室內(nèi)定位技術(shù)及應(yīng)用綜述

趙 銳，鐘 榜，朱祖禮，馬 樂，姚金飛

(1.軍事交通學(xué)院基礎(chǔ)部，天津 300161;2.軍事交通學(xué)院研究生管理大隊(duì)，天津 300161)

自從以GPS為代表的定位技術(shù)出現(xiàn)以來，其高效、方便、快速與準(zhǔn)確使人們的生活出現(xiàn)了巨大的變化，帶動(dòng)了一批應(yīng)用和服務(wù)的快速發(fā)展，但傳統(tǒng)定位技術(shù)由于技術(shù)原理的局限性，在室內(nèi)環(huán)境的定位效果不盡理想，因此目前室內(nèi)環(huán)境急需一種高效、便捷、準(zhǔn)確的定位技術(shù)來填補(bǔ)空白。當(dāng)前的定位技術(shù)主要依托臨近信息、場(chǎng)景分析和幾何定位3種算法展開，借助多個(gè)輔助節(jié)點(diǎn)，利用不同的介質(zhì)手段完成測(cè)距，然后和信息數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)匹配完成定位。

1 應(yīng)用前景

定位技術(shù)的影響延伸到了包括軍事、科技、以及人們普通生活在內(nèi)的各個(gè)領(lǐng)域，而室內(nèi)定位技術(shù)作為定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境的延續(xù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)定位技術(shù)的不足，有著良好的應(yīng)用前景。

1.1 基于位置服務(wù)的發(fā)展方向

伴隨社交網(wǎng)絡(luò)而出現(xiàn)的LBS(Location Based Service)能夠根據(jù)人們?nèi)粘５纳钜?guī)律打造個(gè)性化的生活方式。而室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，能進(jìn)一步完善基于位置服務(wù)，能幫助人們完成各種繁雜、耗時(shí)的任務(wù)。這些解決方案和應(yīng)用將是基于位置服務(wù)行業(yè)未來的發(fā)展方向，并將統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)市場(chǎng)。

1.2 促進(jìn)電子商務(wù)

目前的定位技術(shù)可以幫助人們?cè)诔鞘兄卸ㄎ灰患疑痰?，而室?nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，能夠幫助人們?cè)谏虉?chǎng)中快速定位一家小的店鋪，甚至可以在大型超市中快速定位商品，省去了人們?cè)趯ふ疑侠速M(fèi)的時(shí)間。

1.3 應(yīng)急救援的開展

當(dāng)發(fā)生地震、火災(zāi)等緊急事件時(shí)，救援的關(guān)鍵就是快速確定人員位置。特別是當(dāng)建筑物由于火災(zāi)、地震的影響，與原布局相比發(fā)生較大變化的時(shí)候，憑借經(jīng)驗(yàn)很難快速定位人員位置，而且盲目尋找很危險(xiǎn)。此時(shí)，室內(nèi)定位技術(shù)為救援提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，不僅節(jié)約時(shí)間，還可以為救援規(guī)劃安全救援路線。

1.4 公共安全事件

當(dāng)發(fā)生人質(zhì)劫持、炸彈威脅等公共安全事件時(shí)，了解建筑物內(nèi)的情況，快速定位人員的分布，能夠?yàn)槭录目焖俳鉀Q提供很大的幫助。同時(shí)在反恐部隊(duì)進(jìn)入建筑物執(zhí)行任務(wù)時(shí)，室內(nèi)定位技術(shù)能幫助其確定自己和同伴位置，有利于進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)協(xié)同和配合，提高執(zhí)行任務(wù)的效率和安全性。

2 室內(nèi)定位的難點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)的室外定位技術(shù)，室內(nèi)定位技術(shù)由于其環(huán)境的特殊性，存在以下技術(shù)難點(diǎn)。(1)GPS信號(hào)變?nèi)?。室?nèi)環(huán)境由于墻體的遮蔽，尤其是鋼筋混凝土?xí)r，GPS信號(hào)穿過建筑物后會(huì)明顯變?nèi)?，傳統(tǒng)依靠GPS進(jìn)行定位的技術(shù)，精確度大幅降低。所以室內(nèi)環(huán)境不適宜使用GPS技術(shù)進(jìn)行定位。(2)障礙物多。建筑物內(nèi)通常會(huì)有各種障礙物，包括家具、房間和行人等。障礙物位置各異，房間布局不同，行人時(shí)刻在動(dòng)，大量的不確定性使室內(nèi)環(huán)境異常復(fù)雜。(3)干擾源多。由于室內(nèi)環(huán)境相對(duì)封閉，聲音、光線、溫度等干擾源都會(huì)對(duì)定位設(shè)備的傳感器造成一定的影響，特別是聲音和光線，會(huì)在室內(nèi)進(jìn)行多次反射，使室內(nèi)干擾情況更加復(fù)雜。(4)多層建筑中的定位。室內(nèi)定位不僅要考慮二維平面的位置，在多層建筑中還要考慮樓層的位置，包括地上和地下部分。(5)未知環(huán)境定位困難。目前大部分室內(nèi)定位技術(shù)都是基于對(duì)室內(nèi)環(huán)境了解的基礎(chǔ)上，但實(shí)際應(yīng)用中也許得不到環(huán)境信息，或者定位基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，比如地震、反恐等特殊情況時(shí)，減少對(duì)環(huán)境依賴性的室內(nèi)定位也是一項(xiàng)難題。

3 定位算法

目前的定位算法，從原理上來說，大體上可以分為3種:鄰近信息法、場(chǎng)景分析法以及幾何特征法。

3.1 鄰近信息法

利用信號(hào)作用的有限范圍，可以確定待測(cè)點(diǎn)是否在某個(gè)參考點(diǎn)的附近。但只能提供大概的定位信息，能滿足某些應(yīng)用的要求［1－3］。例如利用手機(jī)基站定位，可以確定來電歸屬地，但精度也只能確定在某一地區(qū)。

3.2 場(chǎng)景分析法

對(duì)于指定位置的可測(cè)量特征定位。比如測(cè)量接收信號(hào)的強(qiáng)度，與實(shí)現(xiàn)測(cè)量的、存在數(shù)據(jù)庫(kù)的該位置的信號(hào)強(qiáng)度作對(duì)比［1－3］。理想的場(chǎng)景分析法可以利用視頻識(shí)別，看到某一景物就能確定位置，但這需要龐大的信息知識(shí)庫(kù)做支撐。

3.3 幾何特征法

幾何特征法是利用幾何原理進(jìn)行定位的算法，是目前應(yīng)用最廣泛的定位算法，通常需要多個(gè)點(diǎn)和邊作為已知條件進(jìn)行計(jì)算定位，具體又分為以下幾種［1－3］:(1)三邊定位法:在平面上，三邊定位法就是測(cè)量待測(cè)點(diǎn)到3個(gè)不在同一直線上的參考點(diǎn)的距離。根據(jù)估計(jì)的三邊距離，再結(jié)合參考點(diǎn)的位置，待測(cè)點(diǎn)的位置就在3個(gè)圓的交點(diǎn)上。(2)三角定位法:利用了這樣一個(gè)事實(shí):在一個(gè)三角形中，如果已知一條邊的長(zhǎng)度和兩個(gè)角的大小，那么可以確定第3個(gè)點(diǎn)的位置，且該點(diǎn)是三角形另外兩條邊的交點(diǎn)。(3)雙曲線定位法:形成雙曲線的幾何原理是:到兩個(gè)固定點(diǎn)距離差為常數(shù)的動(dòng)點(diǎn)軌跡，是以這兩個(gè)固定點(diǎn)為焦點(diǎn)的雙曲線。由3個(gè)不在一條直線上的參考點(diǎn)可以確定兩條雙曲線，兩條雙曲線的交點(diǎn)就是待測(cè)點(diǎn)。

圖1 三邊定位

圖2 三角定位

圖3 雙曲線定位

4 定位技術(shù)

根據(jù)上面介紹的定位算法，衍生出了多種室內(nèi)定位技術(shù)，其中包括GPS、紅外線、超聲波、藍(lán)牙、射頻識(shí)別、超寬帶、ZigBee 和 WiFi。

4.1 結(jié)構(gòu)原理

目前的定位技術(shù)多要借助輔助節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，通過不同的測(cè)距方式，計(jì)算出待測(cè)節(jié)點(diǎn)相對(duì)于輔助節(jié)點(diǎn)的位置，然后與數(shù)據(jù)庫(kù)中事先收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而確定當(dāng)前位置，如圖4所示。

圖4 室內(nèi)定位結(jié)構(gòu)原理圖

首先在室內(nèi)環(huán)境設(shè)置固定位置的輔助節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)的位置已知，有的位置信息是直接存在節(jié)點(diǎn)中，如RFID的標(biāo)簽，有的是存在電腦終端的數(shù)據(jù)庫(kù)中，如紅外線、超聲波等。

然后測(cè)量待測(cè)節(jié)點(diǎn)到輔助節(jié)點(diǎn)的距離，從而確定相對(duì)位置。使用某種方式進(jìn)行測(cè)距通常需要一對(duì)發(fā)射和接收設(shè)備，按照發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的位置大體可以分為兩種:發(fā)射機(jī)位于被測(cè)節(jié)點(diǎn)，接收機(jī)位于輔助節(jié)點(diǎn)，例如紅外線，超聲波和RFID;另一種是發(fā)射機(jī)位于輔助節(jié)點(diǎn)，接收機(jī)位于被測(cè)節(jié)點(diǎn)，例如 WiFi、超寬帶、ZigBee和藍(lán)牙。

圖5 室內(nèi)定位流程

最后分析計(jì)算位置，利用計(jì)算機(jī)終端的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，從而得出具體位置。具體流程如圖5所示，除了用到之前已知的輔助節(jié)點(diǎn)位置和計(jì)算得出的距離外，還需要一定的模型來提高精度。

4.2 模型分析

隨著人們對(duì)定位精度要求的不斷提高，測(cè)距后利用幾何定位已不能滿足要求，因此目前的室內(nèi)定位方法都使用計(jì)算模型，具有更高精度和可靠性。目前比較成熟的模型包括傳播模型和指紋模型，這兩種模型在WiFi定位技術(shù)上應(yīng)用廣泛。

(1)傳播模型。依靠分析信號(hào)傳播過程中的特性來推算傳播距離。常用的特性包括:RSSI(Received Signal Strength Indication)，AOA(Angel of Arrival)，TOA(Time of Arrival)。由于所有參數(shù)難以在同一模型內(nèi)考慮，所以精度有限。傳播模型得益于已知無(wú)線電信號(hào)的傳播和AP接入點(diǎn)的位置。但不能很好地處理信號(hào)的不確定性。RSSI的數(shù)值不是常數(shù)，即使發(fā)送和接收雙方都不移動(dòng)，也可能出現(xiàn)嚴(yán)重的振蕩。這是由信道的快速衰落和無(wú)線信號(hào)傳輸環(huán)境的迅速變化造成的。另外，一般使用的簡(jiǎn)單的、便宜的無(wú)線信號(hào)收發(fā)器通常沒有經(jīng)過校準(zhǔn)，在不同的設(shè)備上即使相同的信號(hào)強(qiáng)度也可能導(dǎo)致不同的RSSI值。

(2)指紋模型。是一種基于學(xué)習(xí)的模型，運(yùn)用模式匹配的技術(shù)，根據(jù)所在位置的測(cè)量值跟已經(jīng)觀測(cè)到的所有位置的測(cè)量值作比較，然后根據(jù)匹配情況確定位置?？梢詫⑿盘?hào)的不確定性考慮在內(nèi)，在定位效果方面令人滿意。主要缺點(diǎn)是需要大量的工作量去給一個(gè)給定的環(huán)境建立定位模型并進(jìn)行校準(zhǔn)。而且環(huán)境改變之后，之前建立的模型將不再適用，需要修改。

WiFi室內(nèi)定位技術(shù)需要多個(gè)WiFi接入點(diǎn)。第一步是構(gòu)建指紋地圖，按照＜指紋，地點(diǎn)＞的形式在不同位置收集數(shù)據(jù)，并寫入指紋地圖的數(shù)據(jù)庫(kù)。其中指紋可以包括信號(hào)強(qiáng)度、方向以及接入點(diǎn)的MAC地址等信息。第二步是定位，被測(cè)物體上安裝WiFi信號(hào)接收器，在某一位置接收到信號(hào)之后，用當(dāng)前位置的指紋信息到指紋地圖庫(kù)中匹配，即可得出所在位置。

4.3 技術(shù)對(duì)比

在精度、定位方法、實(shí)例和優(yōu)缺點(diǎn)等方面對(duì)當(dāng)前比較成熟的幾種室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行對(duì)比［4－9］，從宏觀上掌握室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的方向和目前研究的瓶頸問題。

表1 主流室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)比

通過表1的對(duì)比可以看出，目前的室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展主要存在以下幾個(gè)共性問題需要解決:

(1)精度問題。目前大部分定位技術(shù)的精度還不高，約在幾米之內(nèi)，這個(gè)精度在室內(nèi)環(huán)境來說較大，要提高精度就必須提高抗干擾能力、解決信號(hào)衰減、多徑效應(yīng)、視距傳播和信號(hào)震蕩校準(zhǔn)等傳統(tǒng)問題。

(2)降低能耗和成本問題。目前大部分的定位技術(shù)都需要在環(huán)境中安裝輔助節(jié)點(diǎn)用于測(cè)距、返回位置信息等，要提高精度，就必須安裝大量的輔助節(jié)點(diǎn)，這大幅增加了成本和能耗。有些技術(shù)本身功率大，能耗高，有的技術(shù)需要大量的人力物力去收集指紋信息，完善指紋地圖，此外利用RSSI測(cè)距還需要周期性的人為校準(zhǔn)等，這些都在實(shí)用性方面大幅制約了技術(shù)的發(fā)展。文獻(xiàn)［10～11］通過構(gòu)建指紋地圖來提高WiFi定位的精度，其中文獻(xiàn)［11］利用移動(dòng)設(shè)備使用位置的歷史來完善指紋地圖，降低了人工搜集指紋的工作量。文獻(xiàn)［12］利用多層建筑中各樓層結(jié)構(gòu)的相似性，提出了一種算法來減輕收集指紋的工作量。文獻(xiàn)［13］提供了一種基于FM調(diào)頻的自校準(zhǔn)機(jī)制，克服了RSSI測(cè)距時(shí)電磁波震蕩產(chǎn)生的誤差。

(3)通用標(biāo)準(zhǔn)化問題。各種定位技術(shù)都有優(yōu)缺點(diǎn)，未來室內(nèi)定位的發(fā)展趨勢(shì)必然是多種技術(shù)的融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短。而體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化問題、各種技術(shù)的無(wú)縫整合問題都大大制約了這樣的發(fā)展趨勢(shì)。此外，室內(nèi)定位和室外定位的結(jié)合也是大勢(shì)所趨，同樣需要涉及到標(biāo)準(zhǔn)化問題。所以通用標(biāo)準(zhǔn)化的完善有助于促進(jìn)室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。目前的定位技術(shù)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，無(wú)疑限制了多技術(shù)融合的發(fā)展。

(4)未知環(huán)境的定位問題。目前的大多數(shù)定位技術(shù)都是基于熟悉環(huán)境的，環(huán)境中預(yù)先安裝了大量傳感器、標(biāo)簽等輔助基礎(chǔ)設(shè)施，但是實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景并不都是熟悉環(huán)境，比如地震、火災(zāi)、反恐等緊急事件的處理問題，往往沒有條件安裝輔助基礎(chǔ)設(shè)施。所以基于未知環(huán)境的室內(nèi)定位技術(shù)有著巨大的應(yīng)用需求。文獻(xiàn)［14］提出了一種基于未知環(huán)境的定位技術(shù)，利用房間外不同位置的定向天線進(jìn)行定位，取得了一定突破。此外處理如上提出的緊急事件時(shí)，還要求定位系統(tǒng)部署簡(jiǎn)單，反應(yīng)快，精度高。

(5)安全隱私問題。個(gè)人的實(shí)時(shí)位置屬于個(gè)人隱私的一部分，涉及到安全問題，目前的定位技術(shù)都會(huì)將被測(cè)物體的位置信息返回到主機(jī)進(jìn)行計(jì)算或者到數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行匹配，但主機(jī)或數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)留底，這樣就留下了一定的安全隱患。文獻(xiàn)［15］提出的基于RFID的室內(nèi)指導(dǎo)和監(jiān)控系統(tǒng)目的在于保護(hù)使用者隱私，不打擾使用者日常生活。

5 結(jié)束語(yǔ)

室內(nèi)定位技術(shù)是當(dāng)前熱門研究領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景，下一步的研究工作可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行:(1)提出新的定位方法。當(dāng)前的定位技術(shù)都是建立在鄰近信息、場(chǎng)景分析和幾何特征三種定位方法之上的，假如可以提出新的定位方法，那必然是一篇全新的領(lǐng)域，對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)起到巨大的推動(dòng)作用。(2)使用新的無(wú)線介質(zhì)。目前的定位技術(shù)都是建立在傳統(tǒng)無(wú)線介質(zhì)之上的，各有優(yōu)缺點(diǎn)。假如能提出一種新的無(wú)線介質(zhì)，可以克服之前的缺點(diǎn)，則會(huì)大幅促進(jìn)室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。目前除了介紹的幾種技術(shù)之外，還有FM、雷達(dá)、GSM等，文獻(xiàn)［7］則使用了DECT電話網(wǎng)絡(luò)定位，此外，磁場(chǎng)、視覺定位技術(shù)也處于研究階段。(3)多技術(shù)融合。鑒于目前的主流技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，各技術(shù)的融合將是取長(zhǎng)補(bǔ)短的有力方法。但面臨的問題有通用標(biāo)準(zhǔn)化的問題，各技術(shù)無(wú)縫連接的問題，以及技術(shù)融合后的功耗問題等。(4)現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)化。主要是針對(duì)目前技術(shù)存在的缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。從之前的對(duì)比可以看出，目前技術(shù)的主要缺點(diǎn)集中在精度低、作用距離短、易受干擾、功耗大、依賴輔助設(shè)施、造價(jià)高等方面，針對(duì)某一技術(shù)的某一缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將大幅提高該技術(shù)的實(shí)用性。

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