室內外定位技術研究綜述

華江鋒　朱廣華　徐頔

摘 要：定位技術是位置信息服務中的一個重要組成部分，被廣泛應用于社會的各個領域。文章從室內外的角度出發，對主流的定位技術及其定位原理進行了概括介紹，最后分析了現階段室內外定位存在的問題和以后的發展方向。

關鍵詞：位置信息服務；定位原理；室內外定位

引言

隨著社會的進步和科技的發展，定位技術已經滲透到了人們生活的方方面面，成為人們不可或缺的應用。它不僅可以用于人員搜尋、位置查找、交通管理、車輛導航與路線規劃等生活應用，還在軍事領域以及預防自然災害方面也發揮著重要作用。通過對敵方指揮作戰中心的精確定位，可以實施精準打擊和搜索救援。在一些自然災害頻繁發生的無人值守區域，如地震和泥石流滑坡地區，通過無線傳感器網絡與定位技術的結合，相關部門能夠對該范圍進行實時監控，從而防范于未然，減少災害發生所造成的財產損失。定位技術的巨大應用價值使得各國都對其展開了相關研究，很多成熟技術已經投入日常使用。總體來說，定位可以劃分為室內定位和室外定位兩個方面，它們采用不同的定位技術，應用于不同的定位場景。

1 室外定位

室外定位具有定位場景多樣、范圍廣和距離遠的特點。由于受到各種環境因素的影響，同樣的定位技術在不同地帶的定位精度會有明顯差別。目前應用于室外定位的主流技術主要有衛星定位和基站定位兩種。

1.1 衛星定位

全球定位系統GPS是現階段技術最為成熟、使用最為廣泛的衛星定位技術，它由美國自主研發，全球覆蓋率高達98%，具有很高的定位精度。出于戰略意識形態和國家安全的角度，同時為了打破技術壟斷，我國自主研制了北斗衛星導航系統，如今已覆蓋大部分亞洲地區，定位精度可與GPS媲美。衛星導航系統通常分為空間段、地面段和用戶段三部分。它的定位原理是用戶端發出定位請求，空中衛星接收后將定位相關信息傳至地面控制中心，由中心計算出定位結果再通過衛星將其反饋給用戶端[1]。現在市面上的衛星定位設備通常都是通過接收多種衛星信號，進行綜合計算從而實現精確定位。

1.2 基站定位

衛星定位雖然精度高、覆蓋廣，但其成本昂貴、功耗大，并不適合于所有用戶。基站定位是由手機運營商提供的服務。它無需借助衛星系統，不用專業定位設備，通過測量終端與多個基站的距離，計算出用戶的最終位置，具有功耗低、成本便宜的優點。但是，由于信號沿直線傳播，容易被建筑物遮擋形成信號折射，從而導致測量距離出現較大誤差，定位結果不準確。基站定位的精確度在幾十米到幾百米之間，是一種粗定位方式。

2 室內定位

室內環境復雜多樣，具有較多的建筑障礙物，定位時更容易受到信號折射與信號衰減問題的影響，傳統的衛星定位技術不能應用于室內場景。但是，由于人們大多時候都在室內，所以相比于室外定位，室內定位[2]具有更廣泛的應用需求和發展前景。目前常見的室內無線定位技術[3]主要有紅外線、藍牙、超聲波、超寬帶、RFID和ZigBee等。

2.1 紅外線定位

紅外線定位的原理是在室內安裝紅外線接收器，通過接收待定位物體所發射的紅外信號進行距離定位，具有較高定位精度。英國劍橋實驗室開發的Active Badge定位系統就是基于紅外線技術。但是，紅外線容易受到其他燈光和障礙物的影響，僅能進行視距范圍內的短距離傳輸，定位成本較高，只能在一些特定環境中使用。

2.2 藍牙定位

藍牙是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，主要通過計算移動終端接收的發射信號角度，或者根據藍牙信號強度定位。這方面具有代表性的是NOKIA提出的HAIP室內定位解決方案。該定位技術的定位精度較高，成本較低，缺陷是易受外界影響，定位范圍較小，系統穩定性不是很好。

2.3 超聲波定位

超聲波技術主要采用反射式測距，即根據物體回波與發射波的時間差計算出兩者距離，最后通過三角定位算法確定目標位置。美國麻省理工學院開發的Cricket定位系統是該技術的應用代表。超聲波定位精度較高、系統結構簡單，但是其信號衰減嚴重，易受多徑效應和非視距影響，總體定位成本較高。

2.4 超寬帶定位

超寬帶（UWB）定位和傳統通信技術定位方法具有很大差異，它是通過發送和接收納秒級及以下的極窄脈沖來傳輸數據，近些年得到了較快發展，Ubisense是該技術的典型應用。UWB定位精度可達到亞米級，具有功耗低、抗多徑效應能力強等優點，大多用于室內移動物體定位，其缺點是定位成本高，很難大規模推廣。

2.5 RFID定位

RFID技術利用射頻信號進行非接觸式雙向通信，通過交換數據實現目標定位。華盛頓大學推出的SpotON系統正是借鑒了RFID定位技術才得以實現。該技術定位精度較高，傳輸范圍大且成本較低，具有非視距和非接觸式的優點。但是其作用距離短，不具備通信能力。

2.6 ZigBee定位

ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無線傳感器網絡技術，近幾年備受關注。它主要是通過傳感器之間的相互協調通信進行目標物體定位。它的定位精度較高，具有低功耗和低成本的特點，其缺陷是易受環境干擾，系統穩定性較差。

3 結束語

從上世紀開始，定位技術已有幾十年的發展歷史，對人類社會和生活造成了極大影響。除了文章所提到的定位方法，各國還有很多的相關成果正處于研究階段或者已經投入正式使用。當前各種定位技術都具有各自的優缺點，適合于不同的應用領域。未來的定位技術發展趨勢應該是融合現有方法，平衡各種定位技術，模糊室內外界限，提供交互機制標準，使得人們在任何場合都可以進行實時精準定位。同時，人們對于定位技術的安全性應該給予更多的關注和考慮，實現合理安全高效的應用。

參考文獻

[1]WT Higgins， DC Mossman， JL Mcclurg. Satellite selection for the global positioning system[J]. Journal of Guidance Control & Dynamics， 2015，6（2）：472-476.

[2]朱敏.室內定位技術分析[J].現代計算機：專業版，2008（2）：79-81.

[3]阮衛華.常見的室內無線定位技術簡介[J].科技信息，2009（33）：851-884.