室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)研究進(jìn)展與展望

高 偉，侯聰毅，許萬(wàn)旸，陳 玄

(天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384)

0 引言

室內(nèi)導(dǎo)航與定位系統(tǒng)是指在各種室內(nèi)空間中采用不同技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)人員室內(nèi)導(dǎo)航以及對(duì)人員、物體的定位與跟蹤。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人員、物體在經(jīng)濟(jì)行為、個(gè)人活動(dòng)、軍事等應(yīng)用領(lǐng)域的定位需求越來(lái)越多。在室外有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)，是一種普適且成熟的方案可以讓人們?cè)谑彝鈱?shí)現(xiàn)導(dǎo)航與定位；但是在室內(nèi)空間越來(lái)越龐大的今天，各個(gè)工廠車(chē)間、大型購(gòu)物商城、辦公樓、地鐵站的不斷建設(shè)，基于室內(nèi)的導(dǎo)航與定位對(duì)人員、物體的安全與監(jiān)測(cè)是必不可少的，人們?cè)谑覂?nèi)環(huán)境中的位置服務(wù)需求已經(jīng)日趨顯著，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量探索與研究。目前室內(nèi)導(dǎo)航定位系統(tǒng)大都基于臨近探測(cè)、三角、多邊定位、指紋定位法來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者為了提高精度采取組合定位的方法。但是由于多路徑效應(yīng)影響，室內(nèi)環(huán)境易變、復(fù)雜，尚未有一種普適的解決方案；所以如何提升精度、實(shí)時(shí)性、安全性，提高可擴(kuò)展能力，降低成本仍然是研究的熱點(diǎn)，使得人們無(wú)論在生活還是工作環(huán)境中可以隨時(shí)隨地獲取位置信息，享受基于位置服務(wù)帶來(lái)的便捷。

本文在綜述國(guó)內(nèi)外室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)的研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和難點(diǎn)進(jìn)行分析與探討，結(jié)合自己的思考，給出室內(nèi)定位方法與技術(shù)的研究趨勢(shì)。

1 方法與分類(lèi)

1.1 方法

多數(shù)室內(nèi)定位技術(shù)的原理是根據(jù)接收設(shè)備對(duì)信號(hào)的接收，從而判斷接收機(jī)與已知信號(hào)點(diǎn)的相對(duì)距離。另外，利用特征比對(duì)和定位對(duì)象對(duì)信號(hào)的遮蔽也是常用的技術(shù)方法[1]。主要室內(nèi)定位方法的對(duì)比與分析如表1所示。

表1 主要室內(nèi)定位方法對(duì)比

表1中列舉了基于室內(nèi)環(huán)境的各種定位方法與特點(diǎn)，其中基于航位推算法和指紋法的改進(jìn)算法研究頗多：文獻(xiàn)[2]提出了一種用室內(nèi)地圖來(lái)消除行人航位推算過(guò)程中漂移誤差的定位方法；文獻(xiàn)[3]的DREDR(dead-reckoning enhanced with activity recognition)室內(nèi)定位方法是針對(duì)行人航位推算法中漂移誤差的累積提出的，利用零速度更新技術(shù)對(duì)每一步操作結(jié)果進(jìn)行校正[4]；文獻(xiàn)[5]提出了在指紋法的基礎(chǔ)上將確定型算法和概率分布算法結(jié)合的新方法，該方法可以減小算法空間復(fù)雜度；文獻(xiàn)[6]提出了改進(jìn)的位置指紋定位算法，可以較好地濾除噪聲干擾、優(yōu)化定位階段的估算坐標(biāo)，從而提高準(zhǔn)確性，有更高的精度、穩(wěn)定性。

1.2 分類(lèi)

文獻(xiàn)[7]于2001年提出了室內(nèi)定位分類(lèi)體系，其中根據(jù)定位的位置類(lèi)型、定位的覆蓋范圍、精度、所用信號(hào)，以及絕對(duì)/相對(duì)定位、主動(dòng)/被動(dòng)定位進(jìn)行分類(lèi)，為了讓位置服務(wù)開(kāi)發(fā)者更全方位地去了解它們的性能。文獻(xiàn)[8]提出了3種分類(lèi)方法：基于位置感知技術(shù)、基于信號(hào)測(cè)量技術(shù)、基于傳感器類(lèi)型的分類(lèi)。文獻(xiàn)[9]又依據(jù)定位算法分成基于幾何、指紋定位法、成本最小化、貝葉斯技術(shù)法。文獻(xiàn)[10]按照定位方式分成衛(wèi)星、基站、感知定位3類(lèi)。文獻(xiàn)[11]提出可以按照定位原理和傳輸信號(hào)的不同進(jìn)行分類(lèi)，同時(shí)武漢大學(xué)陳銳志教授還根據(jù)定位源的不同進(jìn)行分類(lèi)。這些分類(lèi)研究促進(jìn)了室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。

2 研究進(jìn)展

2.1 基于傳感器的室內(nèi)定位技術(shù)

1)紅外線(xiàn)定位

紅外線(xiàn)定位系統(tǒng)一般由裝有紅外發(fā)射器的移動(dòng)站和基站2個(gè)部分組成。先有Olivetti研究實(shí)驗(yàn)室，然后由劍橋AT<實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的Active Badge系統(tǒng)是比較經(jīng)典的應(yīng)用紅外線(xiàn)技術(shù)的系統(tǒng)[12]，適用于中小型房間，定位精度平均可達(dá)6 m。紅外線(xiàn)發(fā)射器攜帶輕便，但是紅外線(xiàn)穿透力差，不能穿透固體墻壁，它們只能提供房間級(jí)的位置傳感功能[13]；且傳播只有幾米的有效范圍，容易受到光照或者熒光燈的影響而產(chǎn)生盲區(qū)，定位效果不理想[14]。因此紅外線(xiàn)定位技術(shù)主要是跟其他技術(shù)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位；利用手機(jī)紅外線(xiàn)LED來(lái)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

2)超聲波定位

超聲波技術(shù)采用的測(cè)距方法大都是反射式測(cè)距法，通過(guò)計(jì)算時(shí)間差從而得到待測(cè)距離。當(dāng)然，也可以采用單向測(cè)距法直接測(cè)定超聲波發(fā)生到被測(cè)物體的距離。這2種方法一般都是采用多邊定位等方法來(lái)確定被測(cè)物體位置。

1997年開(kāi)發(fā)的Active Bat系統(tǒng)[15]就是基于超聲波技術(shù)，比以紅外線(xiàn)定位為基礎(chǔ)的Active Badge系統(tǒng)定位精度要高，定位精度達(dá)到3 cm。2000年麻省理工學(xué)院在Active Bat系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造成的Cricket室內(nèi)定位系統(tǒng)[16]，不需要布置固定傳感器，而是利用超聲波的傳輸時(shí)間和射頻控制信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)三維定位。在硬件布設(shè)方面超聲波定位技術(shù)要求比較高，所以成本比較高，不過(guò)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位精度高，平均能達(dá)到厘米級(jí)[13]。

3)慣性導(dǎo)航定位

慣性導(dǎo)航定位是利用慣性傳感器如加速度計(jì)、陀螺儀或磁力計(jì)采集物體的一些參數(shù)信息[17]，從而確定位置信息。一般采用航位推算法，已廣泛應(yīng)用于一些軍事安全領(lǐng)域，傳感器質(zhì)量和傳感器的安放位置影響著其定位精度[18]。

文獻(xiàn)[19]基于慣性器件構(gòu)建了一套適用于軍警的定位系統(tǒng)，并且建設(shè)性地提出了用戶(hù)之間聯(lián)合定位的想法；但是慣性導(dǎo)航定位技術(shù)帶來(lái)的累積誤差的影響無(wú)法忽略，所以一般和其他定位系統(tǒng)結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度定位。比如前期使用無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò)(wireless local area networks，WLAN)定位系統(tǒng)來(lái)為其提供初始化和矯正的方法，或者在無(wú)縫定位研究與應(yīng)用中，慣性導(dǎo)航定位系統(tǒng)常常與GNSS系統(tǒng)結(jié)合定位[20]。還有目前微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanical system，MEMS)日趨成熟，基于智能手機(jī)平臺(tái)的加速度計(jì)、陀螺儀、傾斜儀、氣壓計(jì)和磁力計(jì)等這些低成本運(yùn)動(dòng)傳感器都可用于行人航跡推算(pedestrian dead reckon，PDR)。目前，PDR跟地磁匹配或與無(wú)線(xiàn)保真(wireless fidelity，WiFi)的融合越來(lái)越受到重視。

4)視覺(jué)定位

日本在視覺(jué)領(lǐng)域的研究是世界領(lǐng)先的，相對(duì)來(lái)說(shuō)中國(guó)起步比較晚，計(jì)算機(jī)視覺(jué)常用于機(jī)器人定位，機(jī)器人安裝攝像機(jī)拍攝附近環(huán)境，根據(jù)所拍攝圖像處理與分析相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行機(jī)器人定位[21]。視覺(jué)定位的方式有很多種：基于手機(jī)設(shè)備的單目攝像頭多數(shù)用的定位方法是圖像匹配；而基于相機(jī)交會(huì)的定位方法主要依據(jù)密度匹配和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)結(jié)構(gòu)(structure from motion，SFM)的原理，第一步基于眾包圖像的圖像特征庫(kù)的建立，發(fā)現(xiàn)和求解顯著圖像的特征目標(biāo)，第二步基于單張照片的相機(jī)交會(huì)定位系統(tǒng)，這種方法相對(duì)復(fù)雜[22]。計(jì)算機(jī)視覺(jué)定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于信號(hào)探測(cè)范圍寬、獲取信息完整等，但是相對(duì)而言對(duì)處理器的要求更高[23]。

EasyLiving系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的定位系統(tǒng)，采用高性能的照相機(jī)，準(zhǔn)確性比較高；但當(dāng)室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜時(shí)，很難一直保持高精度[13]。通過(guò)移動(dòng)機(jī)器人同步定位和制圖(simultaneous location and mapping，SLAM)的原理，可以引入視覺(jué)傳感器[24]。文獻(xiàn)[25]通過(guò)基于參考圖像使用低分辨率相機(jī)實(shí)現(xiàn)SLAM算法，從而精度可以到亞米級(jí)。2012年提出的EV-Loc室內(nèi)定位系統(tǒng)是一個(gè)以視覺(jué)信號(hào)作為輔助定位來(lái)提高精度的定位系統(tǒng)[26]。基于視覺(jué)定位原理的谷歌視覺(jué)定位服務(wù)(visual positioning service，VPS)技術(shù)，其理論精度可達(dá)厘米級(jí)別。

2.2 基于射頻信號(hào)的室內(nèi)定位技術(shù)

1)WiFi定位

人們的生活已經(jīng)被無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)包圍，WiFi定位因其低成本而成為受眾廣泛的技術(shù)，百度、高德、WiFiSLAM、Sensewhere、圖聚智能等一些公司都投身其中。其定位的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需額外的設(shè)備，部署成本低、功耗低，用戶(hù)隨時(shí)隨地就能使用手機(jī)開(kāi)啟WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)，定位成本低、適用性強(qiáng)，所以最早實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化。

WiFi室內(nèi)定位技術(shù)一般分2種：一種是基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示(received signal strength indication，RSSI)距離交會(huì)的定位方法，由于在不同的環(huán)境的條件下信號(hào)衰減和距離的關(guān)系都有改變，結(jié)果達(dá)不到理想的精度；另一種是基于RSSI位置指紋法，信號(hào)的匹配是其研究的主要部分，定位精度在于校準(zhǔn)點(diǎn)密度，不需要部署過(guò)多硬件設(shè)施，是目前用得較多的WiFi定位方法。由Microsoft公司開(kāi)發(fā)的RADAR室內(nèi)定位系統(tǒng)，在空曠的室內(nèi)環(huán)境中精度可達(dá)到2～5 m[27]。HORUS系統(tǒng)提高精度的方法是以無(wú)線(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的概率模型作為定位特征參數(shù)，但前期需要大量的指紋采集作為基礎(chǔ)來(lái)確定準(zhǔn)確的指紋概率分布[28]。Mole、EPE系統(tǒng)雖然精度可以達(dá)到要求，但是算法極其復(fù)雜，所以滿(mǎn)足不了定位的快速性。另外，美國(guó)的WiFiSLAM和我國(guó)的“翼周邊”等系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行和維護(hù)要求高，一般用在重要地點(diǎn)的布設(shè)[29]。隨著定位方案的不斷改進(jìn)，2010年微軟研究院在WiFi技術(shù)支持下又提出了一種基于EZ算法的室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)不需要前期大量的調(diào)研，只需在比較強(qiáng)大的中心處理器上進(jìn)行大量復(fù)雜的計(jì)算[30]。

2)藍(lán)牙(Bluetooth)和紫蜂(ZigBee)定位

藍(lán)牙定位和ZigBee定位技術(shù)二者均基于短距離低功耗通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)的方法可以是質(zhì)心定位法、指紋定位和鄰近探測(cè)法；且二者都具有功耗低，近距離、運(yùn)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)穩(wěn)定性差、受環(huán)境干擾大。

藍(lán)牙定位技術(shù)是根據(jù)測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位，蘋(píng)果公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于低功耗的精確的微定位技術(shù)iBeacon，我國(guó)的“尋鹿”定位系統(tǒng)也使用該模式進(jìn)行定位。2016年發(fā)布的藍(lán)牙5.0協(xié)議將為實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)定位提供技術(shù)支持[31-32]。目前藍(lán)牙技術(shù)較多使用的指紋定位法，其改進(jìn)的方法也大都基于這個(gè)方法。ZigBee室內(nèi)定位的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)每個(gè)盲節(jié)點(diǎn)之間相互協(xié)調(diào)通信[1]，基于的方法是鄰近探測(cè)法。目前ZigBee定位技術(shù)通過(guò)模糊聚類(lèi)等方法改進(jìn)，定位精度可達(dá)到米級(jí)[14]。

3)蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位

蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位主要用于智能手機(jī)的定位，依靠檢測(cè)傳播信號(hào)的特征參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位，常用的定位方法有鄰近探測(cè)法、以及基于觀測(cè)到達(dá)時(shí)間差(observed time difference of arrival，OTDOA)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。該定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可以形成普適化的室內(nèi)定位方案，但缺點(diǎn)是由于受系統(tǒng)設(shè)計(jì)、時(shí)間同步精度差等影響，精度一般較低，約為50～300 m[33]。愛(ài)立信公司采用OTDOA的方法達(dá)到50 m的精度[34]。有的采用多天線(xiàn)MIMO+TDOA技術(shù)，定位精度可達(dá)5～10 m[31]。未來(lái)的發(fā)展如基于5G通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)有望達(dá)到更高的精度。

4)射頻識(shí)別定位

射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency identification，RFID)是一種利用射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的自動(dòng)識(shí)別并獲得相關(guān)信息的技術(shù)。RFID技術(shù)是二戰(zhàn)時(shí)被英國(guó)用來(lái)識(shí)別飛機(jī)作為雷達(dá)改進(jìn)的一部分，結(jié)合智能傳感器技術(shù)，RFID技術(shù)已成為物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)[35]。其具有輻射距離遠(yuǎn)、可以繞過(guò)障礙物傳輸、設(shè)備低成本、高可攜性、易維護(hù)性、定位精度高等特點(diǎn)，但是作用距離短、接收信號(hào)強(qiáng)度可能不穩(wěn)定。

具有代表性的RFID系統(tǒng)定位系統(tǒng)有微軟公司的RADAR系統(tǒng)[36]，是基于RSSI測(cè)量的室內(nèi)定位解決方案，不過(guò)易擴(kuò)展性不高因其對(duì)環(huán)境有很大的依賴(lài)性。華盛頓大學(xué)的SpotON系統(tǒng)[37]是運(yùn)用聚合算法進(jìn)行反復(fù)的迭代計(jì)算，但是其計(jì)算量極其大。密歇根州立大學(xué)提出的基于主動(dòng)射頻識(shí)別校驗(yàn)的動(dòng)態(tài)識(shí)別系統(tǒng)(location identification based on dynamic active RFID calibration,LANDMARC)，其算法的核心是通過(guò)鄰近法來(lái)實(shí)現(xiàn)定位；之后的研究者們?cè)诖怂惴ɑA(chǔ)上進(jìn)行了很多改進(jìn)。目前，科研人員對(duì)算法的研究一直持續(xù)，從而使得射頻識(shí)別技術(shù)日趨成熟。

5)超寬帶定位

超寬帶(ultra wideband，UWB)定位在美國(guó)空軍中最早得到應(yīng)用，到2002年，美國(guó)FCC才通過(guò)了超寬帶定位可以運(yùn)用于民用的提案。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)成本低、發(fā)射信號(hào)功耗低、信號(hào)的穿透力強(qiáng)、安全性高、信號(hào)速率高，具大通信通道容量等優(yōu)點(diǎn)，且定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)別。UWB相對(duì)于其他的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，很容易做到定位與通信互為一體，所以比較適合繁雜的室內(nèi)空間。

在應(yīng)用研發(fā)方面，芯片Driver2和Aether5具有體積小、穿透力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。Ubisense公司的UWB實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)產(chǎn)品工作頻段為5.8～7.2 GHz，采用的方法為多邊定位法和三角定位法，定位精度可達(dá)15 cm。DecaWave研發(fā)的ScenSor系列無(wú)線(xiàn)室內(nèi)定位芯片，其中產(chǎn)品中最小的定位誤差在10 cm以?xún)?nèi)，但是由于其成本比較高，所以還未得到廣泛的應(yīng)用[38]。為了更好地優(yōu)化室內(nèi)定位服務(wù)，超寬帶技術(shù)與RFID技術(shù)的結(jié)合可用于室內(nèi)精確定位。

2.3 融合定位技術(shù)

不同傳感器進(jìn)行位置信息融合，稱(chēng)為融合定位。融合多種定位技術(shù)進(jìn)行室內(nèi)定位是目前研究的熱點(diǎn)。武漢大學(xué)的陳銳志教授把融合定位方法分為緊耦合和松耦合[22]，北京郵電大學(xué)的鄧中亮教授提出室內(nèi)融合WiFi、藍(lán)牙、慣性、視覺(jué)等多種手段創(chuàng)建多元緊耦合定位模型，同時(shí)結(jié)合室外的GNSS實(shí)現(xiàn)大型建筑物內(nèi)外人的“米”級(jí)無(wú)縫定位[33]。把多種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)結(jié)合以達(dá)到更高的精度從而提高定位的魯棒性，是融合定位的一大優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)有的室內(nèi)定位融合研究方案有多種。文獻(xiàn)[39]提出結(jié)合WiFi、磁場(chǎng)強(qiáng)度和蜂窩信號(hào)來(lái)構(gòu)建混合定位系統(tǒng)。文獻(xiàn)[40]中WiFi測(cè)量結(jié)合PDR來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[41]使用藍(lán)牙RSSI測(cè)量和智能手機(jī)上的加速度計(jì)和氣壓計(jì)進(jìn)行融合室內(nèi)三維定位。文獻(xiàn)[42]實(shí)現(xiàn)了地磁場(chǎng)定位和慣性傳感器結(jié)合的方案，提供不需要基礎(chǔ)設(shè)施的可靠的定位方法。文獻(xiàn)[43]提出只根據(jù)自身攜帶的慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit，IMU)、氣壓計(jì)、超聲波、攝像頭，采用開(kāi)發(fā)粒子濾波的方法而不需要基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行融合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度可達(dá)到3 m。這些都可以說(shuō)明不論是穩(wěn)定性還是精度方面，融合后的定位系統(tǒng)均優(yōu)于單一的定位系統(tǒng)。

2.4 其他定位技術(shù)

地磁定位技術(shù)確定室內(nèi)位置是利用室內(nèi)環(huán)境中不同點(diǎn)位地磁場(chǎng)強(qiáng)度不同的特點(diǎn)，與WiFi指紋方法相似。芬蘭奧盧大學(xué)的IndoorAtlas是應(yīng)用地磁定位技術(shù)的代表系統(tǒng)，精度可達(dá)到0.1～2 m[17]。NFC技術(shù)是通過(guò)距離接近的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的，通過(guò)布設(shè)感應(yīng)標(biāo)簽，得知感應(yīng)標(biāo)簽的位置從而確定移動(dòng)設(shè)備的位置，優(yōu)勢(shì)在于簡(jiǎn)單快速，劣勢(shì)在于無(wú)法感知行人在各個(gè)標(biāo)簽之間的狀態(tài)，要實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋必須跟運(yùn)動(dòng)傳感器融合[22]。LED可見(jiàn)光通信采用的主要技術(shù)有相機(jī)技術(shù)、圖像捕獲技術(shù)、移動(dòng)終端等。基于終端的LED光定位技術(shù)是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，主要有光網(wǎng)技術(shù)以及多模式融合技術(shù)。Bytelight定位系統(tǒng)就是基于對(duì)光源調(diào)制特定光信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位的，可達(dá)米級(jí)的定位精度[44]，Ubeacon系統(tǒng)也是采用LED定位研發(fā)的。多用戶(hù)協(xié)同定位指用戶(hù)之間通過(guò)接受信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行互相測(cè)量，從而獲取相互距離，可以把信息利用得更充分，穩(wěn)定性更好[42]。

2.5 室內(nèi)定位技術(shù)精度對(duì)比分析

室內(nèi)定位技術(shù)精度對(duì)比分析如表2所示。

表2 室內(nèi)定位技術(shù)對(duì)比

3 應(yīng)用進(jìn)展

室內(nèi)導(dǎo)航與定位技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)、國(guó)防和人類(lèi)的日常生活中，隨著對(duì)其進(jìn)一步的深入研究和應(yīng)用拓展，其應(yīng)用將滲透到人類(lèi)社會(huì)與生活的方方面面。

1)在企業(yè)管理中的應(yīng)用

各種類(lèi)型的廠礦企業(yè)，其內(nèi)部均包含龐大的設(shè)施以及復(fù)雜的室內(nèi)空間，需要對(duì)人員安全、設(shè)施安全、移動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡、產(chǎn)品制造安全等方面進(jìn)行嚴(yán)格的管理與監(jiān)控。首先采用基于鄰近探測(cè)法自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)員工的上下班時(shí)間進(jìn)行記錄，然后通過(guò)ZigBee傳感器技術(shù)，在室內(nèi)環(huán)境中布置參考節(jié)點(diǎn)，接受參考節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)獲取員工自身位置從而記錄員工所在位置的變化，同時(shí)REID人員定位系統(tǒng)結(jié)合門(mén)禁系統(tǒng)，可以有效管理不同權(quán)限人員進(jìn)出相應(yīng)的區(qū)域[45]，這對(duì)于員工內(nèi)部的管理是相當(dāng)重要的。同時(shí)可對(duì)所有設(shè)備安裝RFID電子標(biāo)簽，通過(guò)識(shí)別器對(duì)物品進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的安全管理。

2)對(duì)特殊人群的監(jiān)護(hù)服務(wù)

室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)可對(duì)幼兒、病人和犯人等提供有效的定位監(jiān)護(hù)。在幼兒園中設(shè)立電子圍欄，實(shí)時(shí)把數(shù)據(jù)以消費(fèi)推送的方式發(fā)送給家長(zhǎng)，這樣家長(zhǎng)可以通過(guò)智能手機(jī)移動(dòng)終端APP了解孩子的行程軌跡從而知曉孩子的安全狀態(tài)。在醫(yī)院中，室內(nèi)定位服務(wù)通過(guò)配置連入網(wǎng)絡(luò)的WiFi有源標(biāo)簽可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)醫(yī)院貴重設(shè)備，查詢(xún)?cè)O(shè)備類(lèi)型、數(shù)量、狀態(tài)；同時(shí)讓一些特殊病人攜帶指標(biāo)監(jiān)視器，如果病人發(fā)生突發(fā)狀況，醫(yī)生能夠第一時(shí)間知道其位置，有效開(kāi)展救援。在監(jiān)獄中需要知道犯人是否在其應(yīng)該在的活動(dòng)區(qū)域，室內(nèi)定位服務(wù)可為監(jiān)獄管理人員提供犯人的行為軌跡。

3)在應(yīng)急安全救援中的應(yīng)用

當(dāng)發(fā)生一些無(wú)法控制的緊急事件時(shí)，消防人員在煙霧彌漫且復(fù)雜的室內(nèi)很難準(zhǔn)確開(kāi)展救援，此時(shí)室內(nèi)導(dǎo)航定位的作用就會(huì)凸顯出來(lái)：由于基于射頻信號(hào)的技術(shù)癱瘓，大多數(shù)情況可應(yīng)用慣性導(dǎo)航技術(shù)來(lái)確定人員位置；一般消防員身上攜帶有傳感器，以便觀察消防人員的位置、身體狀況，及時(shí)對(duì)消防員實(shí)施路線(xiàn)指令，可以更好地開(kāi)展救援，保障人員安全。文獻(xiàn)[46]分析了在應(yīng)急逃生導(dǎo)航路徑規(guī)劃方面的常用算法，然后提出了基于優(yōu)化模型的路徑規(guī)劃算法，并驗(yàn)證了其優(yōu)越性。

4)在大型室內(nèi)旅游景點(diǎn)的應(yīng)用

在博物館、畫(huà)展、圖書(shū)館這些人群密集的場(chǎng)所，可以在人們常駐足的地方布置RFID有源標(biāo)簽等設(shè)備[47]，當(dāng)游客攜帶導(dǎo)游設(shè)備走進(jìn)該點(diǎn)時(shí)，通過(guò)識(shí)別RFID標(biāo)簽可對(duì)不同游客的游覽路線(xiàn)進(jìn)行分析得到不同的解說(shuō)信息，并且根據(jù)停留時(shí)間感知游客感興趣的畫(huà)作，并向其推薦更詳細(xì)的內(nèi)容，同時(shí)也可以進(jìn)行導(dǎo)航服務(wù)，讓游客獲得更好的游覽體驗(yàn)。也可以采用無(wú)源定位導(dǎo)航技術(shù)方案，如文獻(xiàn)[48]提出的QR-Code方案，用戶(hù)直接可以通過(guò)手機(jī)掃碼功能掃描附近的QR-Code來(lái)獲得游覽路線(xiàn)，從而全面提高導(dǎo)覽服務(wù)水平。

5)在智慧養(yǎng)老服務(wù)中的應(yīng)用

通過(guò)智慧養(yǎng)老云中心將服務(wù)需求方與提供方連接起來(lái)，通過(guò)安裝在老人身上的指標(biāo)監(jiān)視器，可以及時(shí)了解身體的各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)時(shí)將生理指標(biāo)參數(shù)傳到養(yǎng)老服務(wù)中心的電腦上，通過(guò)給老人配置智能手機(jī)、智能腕表、定位傳感器等，來(lái)實(shí)現(xiàn)定位以及緊急救助。當(dāng)老人離家外出時(shí)，發(fā)送實(shí)時(shí)的位置信息給照顧者，減少老年人走丟的概率，方便家人和社區(qū)服務(wù)人員對(duì)老人的照顧。

6)在物品管理和運(yùn)輸中的應(yīng)用

生活中對(duì)物品也可以進(jìn)行定位服務(wù)，在大型倉(cāng)庫(kù)中，對(duì)物品的分類(lèi)及尋找極其重要，可以在不同種類(lèi)的物品上安置傳感器，并且實(shí)時(shí)更新這些數(shù)據(jù)，這樣分揀員根據(jù)手持終端可以快捷方便地找到物品，提高工作效率。文獻(xiàn)[49]用PDC算法，加入物品自動(dòng)分揀功能，完成RFID倉(cāng)庫(kù)物流管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。所以從物品的整理到運(yùn)輸以及后續(xù)的防盜問(wèn)題，室內(nèi)導(dǎo)航與定位服務(wù)都可發(fā)揮非常重要的作用。

4 面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

4.1 室內(nèi)導(dǎo)航定位面臨的挑戰(zhàn)

室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)的研究與應(yīng)用雖然迅猛，但仍面臨很多挑戰(zhàn)。

1)動(dòng)態(tài)性太強(qiáng)

室內(nèi)環(huán)境容易發(fā)生變化，比如因?yàn)橹匦卵b修導(dǎo)致商場(chǎng)里整個(gè)格局會(huì)發(fā)生變化，或者是簡(jiǎn)單的一些桌子的移動(dòng)都會(huì)影響室內(nèi)定位的精度。如何能讓其對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力增強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息庫(kù)的自動(dòng)更新，是室內(nèi)定位的挑戰(zhàn)和難點(diǎn)。

2)成本和復(fù)雜性較高

一些技術(shù)必須要有配套的基礎(chǔ)設(shè)備來(lái)提供技術(shù)支撐，還要匹配定位終端設(shè)備才能發(fā)揮作用，同時(shí)前期需要采集數(shù)據(jù)庫(kù)作為支撐，需要大量的人力和物資以及后期的維護(hù)，這限制了室內(nèi)定位技術(shù)的推廣和普及。

3)可擴(kuò)展性不高

有很多的室內(nèi)定位處理方案是針對(duì)特定的環(huán)境提出的針對(duì)性方案，所以可擴(kuò)展性比較低，不能很好地應(yīng)用于其他的環(huán)境中[32]。

4)用戶(hù)終端供電能力有限

對(duì)于使用電池的移動(dòng)設(shè)備來(lái)講，室內(nèi)定位所產(chǎn)生的功耗對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)影響很大，智能手機(jī)雖說(shuō)性能越來(lái)越高，不過(guò)還要滿(mǎn)足其他的一些主流功能，所以定位功能只占據(jù)小部分，如果開(kāi)啟定位功能而使設(shè)備電池消耗過(guò)快，那么用戶(hù)可能就不會(huì)開(kāi)啟，這樣就限制了用戶(hù)的使用。

4.2 室內(nèi)導(dǎo)航定位發(fā)展趨勢(shì)

室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展日新月異，但仍存在很多難題急需解決，未來(lái)仍有很多理論與技術(shù)方法需要深入研究和探討。

1)尋找新的多技術(shù)融合方案以及信息融合算法的優(yōu)化

開(kāi)發(fā)低成本、可靠的室內(nèi)定位系統(tǒng)的一個(gè)新興解決方案是使用混合系統(tǒng)，多個(gè)傳感器和多個(gè)技術(shù)集成可以?xún)?yōu)勢(shì)并存，從而彌補(bǔ)單個(gè)技術(shù)比較單一的缺點(diǎn)，通過(guò)集成技術(shù)提供更可靠和更準(zhǔn)確的位置[35]。目前已有一些定位源的融合，平均精度達(dá)到2～5 m。但是要想實(shí)現(xiàn)高精度、低成本、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和廣域覆蓋的室內(nèi)定位技術(shù)，仍然需要尋求新的完整解決方案[22]。為確保它的可靠性和穩(wěn)定性，還需要權(quán)威性的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)促進(jìn)室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。

2)低功耗優(yōu)化

通過(guò)對(duì)技術(shù)的低功耗優(yōu)化，可以避免產(chǎn)生額外功耗，節(jié)省時(shí)間、提高效率。蘋(píng)果公司采用的iBeacon，因其低功耗藍(lán)牙技術(shù)而受到廣大關(guān)注，可避免用戶(hù)開(kāi)啟定位功能而產(chǎn)生額外的高功耗，從而用戶(hù)隨時(shí)隨地都能享受定位服務(wù)。通過(guò)分出特定的處理器來(lái)處理分析室內(nèi)定位運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，降低使用其應(yīng)用處理器，達(dá)到降低功耗的目的[32]；預(yù)計(jì)未來(lái)低功耗藍(lán)牙室內(nèi)技術(shù)將獲得更加廣泛的應(yīng)用。

3)尋找新的定位源和定位方法

依靠傳統(tǒng)定位源的定位只能達(dá)到2～5 m的精度，所以未來(lái)尋求新的定位源來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度定位，探索新的基于視覺(jué)、音頻信號(hào)和射頻信號(hào)的技術(shù)來(lái)進(jìn)行研究是實(shí)現(xiàn)更高精度定位的方向[22]。在算法上可以把其他領(lǐng)域的一些成熟算法引入進(jìn)來(lái)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等，可以增強(qiáng)室內(nèi)定位的精度和穩(wěn)定性[47]。

4)重點(diǎn)突破5G網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位

全球5G時(shí)代即將來(lái)臨，我國(guó)在推進(jìn)5G方面也屬于領(lǐng)跑地位，5G的發(fā)展為室內(nèi)定位技術(shù)的研究提供更好的技術(shù)支撐。未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)會(huì)大大提高移動(dòng)終端的通信帶寬，具備多天線(xiàn)、密集組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，可為實(shí)現(xiàn)1 m以?xún)?nèi)精度提供技術(shù)支撐[31]，為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫定位提供支持。

5)注重室內(nèi)定位數(shù)據(jù)安全與隱私問(wèn)題

關(guān)于WiFi中的個(gè)人隱私問(wèn)題引起了很多人的重視，如何能保證在不侵犯用戶(hù)隱私的情況下對(duì)終端周?chē)腤iFi熱點(diǎn)進(jìn)行采集是目前急需解決的問(wèn)題，同時(shí)在人工智能和大數(shù)據(jù)下，人們通過(guò)智能設(shè)備得到的位置信息是否會(huì)被泄露，定位服務(wù)的安全性是否可以得到保障，是未來(lái)的重要研究方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)的研究日益得到關(guān)注和重視，其應(yīng)用逐漸得到普及，未來(lái)智能城市的建設(shè)等都將離不開(kāi)室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)，未來(lái)發(fā)展精度性高、成本低、普適性的室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)以及實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫導(dǎo)航定位始終是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。本文從室內(nèi)導(dǎo)航定位方法出發(fā)，對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和難點(diǎn)進(jìn)行了分析與探討，結(jié)合自己的研究與思考，給出了室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)與方法的研究趨勢(shì)。