室內(nèi)定位技術(shù)概述

在接近五十年的發(fā)展歷程中，GNSS定位技術(shù)曾遭遇過許多的挑戰(zhàn)和阻礙，但通過不斷提升自身的可用性和精確度，以及與各類成熟或新興技術(shù)的相互融合，GNSS定位一次又一次成功地沖破障礙并邁向新的高度。如今，面對(duì)室內(nèi)定位這一全新的應(yīng)用領(lǐng)域，GNSS定位正面臨著新的技術(shù)挑戰(zhàn)。衛(wèi)星定位信號(hào)有僅能在視距內(nèi)傳輸?shù)墓逃邢拗?，因此難以在室內(nèi)環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行接收。而來自社交網(wǎng)絡(luò)和商業(yè)位置感知應(yīng)用具有強(qiáng)勁需求，室內(nèi)定位技術(shù)已成為當(dāng)前最為熱門的研究領(lǐng)域之一。隨著智能手機(jī)的迅速普及，室內(nèi)定位應(yīng)用已逐漸走入人們的視野，智能手機(jī)內(nèi)置的慣性傳感器和Wi-Fi通信模塊不僅能夠提升衛(wèi)星定位的精度，同時(shí)也可在最近一次衛(wèi)星定位結(jié)果的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)精確的室內(nèi)定位。包括諾基亞、索尼和三星等在內(nèi)的22家企業(yè)也共同成立了In-Location室內(nèi)定位聯(lián)盟，并承諾共同開展室內(nèi)定位研究、開放接口及啟動(dòng)室內(nèi)定位標(biāo)準(zhǔn)化等相關(guān)工作（彭宇等，2011）。

室內(nèi)定位技術(shù)國內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢(shì)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展促使人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求日益增大，目前使用最廣泛的是GNSS定位技術(shù)。但是當(dāng)GNSS接收機(jī)在室內(nèi)工作時(shí)，信號(hào)受到建筑物的影響而大大衰減，定位精確度低，無法滿足人們對(duì)活動(dòng)頻繁的室內(nèi)定位導(dǎo)航（基于位置服務(wù)）的需求。為此，國內(nèi)外專家學(xué)者們探索了很多技術(shù)方法以滿足無線室內(nèi)定位的需求，提出了許多室內(nèi)定位技術(shù)和室內(nèi)定位系統(tǒng)。常用的室內(nèi)定位技術(shù)主要包括基于超聲波定位技術(shù)、基于紅外線的定位技術(shù)、基于超寬帶的定位技術(shù)、射頻識(shí)別定位技術(shù)等。

1基于超聲波的定位技術(shù)

基于超聲波的定位目前大多數(shù)采用反射式測(cè)距法。系統(tǒng)由一個(gè)主測(cè)距器和若干個(gè)電子標(biāo)簽組成，主測(cè)距器可放置于移動(dòng)機(jī)器人本體上，各個(gè)電子標(biāo)簽放置于室內(nèi)空間的固定位置。定位過程如下：先由上位機(jī)發(fā)送同頻率的信號(hào)給各個(gè)電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽接收到后又反射傳輸給主測(cè)距器，從而可以確定各個(gè)電子標(biāo)簽到主測(cè)距器之間的距離，并得到定位坐標(biāo)。目前，比較流行的基于超聲波室內(nèi)定位的技術(shù)還有以下兩種：一種為將超聲波與射頻技術(shù)結(jié)合進(jìn)行定位。由于射頻信號(hào)傳輸速率接近光速，遠(yuǎn)高于射頻速率，那么可以利用射頻信號(hào)先激活電子標(biāo)簽而后使其接收超聲波信號(hào)，利用時(shí)間差的方法測(cè)距。這種技術(shù)成本低、功耗小、精度高。另一種為多超聲波定位。該技術(shù)采用全局定位，可在移動(dòng)機(jī)器人身上4個(gè)朝向安裝4個(gè)超聲波傳感器，將待定位空間分區(qū)，由超聲波傳感器測(cè)距形成坐標(biāo)。該技術(shù)抗干擾性強(qiáng)、精度高，而且可以解決機(jī)器人迷路問題?；诔暡ǖ亩ㄎ患夹g(shù)精度可達(dá)厘米級(jí)，主要缺陷為超聲波在傳輸過程中衰減明顯，從而影響其定位的有效范圍。

2基于紅外線的定位技術(shù)

紅外線是一種波長間于無線電波和可見光波之間的電磁波。典型的基于紅外線的室內(nèi)定位系統(tǒng)Activebadges為待測(cè)物體附上一個(gè)電子標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)通過紅外發(fā)射機(jī)向室內(nèi)固定放置的紅外接收機(jī)周期發(fā)送該待測(cè)物唯一ID號(hào)，接收機(jī)再通過有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫，但這個(gè)定位技術(shù)功耗較大且常常會(huì)受到室內(nèi)墻體或物體的阻隔，實(shí)用性較低。如果將紅外線與超聲波技術(shù)相結(jié)合也可方便地實(shí)現(xiàn)定位功能，即用紅外線觸發(fā)定位信號(hào)使參考點(diǎn)的超聲波發(fā)射器向待測(cè)點(diǎn)發(fā)射超聲波，應(yīng)用TOA基本算法，通過計(jì)時(shí)器測(cè)距定位。該技術(shù)一方面降低了功耗，另一方面避免了超聲波反射式定位技術(shù)傳輸距離短的缺陷，使得紅外技術(shù)與超聲波技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。基于紅外線定位技術(shù)的定位精度為5~10m，主要缺陷為紅外線在傳輸過程中易受物體或墻體阻隔且傳輸距離較短，定位系統(tǒng)更為復(fù)雜，有效性和實(shí)用性較其他技術(shù)仍有差距。

3 基于超寬帶的定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)是近年來新興的一項(xiàng)無線技術(shù)，目前，包括美國、日本、加拿大等在內(nèi)的國家都在研究這項(xiàng)技術(shù)，在無線室內(nèi)定位領(lǐng)域具有良好的前景。超寬帶技術(shù)是一種傳輸速率高（最高可達(dá)1000Mbps以上），發(fā)射功率較低、穿透能力較強(qiáng)并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)。超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA演示測(cè)距定位算法，即基于信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，通過雙曲線交叉來定位超寬帶系統(tǒng)。定位過程中由超寬帶接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的超寬帶信號(hào)，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號(hào)，再通過中央處理單元進(jìn)行測(cè)距定位計(jì)算分析?；诔瑢拵Ъ夹g(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)典型實(shí)例為Ubisense，其定位方法為三邊定位，基于超寬帶的定位技術(shù)的定位精度為6~10cm，主要缺陷為造價(jià)較高。

4 基于射頻識(shí)別的定位技術(shù)

基于射頻識(shí)別的定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來非常方便，而且系統(tǒng)受環(huán)境的干擾較小，電子標(biāo)簽信息可以編輯改寫，比較靈活。射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency IDentification）技術(shù)是一種操控簡(jiǎn)易，適用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的技術(shù)，它利用了電感和電磁耦合或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。射頻（RF，Radio Frequency）是具有一定波長的電磁波，它的頻率描述為kHz、MHz、GHz，范圍從低頻到微波不一。該系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、射頻讀寫器、中間件以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫組成。射頻標(biāo)簽和讀寫器是通過由天線架起的空間電磁波的傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。在定位系統(tǒng)應(yīng)用中，將射頻讀寫器放置在待測(cè)移動(dòng)物體上，射頻電子標(biāo)簽嵌入到操作環(huán)境中。電子標(biāo)簽上存儲(chǔ)有位置識(shí)別的信息，讀寫器則通過有線或無線形式連接到信息數(shù)據(jù)庫。RFID常用頻段包括低頻、高頻、超高頻、微波。在射頻識(shí)別定位技術(shù)中，WLAN和ZigBee是主要的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）WLAN技術(shù)

基于IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無線局域網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到室內(nèi)定位系統(tǒng)，在無線局域網(wǎng)中的接入點(diǎn)或是無線網(wǎng)卡都可以方便測(cè)得無線信號(hào)的強(qiáng)度，利用這一點(diǎn)可以通過匹配信號(hào)強(qiáng)度的方法進(jìn)行定位。位置指紋法是一種常用的無線局域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)，典型的系統(tǒng)是RADAR原型系統(tǒng)，由微軟研發(fā)?；赗SSI技術(shù)的RADAR室內(nèi)定位系統(tǒng)運(yùn)行分兩個(gè)過程，分別是先在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域?qū)υO(shè)置的若干個(gè)固定點(diǎn)離線采集其位置信息以及信號(hào)強(qiáng)度，通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)中心形成位置指紋數(shù)據(jù)庫，再對(duì)實(shí)時(shí)待測(cè)物所測(cè)算得到信號(hào)強(qiáng)度利用最近鄰居法分析匹配出其位置。該技術(shù)的定位精度為2~3m，主要缺陷為采集數(shù)據(jù)工作量大，而且為了達(dá)到較高的精度，固定點(diǎn)的位置測(cè)算設(shè)置比較繁瑣（顧宗海，2011）。
（2）ZigBee技術(shù)

應(yīng)用于較短距離無線通信，主要面向無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN， Personal Area Network），網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在應(yīng)用中表現(xiàn)出近距離，低功耗，低成本等特征，這些都可以滿足室內(nèi)定位系統(tǒng)的要求和條件。應(yīng)用ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)是通過在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置參考節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成系統(tǒng)的，參考節(jié)點(diǎn)為靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，它們發(fā)送位置信息和RSSI值給移動(dòng)待測(cè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)寫入定位模塊，分析計(jì)算得到自身位置。該系統(tǒng)常采用分布式節(jié)點(diǎn)設(shè)置，可以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)工作量和通信延遲的問題。該技術(shù)的定位精度為2m以內(nèi)，平均1m，技術(shù)的主要缺陷為網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性還有待提高，易受環(huán)境干擾（李魏峰等，2010）。

室內(nèi)定位技術(shù)在數(shù)字城市中的應(yīng)用

室內(nèi)定位技術(shù)在數(shù)字城市中非常實(shí)用，在復(fù)雜數(shù)字城市環(huán)境下，如圖書館、體育館、地下車庫、貨品倉庫等都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人員以及物品的快速定位，在場(chǎng)館導(dǎo)覽、商品導(dǎo)購、人員定位、物流運(yùn)輸?shù)确矫娴膽?yīng)用具有較大的拓展空間。當(dāng)前，以蘋果公司iPhone、iPad 為代表的智能手持設(shè)備不僅數(shù)據(jù)處理能力大幅增強(qiáng)，而且整合了加速度計(jì)、陀螺儀等微機(jī)電系統(tǒng)傳感器，同時(shí)還擁有極強(qiáng)的軟件擴(kuò)展能力，成為可搭載慣性室內(nèi)定位系統(tǒng)的優(yōu)良載體，從而為數(shù)字城市室內(nèi)建模導(dǎo)航奠定了應(yīng)用基礎(chǔ)。

 圖文摘錄于《走向大數(shù)據(jù)——從數(shù)字北京到智慧北京》一書

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