淺談室內(nèi)精確定位系統(tǒng)

天地（常州）自動化股份有限公司 徐寶平 徐壽泉

淺談室內(nèi)精確定位系統(tǒng)

天地（常州）自動化股份有限公司 徐寶平 徐壽泉

本文在對室內(nèi)精確定位市場需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論各種無線測距模式的優(yōu)缺點(diǎn)并提出對室內(nèi)精確定位新技術(shù)的展望。

無線定位；精確測距；超寬帶

0 引言

隨著社會不斷的發(fā)展，大型建筑、大型商場的普及，怎樣能在如此大的建筑定位自己的精確物理位置成了一個(gè)迫切需要解決難題。當(dāng)你開車到一個(gè)大型停車場，怎樣能找到空的停車位，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)只能幫你導(dǎo)航導(dǎo)入口處，室內(nèi)的導(dǎo)航技術(shù)還只是停留在研發(fā)或者實(shí)驗(yàn)中。當(dāng)你處在一個(gè)大型航站樓里，迫切尋找著即將要檢票的登機(jī)口的時(shí)候，除了詢問工作人員或者查看難以識別的機(jī)場平面圖以為，暫時(shí)還沒有一款便攜式精確定位導(dǎo)航設(shè)備能引導(dǎo)你迅速到達(dá)登機(jī)口。

基于如此龐大的市場需求，室內(nèi)精確定位技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)鋪開了。本文就對各種實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精確定位系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行簡單的對比分析。

1 室內(nèi)定位系統(tǒng)

定位的核心技術(shù)其實(shí)是測距。在給定空間中已知三點(diǎn)的坐標(biāo)，通過測量一個(gè)未知點(diǎn)到三點(diǎn)的距離，通過計(jì)算就能得知該未知點(diǎn)的坐標(biāo)。這通常叫做三邊測量定位算法（Silent River）。 由于實(shí)際情況中存在著各種各樣的干擾因素，導(dǎo)致測量到的三個(gè)距離并不是非常精確的實(shí)際距離，這就產(chǎn)生了定位精度問題。

室內(nèi)定位技術(shù)不管是基于超聲波、Wi-Fi還是UWB的，發(fā)展了這么多年都有一定的研究成果。室內(nèi)測距最大的問題在于距離太短，基于電波傳播的測距時(shí)間太短難以捕捉以及人體遮擋、室內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境反射信號和干擾信號等問題。

如何解決上述的問題成了室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展的迫切需求。

2 相關(guān)無線測距系統(tǒng)對比

下面就對當(dāng)前比較流行的室內(nèi)精確定位技術(shù)綜合比較。

2.1 超聲波技術(shù)

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度大概為340m/s（需要根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償），根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s），即：s=340t/2。這就是所謂的時(shí)間差測距法。

超聲波測距定位系統(tǒng)由若干個(gè)應(yīng)答器和一個(gè)發(fā)射器組成，發(fā)射器固定在被測物體上，由發(fā)射器內(nèi)部芯片控制發(fā)射器的發(fā)射頻率及發(fā)射角度，空間中固定位置的應(yīng)答器收到想通頻率的超聲波信號后立即回復(fù)一個(gè)超聲波信號，這樣就得到了兩者之間的距離。通過3個(gè)不同位置的應(yīng)答器就可以綜合計(jì)算出被測物體在空間中的位置。

超聲波定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，結(jié)構(gòu)較簡單，缺點(diǎn)是超聲波的多徑效應(yīng)及波長過長容易發(fā)生衍射、超聲波測距的量程較近，需要大量的投資，成本過高。

2.2 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)通過測量信號強(qiáng)度進(jìn)行定位。這項(xiàng)技術(shù)的代表是iBeacon技術(shù)，iBeacon技術(shù)是蘋果公司開發(fā)出來通過低功耗藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)短距離定位的技術(shù)。這套系統(tǒng)采用藍(lán)牙4.0低功耗技術(shù)，擁有驚人的待機(jī)時(shí)長。

基于藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)定位優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備體積小，功耗低，建立連接時(shí)間短，可以應(yīng)用于小范圍的定位，易于集成在手機(jī)、筆記本以及pad中，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟就能進(jìn)行定位。缺點(diǎn)是藍(lán)牙系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，受噪聲的干擾比較大。

2.3 射頻標(biāo)簽技術(shù)

RFID是射頻標(biāo)簽的縮寫，是一種無線通信技術(shù)，通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。由于RFID的發(fā)射功率限制，測距的最長距離只有50m左右，射頻識別研究的瓶頸在于建立測距模型、保護(hù)用戶的隱私安全等問題。

射頻標(biāo)簽技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是非接觸式操作，應(yīng)用方便，體積較小，價(jià)格低，環(huán)境要求不高，缺點(diǎn)是作用距離近，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)定位且定位精度較低。

2.4 無線局域網(wǎng)技術(shù)

基于Wi-Fi技術(shù)的室內(nèi)定位主要依據(jù)RSSI強(qiáng)度信息來判斷用戶位置。在已知空間中確定各個(gè)AP位置的前提下，用信號衰減模型計(jì)算裝有信號強(qiáng)度測量的移動設(shè)備與各個(gè)已知AP的距離，用三邊測量定位算法就能確定移動設(shè)備的大致位置。

由于Wi-Fi的普及這種技術(shù)變得流行，在不增加額外的成本下，這套定位方案能在現(xiàn)有的平臺下實(shí)現(xiàn)定位功能。Wi-Fi定位可以達(dá)到米級定位精度（1-10米），傳統(tǒng)的Wi-Fi定位產(chǎn)品主要應(yīng)用在專業(yè)行業(yè)領(lǐng)域（礦井、監(jiān)獄、醫(yī)院、石油石化等）。新型的Wi-Fi定位技術(shù)已經(jīng)逐步向消費(fèi)行業(yè)轉(zhuǎn)移，百度、高德等公司已經(jīng)在研發(fā)Wi-Fi室內(nèi)定位產(chǎn)品。

Wi-Fi方法的優(yōu)勢在于無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍大，易于安裝，成本低，但僅能用于事先熟悉Wi-Fi環(huán)境的建筑或場地內(nèi)，且精度不高。

2.5 ZigBee技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，ZigBee技術(shù)作為一種新興的低功耗、低成本、低速率、短距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而出現(xiàn)了。它是基于IEEE0.15.4標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的無線協(xié)議。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下，數(shù)百個(gè)ZigBee傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實(shí)現(xiàn)定位。這些傳感器有著極低的功耗，通過級聯(lián)的方式將信號從接收器一步一步的轉(zhuǎn)發(fā)到控制器上并進(jìn)行運(yùn)算控制。ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是低功耗和低成本且信號傳輸不受視距的影響。缺點(diǎn)在于精度不高，產(chǎn)品不夠成熟。

2.6 超寬帶無線電技術(shù)

UWB（超寬帶技術(shù)）是一種新型的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有完全不同的新技術(shù)，補(bǔ)了高精度定位領(lǐng)域的空白。UWB最初用于軍事用途，2002年才發(fā)布商用化規(guī)范。UWB主要采用極短脈沖信號傳送數(shù)據(jù)，傳輸速率高（最高可達(dá)1000Mbps以上），能保證高速通信的同時(shí)，發(fā)射功率卻極小，且無載波要求。目前UWB室內(nèi)定位最出名的公司是Ubisense，做精確實(shí)時(shí)定位產(chǎn)品業(yè)務(wù)和位置查詢業(yè)務(wù)，已在物流、體育、醫(yī)療保健、人員監(jiān)控等領(lǐng)域有所應(yīng)用。

超寬帶系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)有功耗低、抗多徑效果好、安全性高、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，WUWB可以用于室內(nèi)及室外惡劣環(huán)境下的物體及人員的定位跟蹤與導(dǎo)航，而且能提供十分精確的定位精度。缺點(diǎn)在于成本過高，技術(shù)比較復(fù)雜。

3 結(jié)語

本文從室內(nèi)精確定位的需求出發(fā)，引出了幾種現(xiàn)行室內(nèi)精確定位的技術(shù)方案，對它們進(jìn)行基本的理論分析介紹，并分別從它們的相關(guān)特征，優(yōu)缺點(diǎn)等具體的介紹，讓我們對室內(nèi)精確定位有了進(jìn)一步的理解。

［1］侯玉華.PHS和WLAN共用室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋［J］.中興通訊技術(shù)， 2008，7（1）.

［2］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社， 2005.

徐寶平（1988—），男，江蘇揚(yáng)州人，助理工程師，主要從事煤礦通信技術(shù)的研究工作。