室內(nèi)外定位技術(shù)坐標(biāo)統(tǒng)一的研究

胡鳳東，李大勇

（德陽市勘察測繪設(shè)計(jì)院，四川 德陽 618000）

人類約80%的時(shí)間是在室內(nèi)度過的[1]，實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)位置至關(guān)重要，傳統(tǒng)的GNSS 定位技術(shù)由于信號(hào)受到建筑物的遮擋和城市多路徑效應(yīng)等因素的影響，在室內(nèi)封閉空間無法獲得可靠的定位結(jié)果。近年來，面向市場需求強(qiáng)烈的室內(nèi)位置服務(wù)，室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為當(dāng)下移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的研究熱點(diǎn)，同時(shí)給人們的生活帶來了極大的便利，應(yīng)運(yùn)而生的定位方法多種多樣，相關(guān)定位精度已經(jīng)達(dá)到米級(jí)、厘米級(jí)[2-4]。其中無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)定位技術(shù)由于具備室內(nèi)外環(huán)境下節(jié)點(diǎn)數(shù)量多、分布廣、無須布設(shè)網(wǎng)絡(luò)、簡單易用等特點(diǎn)，逐漸成為移動(dòng)位置服務(wù)中的主流定位技術(shù)[5]。

室內(nèi)外定位技術(shù)一體化是未來發(fā)展的趨勢，如何將室內(nèi)定位與室外定位協(xié)同和無縫對(duì)接是定位服務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵[6]，在室內(nèi)外定位無縫對(duì)接中一個(gè)關(guān)鍵的因素就是兩者坐標(biāo)的一體化問題[7]。以GPS為代表的傳統(tǒng)定位技術(shù)使用WGS84 坐標(biāo)框架下的全球三維坐標(biāo)，并且具有與各城市坐標(biāo)體系相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，而目前室內(nèi)定位技術(shù)還沒有形成統(tǒng)一的坐標(biāo)體系，獲取的坐標(biāo)也主要是相對(duì)于某一建筑體或建筑物局部平面區(qū)域的坐標(biāo)。室內(nèi)外定位原理不同、方法各異，如何統(tǒng)一室內(nèi)外坐標(biāo)體系，形成從室外到室內(nèi)的坐標(biāo)無縫對(duì)接具有重要的意義。

目前主流的室內(nèi)定位技術(shù)在獲取目標(biāo)位置時(shí)都要借助輔助節(jié)點(diǎn)[4]，一般設(shè)置位置已知的固定輔助節(jié)點(diǎn)，通過測量定位對(duì)象到輔助節(jié)點(diǎn)的位置來確定定位對(duì)象的位置。若對(duì)所有輔助節(jié)點(diǎn)設(shè)置統(tǒng)一坐標(biāo)，并將坐標(biāo)納入到廣泛應(yīng)用的WGS84 坐標(biāo)體系下或城市坐標(biāo)系下，進(jìn)而統(tǒng)一所有室內(nèi)目標(biāo)對(duì)象的坐標(biāo)信息，將具有十分重要的意義。

1 室內(nèi)定位技術(shù)現(xiàn)狀

室內(nèi)定位技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了現(xiàn)有GPS 定位技術(shù)的不足，為人們?cè)谑覂?nèi)、地下方便地獲取實(shí)時(shí)位置信息提供了可能。與室外定位相比，室內(nèi)環(huán)境下的定位技術(shù)難度增加，影響室內(nèi)定位的因素有：⑴來自周圍墻體、天花板等建筑體的影響，導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過程中極度衰減，使得室內(nèi)定位距離短，精度變低。⑵室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，障礙物增多，導(dǎo)致信號(hào)傳輸受影響。⑶室內(nèi)存在干擾信號(hào)的光、聲、電、等因素，使信號(hào)多路徑影響嚴(yán)重。⑷室內(nèi)一般為封閉空間，與外界物理信息交流困難。

為滿足不同環(huán)境下的定位需求，科研人員因地制宜的發(fā)展了不同的定位方法，目前主流的室內(nèi)定位技術(shù)有：無線局域網(wǎng)(Wi-Fi)，輔助GPS(A-GPS)，紅外線，超聲波，藍(lán)牙，射頻識(shí)別，超寬帶，ZigBee 等技術(shù)[8]。目前的定位算法主要有三種：⑴鄰近信息法，根據(jù)目標(biāo)對(duì)象到輔助節(jié)點(diǎn)鄰近程度，決定將參考點(diǎn)劃歸為距離最近參考點(diǎn)所在的區(qū)域；⑵場景分析法，根據(jù)目標(biāo)對(duì)象到輔助節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，與數(shù)據(jù)庫中已有信號(hào)強(qiáng)度表對(duì)比并換算出距離信息，從而確定目標(biāo)對(duì)象的坐標(biāo)；⑶幾何特征法，利用邊角交會(huì)法確定目標(biāo)對(duì)象到3 個(gè)已知輔助點(diǎn)的幾何信息從而計(jì)算目標(biāo)對(duì)象的坐標(biāo)。以上定位技術(shù)都利用了這三種定位算法。

可以看出，以上定位技術(shù)定位時(shí)都需要借助輔助節(jié)點(diǎn)來完成。室內(nèi)定位時(shí)，在室內(nèi)合理的環(huán)境中設(shè)置位置已知并且固定的節(jié)點(diǎn)，并將位置信息保存在數(shù)據(jù)庫或者節(jié)點(diǎn)中，借助電磁波、紅外線等不同介質(zhì)完成待測點(diǎn)到輔助節(jié)點(diǎn)的位置測量，然后從數(shù)據(jù)庫中獲取輔助信息完成定位，從而確定目標(biāo)對(duì)象位置。

2 室內(nèi)外坐標(biāo)統(tǒng)一

無縫定位技術(shù)就是在人類活動(dòng)的室內(nèi)、室外空間和地上、地下空間內(nèi)，通過聯(lián)合不同的定位方法，滿足不同場景下人們需要的定位應(yīng)用的無縫覆蓋[10]。實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無縫定位技術(shù)關(guān)鍵要滿足以下要求：①統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施集合，②統(tǒng)一坐標(biāo)體系，③統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)，④統(tǒng)一的軟硬件框架，⑤通信設(shè)施。可見，統(tǒng)一坐標(biāo)體系是其中重要的一環(huán)，文獻(xiàn)5 中提出，根據(jù)目前的無縫定位基礎(chǔ)設(shè)施層次，可以將坐標(biāo)體系劃分出為以下幾個(gè)層級(jí)：全球框架、區(qū)域框架、城市框架、街區(qū)框架、單元建筑框架和樓層平面框架。上一層坐標(biāo)框架依次為下一層提供坐標(biāo)基準(zhǔn)，坐標(biāo)體系的劃分已有極為成熟的理論支撐，如何將室內(nèi)定位信息與這個(gè)坐標(biāo)體系聯(lián)系在一起才是統(tǒng)一室內(nèi)外坐標(biāo)的關(guān)鍵。

可以發(fā)現(xiàn)，首先要將室內(nèi)位置信息納入到樓層平面框架，其中輔助節(jié)點(diǎn)是支撐樓層平面框架和聯(lián)系目標(biāo)位置的重要節(jié)點(diǎn)，如果將輔助節(jié)點(diǎn)納入到樓層平面框架，給定輔助節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，然后將樓層平面框架納入到街區(qū)框架和城市框架，目標(biāo)位置就可以統(tǒng)一為對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，這就完成了統(tǒng)一室內(nèi)外定位坐標(biāo)的任務(wù)。

室內(nèi)外坐標(biāo)統(tǒng)一具有以下重要的意義：⑴目前人類的生產(chǎn)和生活已經(jīng)能在室內(nèi)外自由穿梭，實(shí)時(shí)獲取位置信息而不受周圍環(huán)境的影響對(duì)社會(huì)發(fā)展有重要意義；⑵現(xiàn)在，不同建筑物示意圖有不同比例、不同坐標(biāo)系，使得準(zhǔn)確了解目標(biāo)對(duì)象相對(duì)于建筑物或相對(duì)于城市位置的成為一大難題，統(tǒng)一室內(nèi)外坐標(biāo)將使得目標(biāo)對(duì)象的位置更準(zhǔn)確的被獲??；⑶將室內(nèi)位置信息統(tǒng)一到室外一體化的全球坐標(biāo)或城市坐標(biāo)對(duì)逃生、救災(zāi)有重要意義，例如，災(zāi)難發(fā)生時(shí)刻，可以將被困者的室內(nèi)位置轉(zhuǎn)換為WGS84 坐標(biāo)，搜救者可以直接攜帶GPS 放樣出被困者的準(zhǔn)確位置；⑷是室內(nèi)外無縫定位的基礎(chǔ)條件。

3 實(shí)例分析

選擇目前應(yīng)用較廣泛的Wi-Fi 定位技術(shù)分析[11]。Wi-Fi 技術(shù)是在無線局域網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)，通過無線電波連接用戶（移動(dòng)終端）和網(wǎng)絡(luò)的一種技術(shù)，其定位原理主要是測量無線訪問節(jié)點(diǎn)（Access Point，AP）和用戶的距離來獲取位置信息。每一個(gè)AP 都有一個(gè)全球唯一的MAC 地址，具有Wi-Fi 功能的移動(dòng)終端即使不與Wi-FiAP 建立數(shù)據(jù)連接，只要開啟Wi-Fi 就可以通過AP 廣播信號(hào)獲取周圍AP 的MAC 地址和Wi-Fi 信號(hào)強(qiáng)度，移動(dòng)終端再將這些參數(shù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫檢索出每一個(gè)AP 的地理位置，并結(jié)合移動(dòng)終端到每個(gè)AP 的信號(hào)強(qiáng)弱程度計(jì)算出終端的地理位置并返回到用戶設(shè)備中。

將Wi-Fi 技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)定位具有以下優(yōu)勢：⑴Wi-Fi 已經(jīng)成為人們上網(wǎng)的重要途徑，室內(nèi)環(huán)境下部署的Wi-Fi 熱點(diǎn)越來越多，可以直接利用，可行性強(qiáng)，節(jié)約了大量成本；⑵Wi-Fi 在城市中的一些公共場所如地鐵、博物館、學(xué)校、超市、企業(yè)等都已經(jīng)廣泛部署Wi-Fi，這也正是室內(nèi)定位的主要場所；⑶相比較而言，在室內(nèi)環(huán)境下Wi-Fi 定位的準(zhǔn)確度更高也更定位性能更穩(wěn)定。相信在不久的將來Wi-Fi定位技術(shù)將得到更好的發(fā)展。⑷移動(dòng)終端可以直接利用定位。

通過分析可知，這里的AP 就是輔助節(jié)點(diǎn)，如果將AP 位置固定，給定全球框架下的坐標(biāo)，存儲(chǔ)到位置服務(wù)器中，用戶獲得的坐標(biāo)就是全球框架坐標(biāo)，這樣就完成了統(tǒng)一坐標(biāo)的任務(wù)。這里的難點(diǎn)是如何準(zhǔn)確給出AP 的全球坐標(biāo)，本文給出兩種解決辦法。對(duì)于未建造的建筑物，在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)將輔助節(jié)點(diǎn)納入設(shè)計(jì)，類似于沉降點(diǎn)的設(shè)計(jì)，根據(jù)某種原則設(shè)置若干固定的AP 作為已知控制點(diǎn)，并且能相互“通視”，其坐標(biāo)已知，并且納入建筑物整體坐標(biāo)體系，畫出位置示意圖，在建筑物完成后放樣安裝，并錄入數(shù)據(jù)庫，其他AP 根據(jù)以上控制點(diǎn)為圖根點(diǎn)進(jìn)而布設(shè)具有統(tǒng)一坐標(biāo)的AP 點(diǎn)。對(duì)于現(xiàn)存的建筑物，我們可以采用測量的方法測出AP 點(diǎn)到已知全球坐標(biāo)的參考點(diǎn)的物理距離，獲取若干已知AP 點(diǎn)的全球坐標(biāo)，進(jìn)而獲取現(xiàn)有AP 坐標(biāo)與全球坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換模型，從而統(tǒng)一坐標(biāo)體系。

4 結(jié)束語

室內(nèi)外定位技術(shù)的無縫對(duì)接是未來發(fā)展的趨勢，統(tǒng)一室內(nèi)外坐標(biāo)體系是無縫定位技術(shù)的關(guān)鍵，若將室內(nèi)目標(biāo)坐標(biāo)納入城市坐標(biāo)體系或全球坐標(biāo)框架，可以實(shí)時(shí)獲取室內(nèi)目標(biāo)對(duì)象準(zhǔn)確位置，在商場尋人、救災(zāi)等領(lǐng)域可以發(fā)揮重要的作用，本文的研究為統(tǒng)一室內(nèi)外坐標(biāo)提供了參考。