室內定位技術研究綜述

曹子騰，郭 陽，趙正旭，劉曼云

(1.石家莊鐵道大學 復雜網絡與可視化研究所，河北 石家莊 050000；2.青島理工大學，山東 青島 266520)

0 引 言

現如今，隨著科技日益進步，電子產品越來越普及，功能也越來越強大，人們對位置信息的需求越來越大，不僅在人們的日常生活方面需要位置的信息，在工業、商業和服務業都對位置的信息有著很大的需求。

定位，就是確定某人或物體的位置。定位技術根據環境不同又可以分為室外環境下的定位技術和室內環境下的定位技術，這兩種技術之間看似相似卻大相徑庭[1]。首先是環境的不同，室外環境相對空曠，障礙物較少，而室內環境障礙物多，例如墻壁、家具等；其次是維數不同，室外環境下，一般實現二維定位即可，而在室內環境下因為樓房和地下建筑較多，二維定位已經遠遠不能滿足需求；再有對定位精度的要求也不同，室外定位實現“米級”已經可以滿足絕大部分普通用戶的需求，甚至“十米級”也已足矣，但是在室內環境中的定位對精度要求更高甚至要達到“厘米級”才能滿足用戶的需要。

目前，基于位置服務的各種研究層出不窮，最早人們研究的主要是基于室外的定位技術。現今室外定位技術已經成熟，例如：美國全球衛星導航系統GPS、俄羅斯的“格洛納斯”、歐盟的“伽利略”以及中國北斗衛星導航系統[2]。這些定位技術已經足以滿足大多數室外環境下的定位，但是由于在室內條件下，障礙物多、環境復雜甚至多維，使得這些室外定位技術一旦應用到室內環境條件下，使用的精度會出現很大程度的降低，所以這些技術無法直接應用到室內。比如說基于GPS的定位系統在室內因為衛星和GPS接收器之間很難通信，所以很難實現定位[3]。那么，如何實現在復雜的室內環境下獲得位置信息，已經成為現今的研究熱點，針對不同的局限性需要采取不同的解決方案[4]。

1 室內定位技術

現如今存在的室內定位技術主要有紅外線定位技術、超聲波定位技術、藍牙定位技術、WiFi定位技術、超帶寬定位技術、射頻識別定位技術以及地磁定位技術。其中依賴輔助設備的定位技術有紅外線定位技術、超聲波定位技術、藍牙定位技術、WiFi定位技術、超帶寬定位技術、射頻識別定位技術。基于輔助設備的室內定位技術的原理主要是通過在室內部署設備進行測距，再由后臺進行定位計算,結構如圖1所示。

圖1 基于輔助設備的室內定位原理

1.1 紅外線定位技術

波長與頻率之間的關系為：波長與頻率成反比，頻率高則能量大，能量越大則穿透性越強。紅外線的波長介于微波和可見光之間，且紅外線折射較少，傳播距離較長，紅外線定位技術正是受此啟發采用了紅外線的特點，在被定位的設備上安裝可以發射紅外線的儀器，再在室內安裝接收紅外線信號的傳感器，通過計算紅外線發射設備發出紅外線信號到紅外線接收設備接收信號的時間，再根據紅外線在空氣中的傳播速度，以此可測定標簽距固定位置的紅外線接收設備的距離，計算出紅外線發射設備與接收設備之間的距離后，再通過后臺定位算法計算位置坐標。

紅外線定位技術定位精度相對較高，環境部署也相對簡單，但是因為紅外線波長長、頻率低、能量小，所以穿透能力差，無法穿透室內的墻壁等建筑物，并且容易被室內的其他燈光干擾，所以使用此方法定位具有局限性。

1.2 超聲波定位技術

超聲波是一種聲波，人耳能接收的聲波頻率在20赫茲到2 000赫茲之間，超聲波頻率很高，已經超出了人耳所能聽到的范圍，因為頻率高，所以能量大、穿透能力很強。超聲波定位，與紅外線定位技術原理類似，通過在室內布置超聲波接收設備作為參考點。超聲波發射器發射超聲波后，由參考點接收并做出回應，根據此過程中參考設備接收到的超聲波的時間，以及超聲波的傳輸速度，可以計算出參考節點之間的距離，然后再根據一些計算位置信息的算法計算出待測節點的位置，例如三邊定位算法。

超聲波定位的優點是定位精度相對較高，但是超聲波在空氣中傳輸時會出現較大的衰減，所以傳輸的范圍有限，會影響定位精度，并且超聲波定位技術需要的設備成本高[5]，不能做到普遍適用。

1.3 藍牙定位技術

藍牙是一種無線技術標準，可以實現較短距離的信息或數據交換，例如短距離的固定設備或者移動設備之間等。藍牙定位技術現如今也是一種較為流行的定位技術，此技術需要通過在室內鋪設三個以上beacon基站[6]，當具備藍牙功能的移動設備進入室內環境后，可以接收到來自beacon基站發送的廣播報文，根據此報文測量出接收功率，通過功率衰減與距離的函數公式計算出移動設備與beacon基站之間的距離，再通過某些算法，例如三邊定位算法，計算出移動設備的位置。

藍牙定位技術現在的使用較為廣泛，因為現如今的終端設備如手機平板等都具備藍牙的功能。但是藍牙定位的使用也具有局限性。例如，室內的其他信號可能會對藍牙信號產生干擾，并且其定位的范圍相對較小等。

1.4 WiFi室內定位

有關室內定位技術的一些研究考慮的問題不能只考慮精度問題，還應該考慮成本問題，大部分現如今存在的定位技術或多或少都需要較為昂貴的成本，但是后來有人提出室內的無線信號WiFi是否能用來進行定位。現今WiFi廣泛使用在各種大小建筑內，所以越來越多的個人或企業開始著手于對WiFi室內定位的研究，例如百度、谷歌等知名企業。于是，越來越多的以無線網絡為基礎的室內定位方案被提出[7]。例如其中一種WiFi定位的工作原理大致概括如下：在室內布置至少三個固定的AP信號在便于安裝的位置，后臺系統或者管理員清楚地了解這些AP信號的具體位置，并且對硬件的要求是移動設備必須能夠連接WiFi，通過測量移動設備的接收信號強度值[8](received signal strength indication，RSSI)，根據RSSI值與其傳播速度或者方向等信息，再由后臺通過一些定位方法計算移動終端的位置。定位的方法常用的主要有兩種，一種是傳統的基于測距的定位方法，例如三邊定位方法，另一種是非測距的位置指紋定位方法[9]。

WiFi室內定位技術的精度較高，并且成本較小，環境搭建起來也相對較為簡單，但是由于WiFi信號的帶寬小，室內復雜的信號傳播環境使得基于測距的方法實現起來會有較大誤差，所以大多采用指紋定位方法，具體的指紋定位算法在下文中的室內定位方法中會有詳細介紹。

1.5 超帶寬定位

超寬帶(ultra wide band，UWB)技術是一種新型的無線通信技術。因為它的帶寬很大，所以解決了普通的無線技術在傳播過程中信號會產生衰減影響定位精度的難題。因為它對信道衰落不敏感等優點，所以可以做室內范圍內近距離精確的定位。超帶寬室內定位技術在現如今因其優勢被廣泛使用。超寬帶定位技術的定位原理是在室內環境下部署一些可以接收超帶寬脈沖信號的基站，通過待定位人員或物體攜帶可以發送超帶寬脈沖信號的設備，當其發送位置數據的時候由基站進行接收，通過到達各個基站的時間差利用定位算法計算出位置，一般采用基于到達時間或到達時間差的算法[10]。

超帶寬定位技術的定位精度相對較高，但是無法在大范圍的室內環境下實現全覆蓋從而影響定位，并且硬件建設成本高，不能做到普遍適用。

1.6 射頻識別定位技術

射頻識別定位(radio frequency identification，RFID)[11]通過在室內環境部署讀寫器設備和RFID標簽，通過射頻信號實現數據的通信，以此來交換數據信息進行定位。其定位原理與GPS類似，RFID標簽在接收多個分布在室內的讀寫器信號后計算出信號強度值，再根據信號強度值反推其坐標。

射頻識別定位技術的優點是定位時間短、精度高，但是其作用距離短是一個很大的使用局限。

1.7 地磁定位技術

地球上的南北極之間形成一個基本的磁場，但是這些磁場會受到鋼性材料的影響，室內環境中有各種鋼筋等建筑材料，可以認為室內的每個位置的磁場都是不同的，所以就可以根據這些特有的屬性進行定位，定位方法一般采用基于指紋的定位方法。

地磁定位的優點是不需要依賴額外的硬件設備，成本低。缺點是需要大量的數據采集工作[12]，而且室內環境中的一個鋼鐵制品可能就會影響磁場的分布，所以信號很容易受到干擾。

1.8 其他室內定位技術

除了上述介紹的幾種常見的室內定位技術以外，還有其他幾種室內定位技術，例如ZigBee定位技術、視覺定位技術等。

2 室內定位方法

現有的室內定位方法有很多種，主要可以分為以下幾類，最近鄰法、質心法、極點法、多邊定位法(例如三邊定位法)、位置指紋法、場景分析法、航位推算法[13]。在以上介紹室內定位技術時提到兩種方法：三邊定位法和位置指紋定位方法，這兩種定位方法也是現如今WiFi定位技術中較常用的兩種定位方法。

2.1 三邊定位方法

三邊定位方法主要使用在有輔助測量設備的定位技術中，例如超聲波定位技術、藍牙定位技術、WiFi定位技術等。其主要原理如下：已知三個輔助設備的位置坐標，以這三個位置為圓心，以待定位標簽與輔助設備的距離為半徑，分別作圓。理論上，所做出的三個圓的交點即為待定位標簽的坐標。如圖2所示：三個輔助節點分別為AP1、AP2、AP3，待定位標簽的位置設為P，AP1、AP2、AP3的坐標位置已知，并且AP1、AP2、AP3到P的距離d1、d2、d3可以測量出來，測量方法是先測量出RSSI值，再通過RSSI值與距離的轉化公式求得。于是，可得方程如下：

圖2 三邊定位(a)

根據方程可得出待測目標的位置。但是以上方法將數據理想化，現實中三個圓可能并不能交于一點，一般會交于一個區域，求此區域方程如下：

待定位標簽就存在于此區域內，也就有了定位的誤差，如圖3所示。

圖3 三邊定位(b)

2.2 位置指紋定位方法

位置指紋定位方法的基本概念是：將室內環境分為若干塊，每一塊都有一個特定的“指紋”，該“指紋”并不是傳統意義上的指紋，而是指該位置的特征信息，例如信號強度RSSI值、方向等特征都可以作為“指紋庫”[14]的一部分。測出待定位標簽的信號強度、方向等屬性，再與“指紋庫”中的指紋進行匹配，找出最接近的一個位置指紋即為該標簽的位置。這種方法的精度與指紋庫的大小有關系，所以對場景劃分越細致，那么精度越高。該方法的精度較高且后期定位較為簡便，但是需要大量的前期工作，指紋定位方法的流程如圖4所示。

圖4 位置指紋定位方法流程

3 室內定位技術的應用

3.1 老人贍養

當今時代“空巢老人”的數量逐步增多，老人走失案件層出不窮，室內定位技術應用到老人身上，可以對家中老人位置進行實時監控，防止老人丟失。

3.2 商業應用

室內定位技術不僅應用在生活方面，在商業方面也有很大的價值，例如在大型超市或商場，怎樣使消費者快速定位所需物品或商家信息，在大型停車場內，如何使用戶快速尋找到停車位等，從而為用戶節省大量尋找的時間。

3.3 安全事件方面

在發生各類安全事件的時候，例如火災、地震等，在室內復雜的環境中，救援人員確定受困人員位置是營救受困人員的主要難點，室內定位技術的應用可以使得救援人員快速、準確地尋找到受困人員的位置從而提供救援，避免了救援人員在不知道受困人員位置時盲目尋找的情況發生，可以節省救援時間，在提高受困人員生還率的同時也能為救援人員的安全提供保障。

3.4 物品管理

有些國家級受保護文物為了防止損壞或偷竊，需要被嚴密看護，所以這些文物精確的位置信息就顯得格外重要，室內定位技術可以有效幫助監視文物位置，保障文物不被偷竊或損壞。

4 室內定位技術的難點以及發展前景

室內定位技術因其自身的局限性，使得其發展相對來說不太成熟，與成熟的室外環境下的定位技術相比主要存在以下局限：(1)室內空間環境的復雜多變；(2)室內環境中墻壁、家具等障礙物較多；(3)室內環境可能不止于二維，可能還會涉及到三維。室內定位技術具有很好的發展前景，如果可以使成熟的室內定位技術與現如今的室外定位技術例如北斗結合起來，使得室內外定位可以進行平滑銜接[15]，那么這將是位置服務發展中的重要一步。

5 結束語

室內定位技術的發展已經成為當今位置服務發展的主流趨勢，發展前景十分廣闊，對現如今存在的室內定位技術的評價主要從精度和成本考慮，現在還并沒有一種成熟的室內定位技術達到高精度的同時又需要很小的成本，對現有的常見的幾種室內定位技術的原理以及優缺點進行了總結概括，在將來是否會有一種新的定位技術將之前定位技術的優點進行融合，這是室內定位的一個發展前景。位置服務對人們的生活影響十分廣泛，所以，室內定位技術的研究也有實際意義，在將來，一種成熟的室內定位技術一旦應用到人們的生活中，將會產生很多便利條件。