00-01

一、室內(nèi)定位概述

隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)基于位置信息的服務(wù)的需求日益增多，尤其是室內(nèi)定位服務(wù)。當(dāng)前，常用的GNSS定位只用于戶外場(chǎng)景的定位和導(dǎo)航，在室內(nèi)環(huán)境中，由于衛(wèi)星信號(hào)無(wú)法穿透建筑物，GNSS難以發(fā)揮正常的功效，并且室內(nèi)環(huán)境和戶外相比更加復(fù)雜，在室內(nèi)傳播時(shí)，無(wú)線信號(hào)可能會(huì)產(chǎn)生多徑、折射、衍射效應(yīng)等現(xiàn)象，不利于終端設(shè)備對(duì)信號(hào)的判斷。因此，需要室內(nèi)定位相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行研究。

室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景十分廣闊，例如，在大型超市，利用室內(nèi)定位技術(shù)可以提供超市內(nèi)部的導(dǎo)航，以及基于顧客位置的商品信息的推送服務(wù);在機(jī)場(chǎng)、火車站，根據(jù)旅客的位置提供導(dǎo)航與查找服務(wù);在地下停車場(chǎng)，利用室內(nèi)定位技術(shù)能夠獲取到車輛停放的位置和停車場(chǎng)的方位信息等。

在室內(nèi)定位研究中，如何解決無(wú)線電波的各種傳播效應(yīng)，獲取目的節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的距離，同時(shí)控制整個(gè)定位成本，減少大空間中錨節(jié)點(diǎn)數(shù)量，使方案切實(shí)可行便于實(shí)施，是現(xiàn)在室內(nèi)定位研究進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化部署的重點(diǎn)。

二、室內(nèi)定位算法概述

目前室內(nèi)定位的實(shí)現(xiàn)算法主要依靠信號(hào)的傳播特性進(jìn)行定位。

1.基于RSSI的室內(nèi)定位算法

無(wú)線信號(hào)在傳播的過程中，其強(qiáng)度（RSSI）會(huì)隨著距離的增加而減少。而RSSI的具體數(shù)值可以在接收機(jī)端被檢測(cè)到，若將RSSI數(shù)值進(jìn)行提取，并換算成距離值，即可獲得兩個(gè)無(wú)線通信節(jié)點(diǎn)之間的距離。

由于RSSI獲取簡(jiǎn)單，成本可控，上述定位方法被廣泛研究應(yīng)用。典型的應(yīng)用場(chǎng)景為：空間中存在3個(gè)已知節(jié)點(diǎn)（通常稱為錨節(jié)點(diǎn)）和1個(gè)未知節(jié)點(diǎn)（即被定位節(jié)點(diǎn)），未知節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送無(wú)線定位數(shù)據(jù)包，錨節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到未知節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)后，根據(jù)RSSI的值換算出未知節(jié)點(diǎn)與該錨節(jié)點(diǎn)的距離。最后結(jié)合未知節(jié)點(diǎn)與3個(gè)錨節(jié)點(diǎn)的距離，以獲取未知節(jié)點(diǎn)在空間中的坐標(biāo) 。

這種方法被廣泛應(yīng)用于多種通信協(xié)議中，包括WLAN協(xié)議、ZigBee協(xié)議等。符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的芯片CC2431中還集成了一個(gè)RSSI定位引擎。然而，基于RSSI的定位算法也存在一定的缺陷：首先，RSSI值隨著距離的增加衰減很慢，因此當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間距離較遠(yuǎn)的時(shí)候，其定位精度很低;其次，由于無(wú)線信號(hào)的衰減與溫度、濕度、信號(hào)多徑、室內(nèi)場(chǎng)景等均存在很大的關(guān)聯(lián)，因此RSSI的值受外界環(huán)境影響很大。

2.基于TOA/TDOA的室內(nèi)定位算法

基于TOA的三維定位方法是，通過測(cè)量收、發(fā)天線間信號(hào)的傳播時(shí)間，在已知信號(hào)的傳播速度后即可得出距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。在室內(nèi)環(huán)境中，通常由于存在NLOS以及多徑效應(yīng)等問題，造成TOA的測(cè)量值與真實(shí)值之間存在較大偏差，因此為取得較好的定位效果，需要盡量消除NLOS和多徑效應(yīng)對(duì)測(cè)距產(chǎn)生的影響。

在實(shí)際環(huán)境中，測(cè)量得到的時(shí)間信號(hào)傳播時(shí)間一般含有誤差，因?yàn)榇嬖谠肼?、時(shí)間同步、硬件設(shè)備精度的影響，所以定位方程組一般沒有唯一解，而是存在無(wú)解、多解的情況。在無(wú)解的情況下，可以將已有的定位場(chǎng)景地圖結(jié)合待定位節(jié)點(diǎn)的歷史信息進(jìn)行擬合。由于目前的硬件設(shè)施精度均比較高，一般很少存在無(wú)解的情況，室內(nèi)定位的精度更大程度上取決于定位方程在多解情況下的處理。建立起一套適用的三維定位算法，對(duì)解決定位方程組的多解情況十分必要。

基于TDOA的三維定位與基于TDOA的定位算法有一定的相似之處，一般是根據(jù)兩種不同傳播速度的信號(hào)及信號(hào)的到達(dá)時(shí)間差計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離，再利用已有的三維算法實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的定位。此類系統(tǒng)適用于室內(nèi)環(huán)境下的高精度目標(biāo)定位。

基于TDOA的三維定位，利用了在雙曲線上的點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之差為定值的特性。其定位過程一般有如下三步：第一，測(cè)出兩個(gè)接收天線的信號(hào)到達(dá)時(shí)間差;第二，將時(shí)間差轉(zhuǎn)化為距離，代入雙曲線方程，并聯(lián)立雙曲線方程組;第三，利用已有算法求解聯(lián)立方程組的解，完成定位。

3.基于RFID的室內(nèi)定位算法

基于RFID的室內(nèi)定位算法是一種廣泛應(yīng)用于對(duì)精度要求不高場(chǎng)合的定位算法。其原理如下：錨節(jié)點(diǎn)為RFID讀卡器，未知節(jié)點(diǎn)為RFID卡片。當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)進(jìn)入讀卡器讀取范圍時(shí)，其ID信息會(huì)被讀卡器獲取，表示該未知節(jié)點(diǎn)已進(jìn)入該錨節(jié)點(diǎn)的范圍內(nèi)，從而獲取未知節(jié)點(diǎn)的大致范圍。

基于RFID的定位算法分為有源RFID定位與無(wú)源RFID定位。有源RFID定位中，主要通過未知節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送自身的ID信息，從而使讀卡器獲取其ID信息，未知節(jié)點(diǎn)與錨節(jié)點(diǎn)之間的通信距離可通過軟件編程進(jìn)行調(diào)整。無(wú)源RFID定位中，錨節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，當(dāng)周圍有未知節(jié)點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)其檢測(cè)天線生成感應(yīng)電流，進(jìn)而發(fā)送一次本身的ID號(hào)，其檢測(cè)距離主要由錨節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)信號(hào)功率、天線增益決定。

基于RFID的室內(nèi)定位算法被廣泛應(yīng)用與井下定位，主要考慮到巷道為一維空間，且距離很長(zhǎng)，RFID方案較為適用。對(duì)于較大的平面空間（機(jī)場(chǎng)、火車站、商場(chǎng)等場(chǎng)景），若使用RFID技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位，則需要部署大量錨節(jié)點(diǎn)。北京西站火車站便是使用了基于藍(lán)牙技術(shù)的RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精度約為5米×5米的定位精度。

結(jié)語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備的室內(nèi)定位，多種室內(nèi)定位方法被提出。基于此，本文簡(jiǎn)要介紹了較為常用的三種室內(nèi)定位算法：基于RSSI的室內(nèi)定位算法、基于TOA/TDOA的室內(nèi)定位算法和基于RFID的室內(nèi)定位算法，并分析其適用特點(diǎn)與使用環(huán)境。實(shí)際的使用場(chǎng)景下，除了三種方法的獨(dú)立使用，也存在多種定位算法共存、兩種以上定位數(shù)據(jù)融合的情況。而基于機(jī)器視覺、基于定位目標(biāo)（以人為主）的動(dòng)作估計(jì)的定位算法，為室內(nèi)定位的推廣與實(shí)踐提供了更多的解決方案。

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