混合參數(shù)方法下的室內(nèi)無線定位技術(shù)綜述

宗宇雷+呂品品+李珂+趙逸

摘要：本文對混合參數(shù)下的室內(nèi)無線定位技術(shù)及其方法進(jìn)行了綜述。首先對目前室內(nèi)無線定位領(lǐng)域內(nèi)各種定位方法的原理和局限性進(jìn)行了論述，之后介紹了兩種混合參數(shù)定位思想，并闡述了其優(yōu)勢。最后介紹了幾種混合參數(shù)無線定位技術(shù)及其應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：混合參數(shù)；室內(nèi)無線定位；無線局域網(wǎng)

中圖分類號：TP393.03 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2016.03.016

0引言

據(jù)統(tǒng)計，人們?nèi)粘Ｉ钪谐^80%的時間在室內(nèi)活動，而處于陌生的室內(nèi)環(huán)境，如大型醫(yī)院門診樓、地下停車場等場所時，獲取個人位置信息、目標(biāo)位置信息的需求就顯得尤為重要。在室外環(huán)境下，全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）以及移動運營商布設(shè)的通信站點都可以向用戶提供高精度的位置信息。但是由于室內(nèi)環(huán)境的信號屏蔽、多徑干擾等問題，上述系統(tǒng)并不能提供滿足用戶需求的室內(nèi)位置信息，因此需要開展有針對性的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究。隨著智能手機的高速發(fā)展和普及，面向智能終端的室內(nèi)定位技術(shù)也蓬勃發(fā)展起來，諸如利用手機藍(lán)牙（Bluetooth）、紅外線（Infrared Ray）、無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）等。此外，采用紫蜂協(xié)議（ZigBee）、無線射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）、超寬帶技術(shù)（Ultra Wind Band，UWB）以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）等的室內(nèi)定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，也在商品物流、醫(yī)療保健、治安消防等領(lǐng)域大放異彩。

隨著多媒體服務(wù)的多樣化，WLAN在大型商場、醫(yī)院門診樓、機場大廳、火車站等場所逐漸普及，基于WLAN的室內(nèi)定位技術(shù)憑借著其良好的適應(yīng)性、抗干擾性，在室內(nèi)定位領(lǐng)域占有廣泛應(yīng)用市場。針對WLAN室內(nèi)定位，研究學(xué)者提出了包括最強基站法、傳播模型法和位置指紋法在內(nèi)的諸多定位機制，以及三邊測距法、概率法和K鄰近法等位置解算算法。相比較而言位置指紋法能夠提供較高精度的位置信息，但是對于數(shù)據(jù)庫的建立仍有很高要求，包括同一采樣點由于人員變化導(dǎo)致的信號強度信息（Received Signal Strength，RSS）的變化。因此，有研究學(xué)者將改進(jìn)方法著眼于基于WLAN的多方法融合，以及通過與其他定位技術(shù)結(jié)合，采用混合定位參數(shù)的方法進(jìn)行定位。

本文在研究了近年來國內(nèi)外的室內(nèi)定位技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，首先對多種不同的定位方法進(jìn)行論述，對比分析了相應(yīng)的特點和適應(yīng)的定位環(huán)境；同時討論了相關(guān)學(xué)者提出的混合定位方法，闡述了基于信息融合技術(shù)的高精度室內(nèi)定位；最后對基于多技術(shù)融合應(yīng)用提高定位精度的室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行介紹，即采用混合參數(shù)定位法，通過與不同的定位技術(shù)融合，以適應(yīng)不同室內(nèi)定位環(huán)境需求，達(dá)到室內(nèi)定位的精度要求。

1混合參數(shù)定位方法

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，各式各樣的定位系統(tǒng)應(yīng)運而生。與室外環(huán)境下的衛(wèi)星定位和通信運營商節(jié)點定位不同，室內(nèi)環(huán)境下信號通道更加復(fù)雜，干擾更多。室內(nèi)環(huán)境信號大致可以分為視距傳播（Line-of-Sight，LOS）和非視距傳播（Non-Line-of-Sight，NLOS）。視距傳播屬于比較理想的室內(nèi)環(huán)境，類似于空曠的場館或者地下停車場等，但大多數(shù)室內(nèi)環(huán)境屬于非視距傳播環(huán)境，甚至是人員密集區(qū)域，干擾十分嚴(yán)重。因此開展針對室內(nèi)NLOS環(huán)境下的定位技術(shù)研究，需要根據(jù)實際場景，采用不同的定位方法。通過對多種定位方法的混合使用進(jìn)行定位，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)定位精度，降低系統(tǒng)計算復(fù)雜度，這也為室內(nèi)定位提供了新的思路和發(fā)展方向。

1.1經(jīng)典定位方法

所謂定位方法，即定位系統(tǒng)對移動臺進(jìn)行定位的運行機理。針對不同的定位環(huán)境和所設(shè)計的定位系統(tǒng)，研究學(xué)者們提出了許多不同的定位方法，可以將其歸為經(jīng)典定位方法，主要包括接收信號強度定位、到達(dá)時間定位、到達(dá)角定位、到達(dá)時間差定位等，下面分別予以介紹。

（1）接收信號強度定位

接收信號強度（Received Signal Strength Indi-cation，RSSI）定位方法是根據(jù)一定的無線電磁波傳播損耗模型，將移動臺接收的來自己知節(jié)點的信號強度值轉(zhuǎn)化為距離值，進(jìn)而估計出節(jié)點與移動臺之間的距離。然后以移動臺為圓心，估計距離值為半徑作圓，二維平面上利用三個圓的交點即可判斷出移動臺的位置，即三邊定位算法。RSSI定位方法的優(yōu)點在于目前市面上大多數(shù)無線通信設(shè)備都提供了讀取信號強度的功能，既可以主動進(jìn)行定位，也可以被動地被探測到，應(yīng)用前景比較廣闊。其缺點是由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變，即便預(yù)先得到了較為精確的傳播損耗模型，但在實際的工程實現(xiàn)中仍會出現(xiàn)較大偏差，精度較差。

（2）到達(dá)時間定位

到達(dá)時間（Time of Arrival，TOA）定位方法是一種非常經(jīng)典的定位方法，預(yù)先布設(shè)的接入點（Access Point，AP）測量移動臺發(fā)往接入點的上行信號，獲得移動臺到節(jié)點的傳播時延，從而估計出兩者之間的距離，同樣利用三邊定位原理確定移動臺的位置。TOA定位方法對設(shè)備的時間精度要求非常高，往往需要移動臺與多個節(jié)點之間進(jìn)行嚴(yán)格的時間同步。

（3）到達(dá)角定位

到達(dá)角（Angle of Arrival，AOA）定位方法是節(jié)點通過測量移動臺的上行信號的到達(dá)角度，利用多個節(jié)點測得的角度構(gòu)建直角坐標(biāo)系，對移動臺位置進(jìn)行解算。AOA定位方法對于節(jié)點布設(shè)及測量精度的要求較高，因為需要通過多個節(jié)點的精確測量才能得到移動臺的精確位置，而微小的偏差往往會導(dǎo)致很大的估計誤差。

（4）到達(dá)時間差定位

到達(dá)時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位方法是一種利用信號達(dá)到檢測端的時間差來進(jìn)行定位的方法。多個節(jié)點利用移動臺發(fā)往節(jié)點的上行信號傳播時延差構(gòu)建雙曲線方程，并求解得出移動臺的位置坐標(biāo)。TDOA定位方法不需要檢測端與移動臺進(jìn)行時間同步，同時可以保證定位精度。

在定位過程中，對上述的某一種方法進(jìn)行位置解算，采用如三邊定位法、質(zhì)心法、最大似然估計算法、MUSIC算法等就可以確定目標(biāo)位置。然而在實際使用過程中，會出現(xiàn)定位精度與系統(tǒng)成本之間存在矛盾等問題，為了改善這一情況，研究學(xué)者們又提出了混合參數(shù)定位方法。

1.2混合參數(shù)定位方法

混合參數(shù)定位方法是采用信息融合理念，在節(jié)點或檢測端采用各種類型的定位參數(shù)，通過聯(lián)合算法來實現(xiàn)對移動臺位置坐標(biāo)的定位。由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多樣，存在多徑和非視距傳播等問題，RSSI、TOA、AOA、TDOA的定位精度各不相同。因此，采用融合定位的方法進(jìn)行定位往往可以取得更好的效果，諸如TOA/AOA、TOA/TDOA等混合參數(shù)定位方法，可以有效利用定位參數(shù)信息，提高定位性能。同時，對采用同一定位參數(shù)的多種不同系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合定位，通過最優(yōu)化選擇，也可以達(dá)到提高定位性能的目的。

基于RSSI、AOA、TOA、TDOA的室內(nèi)定位估計，目前已經(jīng)提出了多種算法，可以將這類定位方法歸為單一參數(shù)定位方法。采用兩種或多種技術(shù)結(jié)合定位的方法則可以稱為混合參數(shù)定位?；旌蠀?shù)定位所選用的方法會隨著室內(nèi)定位環(huán)境和所選模型的變化而變化。在基于時間測量的定位中，比如TOA和TDOA，計算基站（Base Station，BS）和移動臺（Mobile Station，MS）之間的距離需要使用傳播時間或傳播時間的差值。但是，TOA方法需要BS和MS時鐘高度同步，這是TOA的一個缺點，而這一缺點在NLOS條件下會更加明顯。同樣，不同路徑產(chǎn)生的多信道信號會產(chǎn)生一個額外時延，也會造成距離誤差。在TDOA中，通過對時差的處理，可以將計時的誤差大大降低或可以忽略，但相較于TOA，它的算法復(fù)雜度又會提高?；赗SS的定位技術(shù)目前的研究較為完善，但是它的缺點是易于受到干擾，包括同一地點在不同時間、溫度下所測量的RSS值也會不同，這對定位帶來了很大的難度和工作量。因此，通過TDOA/RSS、TDOA/AOA進(jìn)行混合參數(shù)定位，對系統(tǒng)復(fù)雜度的降低、定位精度的提高都有良好的改進(jìn)效果。

另一種混合參數(shù)定位的思想是基于同一定位方法或參數(shù)的不同技術(shù)融合，如WLAN與藍(lán)牙，RFID與慣性導(dǎo)航、RFID與超聲波等進(jìn)行混合參數(shù)定位的方法。這類方法的主要思路是通過設(shè)置閾值進(jìn)行最優(yōu)化選擇，避免了單一定位方法在距離過遠(yuǎn)或干擾較多情況下定位精度低的問題，取得了良好的定位效果。針對WLAN系統(tǒng)進(jìn)行混合參數(shù)定位的方法實現(xiàn)度高，具有良好商業(yè)前景，下文將逐一介紹與WLAN相關(guān)的混合參數(shù)室內(nèi)無線定位技術(shù)。

因此，在目前已有的各種定位方法下，采用混合參數(shù)定位進(jìn)行融合定位，或?qū)槭覂?nèi)定位的下一步發(fā)展指出一條嶄新的道路。

2混合參數(shù)方法下的室內(nèi)無線定位技術(shù)

低復(fù)雜度和高精度室內(nèi)定位是目前無線領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)之一。研究學(xué)者提出的用于進(jìn)行室內(nèi)定位的技術(shù)以WLAN解決方案為主，其他一些可供選擇的方案，例如紅外線光、超寬帶系統(tǒng)、藍(lán)牙、RFID等也都有不同的應(yīng)用。它們的特點是利用接收信號強度（RSS）來達(dá)到低復(fù)雜度的目的。但是目前存在的主要問題是如何利用已有的可用信號，如WLAN、RFID等來達(dá)到盡可能高的精度，這也是研究學(xué)者最為關(guān)注的問題。因此混合定位系統(tǒng)的嘗試，已成為目前室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展的新方向。

2.1基于WLAN-RFID的混合定位技術(shù)

無線射頻識別（RFID）技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境下的追蹤和定位的應(yīng)用正逐漸成為研究的熱點。憑借著低成本和高效率的特點，RFID系統(tǒng)可以輕松地應(yīng)用到物體或人身上。因此，有研究學(xué)者提出了將RFID應(yīng)用于WLAN環(huán)境下來獲取更精確的定位效果。

2010年，有研究學(xué)者首次提出將WLAN和RFID定位混合使用進(jìn)行定位。在實驗室環(huán)境下，可以將一部包含WLAN信號接收器和RFID信號讀取器的手機放置在布設(shè)好多個被動式RFID標(biāo)簽的房間內(nèi)。來自標(biāo)簽的散射功率只會被放置在實驗房間內(nèi)的手機所接收，并且作為一個空間信息記錄下來，位置估計則是依靠WLAN的位置指紋信息，而且位置指紋信息的采集點與被動式RFID標(biāo)簽位置一致，通過兩者同時定位比對，來達(dá)到對高精度定位的需求。

但是這種方法并沒有考慮到對WLAN信號和RFID信號的定位結(jié)果做一個最優(yōu)選擇的問題。芬蘭坦佩雷大學(xué)的學(xué)者們在這種思路的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)，設(shè)計利用可穿戴式被動超高頻RFID標(biāo)簽（Wearable Passive UHF RFID Tag）和無線終端進(jìn)行定位?？纱┐魇綐?biāo)簽由于是電鍍紡織物，因此可以完美地佩戴在衣服上，這使得它成為監(jiān)視人體運動和追蹤的極佳方案。此外，它還可以在穿戴者和天線間進(jìn)行可靠高效的無線通信，方便采集信號強度（RSS），進(jìn)行融合定位計算。利用無線終端接收參考點的信號強度值，構(gòu)建實驗室無線地圖，無線終端同時可將RSS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)系以便后續(xù)位置解算使用。來自多個接人點的實際位置和信號強度值都被存儲在數(shù)據(jù)庫中，RFID標(biāo)簽同樣使用這些位置。將采集到的WLAN接入點信號強度值和RFID讀取器接收到的值根據(jù)高斯分布和最優(yōu)化方法進(jìn)行解算，得到一個最優(yōu)化閾值。當(dāng)RFID信號強度比WLAN信號強度高出閾值范圍時，便使用RFID解算的位置坐標(biāo)作為移動臺的坐標(biāo)，反之則使用WLAN定位的坐標(biāo)。通過這樣一個最優(yōu)選擇的方式，達(dá)到高精度定位的目的。同時，隨著使用聯(lián)邦濾波等方法和相關(guān)改進(jìn)算法的提出，基于WLAN-RFID的信息融合定位技術(shù)也會越來越成熟。

2.2基于視覺跟蹤的信息融合室內(nèi)定位技術(shù)

在復(fù)雜的大型室內(nèi)場所內(nèi)，監(jiān)視系統(tǒng)的覆蓋越來越全面，研究學(xué)者提出了使用視覺跟蹤（Visual Tracking，VT）技術(shù)來實現(xiàn)對室內(nèi)人員的定位和追蹤，以及室內(nèi)人員通過攜帶的無線終端配合WLAN和視覺跟蹤進(jìn)行定位和導(dǎo)航。

這一概念的提出來自上海交通大學(xué)與美國俄亥俄州立大學(xué)聯(lián)合研究的室內(nèi)定位項目，在WLAN位置指紋法的基礎(chǔ)上，采用視覺跟蹤定位技術(shù)進(jìn)行融合定位。視覺跟蹤是通過圖像識別技術(shù)對獲取圖像中的運動目標(biāo)進(jìn)行檢測、提取、識別和跟蹤的技術(shù)，獲取目標(biāo)的各項參數(shù)，如位置、速度、加速度等，來完成對目標(biāo)運動軌跡的推算，進(jìn)行檢測、定位、跟蹤。應(yīng)用在室內(nèi)定位系統(tǒng)中的視覺跟蹤技術(shù)可以分為三步，分別是圖像特征識別、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及目標(biāo)跟蹤。圖像特征識別在定位系統(tǒng)里主要是人體識別，目前人體識別技術(shù)的算法主要有差分法、光流法、梯度直方圖法以及相關(guān)改進(jìn)算法。其中效果較好的是使用支持向量機（Support Vector Ma-chine，SVM）和梯度直方圖法的人體檢測算法，通過對圖像進(jìn)行邊緣特征提取，描述出人體輪廓，再依靠SVM進(jìn)行分類，達(dá)到區(qū)分人體和非人體的目的。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是在攝像機捕捉到的目標(biāo)后，將視頻坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到室內(nèi)定位所用的坐標(biāo)系中。攝像機顯示的圖像通常需要經(jīng)過多個參照坐標(biāo)系和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，才能轉(zhuǎn)換成室內(nèi)定位坐標(biāo)。為了輔助識別，目前的做法是在待定位的室內(nèi)空間中布設(shè)一些參照物，根據(jù)已知參照物的坐標(biāo)來進(jìn)行參數(shù)修正，獲取盡可能準(zhǔn)確的室內(nèi)定位坐標(biāo)。在人的目標(biāo)跟蹤方面，粒子濾波技術(shù)是目前較為優(yōu)秀的目標(biāo)跟蹤算法，通過重采樣、預(yù)測和更新，實現(xiàn)目標(biāo)跟蹤。

視覺跟蹤定位由于依靠圖像識別定位，因此精度非常高，但是缺點也很明顯，無法直接判斷對象身份，因此有研究學(xué)者提出與RSSI定位進(jìn)行結(jié)合，通過彼此互補，以實現(xiàn)高精度定位。那么這種定位方式主要面臨著兩種問題：當(dāng)定位目標(biāo)只有一個時，且攝像機捕捉到的目標(biāo)也只有一個，需要一種判決方式將兩者聯(lián)系起來；當(dāng)定位目標(biāo)為多個目標(biāo)時，需要一種判決方式將RSSI定位目標(biāo)與圖像目標(biāo)匹配起來，同樣也需要一種判決方式。針對RSSI，可以基于WLAN使用位置指紋法，建立無線地圖坐標(biāo)系，利用松耦合的方法，在處理的過程中互相不干擾，而是把結(jié)果進(jìn)行比對，轉(zhuǎn)化為二分圖問題，利用匈牙利算法對位置信息進(jìn)行求解。

2.3基于慣性導(dǎo)航和WLAN的室內(nèi)定位技術(shù)

目前智能手機普及度已超過七成，且智能手機內(nèi)裝有很多先進(jìn)的硬件配置，如陀螺儀、方向傳感器、電子羅盤等，在給用戶提供方便的同時，也讓研究學(xué)者想到利用手機的慣性導(dǎo)航與WLAN等室內(nèi)定位現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合進(jìn)行更高精度定位。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（Inertial Navigation System，INS）屬于推算導(dǎo)航方式，建立牛頓力學(xué)模型，根據(jù)一個已知位置的初始點，通過不間斷測得的速度、加速度來推算出下一個位置點，進(jìn)而得到完整的航跡。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的陀螺儀用來形成一個導(dǎo)航坐標(biāo)系，使加速度計的測量軸穩(wěn)定在該坐標(biāo)系中，通過不斷修正航向和姿態(tài)角，得到準(zhǔn)確的速度、偏航角和位置等信息。隨著微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical-System，MEMS）等技術(shù)的進(jìn)步，各類傳感器逐漸向微小型和低功耗發(fā)展，所以現(xiàn)在的智能手機中基本都有一套完整的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，這也使得將WLAN和慣性導(dǎo)航進(jìn)行融合定位成為可能。

目前針對WLAN和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位研究主要可以分為兩類，一類是基于慣性傳感器測量數(shù)據(jù)與WLAN的RSS值融合的定位，另一類是基于WLAN指紋定位和慣性測量進(jìn)行定位。第一類方法主要是依靠智能手機內(nèi)的慣性傳感器推算出用戶的實時位置，同時利用多個WLAN接入點的RSSI信息對用戶位置進(jìn)行修正，采用擴展卡爾曼濾波的算法，將兩者測量結(jié)果進(jìn)行融合，達(dá)到提高系統(tǒng)定位準(zhǔn)確度的目的。第二類方法主要側(cè)重于通過WLAN位置指紋信息對慣性測量進(jìn)行修正，通過擴展卡爾曼濾波等方式對位置信息進(jìn)行融合，對定位精度和實用性都有改善。

3結(jié)束語

室內(nèi)定位不同于室外定位，由于多徑等室內(nèi)環(huán)境特有的因素，導(dǎo)致室內(nèi)定位方式更加多樣化，這也使得室內(nèi)定位隨著環(huán)境的不同而擁有不一樣的定位方法。本文主要著眼于室內(nèi)無線定位技術(shù)，從實用性和商業(yè)性角度考慮，討論了通過引入其他定位系統(tǒng)與WLAN定位系統(tǒng)進(jìn)行融合定位的方法，以提高定位精度。隨著研究的深入，更多的新技術(shù)涌現(xiàn)，更高效的算法被提出，基于WLAN和相關(guān)融合技術(shù)的成熟應(yīng)用，會使得人們在室內(nèi)環(huán)境下享受到更加周到的服務(wù)，人們的生活也將變得更加智能、便捷。