非信號定位技術分析

唐小露　周鈺婷　莊浩然　胡潘　何佳星

【摘 要】在當代人們生活的環境中，位置服務越來越被人們所重視，定位技術也得到了迅速的發展。定位技術有基于信號的定位技術和非信號定位技術兩種。非信號定位技術具有定位精度高、穩定性強、所需成本低而且不易受環境因素影響等優勢，逐步成為學者研究的熱門對象。論文就非信號定位技術進行了闡述，并針對其發展趨勢及應用現狀進行了介紹。

【Abstract】In the contemporary people's living environment， location service has been paid more and more attention， and location technology has also been rapidly developed. Location technology includes signal-based location technology and non-signal location technology. Non-signal location technology has the advantages of high location accuracy， strong stability， low cost and not easily affected by environmental factors， and has gradually become a hot research object for scholars. This paper describes the non-signal location technology， and introduces its development trend and application status.

【關鍵詞】室內定位技術;定位算法;非信號定位

【Keywords】indoor location technology; localization algorithm; non-signal location

【中圖分類號】TN925? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）09-0154-02

1 引言

定位技術由室外定位技術和室外定位技術組成[1]。根據所接收的信號類型分為無線信號定位和非信號定位兩種。本文針對地磁場技術、慣性測量技術、超聲波技術、紅外線技術以及視覺信息技術的原理進行介紹，分析其優缺點，針對非信號定位技術在商業領域、軍事領域以及車輛定位領域的運用進行討論。

2 非信號室內定位技術

2.1 地磁場技術

地磁場是存在于地球內部的天然磁性現象，其強度和方向隨所處位置的不同而變化。室內的地磁場具有較高的穩定性，以及室內建筑物墻體內存在的金屬和室內的電氣設備會對室內的地磁場產生一定的影響，使得地磁場以一種有效信息源[2]的形式應用于室內導航定位。

2.1.1 地磁場技術的相關原理

利用智能手機和平板電腦中的三軸磁力計傳感器（也稱電子羅盤），在室內區域中可檢測到一個由X、Y、Z軸三個方向組成的三軸磁感強度值。通過所檢測到的磁感強度值，判斷待定位人員或移動端的行走方向，并以此建立一張室內磁力指紋地圖[3]。采用指紋匹配算法，將不同的磁感強度值與不同的地理位置結合起來，對待定位人員或移動位置進行定位。

2.1.2 地磁場技術的優缺點

優點：①定位精度高，可達到米級;②成本低，無需預先鋪設信號源，硬件成本較低;③穩定性好，終端比較豐富。

缺點：定位結果不穩定。磁信號易受到環境中電磁信號源的干擾，在兩個相同的建筑中，可能存在相同的地磁信號，使得地磁定位技術無法實現精確定位。

2.2 慣性測量技術

慣性測量定位技術是根據IMU測得的一系列傳感數據，并結合一定的算法進行位置估計的定位技術。該定位技術的誤差是隨著行走時間的增加而不斷地累積，使得定位精度不夠精確。一般通過與Wi-Fi指紋結合，實現對MEMS產生的誤差進行修正，以便得到待定位目標的具體位置。

2.2.1 慣性測量定位技術的相關原理

利用基于MEMS運動傳感器[4]提供的地磁方向、加速度等傳感數據，通過航位推算算法估計待測目標運動的方向和距離，從而估計出待測目標的具體位置。

2.2.2 慣性測量定位技術的優缺點

優點：①獨立作業性能好，具有高度的自主性，并不需要依賴外界信息;②成本低，慣性導航系統的設計比較簡單，且安裝便捷;③隱蔽性好，不向外界輻射能量，系統能自主地實現導航的功能，能夠避免與外界發生任何信號的聯系;④體積小、抗干擾能力極強、精度高。

缺點：具有累積誤差，造成待測目標的定位精度偏移。

2.3 超聲波技術

超聲波定位技術，以反射式測距法為主，通過在室內安裝多個超聲波揚聲器確定物體位置。

2.3.1 超聲波定位技術的相關原理

由已知位置的信標節點發射同頻率的超聲波，當待測節點接收到超聲波后又發射出返回波，在已知超聲波的傳播速度基礎上，根據發射波與回波的發射時刻的時間差計算出兩節點之間的距離，從而確定待測節點的位置。

2.3.2 超聲波定位技術的優缺點

優缺點：①定位精度高，可達30m;②抗干擾性強，結構簡單。

缺點：①易受多普勒效應和溫度的影響;②工作距離較短，普通設備一般不超過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，系統需要大量的基礎硬件設施。

2.4 紅外線技術

紅外線是一種電磁波，其波長介于可見光波和無線電波間。紅外線技術可實現數據的無線傳輸，可用于定位精度較高的特定室內定位場景。

2.4.1 紅外線技術的原理

紅外線室內定位的組成成分有定位標簽、定位服務器、固定位置的傳感器。待定位標簽有發出特定紅外線的功能，待定位發出紅外信號后，定位服務器通過紅外傳感器收集信號，采用近似法進行處理估計出用戶的位置，以達到定位的作用。

2.4.2 紅外線技術的優缺點

優點：定位精度高，10m區域內的定位精度可到達20～30cm;

缺點：①系統穩定性較低，易受直射日光和熒光燈的干擾;②穿透性差，難以應用在復雜的室內環境;③成本高，智能移動設備和接收設備都需要配置紅外線接受裝備。

2.5 視覺信息技術

采用深度傳感器，視覺定位系統可測量深度信息，并結合視覺識別系統以達到定位的目的。主要方式是依靠相機拍攝收集定位信息，屬于非協作定位。

2.5.1 視覺信息技術的相關原理

視覺信息定位技術，是利用高清攝像頭對定位周圍的環境進行分析，通過對周圍圖像的處理和分析計算得到當前的位置信息。系統利用移動設備拍攝的定位潛在區域的照片，提取相片序列中的相同信息，進行一致性信息的比對，測算出移動設備相機的位置數據。

2.5.2 視覺信息技術的優缺點

優點：①應用范圍廣，適用于現有大多數的智能移動終端;②定位精度高，定位結果穩定可靠;③定位速度快，可全天候工作。

缺點：①環境適應性較弱，由于室內場所可能存在的各種因素影響，容易使得定位失敗;②若室內場所中存在視覺特征相似的場合，則無法進行定位判斷;③先采集目標場合中所有地方的照片，當室內場所的外觀發生變化時，信息需進行重新采集，使得成本較高。

3 非信號定位技術的應用

3.1 商業應用

該技術通過把磁力計內置于智能移動手機，進而探測周圍地磁場異常情況，從而實現用戶在室內空間區域的定位。用戶通過自身所攜帶的手機設備中配置的地磁場技術，可在無藍牙信號或Wi-Fi信號連接的場所，對用戶的位置進行定位。由于地磁場定位技術需要事先采集場所數據，并建立室內磁場分布圖，這個過程所需時間與場所空間大小成正比的關系，可能耗時較長，一般用于空間區域較小的場所定位。

3.2 軍事應用

慣性導航定位技術廣泛應用于火箭、飛機、戰略遠程轟炸機、導彈、核潛艇和車輛等的定位導航和追蹤。該技術屬于自主式導航，不需要接收外界信號，利用自身測量的加速度進而推算待定位物體的位置。該技術與磁力計相結合時，待定位人員或物體所攜帶的慣性導航，隨著時間的增加所產生的累積誤差會一定程度地減小，使得定位精度更加精確。

3.3 車輛定位應用

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大面積區域內能夠接收到兩個以上的發射點信號。根據一定的算法系統計算出車輛所在位置，從而進行相應地調度和追蹤。由于超聲波傳輸距離短，將其與紅外技術相結合，進行一定優勢互補，可更方便地實現定位功能，實用性更高。

4 結語

目前，無線信號定位技術廣泛應用于日常生活的位置服務，而非信號定位技術的應用仍處在初步發展階段，有很多的技術和配置還不是很成熟和實用。隨著智能手機的普及和微機電器件的發展，基于智能手機的非信號定位導航會逐漸進入人們的視野，并成為研究的熱點。

【參考文獻】

【1】繆軒.基于MEMS慣性傳感器的跌倒檢測及其防護系統[D].南昌：南昌航空大學，2017.

【2】裴凌，劉東輝，錢久超.室內定位技術與應用綜述[J].導航定位與授時，2017，4（03）：1-10.

【3】王屹進.基于多源數據融合的室內定位算法的研究[D].南京：南京郵電大學，2016.

【4】劉軍，郭偉，黃飛，等.無線局域網中一種自適應RTS門限調整算法[J].計算機學報，2007（04）：547-554.