非信號定位技術(shù)分析

唐小露　周鈺婷　莊浩然　胡潘　何佳星

【摘 要】在當代人們生活的環(huán)境中，位置服務(wù)越來越被人們所重視，定位技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。定位技術(shù)有基于信號的定位技術(shù)和非信號定位技術(shù)兩種。非信號定位技術(shù)具有定位精度高、穩(wěn)定性強、所需成本低而且不易受環(huán)境因素影響等優(yōu)勢，逐步成為學者研究的熱門對象。論文就非信號定位技術(shù)進行了闡述，并針對其發(fā)展趨勢及應(yīng)用現(xiàn)狀進行了介紹。

【Abstract】In the contemporary people's living environment， location service has been paid more and more attention， and location technology has also been rapidly developed. Location technology includes signal-based location technology and non-signal location technology. Non-signal location technology has the advantages of high location accuracy， strong stability， low cost and not easily affected by environmental factors， and has gradually become a hot research object for scholars. This paper describes the non-signal location technology， and introduces its development trend and application status.

【關(guān)鍵詞】室內(nèi)定位技術(shù);定位算法;非信號定位

【Keywords】indoor location technology; localization algorithm; non-signal location

【中圖分類號】TN925? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）09-0154-02

1 引言

定位技術(shù)由室外定位技術(shù)和室外定位技術(shù)組成[1]。根據(jù)所接收的信號類型分為無線信號定位和非信號定位兩種。本文針對地磁場技術(shù)、慣性測量技術(shù)、超聲波技術(shù)、紅外線技術(shù)以及視覺信息技術(shù)的原理進行介紹，分析其優(yōu)缺點，針對非信號定位技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及車輛定位領(lǐng)域的運用進行討論。

2 非信號室內(nèi)定位技術(shù)

2.1 地磁場技術(shù)

地磁場是存在于地球內(nèi)部的天然磁性現(xiàn)象，其強度和方向隨所處位置的不同而變化。室內(nèi)的地磁場具有較高的穩(wěn)定性，以及室內(nèi)建筑物墻體內(nèi)存在的金屬和室內(nèi)的電氣設(shè)備會對室內(nèi)的地磁場產(chǎn)生一定的影響，使得地磁場以一種有效信息源[2]的形式應(yīng)用于室內(nèi)導航定位。

2.1.1 地磁場技術(shù)的相關(guān)原理

利用智能手機和平板電腦中的三軸磁力計傳感器（也稱電子羅盤），在室內(nèi)區(qū)域中可檢測到一個由X、Y、Z軸三個方向組成的三軸磁感強度值。通過所檢測到的磁感強度值，判斷待定位人員或移動端的行走方向，并以此建立一張室內(nèi)磁力指紋地圖[3]。采用指紋匹配算法，將不同的磁感強度值與不同的地理位置結(jié)合起來，對待定位人員或移動位置進行定位。

2.1.2 地磁場技術(shù)的優(yōu)缺點

優(yōu)點：①定位精度高，可達到米級;②成本低，無需預(yù)先鋪設(shè)信號源，硬件成本較低;③穩(wěn)定性好，終端比較豐富。

缺點：定位結(jié)果不穩(wěn)定。磁信號易受到環(huán)境中電磁信號源的干擾，在兩個相同的建筑中，可能存在相同的地磁信號，使得地磁定位技術(shù)無法實現(xiàn)精確定位。

2.2 慣性測量技術(shù)

慣性測量定位技術(shù)是根據(jù)IMU測得的一系列傳感數(shù)據(jù)，并結(jié)合一定的算法進行位置估計的定位技術(shù)。該定位技術(shù)的誤差是隨著行走時間的增加而不斷地累積，使得定位精度不夠精確。一般通過與Wi-Fi指紋結(jié)合，實現(xiàn)對MEMS產(chǎn)生的誤差進行修正，以便得到待定位目標的具體位置。

2.2.1 慣性測量定位技術(shù)的相關(guān)原理

利用基于MEMS運動傳感器[4]提供的地磁方向、加速度等傳感數(shù)據(jù)，通過航位推算算法估計待測目標運動的方向和距離，從而估計出待測目標的具體位置。

2.2.2 慣性測量定位技術(shù)的優(yōu)缺點

優(yōu)點：①獨立作業(yè)性能好，具有高度的自主性，并不需要依賴外界信息;②成本低，慣性導航系統(tǒng)的設(shè)計比較簡單，且安裝便捷;③隱蔽性好，不向外界輻射能量，系統(tǒng)能自主地實現(xiàn)導航的功能，能夠避免與外界發(fā)生任何信號的聯(lián)系;④體積小、抗干擾能力極強、精度高。

缺點：具有累積誤差，造成待測目標的定位精度偏移。

2.3 超聲波技術(shù)

超聲波定位技術(shù)，以反射式測距法為主，通過在室內(nèi)安裝多個超聲波揚聲器確定物體位置。

2.3.1 超聲波定位技術(shù)的相關(guān)原理

由已知位置的信標節(jié)點發(fā)射同頻率的超聲波，當待測節(jié)點接收到超聲波后又發(fā)射出返回波，在已知超聲波的傳播速度基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)射波與回波的發(fā)射時刻的時間差計算出兩節(jié)點之間的距離，從而確定待測節(jié)點的位置。

2.3.2 超聲波定位技術(shù)的優(yōu)缺點

優(yōu)缺點：①定位精度高，可達30m;②抗干擾性強，結(jié)構(gòu)簡單。

缺點：①易受多普勒效應(yīng)和溫度的影響;②工作距離較短，普通設(shè)備一般不超過10m;③易受多徑和距離的影響;④穿透能力差，可用頻道少;⑤成本高，系統(tǒng)需要大量的基礎(chǔ)硬件設(shè)施。

2.4 紅外線技術(shù)

紅外線是一種電磁波，其波長介于可見光波和無線電波間。紅外線技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，可用于定位精度較高的特定室內(nèi)定位場景。

2.4.1 紅外線技術(shù)的原理

紅外線室內(nèi)定位的組成成分有定位標簽、定位服務(wù)器、固定位置的傳感器。待定位標簽有發(fā)出特定紅外線的功能，待定位發(fā)出紅外信號后，定位服務(wù)器通過紅外傳感器收集信號，采用近似法進行處理估計出用戶的位置，以達到定位的作用。

2.4.2 紅外線技術(shù)的優(yōu)缺點

優(yōu)點：定位精度高，10m區(qū)域內(nèi)的定位精度可到達20～30cm;

缺點：①系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，易受直射日光和熒光燈的干擾;②穿透性差，難以應(yīng)用在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境;③成本高，智能移動設(shè)備和接收設(shè)備都需要配置紅外線接受裝備。

2.5 視覺信息技術(shù)

采用深度傳感器，視覺定位系統(tǒng)可測量深度信息，并結(jié)合視覺識別系統(tǒng)以達到定位的目的。主要方式是依靠相機拍攝收集定位信息，屬于非協(xié)作定位。

2.5.1 視覺信息技術(shù)的相關(guān)原理

視覺信息定位技術(shù)，是利用高清攝像頭對定位周圍的環(huán)境進行分析，通過對周圍圖像的處理和分析計算得到當前的位置信息。系統(tǒng)利用移動設(shè)備拍攝的定位潛在區(qū)域的照片，提取相片序列中的相同信息，進行一致性信息的比對，測算出移動設(shè)備相機的位置數(shù)據(jù)。

2.5.2 視覺信息技術(shù)的優(yōu)缺點

優(yōu)點：①應(yīng)用范圍廣，適用于現(xiàn)有大多數(shù)的智能移動終端;②定位精度高，定位結(jié)果穩(wěn)定可靠;③定位速度快，可全天候工作。

缺點：①環(huán)境適應(yīng)性較弱，由于室內(nèi)場所可能存在的各種因素影響，容易使得定位失敗;②若室內(nèi)場所中存在視覺特征相似的場合，則無法進行定位判斷;③先采集目標場合中所有地方的照片，當室內(nèi)場所的外觀發(fā)生變化時，信息需進行重新采集，使得成本較高。

3 非信號定位技術(shù)的應(yīng)用

3.1 商業(yè)應(yīng)用

該技術(shù)通過把磁力計內(nèi)置于智能移動手機，進而探測周圍地磁場異常情況，從而實現(xiàn)用戶在室內(nèi)空間區(qū)域的定位。用戶通過自身所攜帶的手機設(shè)備中配置的地磁場技術(shù)，可在無藍牙信號或Wi-Fi信號連接的場所，對用戶的位置進行定位。由于地磁場定位技術(shù)需要事先采集場所數(shù)據(jù)，并建立室內(nèi)磁場分布圖，這個過程所需時間與場所空間大小成正比的關(guān)系，可能耗時較長，一般用于空間區(qū)域較小的場所定位。

3.2 軍事應(yīng)用

慣性導航定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于火箭、飛機、戰(zhàn)略遠程轟炸機、導彈、核潛艇和車輛等的定位導航和追蹤。該技術(shù)屬于自主式導航，不需要接收外界信號，利用自身測量的加速度進而推算待定位物體的位置。該技術(shù)與磁力計相結(jié)合時，待定位人員或物體所攜帶的慣性導航，隨著時間的增加所產(chǎn)生的累積誤差會一定程度地減小，使得定位精度更加精確。

3.3 車輛定位應(yīng)用

在車輛上配置超聲波接收器，其安放位置需使得接收器在室內(nèi)大面積區(qū)域內(nèi)能夠接收到兩個以上的發(fā)射點信號。根據(jù)一定的算法系統(tǒng)計算出車輛所在位置，從而進行相應(yīng)地調(diào)度和追蹤。由于超聲波傳輸距離短，將其與紅外技術(shù)相結(jié)合，進行一定優(yōu)勢互補，可更方便地實現(xiàn)定位功能，實用性更高。

4 結(jié)語

目前，無線信號定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于日常生活的位置服務(wù)，而非信號定位技術(shù)的應(yīng)用仍處在初步發(fā)展階段，有很多的技術(shù)和配置還不是很成熟和實用。隨著智能手機的普及和微機電器件的發(fā)展，基于智能手機的非信號定位導航會逐漸進入人們的視野，并成為研究的熱點。

【參考文獻】

【1】繆軒.基于MEMS慣性傳感器的跌倒檢測及其防護系統(tǒng)[D].南昌：南昌航空大學，2017.

【2】裴凌，劉東輝，錢久超.室內(nèi)定位技術(shù)與應(yīng)用綜述[J].導航定位與授時，2017，4（03）：1-10.

【3】王屹進.基于多源數(shù)據(jù)融合的室內(nèi)定位算法的研究[D].南京：南京郵電大學，2016.

【4】劉軍，郭偉，黃飛，等.無線局域網(wǎng)中一種自適應(yīng)RTS門限調(diào)整算法[J].計算機學報，2007（04）：547-554.