智能手表室內定位技術簡析

徐 偉，楊 麗，鐘 飛，鄔治平

（依波精品（深圳）有限公司，廣東 深圳 518107）

智能手表室內定位技術簡析

徐 偉，楊 麗，鐘 飛，鄔治平

（依波精品（深圳）有限公司，廣東 深圳 518107）

隨著全球導航衛星系統（GNSS）的發展，位置服務日益成為人們生活、工作當中不可缺少的一部分。與此同時，可穿戴設備的興起，促使對位置服務的需求進一步提高，尤其是智能手表，監護人隨時掌握兒童、老人的位置信息，就顯得至關重要。眾多擁有定位功能的智能手表，其GPS定位模塊已基本滿足用戶對室外定位的要求，但是室內智能手表的定位精度仍不盡人意。因此，探討智能手表的室內定位技術是很有必要的。

智能手表；室內定位技術；WPS定位；慣性導航技術

1 定位技術原理

目前的定位原理大致上分為4種，分別是鄰近信息法、場景分析法、幾何特征定位法和慣性導航定位技術[2]。鄰近信息法是根據信號的作用范圍，大致定位信號源的位置；場景分析法需要事先知道場景位置的特征數據，對待測位置回傳信號進行匹配，從而得出位置；幾何特征定位法主要有三邊定位、三角定位和雙曲線定位；慣性導航定位技術，以牛頓力學理論為基礎，通過傳感器測得人體的運動參數（比如加速度、步長步數等），經過計算實現對人體的實時定位。

最常見的測距方法包括基于信號到達時間（TOA）的方法、基于信號到達時間差（TDOA）的方法、基于信號到達角度（AOA）的方法和基于信號強度（RSS）的方法[3]。

1.1 TOA定位

TOA（Time Of Arrival）定位就是測量出3個或者多個基站和移動端之間的信號（電磁波）傳播時間，從而得到3個或多個基站到移動端距離的估計值。TOA方程組有：

式（1）中：（x0，y0）為移動端位置坐標；（xi，yi）為基站i位置坐標；i為第i個基站；c為電磁波傳播速度（光速）；ti為電磁波傳播時間。

圖1為TOA定位原理圖。

圖1 TOA定位原理圖

圖2 一種無解情形

在TOA定位原理圖中，D點作為移動端位置，在具備了3個基站位置后，就能聯立方程組，求得移動端具體的位置坐標。但是，當A，B，C3個圓不存在交于一點的情況時，將會導致上述方程組（1）無解，圖2顯示的是較為特殊的一種無解情況，通過估算能得到移動端的具體位置坐標。

此時的估算結果為所圍區域（陰影）的預估值。其方法是：選取圓B和圓C的2個交點中離圓A近的點，確定點1，同理可以確定點2、點3.此時，點D的估算位置為：

其他無解情況，參照類似解法，進行移動端位置的估算。從TOA定位技術的計算原理可以看到，各個基站和移動端在接收信號時間上需要同步，任何很小的時間誤差將會被放大很多倍，又由于多徑效應影響帶來的誤差，單純的TOA定位技術在實際中應用很少。

1.2 TDOA定位

TDOA（Time Difference Of Arrival）定位技術是對TOA定位的改進，將基站和移動端的信號傳播時間t1，t2，t3兩兩做差，基站和移動端之間構建一個“測距差系統”?；疚恢么_定后，在二維空間中，移動端到2個基站之間的距離差為常數的軌跡，即為一對曲線，因此TDOA定位系統也被稱作“雙曲線系統”。

通過這一公式可知，這里以基站間的距離作為焦距，基站作為交點，建立雙曲線方程，此時移動端的位置就在曲線上。在多個基站情形下，得到的多條雙曲線和TOA類似，移動端位置坐標就是這些曲線的交點。

由于TDOA定位技術通過測得基站間的距離，會抵消掉信號在傳遞過程中的時間誤差和多徑效應帶來的誤差，因此相對于TOA來說，精度有很大的提高，更具實用性。

1.3 AOA定位

AOA（Angle OfArrival）定位是一種兩基站無線定位方法，基于信號的入射角進行定位，是一種典型的測角系統。

圖3為AOA定位技術原理圖。

圖3AOA定位技術原理圖

如圖3所示，基站和移動端連線，基站和移動端連接的射線形成2個夾角，即夾角1和夾角2，2條射線的交點就是移動端的位置。此時有：

式（3）中：i為基站個數，在此i取1，2.

AOA通過兩線相交定位，具有唯一性，對于信號接收角度有很高的要求，必須配備方向性很強的天線陣列。當移動端距離基站較遠時，基站定位角度的微小偏差會導致較大誤差。

1.4 RSS定位

在RSS定位技術中，利用無線信號在傳播過程中的衰減，從接收信號強度中推算出定位距離[4]，假定信號強度是信號發射端和接收端距離的一元函數，信號強度和距離的理想函數關系為：

式（4）中：P（r）為接收端的信號功率；r為信號發射接收端間距離；P（r0）為發射端信號功率；α為路徑損耗隨著距離r的增加而增加的速率。

在實際運用中，需要考慮建筑物墻壁對信號傳遞的干擾。一種關于信號強度的經驗公式模型，考慮了信號傳遞中墻壁對信號輕度的衰減作用。

式（5）中：n為信號傳遞中穿過的隔墻數；WAF為隔墻衰減因子。

很明顯，RSS定位技術無需復雜的時鐘同步，但由于信道的快速衰落和無線信號傳輸環境的變化，即使接收端和發送端都不移動，也可能出現嚴重的震蕩；信號在非直徑路徑上的衰減要大于直線路徑上的衰減，計算得到的路徑就要比實際的路徑長，這樣定位就會產生很大的誤差[5]。

2 智能手表室內定位技術

2.1 基于WIFI的定位系統

隨著WIFI網絡的盛行，越來越多的智能手表品牌（比如蘋果、三星、華為）也推出了可接入WIFI連接模塊的智能手表，實現了智能手表上APP的應用和運行。基于WIFI定位系統（WPS，WIFI-Based Positioning System），WIFI用戶將終端網卡主動掃描或被動監聽其接收范圍內各個WIFI的信道接入點（AP，Access Point）的信號，通過監聽掃描所接收到的數據幀中的MAC地址和SSID來辨識所有AP，并收集記錄其相應的數據。WIFI信號發射設備作為一個無線接入點，意味著實現了全球一個位置的一個唯一ID。對于一個空間位置來說，AP的ID越多，定位也就會越準確。AP采集并建立數據庫，采集的點越多，定位也就越準確。

2.2 基于藍牙低功耗定位

藍牙（Buletooth）是一種設備間短距離無線通信技術，最新的藍牙4.0通訊距離達到了100 m，這為智能手表室內定位提供了更大的技術空間，定位精度也能相應地得到提升。藍牙定位一般是基于RSS原理進行定位，分為網絡側定位和終端側定位。其中的終端側定位系統，適用于智能手表的室內定位技術。該系統由終端設備（比如智能手表）和beacon組成。在需要定位的區域內建立藍牙基站，當智能手表佩戴者進入該區域內時，就會測出beacon向其發送的廣播信號和數據包，得到不同基站下的RSS值、智能手表內置的算法（三角或三邊算法等），進而得到智能手表佩戴者的具體位置。

2.3 慣性導航定位

WPS室內定位和藍牙室內定位都是基于無線信號的發射或接收，對終端的定位必須要在室內區域內安裝有發射器或者接收器，無法單純地依靠終端進行定位。但是隨著IC（Integrated Circuit）技術的快速發展，慣性傳感器的出現順利地解決了這一難題。慣性導航以牛頓力學理論為基礎，需要通過加速度計測得人或者物的移動加速度，通過2次積分求距離；通過磁阻傳感器和角速度傳感器測量運動方向，實現對運動體的實時定位。

表1 智能手表定位技術對比

3 幾種智能手表室內定位技術的比較

通過上述分析，智能手表的室內定位技術還是相對有限的，其中，基于無線電磁波短距離的定位（WPS定位、藍牙定位），都需要在區域內布置相應的WIFI發射設備或基站節點，前期的投入相對較大。但是隨著這些AP的增多，定位將更加精確，其中，慣性導航技術能夠依靠智能手表內的傳感器測得數據，進行計算定位，這在某種程度上過于依靠傳感器的精度等級。幾種智能手表室內定位技術的對比情況如表1所示。

［1］王楊，趙紅東.室內定位技術綜述及發展前景展望［J］.測控技術，2016，35（7）：1-3.

［2］徐偉.基于Android手機的室內定位技術研究與實現［D］.武漢：華中師范大學，2014.

［3］劉林.無線定位基本概念與原理［J］.學術動態，2007（4）：11-12.

［4］陳永光，李修和.基于信號強度的室內定位技術［J］.電子學報，2004，32（9）：1457-1458.

［5］朱敏.室內定位技術分析［J］.現代計算機，2008（277）：79-80.

TP391.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.015

2095－6835（2018）01－0015－03

目前，在市面的智能手表中，很多產品把多重定位技術作為一個賣點，主要是室外定位技術和室內技術等某幾種定位技術的融合。其中，室外技術包括導航系統GNSS（即GPS、GLANESS、GALILEO、北斗）和導航增強系統（比如美國的廣域增強系統WAAS、歐洲的EGNOS歐洲靜地導航重疊系統、日本的MSAS多功能運輸衛星增強系統等）。當然，還要涵蓋在建和以后要建設的其他衛星導航系統。室內定位技術主要有基于WIFI的定位系統（WPS）、慣性傳感器定位技術、磁場強度室內定位技術、紅外線定位技術、超聲波室內定位技術、射頻識別定位技術、超寬帶室內定位技術、低功耗藍牙技術等[1]。目前適合于智能手表室內定位技術的主要有WPS定位、基于藍牙的低功耗定位和慣性傳感器定位。

智能手表采用的定位技術GPS或者北斗，在室外廣闊的環境中能提供非常精確的定位信息，但是進入室內，由于鋼筋混凝土墻體的遮擋，GPS信號變弱，定位精度大幅度降低，因此針對智能手表的室內定位技術發展就顯得尤為重要。

〔編輯：劉曉芳〕