室內定位技術的研究綜述

劉祺　朱秋月　馮莎

摘 要： 室內定位是位置信息服務領域中的重要研究方向，其在日常生活、商業服務和公共安全等方面都有著良好的應用前景。介紹了室內定位技術的由來和類別，以及當前主流的室內定位技術及其定位原理，舉例描述了室內定位的應用場景，并分析了其未來發展趨勢。

關鍵詞： 室內定位； 類別； 定位原理； 應用場景； 發展趨勢

中圖分類號：TP271.+5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）08-13-03

Abstract： Indoor positioning technology is an important research direction in the field of location service research， and it has a promising application prospect in daily life， business services， public security etc. This paper discusses the origin， classification and the current mainstream of indoor positioning technology and introduces the positioning principles behind the indoor positioning technology， and exemplifies the application scenarios of indoor positioning and analyzes its future development trend.

Key words： indoor positioning； category； positioning principle； application scenarios； development trend

0 引言

隨著社會的進步，信息技術的發展以及各類電子智能設備的普及，定位技術已越來越貼近人們的生活。作為成熟的定位技術的代表—GPS技術，因其性能穩定、成本低、精度能達到米級，而被越來越多的人所熟悉并使用。例如車載導航，手機地圖App等都運用了GPS技術。

在室內，由于受到鋼筋混凝土等障礙物的遮擋和復雜室內環境的影響，接收到的GPS信號很弱，無法利用現有的GPS技術實現定位。由于人們的大部分時間都在室內度過，所以室內定位在日常生活、商業服務以及公共安全中都有著極為重要意義。因此，如何在室內實現精確的定位是定位技術研究領域中的一個重要方向。

1 室內定位技術的分類

室內定位技術已有多年的發展歷史，現有的室內定位技術按照不同的依據可以有多種劃分。其中，以定位機制為依據可以劃分為：基于臨近關系的室內定位技術、基于幾何關系的室內定位技術和基于場景分析的室內定位技術[1]；按照其物理依賴可以劃分為：基于GPS的室內定位技術、基于無線傳感器網絡（紅外線、藍牙、WiFi、超聲波等）的室內定位技術和其他室內定位技術；按照定位范圍可以劃分為：廣域室內定位和局域室內定位[2]。

2 現有的室內定位技術

從室內定位被提出至今，已有十多年的發展。在世界各國專家學者的研究下，已取得很多研究成果，產生了多種定位技術。當前主要應用的定位技術有如下幾種。

⑴ 紅外線定位

紅外線定位是通過在待定位目標上安裝紅外線發射器，該發射器能發射具有惟一身份標識的信號，在室內各個方向上布置紅外線接收器。各個接收器都與控制中心相連，通過控制中心的計算分析后得以定位。具有代表性的基于紅外線的室內定位系統有AT&T劍橋實驗室開發的Active Badge定位系統。紅外線技術的定位精度較高，但紅外線的傳播距離較短，只能在視距內傳播，系統成本較高，這些缺陷在一定程度上限制了它的發展。

⑵ 超聲波定位

超聲波定位[4]依據回波與發射波之間的時間差得到待測點和參考點之間的距離，通過三個或三個以上待測點到參考點之間的距離結合三角定位或其他算法得到待測點在室內的二維坐標。基于超聲波的室內定位解決方案有AT&T劍橋實驗室提出的Active Bat定位系統、MIT開發的Cricket定位系統，Constellation定位系統。其中，Cricket系統中不僅使用了超聲波，還結合了射頻技術，Constellation系統中還加入了其他傳感器來增加它的定位精度。超聲波技術有很高的定位精度，但由于需要在定位空間布置大量的測量設備，使其有較高的定位成本。

⑶ 藍牙定位

藍牙技術[5]通過計算移動終端接收已知高度的發射天線所發射的信號的角度，或者根據藍牙信號強度定位。2011年，NOKIA提出的HAIP（High Accuracy Indoor Positioning）室內定位解決方案，就是利用藍牙信號的信號到達角度實現精確定位。而蘋果公司研制的iBeacon則是根據在待測點所測得的信號強度通過指紋匹配算法得以定位。藍牙定位技術的優點在于：設備體積小，易于集成在手持終端設備中，且定位精度較高。其易于普及，但在復雜的室內環境中，其定位精度受外界的干擾較大，穩定性有待提高。

⑷ WLAN定位

基于WLAN的室內定位技術近年來得以快速發展。WLAN定位[6]主要是分為兩個階段：離線采集階段和在線定位階段。具有代表性的基于WLAN技術的定位系統有微軟研究院提出的RADAR系統。此外，一些較著名的IT公司在其研發的室內定位產品中也用到WLAN技術，如谷歌地圖中引入室內定位功能，我國的百度、高德公司研發的室內定位產品等。現有的WLAN技術定位精度雖然一般，但由于WiFi設備廣泛部署于人們周圍，使其擁有良好的應用前景。

⑸ 射頻定位

射頻識別（Radio Frequency Identification簡稱RFID）技術[7]利用射頻信號進行非接觸式雙向通信，從而獲得目標位置的相關信息。2003年，密歇根州立大學Lionel M .Ni提出基于RFID的LANDMARC室內定位系統。華盛頓大學推出的SpotON系統也基于RFID。由于射頻信號傳輸范圍大、非視距、非接觸式等優點，而且定位的成本較低，所以近年來被較多的應用。但由于其傳輸距離短，不具備通信能力等缺陷，使其在發展中受到限制。

⑹ 超寬帶定位

超寬帶（UWB）技術[8]是一種近年來發展迅速的新興通信技術，通過發送和接收納秒或納秒級以下的急窄脈沖來傳輸數據，具有GHz量級的帶寬。由于其具有穿透力強，功耗低，抗多徑效應能力強等特點，使其在室內定位中有獨特的優勢。Ubisense是具有代表性的UWB室內定位系統，其原理是TDOA和AOA定位算法的相結合。基于UWB的室內定位系統具有亞米級定位精度，抗干擾能力強等優勢，但UWB設備成本過高使其難以大范圍的使用。

⑺ ZigBee定位

ZigBee技術是一種新興的無線傳感器網絡技術，由于其低功耗、低成本的特點，近年來在短距離室內定位中逐漸受到人們的關注。ZigBee定位系統[9]通過在室內布置大量的參考節點，各節點之間協調通信實現室內定位。TI公司推出的CC2431就是帶硬件定位引擎的片上系統（SoC）解決方案，它的定位引擎是基于RSSI技術，根據接收到的信號強度和參考點的位置計算出待測點的坐標。

⑻ 其他室內定位技術

除上述方案外，高通公司利用手機基站輔助GPS推出了A-GPS（Assistant-GPS，輔助全球定位技術）系統，IndoorAtlas公司提出基于地球磁場的定位解決方案，Qubulus公司的方案則是根據無線電信號來定位等。現有的室內定位技術有著各自的優點，但同時也存在各自的缺陷，具體如表1所示。

3 室內定位技術在實際中的應用

在日常生活中，當我們在大型商場中苦苦尋找想買的商品，或者急于找到出口時，忽然發現只要打開手機就能輕松找到想要的路線，這確實是一件很令人驚喜的事情。當我們在景區游玩時，有時會發現我們的手機地圖不起作用了，只能用紙質地圖或通過路標定位。其原因是有的地方不能收到GPS信號，或GPS定位精度不夠等。而當室內定位技術足夠成熟時，通過室內定位技術和室外定位技術的融合，實現室內外定位技術的無縫切換，問題就會迎刃而解。

在商業服務領域，通過室內定位能夠根據顧客的位置推薦當前區域內的商品。在公共安全領域，當火災發生時，室內定位能幫助消防員了解建筑內的布局，方便消防員展開營救工作，同時能定位消防員的實時位置，有利于保障消防員自身的安全。

4 總結及其未來的發展趨勢

室內定位技術已有多年的發展歷史，有著良好的應用前景。由于長期的探索已有多種定位技術被提出，甚至在有些實際場景中已在應用某種定位技術。然而由于定位精度、定位成本、定位范圍、應用環境等因素的限制，至今仍沒有一種定位技術為大部分人所接受，而被應用于實際生活的各個領域中。

當前各種室內定位技術雖然存在各自的缺陷，但也有各自的優點。所以，室內定位技術的發展趨勢可以歸納為：在各種定位需求之間尋求平衡，融合多種現有的室內定位技術以彌補單一技術存在的不足；在融合多種技術的基礎上，為各模塊之間信息的交互制定標準；同時，對于保障位置信息的安全，如保障使用者位置信息的安全，保障有些人的位置信息不被定位系統獲知，以及保障本定位系統不被他人使用等，也許會逐漸在未來的室內定位系統中體現出來。

參考文獻（References）：

[1] 趙銳，鐘榜，朱祖禮，馬樂，姚金飛.室內定位技術及應用綜述[J].電子科技，2014.3：154-157

[2] 余揚，趙凱飛，沈嘉.室內定位技術應用、研究現狀及展望[J].電信網技術，2014.5：46-49

[3] 阮陵，張翎，許越，鄭星雨.室內定位：分類、方法與應用綜述[J].地理信息世界，2015.2：8-14，30

[4] 楊陽，肖金紅，劉智，崔金峰，劉丹，韓麗英.基于超聲波的室內三維定位系統[J].吉林大學學報（信息科學版），2012.3003：267-271

[5] 劉明偉，劉太君，葉焱，吳麗.基于低功耗藍牙技術的室內定位應用研究[J].無線通信技術，2015.24（9503）：19-23

[6] 王宏宇，張乃靈，馮浩，柳宜江，呂濤.基于無線局域網的室內定位系統的應用與實現[J].赤峰學院學報（自然科學版），2014.30（19612）：23-25

[7] 趙晶亮，姚金杰，蘇新彥，韓焱，陳娟.基于射頻識別的室內定位系統設計[J].計算機測量與控制，2011.19（15811）：2848-2850

[8] 楊狄，唐小妹，李柏渝，王飛雪.基于超寬帶的室內定位技術研究綜述[J].全球定位系統，2015.5：34-40

[9] 高明，吉祥，劉宇，呂宏.ZigBee技術在室內定位中的應用[J].西安工業大學學報，2010.1：9-12