高精度室內(nèi)定位算法與技術(shù)綜述

劉挺，杜小甫，黃昆達(dá)，黎江楓

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建漳州，363105）

0 引言

在日常生活中，以位置為基礎(chǔ)的服務(wù)（Location-based services，LBS）已經(jīng)和人類的生活息息相關(guān)?？煽康腖BS服務(wù)離不開準(zhǔn)確的位置信息。當(dāng)前，依賴全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）的室外定位技術(shù)[1]已經(jīng)趨于成熟，甚至在于特定需求下可以達(dá)到亞米級(jí)的精度。但是看似相似的室內(nèi)定位技術(shù)實(shí)際卻是截然不同，室內(nèi)定位技術(shù)受環(huán)境影響較大，室外環(huán)境下障礙物較少，一般情況下二維定位即可滿足需求。而室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，各種家具、樓房等等都會(huì)對(duì)定位產(chǎn)生影響，并且室內(nèi)定位的精度需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室外，往往需要“厘米級(jí)”精度[2]才能滿足用戶需求，因此利用GNSS 提供位置服務(wù)的方案不太合適。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際生活中，人類在室內(nèi)度過的時(shí)間平均可以達(dá)到70% - 90%，對(duì)于LBS 的需求更迫切，GNSS服務(wù)無法滿足用戶需求的情況下，需求精準(zhǔn)室內(nèi)位置信息已經(jīng)成為室內(nèi)LBS 服務(wù)發(fā)展的紅線。同時(shí)，隨著幾種主流室內(nèi)定位技術(shù),包括有Wi-Fi、藍(lán)牙、超寬帶、蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，已經(jīng)能更為精確地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞與檢測(cè)。

1 應(yīng)用前景

隨著定位技術(shù)的發(fā)展，基于位置的服務(wù)越來越受到人們的關(guān)注。目前，LBS已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷妫P(guān)于室內(nèi)定位的需求價(jià)值早已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出早期學(xué)者的預(yù)期，精確、實(shí)時(shí)的位置信息打破了虛擬空間的數(shù)據(jù)信息與真實(shí)世界物理對(duì)象的壁壘，掀起零售、制造、物流、急救、大型公共場(chǎng)所導(dǎo)航等行業(yè)的革命，真正意義上推動(dòng)萬物互聯(lián)的進(jìn)程。[3]

在商場(chǎng)、停車場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、火車站、醫(yī)院等大型公共場(chǎng)所中，LBS是不可或缺的。比如，在人們外出旅游時(shí)，LBS可以給人們帶來方便，便于人們查詢景點(diǎn)、餐廳、酒店賓館等信息；當(dāng)發(fā)生事故時(shí)，LBS可以更加準(zhǔn)確地提供具體信息。同時(shí)，在信息時(shí)代的背景下，隨著人工智能、機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，一些新型行業(yè)的興起，比如無人醫(yī)療護(hù)理、智能制造、智能物流等行業(yè)也更加需要LBS提供技術(shù)支撐。

目前，我國室內(nèi)定位具有龐大的市場(chǎng)環(huán)境。機(jī)場(chǎng)、動(dòng)車站、商場(chǎng)、醫(yī)院等大型場(chǎng)所是人流相對(duì)密集的場(chǎng)所，這就需要更加準(zhǔn)確、高效的人流監(jiān)控和分析手段，滿足不同場(chǎng)所的市場(chǎng)需求；在工廠、碼頭、物流中樞等大型倉庫管理中，LBS在智能倉庫管理、生產(chǎn)過程追蹤、智能搬運(yùn)等過程具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。

2 室內(nèi)定位信道模型

不同的高精度室內(nèi)定位技術(shù)，基礎(chǔ)大多數(shù)基于四種信道模型。分別是基于接收信號(hào)強(qiáng)度模型（Received Signal Strength, RSS）、基于信號(hào)入射角度模型（Angle of arrival，AOA）、基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差模型（Time Difference of Arrival，TDOA）和基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間模型（Time of Arrival，TOA）[4]。這幾種信道模型給室內(nèi)定位領(lǐng)域發(fā)展提供理論模型支撐。

2.1 基于RSS的信道模型

基于RSS的信道模型是通過理論或者經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算信號(hào)的傳播損耗，并轉(zhuǎn)化為距離。隨著通信距離的增加，信號(hào)在傳播過程中強(qiáng)度會(huì)發(fā)生衰落。由于在真實(shí)環(huán)境中，信號(hào)會(huì)受到反射、散射、遮掩現(xiàn)象等環(huán)境干擾，難以采用準(zhǔn)確地?cái)?shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行分析，通常采用Shadowing理論模型[5,6]：

在公式(1)中，P表示距離發(fā)射機(jī)為d時(shí)接收端接收到的信號(hào)強(qiáng)度RSSI值，P0表示距離發(fā)射機(jī)為 d0時(shí)接收端接收到的信號(hào)功率；d0為參考距離；n為路徑損耗指數(shù)，通常由實(shí)際測(cè)量得到，障礙物越多，n值就越大，即接收到的平均能量下降的速度會(huì)隨著距離的增加而變得越來越快。ε是一均值為0、方差為δ的高斯隨機(jī)變量，此變量反映了在距離一定時(shí)，接收端接收到的能量的變化?；赗SS的信道模型在短距離內(nèi)有良好的相關(guān)特性[7]。但是，如果節(jié)點(diǎn)的距離不斷增大，接收到的信號(hào)強(qiáng)度的變化率會(huì)越來越小，因此該方法適用于短距離測(cè)距。

2.2 基于TOA的信道模型

基于TOA的信道模型[8]主要測(cè)量信號(hào)在基站和移動(dòng)臺(tái)之間的單程傳播時(shí)間或者來回傳播時(shí)間。在TOA模型研究中，常采用以下模型：d=ct+v,其中d為基站與移動(dòng)終端之間的距離，c是波速，t是信號(hào)的傳播時(shí)間，v是誤差(高斯噪聲)。在實(shí)際的室內(nèi)測(cè)量中，信號(hào)在傳播過程中會(huì)受到多徑和非視距問題的干擾，可以將模型改良為：d=ct+v+b，其中b是在非視距情況下造成的誤差。

2.3 基于AOA的信道模型

基于AOA[9]的信道模型是測(cè)量基站信號(hào)到移動(dòng)臺(tái)的角度或移動(dòng)臺(tái)信號(hào)到基站的角度去估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的具體位置。在AOA測(cè)量中，只需兩個(gè)基站就可以確定移動(dòng)臺(tái)的位置。在測(cè)量時(shí)，每個(gè)基站到移動(dòng)臺(tái)會(huì)產(chǎn)生一條方向線，通過兩條方向線便可確定移動(dòng)臺(tái)的位置。

2.4 基于TDOA的信道模型

基于TDOA[10]的信道模型是通過測(cè)量移動(dòng)終端到不同發(fā)送端的時(shí)間差，推算出不同終端之間的距離進(jìn)行定位?；赥DOA的信道模型是對(duì)TOA信道模型的改進(jìn)，由于TDOA模型不需要測(cè)量信號(hào)的傳輸時(shí)間，因?yàn)椴恍枰獙?duì)不同終端進(jìn)行同步測(cè)量，因此TDOA測(cè)量模型不需要滿足同步性。在TDOA信道模型中，實(shí)驗(yàn)的測(cè)量至少需要三個(gè)基站，并且這三個(gè)基站的坐標(biāo)位置是已知的，這樣才能通過測(cè)量不同基站的信號(hào)傳輸時(shí)間差來推算基站的位置，進(jìn)而進(jìn)行定位。

2.5 其他定位算法模型

除了上述常見信道模型外，還有一些定位算法不依賴于固定的幾個(gè)信號(hào)，或者不利用信號(hào)與位置的函數(shù)來進(jìn)行定位，例如傳播模型法、近似法、位置指紋法等。如表1所示，列出了目前主流的各種定位模型的特點(diǎn)對(duì)比。

表1 當(dāng)前常用室內(nèi)定位模型特點(diǎn)對(duì)比

3 室內(nèi)定位信標(biāo)技術(shù)

室內(nèi)定位技術(shù)多種多樣，根據(jù)所使用的信標(biāo)種類，可以劃分為Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)、RFID室內(nèi)定位技術(shù)、藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)、超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)、紅外線室內(nèi)定位技術(shù)等。本文主要介紹前三種。如表2所示為當(dāng)前常用室內(nèi)定位技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比。

表2 當(dāng)前常用室內(nèi)定位技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

3.1 Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)

Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)是目前相對(duì)成熟的并且應(yīng)用相對(duì)廣泛的定位技術(shù)。Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)的工作原理是以無線網(wǎng)絡(luò)為傳輸媒介，由Wi-Fi標(biāo)簽或手機(jī)、電腦等移動(dòng)終端向接收節(jié)點(diǎn)發(fā)出信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)后，會(huì)根據(jù)相應(yīng)的定位算法，確定設(shè)備或人員的具體位置，并通過地圖顯示。

Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，不僅方便組網(wǎng)部署，而且可以實(shí)現(xiàn)大范圍定位、成本較低，目前廣泛應(yīng)用在醫(yī)院、工廠、商場(chǎng)等大型場(chǎng)所。但是Wi-Fi室內(nèi)定位技術(shù)容易受到周圍環(huán)境的影響，容易產(chǎn)生定位漂移，在日常使用中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)定位精度不準(zhǔn)確、甚至嚴(yán)重偏離定位點(diǎn)的現(xiàn)象[11]。

3.2 RFID室內(nèi)定位技術(shù)

RFID室內(nèi)定位技術(shù)的工作原理是通過閱讀器讀寫目標(biāo)RFID標(biāo)簽的信息，采取近鄰法、多邊定位法等方法確定標(biāo)簽的位置[12]。RDID定位系統(tǒng)主要有主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，其終端系統(tǒng)如下圖3所示。主動(dòng)式在射頻信號(hào)上具有較高要求，通常需要大量射頻天線，保證射頻信號(hào)可以覆蓋整個(gè)定位區(qū)域；而被動(dòng)式定位系統(tǒng)在部署成本上具有更好的優(yōu)勢(shì)，通過PC端的射頻天線就可以發(fā)射大量射頻信號(hào)。

RFID技術(shù)的作用距離小，不適合長距離的定位，一般在幾十米范圍內(nèi)。但是RFID技術(shù)的成本低，定位精度相對(duì)準(zhǔn)確，可以在幾毫秒的時(shí)間內(nèi)獲取到厘米級(jí)RFID標(biāo)簽定位精度的信息，在室內(nèi)定位領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。如圖1所示，是基于RFID的是被定為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.3 藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)

藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)是通過測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位，是基于RSSI定位原理[13]。藍(lán)牙定位系統(tǒng)主要由發(fā)射節(jié)點(diǎn)和接收處理中心構(gòu)成。通過信標(biāo)提供參考位置和信號(hào)強(qiáng)度，接收端獲取信號(hào)強(qiáng)度并進(jìn)行一系列濾波處理后，最后由處理中心進(jìn)行定位解算。

藍(lán)牙技術(shù)具有低功耗、低成本、部署簡單、安全性高的特點(diǎn)，在小范圍場(chǎng)所應(yīng)用廣泛，目前大多數(shù)移動(dòng)終端設(shè)備都普遍具備藍(lán)牙通信模塊。但是藍(lán)牙定位技術(shù)極容易收到外界的干擾，信號(hào)不穩(wěn)定現(xiàn)象常見，定位精度不準(zhǔn)確問題是未來藍(lán)牙定位技術(shù)的突破點(diǎn)。

4 結(jié)論

各種室內(nèi)定位模型、室內(nèi)定位技術(shù)都有各自的特點(diǎn)，也各自存在著優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。目前，國內(nèi)外在有關(guān)室內(nèi)定位上做了大量的研究，但是依然沒有一個(gè)相對(duì)成熟、可行的方案。單信標(biāo)的定位在一定程度上都有各自的局限性，比如Zigbee技術(shù)雖然有很強(qiáng)的穿透性，但是抗干擾能力一般，容易受到多徑效應(yīng)和移動(dòng)的影響，在精確度表現(xiàn)一般，而且部署復(fù)雜，定位成本較高。超寬帶技術(shù)作為一種新技術(shù)，具有GHz量級(jí)的帶寬，具有很高的精確度，并且穿透能力強(qiáng)，抗多徑效果好，抗干擾能力強(qiáng)，可用于室內(nèi)精準(zhǔn)定位，但是在部署上卻十分困難，成本較高[14]。因此，采取基于多信標(biāo)的融合定位技術(shù)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。在未來的室內(nèi)定位研究領(lǐng)域，將著重于探究綜合各種單信標(biāo)定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短，提高定位的精度，降低模型的復(fù)雜度，研究出一具有普遍應(yīng)用價(jià)值的多信標(biāo)融合室內(nèi)定位方法。