领航跟随型编队（十四）室内定位技术概述

室外定位技术提出早、发展快且成果显著。室内定位技术相比而言起步较晚，该领域还有很多空白，但人们对室内定位技术的关注从未中断。美国联邦通信委员会FCC（Federal Communications Commission）在1996年制定了E-911定位标准[1]，然后在各行业应用需求的推动下，室内定位技术得到了快速的发展。目前，国内外研究者们提出了蓝牙、红外线、RFID、WLAN、超宽带、超声波等室内定位技术及应用系统，但是不同的室内定位技术根据其定位性能有一定的应用局限，还没有一种普适化技术能满足当前所有的室内定位服务需求。

本文总结了目前国内外各种主流的室内定位技术的最新进展，首先详细阐述了各种主流室内定位技术的定位原理和定位方法，并简单比较了其本身特性。讨论室内定位技术现阶段存在的问题和发展前景。最后结合实际列举了室内定位的应用场景。

1 室内定位技术

室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。随着通讯技术与无线网络的快速发展，室内定位技术蓬勃发展，并在特定行业内有一定的应用[2]。

1.1 主流室内定位技术

1. 红外线定位

红外线定位通过室内的光学传感器接收到的红外线发射器发射出的特定红外线(Infrared Ray)后进行定位。Cambridge大学AT&T实验室开发的红外线室外定位系统Active Badge System被称为第一代的室内定位系统[3]；Ambiplex在2011年提出了IR.Loc系统通过测量热辐射进行定位，在10 m范围内的定位精度达到20~30 cm。红外线室内定位精度相对高，但是无法穿透障碍物，仅在直线可视距离内传播，有效距离较短，受室内布局

和灯光影响较大，定位成本较高，实际应用上存在一定局限性。

1. 超声波定位

超声波定位是采用反射式测量方法，根据发射超声波到参考节点响应回波的时间差计算与参考节点之间的距离，通过三角定位方法计算出待测目标的位置。Active Bat是超声波定位系统的先驱，通过密集部署大量的超声波接收设备，达到3cm的定位精度[4]。Sonitor IPS是一个能够进行商业应用的超声波定位解决方案，已经应用在若干大型医院用于跟踪病人和医疗设备，精度达到房间级。超声波定位能在非可视距离下传播，定位精度较高且误差较小，但是超声波信号传输衰减严重，定位有效范围有限，设备成本较高，适用于特定环境下的室内定位应用。

1. 蓝牙定位

蓝牙室内定位根据测量终端设备信号强度通过指纹定位算法进行定位。iBeacon是苹果公司制定的专用于蓝牙定位的一种协议技术，定位精度在2~3m，购物应用Shopkick在商场中布局iBeacon应用在实际生活中，我国的“寻鹿”“广发 easy go”等APP也采用该模式定位[5]。蓝牙定位技术安全性高、成本低、功耗低、设备体积小，目前大部分手机终端都自带蓝牙模块，容易大范围的普及和部署实施，但是该技术容易受到外部噪声信号的干扰，信号稳定性较差，通信范围较小。

1. 惯性传感器定位

利用惯性传感器采集的运动数据，如加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息，通过积分定位方法或者基于航位推测法，经过各种运算得到物体的位置信息[6]。随着行走时间增加，惯性导航定位的误差也在不断累积。由于其定位数据比较稳定，一般与GNSS技术相结合进行辅助导航，在无法接收到其他有效定位信号的情况下，使用该方法来辅助定位。

1. WiFi室内定位

近年来WiFi技术飞速发展，城市中的公共场所如大型超市商场、学校、企业等都已经广泛部署WiFi。2012年，Google把WiFi室内定位和室内地图引入了谷歌地图中，一年内已经覆盖了北美和欧洲一万大家大型场馆。我国的百度、高德、四维、智慧图等公司也在研发WiFi室内定位产品。由于WiFi网络的普及，WiFi定位是目前比较流行的定位技术，定位精度能达到米级，定位成本低，定位信号收发范围大，适用性强，可以被普及推广。

1. iGPS

与GPS一样，利用三角测量原理建立三维坐标体系从而实现定位，不同的是iGPS采用红外激光代替了卫星（微波）信号[8]。iGPS是利用室内的激光发射装置（基站）不停地向外发射单向的带有位置信息的红外激光，接收器接受到信号后，从中得到发射器与接受器间的2个角度值（类似于经纬仪的水平角和垂直角），在已知基站的位置和方位信息后，只要有2个以上的基站就可以通过角度交会的方法计算出接收器的三维坐标。

1. 其他室内定位技术

除了以上提及到了定位方法，还有其它各种各样的定位方法。射频识别定位利用射频信号进行非接触式双向通信交互数据以达到和识别的目的。超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术通过发送纳秒级或纳秒级以下的超窄脉冲来传输数据，可以获得GHz级的数据带宽，实现室内定位。ZigBee室内定位是一种低功耗、低成本、短距离的无线网络技术，常用于工业传感领域和智能家居方面。此外，地磁定位技术采用识别环境中的地磁信号与磁场基准图进行比对来实现精准定位，无需依赖环境中的任何硬件条件，通过智能手机自带的感应器即可进行定位。

虽然通过不同的技术手段，室内定位技术错综复杂，定位技术和算法也相差较大。但是决定一个室内定位技术大规模推广使用主要还取决于器本身的定位精度以及成本的高低。本文从定位精度方面和相对成本方面以及主要优缺点对几种常见的室内定位技术进行对比。如表1所示：

 

 

 

 

表1 室内定位技术对比

室内定位技术	定位精度	相对成本	优点	缺点
红外线定位	5-10cm	高	精度较高	直线视距、传输距离短
超声波定位	1-10cm	高	定位精度高	受环境温湿度影响
蓝牙定位	2-10m	低	体积小、易集成	传输距离短、稳定性差
计算机视觉	1cm-1m	高	不依赖外部环境	成本高、稳定性差
WiFi定位	2-50m	低	通讯能力强	易受环境干扰
iGPS	1cm-10cm	高	定位精度高	成本高、对环境要求高

 

1.2 室内定位方法

目前，室内定位常用的定位方法，从原理上来说，主要分为：邻近信息法、质心法、极点法、多边定位法、场景分析法和航位推算法[7]。

1. 邻近信息法，又称Cell-ID法，利用信号作用的有限范围，确定待测目标是否在某个参考点的附近，但只能提供大概的定位信息，能满足某些应用的要求，定位精度依赖于参考点的分布密度。
2. 质心法，根据信号范围内所有已知参考点的位置计算质心坐标，作为待测目标的位置，可以根据信号强度设置参考点的计算权重，得到权重质心坐标。质心法算法简单，计算量小，精度取决于已知参考点的分布密度。
3. 极点法，根据距离一个参考点的距离和方位来计算待测节点的位置。极点法非常方便，只需根据一个节点进行测量，在大地测量中应用广泛。
4. 多边定位法，通过测量待测目标到参考点之间的距离来计算目标的位置，是应用最广泛的定位算法。常用的测距方法包括基于信号达到时间（TOA）、基于信号达到时间差（TDOA）、基于信号达到角度（AOA）和基于接收信号强度指示（RSSI）。
5. 场景分析法，一般又称为位置指纹定位，在定位空间中采集不同位置发出的信号特征参数建立指纹数据库，通过将实际接收信号与数据库中的信号特征参数进行对比来实现待测目标的定位。指纹定位的优点是所需定位的参考测量点少，定位精度高；缺点是前期工作量大，且不适合环境变化太大的区域。
6. 航位推算是根据预先确定的位置、估计或已知的速度和时间来估计当前的位置，在惯性导航定位中使用，但是精度误差随时间而累积。室内定位中常使用行人航迹推算，PDR技术通过惯性传感器检测人行走的步长、步数和行走方向来进行定位计算。

本文从定位方法的应用实例以及本身具有的特点方便对几种常见的室内定位方法进行对比。如表2所示：

表2 室内定位算法对比

定位方法	应用实例	特点
临近信息法	基站定位	操作简单，定位精度不高
质心法	基站定位	定位精度不高，依赖参考点分布密集
极点法	激光扫描定位	测量简单，定位精度高，使用简单
多变定位法	超声波红外定位	定位精度高，应用广泛
场景分析法	地磁定位	定位精度高，前期工作量大
航位推算法	惯性导航定位	数据稳定，出现累积误差

 

2 室内定位技术面临的主要问题及发展趋势

现在，已有大量技术应用于室外和室内定位，如GPS、射频识别、Wi-Fi等。然而，这些技术都必须通过各自的协议使用自带的应用程序接口。严重阻碍异构方案的发展。使用标准协议的异构定位解决方案也是存在的，它们使用隐藏底层定位技术的实时传输协议(RTP)和实时传输控制协议(PTCP)，可以实现方案间的无缝切换。使用主动射频识别实时定位系统(RTLS)并结合GPS技术的商业系统已经存在。对于室内定位而言，还没有一个通用的技术;需要通过技术的融合来解决这种典型的应用案例。利用强大的中间件和应用软件，集成两种互补追踪技术的解决方案也是存在的。它能够提供更为完整的异构解决方案，以及更高的整体定位系统覆盖范围和可用性。但是精度问题仍然是无法快速普及应用的主要原因。

随着室内定位技术的高速发展，本文认为在以下几个方面航海需要有长足的发展：

1. 多种技术结合的混合定位方法，以满足各种室内环境和应用场景的需求，并弥补单一技术的局限。越来越多的解决方案已经将9轴或12轴惯性传感器技术和其它技术如基于WiFi的定位技术融合到一起，并且这已经成为趋势。Google、Broadcom、CSR 都提供多种技术融合的混合解决方案。未来会有更多的解决方案是完整的传感器/WiFi/BLE的混合解决方案以满足多种需求。
2. 室内地图和室内定位数据库会迅速发展，相关技术趋于成熟，以保证快速扩展的能力和定位性能的可靠性与一致性。这里的挑战包括地图和数据库的扩展性，快速有效地产生和维护数据库的技术。
3. 基于位置的应用和服务会更多利用附近的感应和发现。相对定位而言，附近的发现会更简单因为它并不需要计算精确位置，而只是发现附近的设备就能提供相应的服务。这种技术对于室内和连续无处不在的定位而言有很大影响，并可以作为很好的补充，尤其是针对精确定位不容易实现的场景。相关的技术有BT/BLE、LTE Direct、WiFi Direct、NFC等。
4. 采用专用的定位引擎来处理定位、运动检测、传感器数据分析、信息融合和地理围栏等。通过用专用的处理器来处理运动，情境和定位，可以降低对应用处理器的唤醒，以优化和降低功耗，达到随时随地都知道所处位置的目标。
5. 低功耗优化，降低定位功能对移动设备带来的额外功耗以实现随时随地的精准定位。包括使用专用的定位处理引擎以尽量少唤醒应用处理器，结合运动检测和行为模式的检测来降低功耗，通过多种定位技术的融合选择最省电同时满足精度的技术，并关闭或使高功耗的定位技术处于休眠模式，以降低高功耗传感器的使用等。