物聯(lián)網(wǎng)定位技術超全解析！定位正在從室外走向室內(nèi)

賈靜靜

摘 要：隨著社會的進步和科技的發(fā)展，定位技術在技術手段、定位精度、可用性等方面均取得了質(zhì)的飛越，并且逐步從航海、航天、航空、測繪、軍事、自然災害預防等領域滲透到社會生活的方方面面，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡闹匾獞谩缛藛T搜尋、位置查找、交通管理、車輛導航與路線規(guī)劃等。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；定位技術

早在15世紀，當人類開始探索海洋時，定位技術也隨之而生。當時的定位方法十分粗糙，僅僅運用航海圖和星象圖確定自身位置。

隨著社會的進步和科技的發(fā)展，定位技術在技術手段、定位精度、可用性等方面均取得了質(zhì)的飛越，并且逐步從航海、航天、航空、測繪、軍事、自然災害預防等領域滲透到社會生活的方方面面，成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡闹匾獞谩缛藛T搜尋、位置查找、交通管理、車輛導航與路線規(guī)劃等。

總體來說，定位可以按照使用場景的不同劃分為室內(nèi)定位和室外定位兩大類，因為場景不同，需求亦不同，所以采用的定位技術也不盡相同。

目前，應用于室外定位的主流技術主要包括衛(wèi)星定位和基站定位兩種。

1 衛(wèi)星定位

衛(wèi)星定位即通過接收衛(wèi)星提供的經(jīng)緯度坐標信號來進行定位，衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要包括美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）、歐洲伽利略（GALILEO）系統(tǒng)、中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，其中GPS是現(xiàn)階段應用最為廣泛、技術最為成熟的衛(wèi)星定位技術。

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由空間部分、地面控制部分、用戶設備部分組成。

空間部分由24 顆工作衛(wèi)星組成，它們均勻分布在6 個軌道面上（每個軌道面4 顆），衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。

控制部分主要由監(jiān)測站、主控站、備用主控站、信息注入站構成，主要負責GPS衛(wèi)星陣的管理控制。

用戶設備部分主要為GPS接收機，其主要功能是接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，獲得定位信息和觀測量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)定位。

GPS定位即通過四顆已知位置的衛(wèi)星來確定GPS接收器的位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層的干擾，這一距離并非用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距）。

當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導航電文。導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。然而，由于用戶接收機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘并非時刻同步，因此，除用戶的三維坐標x、y、z外，還要引進一個變量t，即將衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程對這4個未知數(shù)求解。若想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。

衛(wèi)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。GPS定位原理如圖1所示。

2 基站定位

基站定位一般應用于手機用戶，手機基站定位服務又叫做移動位置服務（Location Based Service，LBS），可通過電信移動運營商的網(wǎng)絡（如GSM網(wǎng)）獲取移動終端用戶的位置信息。

手機等移動設備在插入SIM卡開機后，會主動搜索周圍的基站信息，并與基站建立聯(lián)系。在可以搜索到信號的區(qū)域，手機可搜索到不止一個基站，但遠近程度不同，再進行通信時會選取距離最近、信號最強的基站作為通信基站。其余基站并非無用基站，當使用者位置發(fā)生移動時，不同基站的信號強度亦會發(fā)生變化。如果基站A的信號不如基站B強度高，那么手機為了防止突然間中斷鏈接，會先和基站B通信，協(xié)調(diào)好通信方式后便會從A切換到B。而這也解釋了為什么待機一天，在火車上比在家里耗電多的原因。

基站定位的原理很簡單，距離基站越遠，信號越差，根據(jù)手機接收的信號強度可以大致估計距離基站的遠近，當手機同時搜索到至少三個基站的信號時，大致可以估計出距離基站的遠近；基站在移動網(wǎng)絡中是唯一確定的，其地理位置也是唯一的，因此可以得到三個基站（三個點）與手機的距離，而根據(jù)三點定位原理，以基站為圓心，距離為半徑，多次畫圓得到的圓的交點就是手機的位置。基站“三點定位”原理如圖2所示。

由于基站定位時，信號很容易受到干擾，且精度誤差約為150 m，故無法為開車導航。該方法的定位條件是處在有基站信號的位置，手機處于SIM卡注冊狀態(tài)（飛行模式下開WiFi和拔出SIM卡都不行）且必須收到3個基站的信號（無論是否在室內(nèi)）。但定位速度快，一旦有信號就可以定位，目前主要用途是在沒有GPS與WiFi的情況下快速大致了解自身的位置。兩種室外定位技術對比見表1所列。

GPS和基站定位技術基本滿足了用戶在室外場景中對位置服務的需求。然而，人的一生當中有80%的時間是在室內(nèi)度過的，個人用戶、服務機器人、新型物聯(lián)網(wǎng)設備等大量的定位需求也發(fā)生在室內(nèi)；而室內(nèi)場景受到建筑物的遮擋，GNSS信號快速衰減，甚至完全拒止，無法滿足室內(nèi)場景中導航定位的需要。

近年來，位置服務的相關技術和產(chǎn)業(yè)正從室外向室內(nèi)發(fā)展，以提供無所不在的基于位置的服務，其主要推動力是室內(nèi)位置服務所能帶來的巨大應用和商業(yè)潛能。許多公司包括OS提供商、服務提供商及設備和芯片提供商都在競爭這個市場。

3 室內(nèi)定位應用

室內(nèi)定位即通過技術手段獲知人們在室內(nèi)所處的實時位置或者行動軌跡。基于這些信息能夠?qū)崿F(xiàn)多種應用。

大型商場中的商戶能夠通過室內(nèi)定位技術獲知哪些地方人流量最大，客人們通常會選擇哪些行動路線等，從而更科學地布置柜臺或者選擇舉辦促銷活動的地點。

客人也可以利用室內(nèi)定位技術更方便地找到所需購買物品的擺放區(qū)域，并獲得前往該處的最佳路線。

家長不用再擔心孩子在商場中走失，通過室內(nèi)定位技術可以實時定位孩子的位置。

公司的管理者則可以運用室內(nèi)定位技術實時獲知室內(nèi)的人員狀況，從而更好地優(yōu)化空調(diào)的使用等，達到節(jié)能減排的目的，還能夠有效提高安全保衛(wèi)水平。

通過部署室內(nèi)定位技術，電信運營商能夠更好地找到室內(nèi)覆蓋的“盲點”和“熱點”區(qū)域，更好地為用戶提供室內(nèi)通信服務。

4 室內(nèi)定位面臨的挑戰(zhàn)

與室外定位相比，室內(nèi)定位面臨很多獨特的挑戰(zhàn)，比如室內(nèi)的環(huán)境動態(tài)性很強且種類多樣，不同的大廈會有不同的室內(nèi)布局；室內(nèi)的環(huán)境更加精細。因此需要更高的精度來分辨不同的特征。

室內(nèi)定位解決方案主要包括精度、覆蓋范圍、可靠性、成本、功耗、可擴展性和響應時間等要素。

精度：不同應用對精度的要求差別很大，比如在超市或倉庫，尋找一個特定商品可能需要1 m甚至更低的精度，而如果在購物中心尋找一個特定的品牌或餐館，5～10 m的精度就能滿足要求。

覆蓋范圍：覆蓋范圍主要是指一種技術或解決方案可以在多大范圍內(nèi)提供滿足精度的覆蓋。有些技術需要相應或?qū)Ｓ玫幕A設施支撐并結合相應的定位終端使用。

可靠性：一方面，室內(nèi)環(huán)境動態(tài)性很強，會經(jīng)常發(fā)生改變，比如商場的設置和隔斷會經(jīng)常發(fā)生變化；另一方面，定位所依賴的基礎設施也會經(jīng)常發(fā)生變化。如一些大型會議，參展商會架設自己的WiFi熱點，但這些設施會動態(tài)變換位置，甚至時開時關。

成本和復雜度：成本和復雜度指標涵蓋兩個方面，一是定位終端的成本，是否可用終端已有硬件而不添加新的硬件；另一方面是布局和維護的成本及其復雜度，包括布局與維護定位所需的設施和采集相關數(shù)據(jù)庫。

功耗：定位所產(chǎn)生的功耗是一個很重要的指標，尤其對使用電池的移動設備而言，如果功耗大對設備電量消耗過大，就會在很大程度上限制用戶的使用。有調(diào)查表明，電池消耗過快是很多用戶不開啟定位功能的一個主要因素。因此，若要實現(xiàn)隨時隨地的位置感知，須降低定位所增加的設備額外功耗。

可擴展性：可擴展性指一個解決方案擴展到更大覆蓋范圍使用的能力，以及方便地移植到不同環(huán)境和應用的能力。

響應時間：系統(tǒng)給出一個位置更新所需的時間是響應時間，不同的應用需求不同，如移動用戶和導航應用需要快速的位置更新。

5 蓬勃發(fā)展的室內(nèi)定位技術

室內(nèi)定位技術分支多樣，圖3所示為各種室內(nèi)定位方案的對比。

目前室內(nèi)定位常用的定位方法從原理上主要分為鄰近探測法、質(zhì)心定位法、多邊定位法、三角定位法、極點法、指紋定位法和航位推算法。不同算法的描述與特點見表2所列。

不同的室內(nèi)定位方法選擇不同的觀測量，通過不同的觀測量提取出算法所需信息。主要觀測量的簡要介紹見表3所列。

5.1 WiFi定位技術

目前WiFi是相對成熟且應用較多的技術，這幾年有不少公司投入到了該領域。WiFi室內(nèi)定位技術主要有兩種。

WiFi定位一般采用“近鄰法”判斷，即最靠近哪個熱點或基站，即認為處在什么位置。若附近有多個信源，則可通過交叉定位（三角定位）提高定位精度。

由于WiFi已普及，因此無需鋪設專門的設備用于定位。用戶在使用智能手機時開啟WiFi、移動蜂窩網(wǎng)絡就可能成為數(shù)據(jù)源。該技術具有便于擴展、可自動更新數(shù)據(jù)、成本低等優(yōu)勢，因此最先實現(xiàn)了規(guī)模化。

但WiFi熱點受周圍環(huán)境的影響較大，精度較低。為了提高定位精度，部分公司做了WiFi指紋采集，事先記錄巨量確定位置點的信號強度，通過對比新加入的設備信號強度與擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫來確定位置。由于采集工作需要耗費大量人力，且要定期進行維護，導致技術難以擴展。

WiFi定位可以實現(xiàn)復雜的大范圍定位，但精度僅約2 m，無法精準定位。因此該方法適用于對人或車的定位導航，或醫(yī)療機構、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導航的場合。

5.2 FRID定位

RFID定位的基本原理是通過一組固定的閱讀器讀取目標RFID標簽的特征信息（如身份ID、接收信號強度等），同樣可以采用近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方法確定標簽所在位置。

這種技術雖然作用距離短（一般最長為幾十米），但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍大，成本較低。同時由于其非接觸和非視距等優(yōu)點，有望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術。

目前，射頻識別研究的熱點和難點在于理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標準化等問題。其雖具有標識的體積較小、造價較低等優(yōu)點，但由于作用距離近，不具有通信能力，且不便于整合到其他系統(tǒng)中，無法做到精準定位，且布設讀卡器和天線難度大、成本高。

5.3 紅外技術

紅外線是一種波長在無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外定位主要包括兩種具體實現(xiàn)方法。一種是為定位對象附上一個會發(fā)射紅外線的電子標簽，通過室內(nèi)安放的多個紅外傳感器測量信號源的距離或角度，從而計算出對象所在的位置。這種方法在空曠的室內(nèi)容易實現(xiàn)較高精度，可實現(xiàn)對紅外輻射源的被動定位，但由于紅外很容易被障礙物遮擋，傳輸距離不長，因此需要大量部署傳感器，導致硬件和施工成本較高。此外，紅外易受熱源、燈光等干擾，導致定位精度和準確度下降。該技術目前主要用于軍事方面，可對飛行器、坦克、導彈等紅外輻射源進行被動定位，也可用于室內(nèi)自走機器人的位置定位。另一種紅外定位方法是紅外織網(wǎng)，即通過多對發(fā)射器和接收器織成的紅外線網(wǎng)覆蓋待測空間，直接對運動目標進行定位。這種方式的優(yōu)勢在于定位對象無需攜帶任何終端或標簽，隱蔽性強，常用于安防領域。劣勢在于要實現(xiàn)精度較高的定位需要部署大量紅外接收和發(fā)射器，成本較高，因此只有高等級的安防才會采用此技術。

5.4 超聲波技術

超聲波定位目前大多采用反射式測距法。系統(tǒng)由一個主測距器和若干個電子標簽組成，主測距器可放置于移動機器人本體上，各電子標簽放置于室內(nèi)空間的固定位置。

定位過程：先由上位機發(fā)送同頻率的信號給各電子標簽，待電子標簽接收后反射傳輸給主測距器，從而確定各電子標簽到主測距器之間的距離，并得到定位坐標。

目前，比較流行的基于超聲波室內(nèi)定位的技術主要有兩種。一種是將超聲波與射頻技術結合進行定位。由于射頻信號傳輸速率接近光速，遠高于射頻速率，因此，可利用射頻信號先激活電子標簽而后使其接收超聲波信號，利用時間差的方法測距。這種技術成本低，功耗小，精度高。另一種為多超聲波定位技術。該技術采用全局定位方法，在移動機器人身上的4個朝向安裝4個超聲波傳感器，將待定位空間分區(qū)，由超聲波傳感器測距形成坐標，可從總體上把握數(shù)據(jù)，抗干擾性強，精度高，同時還可用于解決機器人迷路問題。

超聲波定位精度可達厘米級，精度較高。缺陷是超聲波在傳輸過程中衰減明顯，從而影響其定位有效范圍。

5.5 藍牙技術

藍牙定位基于信號場強指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）定位原理，根據(jù)定位端的不同，其定位方式分為網(wǎng)絡側定位和終端側定位兩種。

網(wǎng)絡側定位系統(tǒng)由終端（手機等帶低功耗藍牙的終端）、藍牙beacon節(jié)點，藍牙網(wǎng)關，無線局域網(wǎng)及后端數(shù)據(jù)服務器構成。其具體定位過程如下：

（1）首先在區(qū)域內(nèi)鋪設beacon和藍牙網(wǎng)關；

（2）當終端進入beacon信號覆蓋范圍后，終端就能感應到beacon的廣播信號，在某beacon下的RSSI值通過藍牙網(wǎng)關經(jīng)WiFi網(wǎng)絡傳送到后端數(shù)據(jù)服務器，通過服務器內(nèi)置的定位算法測算出終端的具體位置。

終端側定位系統(tǒng)由終端設備（如嵌入SDK軟件包的手機）和beacon組成。其具體定位原理如下：

（1）首先在區(qū)域內(nèi)鋪設藍牙信標；

（2）beacon不斷向周圍廣播信號和數(shù)據(jù)包；

（3）當終端設備進入beacon信號覆蓋范圍后，測出其在不同基站下的RSSI值，然后再通過手機內(nèi)置的定位算法測算出具體位置。

終端側定位一般用于室內(nèi)定位導航、精準位置營銷等用戶終端；而網(wǎng)絡側定位主要用于人員跟蹤定位、資產(chǎn)定位及客流分析等情境。藍牙定位的優(yōu)勢在于實現(xiàn)簡單，定位精度與藍牙信標的鋪設密度及發(fā)射功率有密切關系。可通過深度睡眠、免連接、協(xié)議簡單等方式達到省電的目的。

5.6 慣性導航技術

這是一種純客戶端的技術，主要利用終端慣性傳感器采集的運動數(shù)據(jù)，如加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等信息，基于航位推測法，經(jīng)過各種運算得到物體的位置信息。隨著行走時間的增加，慣性導航定位的誤差也在不斷累積，需要外界更高精度的數(shù)據(jù)源對其進行校準。所以現(xiàn)在慣性導航一般和WiFi指紋結合在一起， 每過一段時間通過WiFi請求室內(nèi)位置，以此來對MEMS產(chǎn)生的誤差進行修正。目前該技術的商用比較成熟，已在掃地機器人中得到應用。

5.7 超寬帶定位技術

超寬帶（UWB）技術是近年來新興的一項全新的與傳統(tǒng)通信技術有極大差異的無線通信新技術。無需使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，只通過發(fā)送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.1～10.6 GHz量級帶寬。目前，包括美國、日本、加拿大等在內(nèi)的國家都在研究這項技術，在無線室內(nèi)定位領域具有良好的前景。

UWB技術是一種傳輸速率高、發(fā)射功率較低、穿透能力較強且基于極窄脈沖的無線技術，無載波。正是這些優(yōu)點，使得它在室內(nèi)定位中能夠得到較為精確的結果。

超寬帶定位技術利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點和橋節(jié)點，與新加入的盲節(jié)點進行通信，并利用三角定位或“指紋”定位方式來確定位置。

超寬帶可用于室內(nèi)精確定位，如戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機器人運動跟蹤等。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點。因此，超寬帶技術可應用于室內(nèi)靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航。根據(jù)不同公司使用的技術手段或算法不同，精度可保持在0.1～0.5 m范圍內(nèi)。

5.8 LED可見光技術

可見光是一個新興領域，通過對每個LED燈進行編碼，將ID調(diào)制在燈光上，燈會不斷發(fā)射自己的ID，可通過手機前置攝像頭來識別這些編碼。利用所獲取的識別信息在地圖數(shù)據(jù)庫中確定對應的位置信息，完成定位。

根據(jù)燈光到達的角度進一步細化定位結果，目前高通公司已達到了厘米級定位精度。由于無需額外部署基礎設施，終端數(shù)量的擴大對性能沒有任何影響，可達到非常高的精度，該技術被高通公司看好。

目前，北美有很多商場已開始使用可見光技術。用戶下載應用，到達商場里某一個貨架后，可通過檢測貨架周圍的燈光知曉具體位置，商家通過此種方法向消費者推送商品折扣等信息。

5.9 地磁定位技術

地球可視為一個磁偶極，其中一極位于地理北極附近，另一極位于地理南極附近。地磁場包括基本磁場和變化磁場兩部分。基本磁場是地磁場的主要部分，起源于地球內(nèi)部，比較穩(wěn)定，屬于靜磁場。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源于地球內(nèi)部，相對比較微弱。

現(xiàn)代建筑的鋼筋混凝土結構會在局部范圍內(nèi)對地磁產(chǎn)生干擾，指南針也可能因此受到影響。原則上說，非均勻的磁場環(huán)境會因其路徑不同而產(chǎn)生不同的磁場觀測結果。這種被稱為IndoorAtlas的定位技術，正是利用了地磁在室內(nèi)的此種變化進行室內(nèi)導航，且導航精度已達到0.1～2 m。

但使用地磁定位技術進行導航稍顯麻煩，需要先將室內(nèi)樓層平面圖上傳到IndoorAtlas 提供的地圖云中，然后使用其移動客戶端實地記錄目標地點不同方位的地磁場。只有將記錄的地磁數(shù)據(jù)經(jīng)客戶端上傳至云端，其他人才能夠利用已記錄的地磁進行精確的室內(nèi)導航。

百度于2014年戰(zhàn)略投資了地磁定位技術開發(fā)商IndoorAtlas，并于2015年6月宣布在自己的地圖應用中使用其地磁定位技術，將該技術與WiFi熱點地圖、慣性導航技術聯(lián)合使用。在宣傳商業(yè)應用中，可達到米級定位標準，但磁信號容易受環(huán)境中不斷變化的電、磁信號源干擾，定位結果不穩(wěn)定，影響精度。

5.10 視覺定位

視覺定位系統(tǒng)可以分為兩類：一類是通過移動的傳感器（如攝像頭）采集圖像確定該傳感器的位置；另一類是固定位置的傳感器確定圖像中待測目標的位置。根據(jù)所選參考點的不同又可分為參考三維建筑模型、圖像、預部署目標、投影目標、參考其他傳感器和無參考等。

參考3D建筑模型和圖像分別是將已有建筑結構數(shù)據(jù)庫和預先標定的圖像進行比對。而為了提高魯棒性，參考預部署目標使用布置好的特定圖像標志（如二維碼）作為參考點；投影目標則在參考預部署目標的基礎上在室內(nèi)環(huán)境投影參考點。參考其他傳感器則可融合其他傳感器數(shù)據(jù)以提高精度、覆蓋范圍或魯棒性。

除了以上提及的，目前定位技術的種類多達幾十甚至上百種，而每種定位技術都有自己的優(yōu)缺點和適合的應用場景，沒有絕對的勝負之分。根據(jù)不用的需求因地制宜地部署解決方案方為上策。