多技術(shù)融合的室內(nèi)無線定位方法發(fā)展綜述

陳沛宇，袁勤政，戴鵬飛，鄒 亮，吳 曉，袁志剛，汪 佩

（武漢紡織大學(xué) 湖北省數(shù)字化紡織裝備重點實驗室，武漢 430200）

0 引言

室外無線定位技術(shù)作為一項成熟的技術(shù)，已經(jīng)融入了人類生活的方方面面。如全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system, GNSS）在室外場景中，能夠提供準確的地理位置、行車速度等信息，給人們的日常生活帶來了極大的便利。但是在室內(nèi)條件下，由于建筑物的阻擋，GNSS無法實現(xiàn)精準定位、提供穩(wěn)定的位置信息。

據(jù)調(diào)研顯示，人們平均只有10%~20%的時間在室外，大多數(shù)時間是在室內(nèi)活動，對室內(nèi)無線定位的需求日益增多。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、人員定位以及各類型機器人等的室內(nèi)定位需求，促進人們展開對室內(nèi)定位技術(shù)的進一步研究。超寬帶（ultrawide band, UWB）、射頻、無線保真（wireless fidelity,WiFi）、慣性導(dǎo)航等室內(nèi)無線定位技術(shù)應(yīng)運而生，并逐漸應(yīng)用到各行各業(yè)中。但是隨著社會發(fā)展，現(xiàn)在這些室內(nèi)定位技術(shù)無法滿足人們對定位精度、覆蓋范圍、成本等的更高要求，室內(nèi)無線定位技術(shù)有待提高。

近年來，有學(xué)者提出了將兩種或多種室內(nèi)定位技術(shù)融合成新的型室內(nèi)無線定位技術(shù)，將不同技術(shù)進行優(yōu)勢融合，可獲得更好的定位性能。本文介紹了目前流行的多技術(shù)融合的室內(nèi)無線定位方法，分析了各自方案的原理及其關(guān)鍵性問題，對其發(fā)展趨勢進行展望。

1 多技術(shù)融合的室內(nèi)無線定位方法發(fā)展現(xiàn)狀

目前流行的室內(nèi)無線定位有藍牙、WiFi、超寬帶和慣性導(dǎo)航等，這些室內(nèi)定位技術(shù)分為兩類：1）基于外置信號源的室內(nèi)定位技術(shù)，包括 WiFi、藍牙、超寬帶等；2）基于天然信號源的室內(nèi)定位技術(shù)，包括慣性導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航等。這些定位技術(shù)的定位精度已經(jīng)提高到米級甚至亞米級，開始邁入消費級市場水平。

雖然上述幾種室內(nèi)定位技術(shù)已經(jīng)能夠應(yīng)用到各行各業(yè)中，但是人們?yōu)樽非蟾叩亩ㄎ痪群涂煽啃?，嘗試將不同定位技術(shù)進行融合，主流的融合方案有兩種：1）依賴外置信號源與天然信號源的定位技術(shù)融合；2）兩種不同的基于外置信號源的定位技術(shù)融合。

1.1 超寬帶與慣性導(dǎo)航技術(shù)的融合

UWB技術(shù)是一種無載波通信技術(shù)，它的傳輸速率高，發(fā)射功率低且穿透能力較強，但只適用視距傳播條件下，當存在障礙物體遮擋信號時，其測距精度將大大降低。

慣性導(dǎo)航技術(shù)是利用慣性測量系統(tǒng)（inertial measurement unit, IMU）采集運動數(shù)據(jù)，并進行處理來獲取物體當前時刻的位置信息。慣性導(dǎo)航技術(shù)具有一個明顯的缺點，即定位誤差會隨著工作時間的增加而累積。

為克服上述兩種定位技術(shù)各自的缺點，有學(xué)者提出將二者進行融合，開發(fā)出環(huán)境適應(yīng)能力強、精度高的室內(nèi)無線導(dǎo)航技術(shù)。其基本原理是利用這兩種定位方法單獨測量定位數(shù)據(jù)，然后對兩組數(shù)據(jù)進行融合處理，如圖1所示。圖1中，TDOA（time difference of arrival）為到達時間差。

圖1 UWB與IMU技術(shù)融合工作原理

文獻[7]提出了使用無跡卡爾曼濾波（unscented Kalman filter, UKF）算法搭建基于IMU和UWB的融合室內(nèi)定位系統(tǒng)，工作原理是先對已知的兩組樣品數(shù)據(jù)進行無損變換（unscented transformation,UT）、獲取近似高斯分布函數(shù)，再利用卡爾曼濾波（Kalman filter, KF）算法，得到兩組對應(yīng)的預(yù)測數(shù)據(jù)，最終計算出相應(yīng)權(quán)重并與預(yù)測數(shù)據(jù)融合、得到定位結(jié)果。根據(jù)實驗結(jié)果，該系統(tǒng)可以提高定位精度并且能夠降低對使用環(huán)境的要求。國內(nèi)學(xué)者對此融合算法還有其他相應(yīng)研究，如文獻[8]使用自適應(yīng)蟻群優(yōu)化粒子濾波器算法，可實現(xiàn)在只有一個UWB定位節(jié)點情況下，將定位數(shù)據(jù)融合后，能夠得到精確的定位結(jié)果。

1.2 超聲波與射頻技術(shù)的融合

超聲波定位是利用超聲波傳遞信號，采用反射式測距，并通過三角定位等算法來獲取定位信息。超聲波定位雖然精確度高、抗干擾能力較強，但是定位有效范圍小，并且設(shè)備成本較高。

射頻識別（radio frequency identification, RFID）是利用一組固定的傳感器識別移動目標上的標簽特征信息，再通過近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方法確定標簽所在位置。該定位方法傳輸范圍大、獲取位置信息快，但定位精度低，并且不具備通信功能。

文獻[11]提出一種超聲波與射頻技術(shù)融合使用的定位方法，這種融合方案將整個定位過程分為兩步：1）利用 RFID獲取定位目標所在區(qū)域，同時移動目標給區(qū)域內(nèi)所有定位基點發(fā)射射頻同步信號和超聲波；2）定位基點根據(jù)接收到射頻同步信號與超聲波的時間差計算出定位數(shù)據(jù)，通過減少精確測距過程中超聲波信號的損耗，從而降低了定位誤差，達到提升定位精度的效果。這種融合技術(shù)只是簡單地組合使用兩種定位技術(shù)，無需設(shè)計融合算法，相較于單獨使用兩種技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的精確定位，并且通用性好，能耗低。

1.3 WiFi與慣性導(dǎo)航技術(shù)的融合

WiFi定位是利用WiFi信號來實現(xiàn)定位的，需要在目標場景布置基站，通過測距交匯法或指紋匹配法得到目標定位信息。該定位方式傳輸效率高、成本低，但覆蓋半徑小且易受其他信號干擾。

基于WiFi定位的優(yōu)勢，即可以得到目標的絕對位置，利用這些數(shù)據(jù)來校正慣性導(dǎo)航定位算法的累積誤差，實現(xiàn)高精度、穩(wěn)定的室內(nèi)導(dǎo)航。使用無跡卡爾曼濾波算法可實現(xiàn)兩種非線性數(shù)據(jù)融合，獲取誤差較小的融合定位數(shù)據(jù)，工作原理如圖2所示。通過對實驗結(jié)果的分析，融合技術(shù)方案能夠有效降低定位誤差，達到提高定位精度的目的。

圖2 WiFi與IMU技術(shù)融合工作原理

1.4 WiFi與藍牙技術(shù)的融合

藍牙定位與WiFi定位原理相似，主要區(qū)別是使用定位信號不同，藍牙定位是使用的是2.4~2.485 GHz的工業(yè)科學(xué)醫(yī)學(xué)（industrial scientific medical, IMS）頻段的超高頻（ultra-high frequency, UHF）無線電波，它的覆蓋范圍為10~100 m，范圍較小，但是傳輸速度較快，可達2 Mbit/s。同時還具有功耗低、運用范圍廣等特點。

為解決WiFi與藍牙室內(nèi)定位易受干擾且信號波動較大的問題，文獻[16]提出一種基于WiFi與藍牙融合的誤差區(qū)域加權(quán)定位算法，該算法首先在離線階段，建立WiFi和藍牙多邊定位模型，計算相應(yīng)加權(quán)系數(shù)并融合兩組定位坐標。同時利用移動最小二乘法獲取誤差擬合函數(shù)，對融合誤差進行誤差分析，將融合誤差與前面得到的融合位置結(jié)合，得到最終估計值，工作原理如圖3所示。

圖3 WiFi與藍牙技術(shù)融合工作原理

通過實驗數(shù)據(jù)對比，該方案將兩種技術(shù)獲得的多邊測量模型簡化成獲取二維定位可取區(qū)域，再通過加權(quán)融合得到融合定位信息，能夠有效地提高定位精度；通過定位誤差模型獲取的加權(quán)擬合誤差來分析融合數(shù)據(jù)，減少了多徑效應(yīng)和信號波動的影響，提升了定位方案的抗干擾性。

2 應(yīng)用進展

在一些日常生活中的簡單場景中，使用單一的室內(nèi)無線定位技術(shù)已經(jīng)能夠滿足人們對定位的需求，但在復(fù)雜環(huán)境中就無法實現(xiàn)精確定位，而多技術(shù)融合的室內(nèi)無線定位技術(shù)能解決這一難題，無論是在覆蓋范圍、定位精度和抗干擾性等性能上，都有較大的提升，使其能夠應(yīng)用到人類的社會生活中。

2.1 個人服務(wù)

在復(fù)雜多變室內(nèi)環(huán)境中，人員流動性大、無線信號干擾嚴重，需要根據(jù)實際情況設(shè)計定位解決方案，實現(xiàn)精準定位。如在醫(yī)院對醫(yī)生和患者進行定位，文獻[18]提出一種基于無線電波和地磁指紋技術(shù)結(jié)合的混合定位技術(shù)，將醫(yī)院人員和物品位置信息可視化，達到提高醫(yī)生工作效率和預(yù)防突發(fā)事件的目的。文獻[19]使用一種基于WiFi與慣性導(dǎo)航融合的定位方法，提高礦井下人員定位的精度和穩(wěn)定性，為應(yīng)對危險情況提供了穩(wěn)定的定位信息保障。文獻[20]設(shè)計了一套基于RFID的室內(nèi)無線定位系統(tǒng)，實現(xiàn)了視頻監(jiān)控、報警、無線定位、門禁、對講、會見、外來車輛管理、監(jiān)獄信息管理等子系統(tǒng)的無縫銜接和統(tǒng)一管理。

除了上述的舉例外，復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境還有許多，比如國際會議會場、室內(nèi)廠房、地下空間和購物中心等室內(nèi)環(huán)境。而室內(nèi)定位不僅僅服務(wù)于個人需求，也可以應(yīng)用到其他運動載體，這些技術(shù)的應(yīng)用最終目的都是為人們提供更好位置信息服務(wù)。

2.2 自動化工廠

工業(yè)4.0以來，企業(yè)為了實現(xiàn)工廠的全自動化管理，對內(nèi)部設(shè)備工作狀況、移動設(shè)備的運動軌跡進行實時監(jiān)控和管理，這就需要首先獲取工廠內(nèi)工作人員、移動機器人以及大型設(shè)備定位信息，根據(jù)不同工廠設(shè)計多技術(shù)融合的室內(nèi)無線定位解決方案，保障定位信息的準確性和穩(wěn)定性，再通過監(jiān)控設(shè)備對物體進行實時監(jiān)控，將數(shù)據(jù)上傳到終端進行處理，實現(xiàn)工廠的自動化管理。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)平臺是一個可以將范圍內(nèi)所有物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理的平臺。室內(nèi)無線定位技術(shù)可以為物聯(lián)網(wǎng)提供定位服務(wù)，但物聯(lián)網(wǎng)定位服務(wù)沒有一個絕對的解決方案，必須根據(jù)應(yīng)用目標、環(huán)境條件和系統(tǒng)參數(shù)來設(shè)計定位方案。多技術(shù)融合的無線定位技術(shù)，可以獲取定位誤差最小的用戶位置，即結(jié)合多種類型技術(shù)的優(yōu)勢，克服彼此缺點。

3 多技術(shù)融合的室內(nèi)無線定位方法發(fā)展趨勢

由上文綜述可知，外置信號源的定位方法容易受到環(huán)境和多徑效應(yīng)的干擾，而天然信號源的定位方法不受環(huán)境影響，但定位誤差會隨時間積累，所以主流的室內(nèi)無線定位方案會根據(jù)環(huán)境需求，使用兩種及兩種以上的定位技術(shù)組合來以獲取精準的位置信息，其融合發(fā)展趨勢主要包括以下三個方面。

3.1 新的室內(nèi)無線定位技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)融合

目前已有的室內(nèi)無線定位技術(shù)各自存在難以克服的局限性，國內(nèi)外學(xué)者開始探索新的室內(nèi)無線定位技術(shù)，主要集中在機械視覺、發(fā)光二極管（light emitting diode, LED）、音頻和第5代移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（the fifth generation of mobile network communication technology, 5G）等方面，這些技術(shù)除機械視覺外，都需要外置信號源。機械視覺是利用攝像頭檢測周圍物體特征，與數(shù)據(jù)庫對比來計算定位信息，定位精度可達到厘米級。LED是在固定光源上加載一個特殊信號，傳感器接收到光信號，解析出特殊信號和其對應(yīng)的位置，還可以通過算法完成定位，定位精度可達厘米級。音頻定位與超聲波定位原理相似，測量聲音從音頻發(fā)生器到接收器距離來定位，但聲波傳播較慢，存在延遲。5G定位是近兩年出現(xiàn)的新技術(shù)，它是利用 5G信號來實現(xiàn)定位的，5G相對于以往的第二代移動通信系統(tǒng)（the second-generation mobile system, 2G）、第三代移動通信系統(tǒng)（the thirdgeneration mobile system, 3G）及第四代移動通信系統(tǒng)（the fourth-generation mobile system, 4G）在技術(shù)上有很大提升，能夠?qū)崿F(xiàn)更準確的定位，定位精度在1 m以內(nèi)，而且5G信號相對于其他信號更為可靠。但這些新技術(shù)的研究還不夠成熟，需要突破許多技術(shù)壁壘,才能滿足定位需求，再根據(jù)實際需求與現(xiàn)有定位技術(shù)組合使用，才能夠解決工程實際問題。

3.2 高效多源信息融合方案

在選取具有互補特性的不同定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，還需要設(shè)計能夠讓數(shù)據(jù)高效融合的方案來提高定位精度，融合方案的設(shè)計包括兩個方面：

1）不同技術(shù)的融合方式。目前采用的緊耦合方式來融合不同信號源，是業(yè)界認可的融合方式，這是數(shù)據(jù)融合方案的設(shè)計基礎(chǔ)。

2）融合定位算法的設(shè)計。不同定位技術(shù)融合大多都需要將它們各自的定位數(shù)據(jù)，利用濾波算法進行融合，從而得到最優(yōu)的位置估計。拓展卡爾曼濾波算法和無跡卡爾曼濾波算法是目前使用較多的算法，還有一些是近幾年開發(fā)的新型融合定位算法，如粒子算法，也可以完成數(shù)據(jù)融合、實現(xiàn)定位技術(shù)的組合運用。

3.3 使用額外設(shè)備輔助定位

在室內(nèi)環(huán)境中，使用室內(nèi)定位技術(shù)較多的是智能手機，智能手機的定位技術(shù)主要依賴于 GNSS，該技術(shù)在室外能夠提供精準定位，但是在室內(nèi)會受環(huán)境影響，出現(xiàn)較大誤差。為提高室內(nèi)定位精度，通過使用藍牙信標作為額外輔助設(shè)備，可實現(xiàn)智能手機水平定位精度優(yōu)于0.7 m，高程定位精度優(yōu)于0.2 m。而除了智能手機外，其他終端定位也可以使用額外設(shè)備輔助來提高定位精度。在“2018年室內(nèi)定位導(dǎo)航比測”活動中，國內(nèi)團隊采用“UWB+IMU+氣壓計”方案，獲得了水平定位精度達0.2 m、高程定位精度達0.1 m這樣的高精度。

4 結(jié)束語

為解決在室內(nèi)環(huán)境中，單獨使用某種室內(nèi)定位技術(shù)不能滿足人們對定位精確性，信號抗干擾性、覆蓋范圍、功耗、穿透性以及部署設(shè)備復(fù)雜程度的問題。人們將多種室內(nèi)定位技術(shù)進行組合使用、使其優(yōu)勢融合，這些研究成果已經(jīng)應(yīng)用到了各行各業(yè)中。本文通過對幾種主流室內(nèi)定位技術(shù)融合方案的關(guān)鍵性問題進行分析，其結(jié)果表明，目前多技術(shù)融合的室內(nèi)無線定位方案還可以進一步優(yōu)化，新的定位技術(shù)的研發(fā)，也為人們提供了可供使用的室內(nèi)組合方案，這也是室內(nèi)定位技術(shù)未來主要發(fā)展方向之一。