室內(nèi)外定位技術(shù)綜述

蘇素燕， 陳金旺， 王林芳， 陳 芳， 陳 俊， 林明睿

（1 國網(wǎng)福建省電力有限公司 廈門供電公司， 福建 廈門 362400； 2 福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院， 福州 350108）

0 引 言

隨著技術(shù)水平的不斷提升，社會(huì)各行各業(yè)的興起和發(fā)展，位置服務(wù)受到了越來越多人的關(guān)注和重視，定位服務(wù)也因此變得越來越商業(yè)化、普遍化。 定位系統(tǒng)開始投入到各行各業(yè)，如：地圖導(dǎo)航、森林消防、房屋建筑、交通安防等［1］都離不開定位系統(tǒng)，可以說定位服務(wù)極大程度的改變了人們的生活水平，推進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步。

由于行業(yè)的興起和技術(shù)的發(fā)展，以及生活環(huán)境的不斷復(fù)雜化，對(duì)定位精度的要求也越來越高。 美國的GPS 定位系統(tǒng)和中國北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，撐起了整個(gè)的室外定位。 然而，其在復(fù)雜多變的室內(nèi)環(huán)境下并不適用，因此越來越多滿足室內(nèi)定位需求的定位技術(shù)被研發(fā)實(shí)施。 如：藍(lán)牙、WIFI、超聲波等定位技術(shù)［2］，通過結(jié)合不同的算法，甚至與不同技術(shù)的融合，使室內(nèi)定位精度達(dá)到一個(gè)新的高度。

1 室外定位技術(shù)

1.1 GPS 定位技術(shù)

GPS 定位是目前最為精確，應(yīng)用最為廣泛的定位技術(shù)，GPS 系統(tǒng)由空間端、控制端、用戶終端組成。其定位原理是通過用戶端發(fā)出的定位請(qǐng)求，空間端就會(huì)發(fā)送定位的衛(wèi)星信號(hào)，接收器隨之接收相關(guān)定位信息，再由用戶端接收由地面控制中心計(jì)算出來的位置結(jié)果。

GPS 定位方法包括絕對(duì)定位（單點(diǎn)定位）和相對(duì)定位（差分定位）等。 該系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于房屋建筑、車輛定位、農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖等領(lǐng)域［3］，但由于定位過程的軌道誤差、時(shí)鐘誤差以及各種延遲和噪聲的干擾，定位精度只能達(dá)到米級(jí)。

1.2 北斗定位技術(shù)

北斗定位系統(tǒng)由空間端、地面控制端、用戶端組成，是主動(dòng)式雙向測距二維導(dǎo)航。 地面控制中心解算供用戶定位的三維數(shù)據(jù)。 北斗定位原理與GPS 大致相同，多采用“三球交匯”的原理來實(shí)現(xiàn)。 即地面接收設(shè)備需同時(shí)測量至少三顆衛(wèi)星與用戶的距離。 用戶端分別以每顆衛(wèi)星為球心，其與該衛(wèi)星間的距離為半徑，畫出相交于兩點(diǎn)的3 個(gè)球面，根據(jù)地理常識(shí)選取相對(duì)位置較低的交點(diǎn)，即為用戶的實(shí)際坐標(biāo)位置點(diǎn)［4］。

迄今為止，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到“北斗三號(hào)”，北斗三號(hào)實(shí)現(xiàn)了全球范圍的無源定位，在抗干擾能力方面要強(qiáng)于GPS 定位系統(tǒng)。 北斗定位精度為米級(jí)，被廣泛應(yīng)用于通信、水利、交通、森林防火等，且北斗是唯一可以進(jìn)行通信聊天的定位系統(tǒng)，北斗地面增強(qiáng)站系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋，可為全球用戶提供高精度定位數(shù)據(jù)支持，具有無限的發(fā)展?jié)摿?。目前，國家正在推進(jìn)北斗與5G 技術(shù)的融合定位［5］。

2 室內(nèi)定位技術(shù)

2.1 WIFI 定位技術(shù)

目前WIFI 是相對(duì)成熟且應(yīng)用較多的技術(shù)，近年來有不少公司投入到了這個(gè)領(lǐng)域。 WIFI 室內(nèi)定位技術(shù)需要通過定位標(biāo)簽，在布滿無線局域網(wǎng)的區(qū)域按照一定的周期發(fā)出相關(guān)信號(hào)，最后由定位服務(wù)器接收該信號(hào)。 根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)弱以及信號(hào)到達(dá)時(shí)差，來推算出人員所在的位置，并讓具體位置在電子地圖顯示［6］。

因成本低、覆蓋范圍廣、傳輸速度高等原因WIFI 成為室內(nèi)定位的主流。 WIFI 室內(nèi)定位算法大致分為兩大類：一是不基于RSSI 的算法，其中包括到達(dá)時(shí)間（Time Of Arrival，TOA）、到達(dá)時(shí)間差（Time Difference of Arrival，TDOA）以及到達(dá)角度（Angle of Arrival，AOA）算法；另一種是基于RSSI 的三角定位算法和指紋算法。 就目前來說，WIFI 技術(shù)定位應(yīng)用最可行的算法是基于RSSI 的指紋定位算法［7］。 利用該算法進(jìn)行室內(nèi)定位，在正常情況下能滿足室內(nèi)需求，但環(huán)境復(fù)雜多變，很容易影響WIFI 信號(hào)，使其定位精度降低，定位漂移現(xiàn)象尤其嚴(yán)重，且標(biāo)簽功耗大、略昂貴，再加上指紋定位的數(shù)據(jù)采集階段工程量繁瑣，且很容易受基站變換的影響。

2.2 RFID 定位技術(shù)

RFID 定位技術(shù)適用于區(qū)域位置定位，即通過2.4 G和低頻125 K 的RFID 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人和物的識(shí)別以及定位管理。 RFID 定位主要是讀取所測RFID 標(biāo)簽的相關(guān)特征信息，該過程通過一組固定的閱讀器實(shí)現(xiàn)，再通過相關(guān)方法（如接收信號(hào)強(qiáng)度等），把標(biāo)簽所在的具體位置計(jì)算出來。

基于RFID 的定位方法有室內(nèi)靜態(tài)目標(biāo)定位算法和室內(nèi)動(dòng)態(tài)目標(biāo)定位算法。 室內(nèi)靜態(tài)目標(biāo)定位算法包括測距定位算法以及非測距定位算法。 如：距離矢量跳數(shù)節(jié)點(diǎn)定位算法、質(zhì)心定位算法和k 鄰近定位算法等。 動(dòng)態(tài)目標(biāo)定位算法包括：時(shí)間域相位差測距算法、頻率域相位差測距算法和空間域相位差測距算法［8］等等。

RFID 定位技術(shù)信號(hào)傳輸范圍較廣、應(yīng)用成本低，具有非接觸以及非視距等優(yōu)點(diǎn)，適用于室內(nèi)定位。 但由于該技術(shù)作用的距離有限，缺乏通信能力，與其他系統(tǒng)融合在一起的效果并不好，因此定位不夠精準(zhǔn)。

2.3 超聲波定位技術(shù)

超聲波定位原理是基于超聲波測距技術(shù)，大多采用反射式測距法［9］。 定位過程如下：首先通過固定在被測物體上的聲波發(fā)生器，周期性的發(fā)送同頻率的信號(hào)給各個(gè)位置已知的電子標(biāo)簽，通過不同時(shí)間所接收到的同一信號(hào)，具體推算出其各自之間的相關(guān)距離，從而推算出被側(cè)目標(biāo)的定位坐標(biāo)。

常見超聲波測距采用傳播時(shí)間檢測法進(jìn)行，超聲波的傳輸路程等于超聲波傳播時(shí)間與超聲波在空氣中的傳播速度的乘積。 利用定位算法并結(jié)合多組超聲波測量的距離數(shù)據(jù)，即可計(jì)算出被定位物體的具體位置坐標(biāo)。 超聲波定位主要應(yīng)用TOA 定位算法和TDOA 定位算法實(shí)現(xiàn)。 該方法成本低、功耗小、定位精度可觀，但對(duì)于復(fù)雜的環(huán)境定位效果仍不佳。

2.4 藍(lán)牙定位技術(shù)

藍(lán)牙定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，需要在室內(nèi)環(huán)境下建立3 個(gè)及以上的beacon 基站［10］，然后通過帶有藍(lán)牙功能的移動(dòng)設(shè)備來接受從基站發(fā)出的廣播報(bào)文，以此來推算出功率，計(jì)算出移動(dòng)設(shè)備與基站間的距離，從而確定移動(dòng)設(shè)備的位置。

藍(lán)牙定位系統(tǒng)主要采用測距交匯法（又稱傳播模型法）和指紋匹配法兩種定位方式。 測距交匯法基本原理為：先構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境下的藍(lán)牙信號(hào)衰減模型，使用衰減模型將信號(hào)強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換為兩者之間的距離信息，再采用定位算法計(jì)算出目標(biāo)位置。 該方案的優(yōu)勢(shì)是無需構(gòu)建指紋數(shù)據(jù)庫，理論定位精度高；指紋匹配定位方法是將位置信息和藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度特征形成特殊的映射關(guān)聯(lián)，即對(duì)室內(nèi)場景下的位置坐標(biāo)信息形成與之唯一對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng)度特征指紋［11］。

藍(lán)牙定位技術(shù)是一種短距離（一般在2-5 米左右）適用于室內(nèi)的無線傳輸技術(shù)，具有較高的商業(yè)價(jià)值，且功率消耗低，定位精度相對(duì)較高。 其缺點(diǎn)是受環(huán)境影響較大，穩(wěn)定性較差，而且系統(tǒng)作用的范圍比較小。

2.5 慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航技術(shù)是一種純依靠客戶端的技術(shù)，通過終端慣性傳感器采集物體運(yùn)動(dòng)過程的相關(guān)數(shù)據(jù)信息（其中包括物體的速度、方向、加速度等），再利用各種定位運(yùn)算方法推算出被測物體的大概位置。 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是一個(gè)自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)，由慣性測量單元和積分器組成的積分系統(tǒng)。 慣性導(dǎo)航技術(shù)在沒有通訊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的情況下，就可以輸出用戶的具體位置信息，并且這一過程是實(shí)時(shí)進(jìn)行的，也就是說在各種復(fù)雜多變的環(huán)境中，仍然可以做到對(duì)人員位置的精確定位。 在慣性導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)上，還有一些技術(shù)可以輔助，從而達(dá)到更好的定位效果，如與WIFI 指紋技術(shù)的結(jié)合［12］。

該技術(shù)不會(huì)被電磁信號(hào)所干擾，安全隱蔽性強(qiáng)，而且產(chǎn)生的導(dǎo)航信息噪聲低，定位過程中的數(shù)據(jù)更新率高，能在短時(shí)間內(nèi)有比較好的精度和穩(wěn)定性；但是隨著時(shí)間的變化，誤差也會(huì)隨之增大，再加上傳感器價(jià)格昂貴等原因，該技術(shù)也無法滿足人們對(duì)室內(nèi)定位的需求。

2.6 超寬帶（UWB）定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)是一種無線通訊技術(shù)［13］，其不使用傳統(tǒng)通信體制中的載波（不采用正弦載波），而是通過對(duì)極窄脈沖的發(fā)送和接收來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 該脈沖為非正弦，且脈沖寬度須在納秒甚至微秒級(jí)以下，具有3.1～10.6 GHz 量級(jí)的頻譜帶寬。 該技術(shù)具有良好的室內(nèi)定位發(fā)展應(yīng)用前景，隱含著很高的商業(yè)價(jià)值。

隨著硬件設(shè)施以及對(duì)應(yīng)操作水平的不斷提高，提高UWB 定位精度以及達(dá)到普遍化應(yīng)用的重點(diǎn)，是將該系統(tǒng)與其他定位技術(shù)相融合；再加上深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，將給該技術(shù)帶來更大的突破和影響。 該技術(shù)主要用于室內(nèi)定位，具有數(shù)據(jù)傳輸性能好、低功耗、安全保密性強(qiáng)、高處理增益、很強(qiáng)的抗干擾能力和定位精度高等特點(diǎn)［14］。 超寬帶技術(shù)通過與不同技術(shù)的融合，以及采用不同算法的應(yīng)用，定位精度保持在0.1～0.5 m 的范圍。

3 定位算法

3.1 AOA 定位算法

如圖1 所示，AOA 到達(dá)角度定位方法，主要是通過建立兩個(gè)基站，分別以基站坐標(biāo)為起始位置，形成兩條經(jīng)過移動(dòng)臺(tái)的射線，而兩射線相交的點(diǎn)就是移動(dòng)臺(tái)所在的大概位置［15］。

圖1 AOA 定位示意圖Fig.1 AOA positioning schematic diagram

當(dāng)基站內(nèi)設(shè)有天線陣列時(shí)，移動(dòng)臺(tái)作為信號(hào)的發(fā)送端發(fā)出信號(hào)，并且由兩個(gè)基站進(jìn)行接收，進(jìn)而可以得到兩個(gè)基站的入射角，即圖中所示的α、β，再以各基站坐標(biāo)作為出發(fā)點(diǎn)，沿著入射角所對(duì)應(yīng)方向形成的交點(diǎn)，就是移動(dòng)臺(tái)所在的位置。 假設(shè)移動(dòng)臺(tái)位置坐標(biāo)為（x，y），N個(gè)基站的位置坐標(biāo)為（xi，yi）。根據(jù)其幾何意義，坐標(biāo)之間存在以下關(guān)系：

將式（1）展開可得

將式（2）化簡可得

最后可以利用最小二乘法解得X。 該算法通信成本低，定位精度較高，常應(yīng)用室內(nèi)定位過程中。

3.2 TOA 定位算法

TOA 到達(dá)時(shí)間定位方法，是通過記錄移動(dòng)臺(tái)（信號(hào)發(fā)送端）發(fā)出信號(hào)到基站接收到信號(hào)所消耗的時(shí)間，再利用相關(guān)公式轉(zhuǎn)換為兩者間的距離，從而進(jìn)行位置定位。 該方法的實(shí)現(xiàn)至少需要3 個(gè)基站的參與，才能計(jì)算目標(biāo)的位置，其定位示意如圖2 所示。

圖2 TOA 定位示意圖Fig.2 TOA positioning schematic diagram

三個(gè)基站與信號(hào)接收節(jié)點(diǎn)的距離分別為d1、d2、d3，以基站所在位置為圓心，所測得的距離為半徑畫3 個(gè)圓，相交于一點(diǎn)，即目標(biāo)節(jié)點(diǎn)所在位置。 在計(jì)算過程中一般利用最小二乘法計(jì)算待測節(jié)點(diǎn)的大概位置［15］。 假設(shè)節(jié)點(diǎn)處位置坐標(biāo)為（x，y），N個(gè)基站的位置坐標(biāo)為（xi，yi）。 根據(jù)其幾何意義，則坐標(biāo)之間存在以下關(guān)系：

其中，i ＝1，2，3，…，N，設(shè)：Ki ＝xi2＋yi2，R ＝x2＋y2，將公式（3）化簡得到：

要得到坐標(biāo)（x，y），即求得X的值，可利用最小二乘法可得X ＝（ATA）-1ATY，進(jìn)行求解計(jì)算。

因該方法部署過程方便且性價(jià)比高，特別適用于室內(nèi)、巖洞、森林、峽谷等GPS 拒止環(huán)境下的目標(biāo)定位，并且隨著環(huán)境以及技術(shù)的變化，該算法在不斷的被改進(jìn)更新。 該算法主要應(yīng)用于WIFI 室內(nèi)定位技術(shù)和UWB 室內(nèi)定位技術(shù)中。

3.3 TDOA 定位算法

到達(dá)時(shí)間差算法TDOA，是對(duì)TOA 算法的改進(jìn)與加強(qiáng)，只需保持各基站時(shí)鐘同步即可。 該算法主要利用多個(gè)基站接收到同一信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算出對(duì)應(yīng)的距離差，再確定信號(hào)源所在位置。 定位示意如圖3 所示：

圖3 TDOA 定位示意圖Fig.3 TDOA positioning schematic diagram

各個(gè)基站從同一時(shí)間開始接受信號(hào)源的信號(hào)，根據(jù)信號(hào)接收端接收到數(shù)據(jù)的時(shí)間不一，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間差，再通過相關(guān)的計(jì)算公式，計(jì)算出各個(gè)基站之間的距離差，距離差＝時(shí)間差×電磁波的速度。 如圖3 所示，可以選取基站1 作為相對(duì)固定點(diǎn)，分別與其他基站聯(lián)合作為焦點(diǎn)，可以得到兩條雙曲線，兩條雙曲線的交點(diǎn)就是信號(hào)節(jié)點(diǎn)所在的位置。 通過各基站的坐標(biāo)以及各基站到節(jié)點(diǎn)的距離，就可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)處坐標(biāo)。

TDOA 算法的優(yōu)勢(shì)是不存在任何相位模糊問題，且該系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)雜度較低，定位精度相對(duì)高，常常被應(yīng)用于各種室內(nèi)外定位技術(shù)中［15］。 隨著定位精度需求的不斷提高，該算法也被多次改進(jìn)，其中包括基于TDOA 的Fang 算法、Chan 算法以及泰勒級(jí)數(shù)法等等。

3.4 指紋定位算法

指紋定位算法是基于無線信號(hào)的室內(nèi)定位中比較經(jīng)典的定位算法，其主要思想就是將某一需要進(jìn)行定位的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將這些網(wǎng)格的交點(diǎn)分別設(shè)置其對(duì)應(yīng)坐標(biāo)，在每一個(gè)坐標(biāo)上，都可以收到一組對(duì)應(yīng)接入點(diǎn)（Access Point，AP）的特征量，這組特征量就相當(dāng)于一個(gè)指紋上的多個(gè)特征（這也是位置指紋這個(gè)名字的由來，指紋只是一種比喻），依靠這組特征就可以確定定位節(jié)點(diǎn)所在的網(wǎng)格位置。 該方法的實(shí)現(xiàn)分為離線采集和在線測試兩個(gè)階段［16］。

離線階段負(fù)責(zé)采集指紋信息，通過將某一需要進(jìn)行定位的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)每個(gè)交點(diǎn)處分別設(shè)置對(duì)應(yīng)坐標(biāo)后，采集每個(gè)小網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)所表現(xiàn)出來的RSSI 值，將指紋信息圖片化處理，然后構(gòu)建指紋數(shù)據(jù)庫。

在線階段進(jìn)行定位測試，通過相關(guān)算法得到待測點(diǎn)處RSSI 值以及大致坐標(biāo)值，與數(shù)據(jù)庫中的指紋坐標(biāo)信息進(jìn)行匹配對(duì)比，從中找出與待測點(diǎn)處RSSI值最為接近的點(diǎn)，此點(diǎn)的坐標(biāo)就可視為待測點(diǎn)處坐標(biāo)。 該階段可采用Bayes 法、KNN 法進(jìn)行坐標(biāo)加權(quán)計(jì)算，用K-means 等方法對(duì)指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類運(yùn)算［17］，減少匹配時(shí)間。

指紋定位算法的精確度，很大程度取決于指紋信息分類的精細(xì)程度，分類越精細(xì)，定位精度就越高。 因此，可以結(jié)合分類器對(duì)指紋信息進(jìn)行分類，以此提高定位精度。 但是，該方法也存在很大的不穩(wěn)定性，當(dāng)周邊環(huán)境變化或者基站數(shù)量或位置變化時(shí)，該定位算法精確度就會(huì)很低，而且需要進(jìn)行指紋信息重新采集，而采集工作相當(dāng)繁瑣，任務(wù)量較大。 因此，該算法時(shí)常與WIFI 定位技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于室內(nèi)定位。

3.5 RSSI 測距定位算法

RSSI 信號(hào)是將RSS 經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的值，RSSI值由無線局域網(wǎng)的供應(yīng)商按照自己特定的方式去定義。將原有的RSSI區(qū)間值通過特有的公式，對(duì)應(yīng)到自己定義的區(qū)間。 室內(nèi)定位常用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型，從而得到以下計(jì)算公式（4）：

其中，RSSI（d0） 即為距離發(fā)射點(diǎn)d0 處的RSSI（僅為參考點(diǎn)），往往以1 m 作為這個(gè)參考點(diǎn)；RSSI（d） 是與發(fā)射點(diǎn)相差d處的RSSI；Xσ是一個(gè)均值為0，方差為σ變量，并服從高斯分布；n為信號(hào)衰減指數(shù)，與環(huán)境有關(guān)，通常值為2～4 之間。 根據(jù)所搭建的模型，可得到發(fā)送端距離接收端的長度d，不同發(fā)送端所在的位置不一，所以得到同一接收端的距離也不同，最后依據(jù)多邊定位等計(jì)算方法，計(jì)算出大致的位置坐標(biāo)［18］。

4 結(jié)束語

本文從對(duì)定位技術(shù)的需求出發(fā)，對(duì)多種室內(nèi)外定位技術(shù)以及相關(guān)定位算法進(jìn)行概括闡述，得出其各自適用的領(lǐng)域與環(huán)境。 由于復(fù)雜多變的環(huán)境，導(dǎo)致定位精度的大大降低，現(xiàn)存的單一定位技術(shù)已無法滿足目前的發(fā)展需求，多種定位技術(shù)甚至算法的融合定位才是未來室內(nèi)外定位的發(fā)展方向。 目前的融合定位系統(tǒng)并未成熟，迫切需要新技術(shù)的投入，而5G 通信技術(shù)的興起給該領(lǐng)域帶來新的機(jī)遇，尤其是當(dāng)下正處于探索階段的”北斗＋5G”融合定位技術(shù)，是未來定位系統(tǒng)領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。