非信號(hào)定位技術(shù)分析

唐小露，周鈺婷，莊浩然，胡潘，何佳星

（成都理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，成都610059）

1 引言

定位技術(shù)由室外定位技術(shù)和室外定位技術(shù)組成[1]。根據(jù)所接收的信號(hào)類型分為無(wú)線信號(hào)定位和非信號(hào)定位兩種。本文針對(duì)地磁場(chǎng)技術(shù)、慣性測(cè)量技術(shù)、超聲波技術(shù)、紅外線技術(shù)以及視覺(jué)信息技術(shù)的原理進(jìn)行介紹，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)非信號(hào)定位技術(shù)在商業(yè)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及車輛定位領(lǐng)域的運(yùn)用進(jìn)行討論。

2 非信號(hào)室內(nèi)定位技術(shù)

2.1 地磁場(chǎng)技術(shù)

地磁場(chǎng)是存在于地球內(nèi)部的天然磁性現(xiàn)象，其強(qiáng)度和方向隨所處位置的不同而變化。室內(nèi)的地磁場(chǎng)具有較高的穩(wěn)定性，以及室內(nèi)建筑物墻體內(nèi)存在的金屬和室內(nèi)的電氣設(shè)備會(huì)對(duì)室內(nèi)的地磁場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響，使得地磁場(chǎng)以一種有效信息源[2]的形式應(yīng)用于室內(nèi)導(dǎo)航定位。

2.1.1 地磁場(chǎng)技術(shù)的相關(guān)原理

利用智能手機(jī)和平板電腦中的三軸磁力計(jì)傳感器（也稱電子羅盤），在室內(nèi)區(qū)域中可檢測(cè)到一個(gè)由X、Y、Z 軸三個(gè)方向組成的三軸磁感強(qiáng)度值。通過(guò)所檢測(cè)到的磁感強(qiáng)度值，判斷待定位人員或移動(dòng)端的行走方向，并以此建立一張室內(nèi)磁力指紋地圖[3]。采用指紋匹配算法，將不同的磁感強(qiáng)度值與不同的地理位置結(jié)合起來(lái)，對(duì)待定位人員或移動(dòng)位置進(jìn)行定位。

2.1.2 地磁場(chǎng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①定位精度高，可達(dá)到米級(jí)；②成本低，無(wú)需預(yù)先鋪設(shè)信號(hào)源，硬件成本較低；③穩(wěn)定性好，終端比較豐富。

缺點(diǎn)：定位結(jié)果不穩(wěn)定。磁信號(hào)易受到環(huán)境中電磁信號(hào)源的干擾，在兩個(gè)相同的建筑中，可能存在相同的地磁信號(hào)，使得地磁定位技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確定位。

2.2 慣性測(cè)量技術(shù)

慣性測(cè)量定位技術(shù)是根據(jù)IMU 測(cè)得的一系列傳感數(shù)據(jù)，并結(jié)合一定的算法進(jìn)行位置估計(jì)的定位技術(shù)。該定位技術(shù)的誤差是隨著行走時(shí)間的增加而不斷地累積，使得定位精度不夠精確。一般通過(guò)與Wi-Fi 指紋結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)MEMS 產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正，以便得到待定位目標(biāo)的具體位置。

2.2.1 慣性測(cè)量定位技術(shù)的相關(guān)原理

利用基于MEMS 運(yùn)動(dòng)傳感器[4]提供的地磁方向、加速度等傳感數(shù)據(jù)，通過(guò)航位推算算法估計(jì)待測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的方向和距離，從而估計(jì)出待測(cè)目標(biāo)的具體位置。

2.2.2 慣性測(cè)量定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①獨(dú)立作業(yè)性能好，具有高度的自主性，并不需要依賴外界信息；②成本低，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，且安裝便捷；③隱蔽性好，不向外界輻射能量，系統(tǒng)能自主地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的功能，能夠避免與外界發(fā)生任何信號(hào)的聯(lián)系；④體積小、抗干擾能力極強(qiáng)、精度高。

缺點(diǎn)：具有累積誤差，造成待測(cè)目標(biāo)的定位精度偏移。

2.3 超聲波技術(shù)

超聲波定位技術(shù)，以反射式測(cè)距法為主，通過(guò)在室內(nèi)安裝多個(gè)超聲波揚(yáng)聲器確定物體位置。

2.3.1 超聲波定位技術(shù)的相關(guān)原理

由已知位置的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)射同頻率的超聲波，當(dāng)待測(cè)節(jié)點(diǎn)接收到超聲波后又發(fā)射出返回波，在已知超聲波的傳播速度基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)射波與回波的發(fā)射時(shí)刻的時(shí)間差計(jì)算出兩節(jié)點(diǎn)之間的距離，從而確定待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置。

2.3.2 超聲波定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)缺點(diǎn)：①定位精度高，可達(dá)30m；②抗干擾性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

缺點(diǎn)：①易受多普勒效應(yīng)和溫度的影響；②工作距離較短，普通設(shè)備一般不超過(guò)10m；③易受多徑和距離的影響；④穿透能力差，可用頻道少；⑤成本高，系統(tǒng)需要大量的基礎(chǔ)硬件設(shè)施。

2.4 紅外線技術(shù)

紅外線是一種電磁波，其波長(zhǎng)介于可見光波和無(wú)線電波間。紅外線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，可用于定位精度較高的特定室內(nèi)定位場(chǎng)景。

2.4.1 紅外線技術(shù)的原理

紅外線室內(nèi)定位的組成成分有定位標(biāo)簽、定位服務(wù)器、固定位置的傳感器。待定位標(biāo)簽有發(fā)出特定紅外線的功能，待定位發(fā)出紅外信號(hào)后，定位服務(wù)器通過(guò)紅外傳感器收集信號(hào)，采用近似法進(jìn)行處理估計(jì)出用戶的位置，以達(dá)到定位的作用。

2.4.2 紅外線技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：定位精度高，10m 區(qū)域內(nèi)的定位精度可到達(dá)20~30cm；

缺點(diǎn)：①系統(tǒng)穩(wěn)定性較低，易受直射日光和熒光燈的干擾；②穿透性差，難以應(yīng)用在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境；③成本高，智能移動(dòng)設(shè)備和接收設(shè)備都需要配置紅外線接受裝備。

2.5 視覺(jué)信息技術(shù)

采用深度傳感器，視覺(jué)定位系統(tǒng)可測(cè)量深度信息，并結(jié)合視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)以達(dá)到定位的目的。主要方式是依靠相機(jī)拍攝收集定位信息，屬于非協(xié)作定位。

2.5.1 視覺(jué)信息技術(shù)的相關(guān)原理

視覺(jué)信息定位技術(shù)，是利用高清攝像頭對(duì)定位周圍的環(huán)境進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)周圍圖像的處理和分析計(jì)算得到當(dāng)前的位置信息。系統(tǒng)利用移動(dòng)設(shè)備拍攝的定位潛在區(qū)域的照片，提取相片序列中的相同信息，進(jìn)行一致性信息的比對(duì)，測(cè)算出移動(dòng)設(shè)備相機(jī)的位置數(shù)據(jù)。

2.5.2 視覺(jué)信息技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：①應(yīng)用范圍廣，適用于現(xiàn)有大多數(shù)的智能移動(dòng)終端；②定位精度高，定位結(jié)果穩(wěn)定可靠；③定位速度快，可全天候工作。

缺點(diǎn)：①環(huán)境適應(yīng)性較弱，由于室內(nèi)場(chǎng)所可能存在的各種因素影響，容易使得定位失敗；②若室內(nèi)場(chǎng)所中存在視覺(jué)特征相似的場(chǎng)合，則無(wú)法進(jìn)行定位判斷；③先采集目標(biāo)場(chǎng)合中所有地方的照片，當(dāng)室內(nèi)場(chǎng)所的外觀發(fā)生變化時(shí)，信息需進(jìn)行重新采集，使得成本較高。

3 非信號(hào)定位技術(shù)的應(yīng)用

3.1 商業(yè)應(yīng)用

該技術(shù)通過(guò)把磁力計(jì)內(nèi)置于智能移動(dòng)手機(jī)，進(jìn)而探測(cè)周圍地磁場(chǎng)異常情況，從而實(shí)現(xiàn)用戶在室內(nèi)空間區(qū)域的定位。用戶通過(guò)自身所攜帶的手機(jī)設(shè)備中配置的地磁場(chǎng)技術(shù)，可在無(wú)藍(lán)牙信號(hào)或Wi-Fi 信號(hào)連接的場(chǎng)所，對(duì)用戶的位置進(jìn)行定位。由于地磁場(chǎng)定位技術(shù)需要事先采集場(chǎng)所數(shù)據(jù)，并建立室內(nèi)磁場(chǎng)分布圖，這個(gè)過(guò)程所需時(shí)間與場(chǎng)所空間大小成正比的關(guān)系，可能耗時(shí)較長(zhǎng)，一般用于空間區(qū)域較小的場(chǎng)所定位。

3.2 軍事應(yīng)用

慣性導(dǎo)航定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于火箭、飛機(jī)、戰(zhàn)略遠(yuǎn)程轟炸機(jī)、導(dǎo)彈、核潛艇和車輛等的定位導(dǎo)航和追蹤。該技術(shù)屬于自主式導(dǎo)航，不需要接收外界信號(hào)，利用自身測(cè)量的加速度進(jìn)而推算待定位物體的位置。該技術(shù)與磁力計(jì)相結(jié)合時(shí)，待定位人員或物體所攜帶的慣性導(dǎo)航，隨著時(shí)間的增加所產(chǎn)生的累積誤差會(huì)一定程度地減小，使得定位精度更加精確。

3.3 車輛定位應(yīng)用

在車輛上配置超聲波接收器，其安放位置需使得接收器在室內(nèi)大面積區(qū)域內(nèi)能夠接收到兩個(gè)以上的發(fā)射點(diǎn)信號(hào)。根據(jù)一定的算法系統(tǒng)計(jì)算出車輛所在位置，從而進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)度和追蹤。由于超聲波傳輸距離短，將其與紅外技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)行一定優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可更方便地實(shí)現(xiàn)定位功能，實(shí)用性更高。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，無(wú)線信號(hào)定位技術(shù)廣泛應(yīng)用于日常生活的位置服務(wù)，而非信號(hào)定位技術(shù)的應(yīng)用仍處在初步發(fā)展階段，有很多的技術(shù)和配置還不是很成熟和實(shí)用。隨著智能手機(jī)的普及和微機(jī)電器件的發(fā)展，基于智能手機(jī)的非信號(hào)定位導(dǎo)航會(huì)逐漸進(jìn)入人們的視野，并成為研究的熱點(diǎn)。