室內(nèi)定位技術(shù)的研究綜述

劉祺　朱秋月　馮莎

摘 要： 室內(nèi)定位是位置信息服務(wù)領(lǐng)域中的重要研究方向，其在日常生活、商業(yè)服務(wù)和公共安全等方面都有著良好的應(yīng)用前景。介紹了室內(nèi)定位技術(shù)的由來和類別，以及當(dāng)前主流的室內(nèi)定位技術(shù)及其定位原理，舉例描述了室內(nèi)定位的應(yīng)用場景，并分析了其未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞： 室內(nèi)定位； 類別； 定位原理； 應(yīng)用場景； 發(fā)展趨勢

中圖分類號：TP271.+5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）08-13-03

Abstract： Indoor positioning technology is an important research direction in the field of location service research， and it has a promising application prospect in daily life， business services， public security etc. This paper discusses the origin， classification and the current mainstream of indoor positioning technology and introduces the positioning principles behind the indoor positioning technology， and exemplifies the application scenarios of indoor positioning and analyzes its future development trend.

Key words： indoor positioning； category； positioning principle； application scenarios； development trend

0 引言

隨著社會的進(jìn)步，信息技術(shù)的發(fā)展以及各類電子智能設(shè)備的普及，定位技術(shù)已越來越貼近人們的生活。作為成熟的定位技術(shù)的代表—GPS技術(shù)，因其性能穩(wěn)定、成本低、精度能達(dá)到米級，而被越來越多的人所熟悉并使用。例如車載導(dǎo)航，手機(jī)地圖App等都運用了GPS技術(shù)。

在室內(nèi)，由于受到鋼筋混凝土等障礙物的遮擋和復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境的影響，接收到的GPS信號很弱，無法利用現(xiàn)有的GPS技術(shù)實現(xiàn)定位。由于人們的大部分時間都在室內(nèi)度過，所以室內(nèi)定位在日常生活、商業(yè)服務(wù)以及公共安全中都有著極為重要意義。因此，如何在室內(nèi)實現(xiàn)精確的定位是定位技術(shù)研究領(lǐng)域中的一個重要方向。

1 室內(nèi)定位技術(shù)的分類

室內(nèi)定位技術(shù)已有多年的發(fā)展歷史，現(xiàn)有的室內(nèi)定位技術(shù)按照不同的依據(jù)可以有多種劃分。其中，以定位機(jī)制為依據(jù)可以劃分為：基于臨近關(guān)系的室內(nèi)定位技術(shù)、基于幾何關(guān)系的室內(nèi)定位技術(shù)和基于場景分析的室內(nèi)定位技術(shù)[1]；按照其物理依賴可以劃分為：基于GPS的室內(nèi)定位技術(shù)、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（紅外線、藍(lán)牙、WiFi、超聲波等）的室內(nèi)定位技術(shù)和其他室內(nèi)定位技術(shù)；按照定位范圍可以劃分為：廣域室內(nèi)定位和局域室內(nèi)定位[2]。

2 現(xiàn)有的室內(nèi)定位技術(shù)

從室內(nèi)定位被提出至今，已有十多年的發(fā)展。在世界各國專家學(xué)者的研究下，已取得很多研究成果，產(chǎn)生了多種定位技術(shù)。當(dāng)前主要應(yīng)用的定位技術(shù)有如下幾種。

⑴ 紅外線定位

紅外線定位是通過在待定位目標(biāo)上安裝紅外線發(fā)射器，該發(fā)射器能發(fā)射具有惟一身份標(biāo)識的信號，在室內(nèi)各個方向上布置紅外線接收器。各個接收器都與控制中心相連，通過控制中心的計算分析后得以定位。具有代表性的基于紅外線的室內(nèi)定位系統(tǒng)有AT&T劍橋?qū)嶒炇议_發(fā)的Active Badge定位系統(tǒng)。紅外線技術(shù)的定位精度較高，但紅外線的傳播距離較短，只能在視距內(nèi)傳播，系統(tǒng)成本較高，這些缺陷在一定程度上限制了它的發(fā)展。

⑵ 超聲波定位

超聲波定位[4]依據(jù)回波與發(fā)射波之間的時間差得到待測點和參考點之間的距離，通過三個或三個以上待測點到參考點之間的距離結(jié)合三角定位或其他算法得到待測點在室內(nèi)的二維坐標(biāo)。基于超聲波的室內(nèi)定位解決方案有AT&T劍橋?qū)嶒炇姨岢龅腁ctive Bat定位系統(tǒng)、MIT開發(fā)的Cricket定位系統(tǒng)，Constellation定位系統(tǒng)。其中，Cricket系統(tǒng)中不僅使用了超聲波，還結(jié)合了射頻技術(shù)，Constellation系統(tǒng)中還加入了其他傳感器來增加它的定位精度。超聲波技術(shù)有很高的定位精度，但由于需要在定位空間布置大量的測量設(shè)備，使其有較高的定位成本。

⑶ 藍(lán)牙定位

藍(lán)牙技術(shù)[5]通過計算移動終端接收已知高度的發(fā)射天線所發(fā)射的信號的角度，或者根據(jù)藍(lán)牙信號強(qiáng)度定位。2011年，NOKIA提出的HAIP（High Accuracy Indoor Positioning）室內(nèi)定位解決方案，就是利用藍(lán)牙信號的信號到達(dá)角度實現(xiàn)精確定位。而蘋果公司研制的iBeacon則是根據(jù)在待測點所測得的信號強(qiáng)度通過指紋匹配算法得以定位。藍(lán)牙定位技術(shù)的優(yōu)點在于：設(shè)備體積小，易于集成在手持終端設(shè)備中，且定位精度較高。其易于普及，但在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，其定位精度受外界的干擾較大，穩(wěn)定性有待提高。

⑷ WLAN定位

基于WLAN的室內(nèi)定位技術(shù)近年來得以快速發(fā)展。WLAN定位[6]主要是分為兩個階段：離線采集階段和在線定位階段。具有代表性的基于WLAN技術(shù)的定位系統(tǒng)有微軟研究院提出的RADAR系統(tǒng)。此外，一些較著名的IT公司在其研發(fā)的室內(nèi)定位產(chǎn)品中也用到WLAN技術(shù)，如谷歌地圖中引入室內(nèi)定位功能，我國的百度、高德公司研發(fā)的室內(nèi)定位產(chǎn)品等?，F(xiàn)有的WLAN技術(shù)定位精度雖然一般，但由于WiFi設(shè)備廣泛部署于人們周圍，使其擁有良好的應(yīng)用前景。

⑸ 射頻定位

射頻識別（Radio Frequency Identification簡稱RFID）技術(shù)[7]利用射頻信號進(jìn)行非接觸式雙向通信，從而獲得目標(biāo)位置的相關(guān)信息。2003年，密歇根州立大學(xué)Lionel M .Ni提出基于RFID的LANDMARC室內(nèi)定位系統(tǒng)。華盛頓大學(xué)推出的SpotON系統(tǒng)也基于RFID。由于射頻信號傳輸范圍大、非視距、非接觸式等優(yōu)點，而且定位的成本較低，所以近年來被較多的應(yīng)用。但由于其傳輸距離短，不具備通信能力等缺陷，使其在發(fā)展中受到限制。

⑹ 超寬帶定位

超寬帶（UWB）技術(shù)[8]是一種近年來發(fā)展迅速的新興通信技術(shù)，通過發(fā)送和接收納秒或納秒級以下的急窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，具有GHz量級的帶寬。由于其具有穿透力強(qiáng)，功耗低，抗多徑效應(yīng)能力強(qiáng)等特點，使其在室內(nèi)定位中有獨特的優(yōu)勢。Ubisense是具有代表性的UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)，其原理是TDOA和AOA定位算法的相結(jié)合?；赨WB的室內(nèi)定位系統(tǒng)具有亞米級定位精度，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，但UWB設(shè)備成本過高使其難以大范圍的使用。

⑺ ZigBee定位

ZigBee技術(shù)是一種新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由于其低功耗、低成本的特點，近年來在短距離室內(nèi)定位中逐漸受到人們的關(guān)注。ZigBee定位系統(tǒng)[9]通過在室內(nèi)布置大量的參考節(jié)點，各節(jié)點之間協(xié)調(diào)通信實現(xiàn)室內(nèi)定位。TI公司推出的CC2431就是帶硬件定位引擎的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，它的定位引擎是基于RSSI技術(shù)，根據(jù)接收到的信號強(qiáng)度和參考點的位置計算出待測點的坐標(biāo)。

⑻ 其他室內(nèi)定位技術(shù)

除上述方案外，高通公司利用手機(jī)基站輔助GPS推出了A-GPS（Assistant-GPS，輔助全球定位技術(shù)）系統(tǒng)，IndoorAtlas公司提出基于地球磁場的定位解決方案，Qubulus公司的方案則是根據(jù)無線電信號來定位等?，F(xiàn)有的室內(nèi)定位技術(shù)有著各自的優(yōu)點，但同時也存在各自的缺陷，具體如表1所示。

3 室內(nèi)定位技術(shù)在實際中的應(yīng)用

在日常生活中，當(dāng)我們在大型商場中苦苦尋找想買的商品，或者急于找到出口時，忽然發(fā)現(xiàn)只要打開手機(jī)就能輕松找到想要的路線，這確實是一件很令人驚喜的事情。當(dāng)我們在景區(qū)游玩時，有時會發(fā)現(xiàn)我們的手機(jī)地圖不起作用了，只能用紙質(zhì)地圖或通過路標(biāo)定位。其原因是有的地方不能收到GPS信號，或GPS定位精度不夠等。而當(dāng)室內(nèi)定位技術(shù)足夠成熟時，通過室內(nèi)定位技術(shù)和室外定位技術(shù)的融合，實現(xiàn)室內(nèi)外定位技術(shù)的無縫切換，問題就會迎刃而解。

在商業(yè)服務(wù)領(lǐng)域，通過室內(nèi)定位能夠根據(jù)顧客的位置推薦當(dāng)前區(qū)域內(nèi)的商品。在公共安全領(lǐng)域，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，室內(nèi)定位能幫助消防員了解建筑內(nèi)的布局，方便消防員展開營救工作，同時能定位消防員的實時位置，有利于保障消防員自身的安全。

4 總結(jié)及其未來的發(fā)展趨勢

室內(nèi)定位技術(shù)已有多年的發(fā)展歷史，有著良好的應(yīng)用前景。由于長期的探索已有多種定位技術(shù)被提出，甚至在有些實際場景中已在應(yīng)用某種定位技術(shù)。然而由于定位精度、定位成本、定位范圍、應(yīng)用環(huán)境等因素的限制，至今仍沒有一種定位技術(shù)為大部分人所接受，而被應(yīng)用于實際生活的各個領(lǐng)域中。

當(dāng)前各種室內(nèi)定位技術(shù)雖然存在各自的缺陷，但也有各自的優(yōu)點。所以，室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢可以歸納為：在各種定位需求之間尋求平衡，融合多種現(xiàn)有的室內(nèi)定位技術(shù)以彌補單一技術(shù)存在的不足；在融合多種技術(shù)的基礎(chǔ)上，為各模塊之間信息的交互制定標(biāo)準(zhǔn)；同時，對于保障位置信息的安全，如保障使用者位置信息的安全，保障有些人的位置信息不被定位系統(tǒng)獲知，以及保障本定位系統(tǒng)不被他人使用等，也許會逐漸在未來的室內(nèi)定位系統(tǒng)中體現(xiàn)出來。

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