室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展與研究綜述

石敏　周后盤　吳輝　阮益權(quán)　裘瑞清

摘 要： GPS全球定位系統(tǒng)提供了完善的室外定位導(dǎo)航服務(wù)，但是由于信號(hào)遮擋問題，導(dǎo)致這一定位方式并不適用于室內(nèi)。因此，室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)成為近年來研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。首先介紹目前主流的室內(nèi)定位技術(shù)，包括每種不同定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和最新的研究進(jìn)展，然后總結(jié)目前室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展過程中所面臨的挑戰(zhàn)，最后提出未來室內(nèi)定位技術(shù)的創(chuàng)新研究方向。

關(guān)鍵詞： 位置服務(wù)； 室內(nèi)定位； 定位技術(shù)； 創(chuàng)新應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP271+.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2018）08-01-04

A review of the development and research of indoor positioning technology

Shi Min1， Zhou Houpan1，2， Wu Hui1，2， Ruan Yiquan1， Qiu Ruiqing1

（1. Smart City Research Center of Hangzhou Dianzi University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China；

2. Regional Collaboration Innovation Center of Smart City）

Abstract： GPS （Global Positioning System） provides a complete service for outdoor location navigation. However， on account of signal blocking problems， this positioning method cannot be applied to the scenarios of indoor environments. Therefore， indoor navigation technology becomes the focus and the hot spot of the research in recent years. This paper introduces indoor positioning technologies of the mainstream， including the advantages and disadvantages of different positioning techniques and the latest research progress， and then sums up the challenges of indoor positioning technology faced nowadays. Finally， orientations of the future research on indoor positioning technologies are discussed.

Key words： location based service； indoor positioning； positioning technology； innovative application

0 引言

美國(guó)的GPS定位系統(tǒng)和中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供了室外定位導(dǎo)航服務(wù)的技術(shù)支撐，這種基于衛(wèi)星信號(hào)的定位方式技術(shù)成熟、定位精度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)，但是由于衛(wèi)星信號(hào)容易被遮擋、室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變等原因?qū)е逻@種定位方式無法應(yīng)用于室內(nèi)。然而，地下車庫(kù)停車路線規(guī)劃、商場(chǎng)購(gòu)物引導(dǎo)、火災(zāi)救援等發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景的定位需求，推動(dòng)了室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)可靠的室內(nèi)定位成為近年來研究的重點(diǎn)。

室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)位置定位，主要在采用無線通訊、基站定位以及融合其他技術(shù)的基礎(chǔ)上形成一套室內(nèi)定位技術(shù)體系，從而實(shí)現(xiàn)人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控[1]。從目前來看，有多種技術(shù)解決方案能夠完成室內(nèi)定位的功能，主流且較為成熟的定位技術(shù)有Wi-Fi、藍(lán)牙、超聲波、慣導(dǎo)、光定位（紅外）、地磁、二維碼等。采用單一的定位技術(shù)由于技術(shù)本身固有的缺陷往往無法滿足人們對(duì)于定位的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性需求，再加上室內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境和多徑效應(yīng)的影響，故多種定位技術(shù)的融合是將來室內(nèi)定位發(fā)展的必然趨勢(shì)[2-3]。

1 室內(nèi)定位技術(shù)

從室內(nèi)定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理上看，有鄰近檢測(cè)[4]、接收信息強(qiáng)度指示（RSSI）[5]，以及到達(dá)時(shí)間（TOA）[6]、到達(dá)時(shí)間差（TDOA）[7]、到達(dá)角度（AOA）[8]等幾種方式，再結(jié)合幾何上的算法，如多變定位法、三角定位法、雙曲線法等[4]。從具體實(shí)現(xiàn)方式上看，有多種技術(shù)能在上述定位方法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位功能，下面對(duì)主流的相對(duì)成熟的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

1.1 Wi-Fi定位技術(shù)

從2012年開始，中國(guó)移動(dòng)等就投入大量人力財(cái)力建設(shè)大規(guī)模的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。商場(chǎng)、圖書館、小區(qū)的大部分區(qū)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋。Wi-Fi信號(hào)資源覆蓋率的提高，為基于Wi-Fi的室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展提供了有利條件。Wi-Fi室內(nèi)定位的原理是通過無線接入點(diǎn)（包括無線路由器）組成的無線局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境中的定位檢測(cè)和追蹤任務(wù)[9-10]。它以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置信息為基礎(chǔ)，采用經(jīng)驗(yàn)測(cè)試和信號(hào)傳播模型相結(jié)合的方式，對(duì)接入的移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行定位，定位精度在1米到20米之間。

1.2 藍(lán)牙定位技術(shù)

藍(lán)牙（Bluetooth）是一種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備之間的短距離數(shù)據(jù)交換。在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)之后，將網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)始終是在一個(gè)微網(wǎng)絡(luò)的主設(shè)備，這樣通過檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度就可以獲得用戶的位置信息。藍(lán)牙定位主要應(yīng)用于小范圍定位，定位終端如手機(jī)只要開啟藍(lán)牙功能就能實(shí)現(xiàn)自身定位，使用方便。

1.3 超聲波定位技術(shù)

超聲波是一種頻率高于20000赫茲的聲波，基于超聲波的室內(nèi)定位技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是指向性好、穿透力強(qiáng)，室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜的一個(gè)體現(xiàn)是信號(hào)被建筑阻隔導(dǎo)致的嚴(yán)重衰減，所以超聲波的高穿透力是這種技術(shù)適用于室內(nèi)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。超聲波的能量在傳播過程中損耗小，所以傳播距離遠(yuǎn)，因此常常應(yīng)用于距離測(cè)量。

但是聲波的一個(gè)特性即聲波的傳輸速度受空氣密度影響較大，聲波傳播速度與空氣密度成正比，而空氣密度又主要受濕度影響，所以這種定位方式的準(zhǔn)確性受氣候影響波動(dòng)較大，同時(shí)基礎(chǔ)設(shè)備的投入花費(fèi)巨大。

1.4 慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

慣性導(dǎo)航是在牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)上建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型，即在已知初始位置的前提下，根據(jù)測(cè)得的運(yùn)動(dòng)速度和加速度計(jì)算下一個(gè)位置坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)定位功能。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心組件IMU（慣性測(cè)量單元）是由三個(gè)正交的單軸加速度器和三個(gè)正交陀螺儀組成，隨著智能手機(jī)的普及和微機(jī)電器（MEMS）的發(fā)展，為慣性導(dǎo)航的廣泛應(yīng)用提供了硬件上的基礎(chǔ)，基于智能手機(jī)的慣性導(dǎo)航成為研究的重點(diǎn)[11-12]。

慣性導(dǎo)航的自主性較強(qiáng)，但是慣性導(dǎo)航的位置誤差與速度誤差會(huì)隨著時(shí)間的積累而增大，而且導(dǎo)航精度主要取決于陀螺的精度，單純從提高儀器的精度上去提高定位導(dǎo)航精度很難實(shí)現(xiàn)。所以，有研究是將慣性導(dǎo)航定位技術(shù)與其他室內(nèi)定位技術(shù)結(jié)合以期能獲得更高的定位精度[13]。

1.5 紅外線定位技術(shù)

紅外室內(nèi)定位技術(shù)是通過安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器，接收各種移動(dòng)設(shè)備發(fā)送經(jīng)過調(diào)制的紅外射線進(jìn)行定位，具有較高的定位精度。

紅外線技術(shù)雖然已經(jīng)非常成熟，定位精度也相對(duì)較高。但是紅外線只能視距傳播，穿透性非常差[14]，也容易受燈光、煙霧等外部環(huán)境因素干擾。這些缺點(diǎn)都大大降低了紅外線定位技術(shù)的應(yīng)用范圍。

1.6 地磁定位技術(shù)

地磁指的是地球自身的磁場(chǎng)，地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)，具有全天候、全地域的特征。在地球近地空間內(nèi)任意一點(diǎn)上的地磁場(chǎng)都具有惟一性，且理論上與該點(diǎn)的經(jīng)緯度一一對(duì)應(yīng)，所以只要準(zhǔn)確確定各點(diǎn)的地磁場(chǎng)矢量數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)全球定位，定位方法主要采用指紋定位方法[15-16]。由于地磁信息是地球的固有資源，所以基于地磁的室內(nèi)定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來成本開銷較小，而且定位精度高、可靠性好。地磁也可以作為輔助導(dǎo)航技術(shù)與慣導(dǎo)系統(tǒng)組合使用，校正慣導(dǎo)系統(tǒng)的累積性誤差，同時(shí)也可以彌補(bǔ)地形匹配導(dǎo)航技術(shù)在跨平原、跨水域時(shí)存在的缺陷。

1.7 二維碼定位技術(shù)

將二維碼作為一種信息載體，對(duì)靜態(tài)對(duì)象的位置進(jìn)行編碼并以二維碼的形式嵌入在已有的標(biāo)志系統(tǒng)中，結(jié)合室內(nèi)電子地圖就可以實(shí)現(xiàn)定位和導(dǎo)向功能。定位功能的實(shí)現(xiàn)一般要經(jīng)過二維碼掃描、信息檢索、信息解碼、地圖匹配、信息展示等5個(gè)步驟[17]?；诙S碼的室內(nèi)定位技術(shù)成本低廉、布置簡(jiǎn)單，而且將靜態(tài)標(biāo)志與電子地圖聯(lián)系起來，豐富了標(biāo)志導(dǎo)向系統(tǒng)的內(nèi)涵。

2 面臨的挑戰(zhàn)

2.1 環(huán)境復(fù)雜多變

室內(nèi)空間布局復(fù)雜多變，信號(hào)干擾源眾多，如燈光、溫度、墻壁等。這些復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境一方面導(dǎo)致實(shí)際定位精度很難達(dá)到理論上的定位精度。另一方面會(huì)導(dǎo)致適用于某一地區(qū)的室內(nèi)定位解決方案可能很難適用于其他地區(qū)，導(dǎo)致定位模型的普適性降低。

2.2 定位成本與精度需求難以兼顧

要實(shí)現(xiàn)精度高、可靠性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，就需要投入大量的人力物力用于器材的花銷以及前期的數(shù)據(jù)處理，而且后期系統(tǒng)維護(hù)成本高昂。如何實(shí)現(xiàn)低成本與高精度相統(tǒng)一的室內(nèi)定位系統(tǒng)，是解決室內(nèi)定位技術(shù)大范圍應(yīng)用的關(guān)鍵。

2.3 輔助技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善

相比于室外地圖的建立，室內(nèi)地圖的建立復(fù)雜度更高。室內(nèi)地圖的制作尚無統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范，通用的地圖標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)格式、以及生產(chǎn)工具都是在各個(gè)企業(yè)各自定義的私有協(xié)議下發(fā)展[18-19]，這就為室內(nèi)定位技術(shù)規(guī)范的形成造成困難。

3 創(chuàng)新應(yīng)用方向

目前，室內(nèi)定位主流的應(yīng)用場(chǎng)景包括：商場(chǎng)購(gòu)物導(dǎo)購(gòu)、停車場(chǎng)尋車、自主導(dǎo)游等。隨著定位技術(shù)的日漸完善，為拓展定位技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度，使之更好的與智能應(yīng)用、智能服務(wù)相結(jié)合，提出以下創(chuàng)新研究方向。

3.1 基于北斗平臺(tái)的室內(nèi)外無縫定位

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)和運(yùn)營(yíng)的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，隨著更多衛(wèi)星的組網(wǎng)成功，北斗系統(tǒng)在導(dǎo)航精度和可靠性上都在穩(wěn)步提升。基于北斗平臺(tái)的室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為技術(shù)核心和橋梁，搭建室內(nèi)外定位綜合服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)室外定位與室內(nèi)定位平滑過渡，使高效的定位解決方案從室外走向室，從而建立一個(gè)全空間、全方位的定位服務(wù)系統(tǒng)，以達(dá)到資源的充分有效利用。

3.2 室內(nèi)位置數(shù)據(jù)挖掘

得益于計(jì)算機(jī)處理能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力不斷提升，人們從大規(guī)模數(shù)據(jù)中分析提取出有價(jià)值信息的能力不斷增強(qiáng)。通過智能設(shè)備獲取單個(gè)用戶產(chǎn)生的高質(zhì)量、大量級(jí)[20]的位置數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，可以為預(yù)測(cè)用戶其他多種行為趨勢(shì)及興趣愛好提供理論支持。更進(jìn)一步，通過對(duì)某一區(qū)域所有用戶的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以幫助預(yù)測(cè)該區(qū)域人群移動(dòng)的軌跡，對(duì)智慧城市建設(shè)中的智慧交通、智慧安防等應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持，體現(xiàn)其科研價(jià)值和商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

3.3 多技術(shù)融合

實(shí)現(xiàn)精度高、成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的室內(nèi)定位解決方案是未來研究的目標(biāo)，然而，建立在單一技術(shù)基礎(chǔ)上的室內(nèi)定位解決方案很難達(dá)到人們對(duì)于室內(nèi)定位系統(tǒng)的需求，因此，多技術(shù)融合、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)是未來解決室內(nèi)定位問題的新思路。

Xiong 等人通過融合WSN技術(shù)和RFID技術(shù)，再結(jié)合拓展的卡爾曼濾波和粒子濾波方法，在定位精度上得到有效提升[21]。Gao等人通過將加權(quán)回歸于插值模型，與最大似然估計(jì)方法相結(jié)合，能使定位精度保持在兩米之內(nèi)[22]。

3.4 人工智能技術(shù)的引入

2006年，Hinton等提出的深度置信網(wǎng)絡(luò)（DBN）和相應(yīng)的高效學(xué)習(xí)算法成為其后至今深度學(xué)習(xí)算法的主要框架[23]，自此，深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)難以有效訓(xùn)練的僵局被成功打破[23-24]，機(jī)器學(xué)習(xí)界掀起了深度學(xué)習(xí)的研究熱潮。室內(nèi)定位導(dǎo)航是地理信息產(chǎn)業(yè)的一個(gè)分支，深入研究并結(jié)合深度學(xué)習(xí)相關(guān)方法，對(duì)解決當(dāng)前室內(nèi)定位導(dǎo)航面臨的技術(shù)發(fā)展瓶頸，具有重要意義。例如，在設(shè)計(jì)定位導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)考慮實(shí)現(xiàn)功能即可以收集用戶反饋回來的錯(cuò)誤定位數(shù)據(jù)，然后應(yīng)用人工智能技術(shù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和分析，通過系統(tǒng)自身不斷改進(jìn)自己的定位算法實(shí)現(xiàn)定位準(zhǔn)確率的提高，提高定位的可靠性。

4 結(jié)束語

本文首先介紹了幾種當(dāng)前主流的室內(nèi)定位技術(shù)，并對(duì)每種定位技術(shù)的定位精度、優(yōu)缺點(diǎn)、部署難度和成本進(jìn)行對(duì)比。一方面能讓讀者對(duì)當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展情況有清晰的了解，另一方面能為讀者在選擇適合自己項(xiàng)目的定位技術(shù)時(shí)提供參考。最后結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等當(dāng)下研究的熱點(diǎn)技術(shù)，提出了四點(diǎn)創(chuàng)新研究方向，為拓展室內(nèi)定位技術(shù)應(yīng)用的廣度和深度提供了新思路。

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