室內(nèi)外無縫定位方案研究

李冀 肖巖 馬琳琳 袁子倫 許連杰

摘? ?要：隨著無線通信技術(shù)、衛(wèi)星導航技術(shù)的發(fā)展，基于位置的服務(wù)已成為現(xiàn)代社會生活、生產(chǎn)的重要組成部分。文章首先介紹了室內(nèi)外無縫定位技術(shù)的應(yīng)用背景、發(fā)展方向以及面臨的主要難點。其次，介紹了目前主要的無縫切換準則，以及各種準則衍生出的各種切換方案。最后，指出了室內(nèi)外無縫定位技術(shù)亟待解決的問題，以及下一步相關(guān)研究的突破口。

關(guān)鍵詞：無線通信技術(shù);衛(wèi)星導航技術(shù);室內(nèi)外無縫定位;切換準則;切換方案

當前的四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)已可以滿足室外環(huán)境定位需求，并日漸成熟。然而，在超市、醫(yī)院、圖書館、火車站、地下停車場、機場大廳、地下室等室內(nèi)環(huán)境或高大建筑密集的街區(qū)，衛(wèi)星信號嚴重衰減，即衛(wèi)星導航系統(tǒng)欠缺室內(nèi)定位能力，不能滿足公共需求，存在“最后一公里”瓶頸[1]。因此，需要一種室內(nèi)外無縫定位方案來滿足大眾需求。當前的方案主要是融合兩種或兩種以上的定位方法，以保證用戶在任意地點都能接收到定位信號，同時，在任意場景下可以實現(xiàn)定位方法間的無縫連接和平滑過渡，最終實現(xiàn)高可用、高精度的室內(nèi)外無縫定位。

1? ? 應(yīng)用前景

室內(nèi)外無縫定位技術(shù)，是衛(wèi)星導航、室內(nèi)定位（Indoor Positioning System，IPS）和基于移動位置服務(wù)（Location Based Service，LBS）等領(lǐng)域的交叉融合與創(chuàng)新，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的普及、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的興起，已經(jīng)逐漸成為市場的剛需，應(yīng)用場景非常廣闊，市場空間將達到數(shù)百億美元。

1.1? 軍用物資定位監(jiān)控

針對兵器庫、軍用設(shè)施、軍事機密文件的精準調(diào)度，采用室內(nèi)外融合定位技術(shù)，可以對軍品的進庫、包裝、運輸、倉儲、移動進行全天候、全方位精準定位和實時監(jiān)控，從而建立起強大的信息庫和軌跡鏈，隨時知曉物品的所在位置，促進作戰(zhàn)管理、分析水準的提升和軍品精準調(diào)度。

1.2? 安保反恐

針對目前機場、火車站的恐怖襲擊事件，建立一個覆蓋室內(nèi)外的精準定位系統(tǒng)進行全方位、實時、動態(tài)定位監(jiān)控，還可以和視頻聯(lián)動，將旅客、行李、車輛、環(huán)境、安檢人員等要素全部納入系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理和分析，提供實時的數(shù)據(jù)和預警，實現(xiàn)安保人員定位、可疑行李跟蹤、視頻監(jiān)控聯(lián)動、自動警戒報警、車輛精準調(diào)度，以最快的速度發(fā)現(xiàn)或處理可疑目標，保證乘客安全。

1.3? 智能工廠管理

智能工廠管理要求對物料、生產(chǎn)、檢測、裝配、運輸、倉儲、發(fā)運等環(huán)節(jié)實現(xiàn)智能化控制。如智能化的動車檢修基地物流調(diào)度通常要求完成各機車各部分的解體、檢修、裝配自動化，生產(chǎn)線間及自動化立體倉庫中物料的輸送、分類、發(fā)運、出入庫等工作，實現(xiàn)物料的自動輸送、檢測、監(jiān)測、合流、分流、翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、升降等功能，同時，對基地內(nèi)的運輸車和叉車實現(xiàn)精準定位（亞米級精度）、動態(tài)路徑規(guī)劃、自主導航，形成閉環(huán)的廠區(qū)智能化物流系統(tǒng)。

2? ? 無縫定位的難點

室內(nèi)外無縫定位技術(shù)由于其環(huán)境的特殊性，存在以下技術(shù)難點：（1）難以靠單一的定位技術(shù)實現(xiàn)無縫定位，因為各種定位信號特點不同，無法同時覆蓋不同定位場景。（2）在不同的區(qū)域覆蓋不同的信號，是否應(yīng)該采用不同方式進行連接定位，比如需要解決室內(nèi)外連接區(qū)域的無縫連接問題。（3）定位信號在非視距（Non-Line of Sight，NLOS）的情況下傳播受限，如何針對這種情況設(shè)計運動模型，或是進行誤差糾正。（4）不同定位技術(shù)聯(lián)合定位時，時間和地圖坐標系的轉(zhuǎn)換及統(tǒng)一問題。

3? ? 室內(nèi)外無縫定位方案

室內(nèi)外無縫定位根據(jù)衛(wèi)星信號、無線定位信號的覆蓋情況可以分為：室外區(qū)域、室內(nèi)定位區(qū)域以及室內(nèi)外交界區(qū)域。室外區(qū)域采用衛(wèi)星定位技術(shù);室內(nèi)區(qū)域采用無線定位技術(shù)，例如WiFi、藍牙、超寬帶等[2]，可以根據(jù)具體的定位要求選擇不同的定位技術(shù);室內(nèi)外交界區(qū)域則是室內(nèi)外無縫定位需要解決的關(guān)鍵區(qū)域。根據(jù)在室內(nèi)外交界區(qū)域處理方法的不同，室內(nèi)外無縫定位方案可以分為兩類：（1）切換，根據(jù)切換條件切換為室內(nèi)定位或者室外定位，只輸出一個子系統(tǒng)的解算結(jié)果。（2）融合：當存在兩個子系統(tǒng)同時工作時，不去判斷室內(nèi)還是室外，而是通過融合算法將兩個子系統(tǒng)的結(jié)果進行融合，作為一個綜合結(jié)果輸出。

3.1? 室內(nèi)外無縫定位之切換

基于切換的室內(nèi)外無縫定位方案的關(guān)鍵是如何正確區(qū)分定位對象所處的區(qū)域是室內(nèi)還是室外，尤其是在室內(nèi)外交界區(qū)域?qū)崿F(xiàn)低延時、高準確度的切換。定位切換是定位過程中定位模式隨著定位對象的移動、衛(wèi)星數(shù)據(jù)或無線接入點的改變而不斷重新選擇的過程，在很大程度上影響定位精度和定位結(jié)果的可用性。切換次數(shù)少、切換時延低、切換頻率小是實際應(yīng)用中切換策略的一個基本原則。在組合定位系統(tǒng)中，可采用最小負荷、最大可用性、最大定位精度作為主要的切換準則。

在切換方案中，反復切換（即乒乓效應(yīng)）會造成運算量的浪費，降低用戶體驗，尤其是當定位場景變化，需要地圖變化時，乒乓效應(yīng)可能會造成地圖的反復變換，嚴重影響用戶的正常使用。在算法中引入一個駐留時間計數(shù)器，切換觸發(fā)時開始計數(shù)，觸發(fā)條件持續(xù)滿足則執(zhí)行切換。

切換過程包括3個步驟：切換觸發(fā)、切換判決、切換執(zhí)行。對切換過程進行簡述：假設(shè)定位對象由室外區(qū)域向室內(nèi)區(qū)域移動，當?shù)竭_邊界區(qū)域（外）時，即滿足設(shè)定的觸發(fā)條件，觸發(fā)切換計數(shù)器開始計數(shù)，觸發(fā)條件持續(xù)滿足時，進行切換判決，當滿足計數(shù)閾值且觸發(fā)邊界區(qū)域（內(nèi)）時，則執(zhí)行切換，由室外切換到室外，若滿足計數(shù)閾值但未觸發(fā)邊界區(qū)域（內(nèi)），則判決超時，重新進行區(qū)域判決。由室內(nèi)到室外移動時，切換方案類似，不再敘述。若由室內(nèi)外交界區(qū)域開始移動則可省略切換觸發(fā)，直接使用切換計數(shù)器技術(shù)，然后判斷是在觸發(fā)邊界區(qū)域（外）還是邊界區(qū)域（內(nèi)）進行定位切換。

基于切換的室內(nèi)外無縫定位方案中常用的切換參數(shù)包括：光照強度、地磁、信號強度、距離、衛(wèi)星數(shù)量及水平精度因子（Horizontal Dilution of Precision，HDOP）值等。

（1）光照強度：利用光敏傳感器獲得當前時刻的光照強度，室內(nèi)光強明顯低于室外光強。一般來說，室外環(huán)境的光照強度超過2 000 lux，室內(nèi)光強一般不超過300 lux，大量的實驗表明可以選擇500 lux作為劃分室內(nèi)、室外環(huán)境的閾值。限制：光敏傳感器不能被遮蓋。

（2）地磁：利用地磁傳感器獲得當前位置的地磁信息，室內(nèi)磁場變化較大，比室外磁場變化劇烈。缺點：容易受影響。

（3）信號強度：由于無線信號傳輸?shù)奶攸c為信號強度隨著距離的增大而衰減，由此可將信號強度衰減轉(zhuǎn)化為信號傳播距離。通過距離推斷當前位置和室內(nèi)外交界區(qū)域的關(guān)系。缺點：受環(huán)境影響大，不穩(wěn)定。

（4）衛(wèi)星數(shù)量及HDOP值：通過衛(wèi)星數(shù)量和HDOP值來判斷全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GNSS）[3]信號是否可用。具體判斷方法：①GNSS接收信號是否有效。②衛(wèi)星數(shù)量及HDOP是否滿足條件：衛(wèi)星數(shù)量≥4，HDOP<3。缺點：搜星存在延時。

3.2? 室內(nèi)外無縫定位之融合

在室內(nèi)外交界區(qū)域，同時存在兩種定位數(shù)據(jù)，兩種數(shù)據(jù)的精度由于受到環(huán)境影響，定位精度都有所降低，而融合濾波器可以很好地處理多種數(shù)據(jù)都存在的情況，通過兩種數(shù)據(jù)的相互補充，能提高總體的定位精度。

對于室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)而言，室外使用衛(wèi)星定位方法，室內(nèi)使用無線定位方法（如藍牙、超寬帶等）。但在室內(nèi)外交界的復雜環(huán)境下，無線信號會由于非視距誤差導致定位精度下降，故利用Kalman濾波器來消除NLOS誤差，并使用粒子濾波器對室外定位數(shù)據(jù)和室內(nèi)定位數(shù)據(jù)進行融合，提高室內(nèi)外交界區(qū)域的定位精度。數(shù)據(jù)融合層處理不同數(shù)據(jù)的融合，濾波器算法在此層實現(xiàn)，同時，由于不同的定位子系統(tǒng)有各自的坐標系，因此，在此層還需要進行坐標系的轉(zhuǎn)換。

3.3? 室內(nèi)外無縫定位方案存在的問題

單一的定位技術(shù)很難覆蓋室內(nèi)外無縫空間，也不能保證定位的連續(xù)性和準確性，為了解決室內(nèi)外無縫定位，提出了組合定位技術(shù)。在現(xiàn)有的無縫定位研究方面，目前還沒有較好的解決方案。有些僅是沿用組合定位技術(shù)，將多種技術(shù)簡單聯(lián)立。因此，目前無縫定位仍有很多亟待解決和改進的問題，通過對無縫定位技術(shù)的研究，保持并提髙組合定位的精度，提高用戶的使用觀感非常重要。

4? ? 結(jié)語

室內(nèi)外無縫定位技術(shù)是在室內(nèi)定位技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是一個新興且較為寬泛的課題。在室外，GNSS已經(jīng)基本滿足人們對位置服務(wù)的需求，室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用也日益廣泛，將兩種系統(tǒng)的優(yōu)缺點互補，從而促進室內(nèi)外無縫定位的研究與發(fā)展。下一步的研究工作可以從以下幾個方面進行。（1）當前的切換算法考慮的因素不多，切換次數(shù)雖然得到了降低，但仍有改進空間，需要深入學習、研究通信領(lǐng)域的垂直切換算法，應(yīng)用到無縫定位的場景中。（2）增加融合信息，把各種定位技術(shù)融合到一個系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢，充分利用各種定位技術(shù)的優(yōu)點，能提高室內(nèi)外無縫定位結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性，為公眾提供更好的位置服務(wù)。

[參考文獻]

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[3]蔡勁，蔡成林.GNSS/地磁組合的室內(nèi)外無縫定位平滑過渡方法[J].測繪通報，2018（3），30-34.