高精度室內定位算法與技術綜述

劉挺，杜小甫，黃昆達，黎江楓

（廈門大學嘉庚學院信息科學與技術學院，福建漳州，363105）

0 引言

在日常生活中，以位置為基礎的服務（Location-based services，LBS）已經(jīng)和人類的生活息息相關。可靠的LBS服務離不開準確的位置信息。當前，依賴全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）的室外定位技術[1]已經(jīng)趨于成熟，甚至在于特定需求下可以達到亞米級的精度。但是看似相似的室內定位技術實際卻是截然不同，室內定位技術受環(huán)境影響較大，室外環(huán)境下障礙物較少，一般情況下二維定位即可滿足需求。而室內環(huán)境復雜，各種家具、樓房等等都會對定位產(chǎn)生影響，并且室內定位的精度需求遠遠高于室外，往往需要“厘米級”精度[2]才能滿足用戶需求，因此利用GNSS 提供位置服務的方案不太合適。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在實際生活中，人類在室內度過的時間平均可以達到70% - 90%，對于LBS 的需求更迫切，GNSS服務無法滿足用戶需求的情況下，需求精準室內位置信息已經(jīng)成為室內LBS 服務發(fā)展的紅線。同時，隨著幾種主流室內定位技術,包括有Wi-Fi、藍牙、超寬帶、蜂窩移動網(wǎng)絡的發(fā)展，已經(jīng)能更為精確地實現(xiàn)信號的傳遞與檢測。

1 應用前景

隨著定位技術的發(fā)展，基于位置的服務越來越受到人們的關注。目前，LBS已經(jīng)滲透到人們日常生活的方方面面，關于室內定位的需求價值早已遠遠超出早期學者的預期，精確、實時的位置信息打破了虛擬空間的數(shù)據(jù)信息與真實世界物理對象的壁壘，掀起零售、制造、物流、急救、大型公共場所導航等行業(yè)的革命，真正意義上推動萬物互聯(lián)的進程。[3]

在商場、停車場、機場、火車站、醫(yī)院等大型公共場所中，LBS是不可或缺的。比如，在人們外出旅游時，LBS可以給人們帶來方便，便于人們查詢景點、餐廳、酒店賓館等信息；當發(fā)生事故時，LBS可以更加準確地提供具體信息。同時，在信息時代的背景下，隨著人工智能、機器人技術的發(fā)展，一些新型行業(yè)的興起，比如無人醫(yī)療護理、智能制造、智能物流等行業(yè)也更加需要LBS提供技術支撐。

目前，我國室內定位具有龐大的市場環(huán)境。機場、動車站、商場、醫(yī)院等大型場所是人流相對密集的場所，這就需要更加準確、高效的人流監(jiān)控和分析手段，滿足不同場所的市場需求；在工廠、碼頭、物流中樞等大型倉庫管理中，LBS在智能倉庫管理、生產(chǎn)過程追蹤、智能搬運等過程具有廣泛應用價值。

2 室內定位信道模型

不同的高精度室內定位技術，基礎大多數(shù)基于四種信道模型。分別是基于接收信號強度模型（Received Signal Strength, RSS）、基于信號入射角度模型（Angle of arrival，AOA）、基于信號到達時間差模型（Time Difference of Arrival，TDOA）和基于信號到達時間模型（Time of Arrival，TOA）[4]。這幾種信道模型給室內定位領域發(fā)展提供理論模型支撐。

2.1 基于RSS的信道模型

基于RSS的信道模型是通過理論或者經(jīng)驗模型計算信號的傳播損耗，并轉化為距離。隨著通信距離的增加，信號在傳播過程中強度會發(fā)生衰落。由于在真實環(huán)境中，信號會受到反射、散射、遮掩現(xiàn)象等環(huán)境干擾，難以采用準確地數(shù)學模型對其進行分析，通常采用Shadowing理論模型[5,6]：

在公式(1)中，P表示距離發(fā)射機為d時接收端接收到的信號強度RSSI值，P0表示距離發(fā)射機為 d0時接收端接收到的信號功率；d0為參考距離；n為路徑損耗指數(shù)，通常由實際測量得到，障礙物越多，n值就越大，即接收到的平均能量下降的速度會隨著距離的增加而變得越來越快。ε是一均值為0、方差為δ的高斯隨機變量，此變量反映了在距離一定時，接收端接收到的能量的變化。基于RSS的信道模型在短距離內有良好的相關特性[7]。但是，如果節(jié)點的距離不斷增大，接收到的信號強度的變化率會越來越小，因此該方法適用于短距離測距。

2.2 基于TOA的信道模型

基于TOA的信道模型[8]主要測量信號在基站和移動臺之間的單程傳播時間或者來回傳播時間。在TOA模型研究中，常采用以下模型：d=ct+v,其中d為基站與移動終端之間的距離，c是波速，t是信號的傳播時間，v是誤差(高斯噪聲)。在實際的室內測量中，信號在傳播過程中會受到多徑和非視距問題的干擾，可以將模型改良為：d=ct+v+b，其中b是在非視距情況下造成的誤差。

2.3 基于AOA的信道模型

基于AOA[9]的信道模型是測量基站信號到移動臺的角度或移動臺信號到基站的角度去估計移動臺的具體位置。在AOA測量中，只需兩個基站就可以確定移動臺的位置。在測量時，每個基站到移動臺會產(chǎn)生一條方向線，通過兩條方向線便可確定移動臺的位置。

2.4 基于TDOA的信道模型

基于TDOA[10]的信道模型是通過測量移動終端到不同發(fā)送端的時間差，推算出不同終端之間的距離進行定位。基于TDOA的信道模型是對TOA信道模型的改進，由于TDOA模型不需要測量信號的傳輸時間，因為不需要對不同終端進行同步測量，因此TDOA測量模型不需要滿足同步性。在TDOA信道模型中，實驗的測量至少需要三個基站，并且這三個基站的坐標位置是已知的，這樣才能通過測量不同基站的信號傳輸時間差來推算基站的位置，進而進行定位。

2.5 其他定位算法模型

除了上述常見信道模型外，還有一些定位算法不依賴于固定的幾個信號，或者不利用信號與位置的函數(shù)來進行定位，例如傳播模型法、近似法、位置指紋法等。如表1所示，列出了目前主流的各種定位模型的特點對比。

表1 當前常用室內定位模型特點對比

3 室內定位信標技術

室內定位技術多種多樣，根據(jù)所使用的信標種類，可以劃分為Wi-Fi室內定位技術、RFID室內定位技術、藍牙室內定位技術、超寬帶室內定位技術、紅外線室內定位技術等。本文主要介紹前三種。如表2所示為當前常用室內定位技術特點對比。

表2 當前常用室內定位技術特點對比

3.1 Wi-Fi室內定位技術

Wi-Fi室內定位技術是目前相對成熟的并且應用相對廣泛的定位技術。Wi-Fi室內定位技術的工作原理是以無線網(wǎng)絡為傳輸媒介，由Wi-Fi標簽或手機、電腦等移動終端向接收節(jié)點發(fā)出信號，接收節(jié)點收到信號后，會根據(jù)相應的定位算法，確定設備或人員的具體位置，并通過地圖顯示。

Wi-Fi室內定位技術已經(jīng)相對成熟，不僅方便組網(wǎng)部署，而且可以實現(xiàn)大范圍定位、成本較低，目前廣泛應用在醫(yī)院、工廠、商場等大型場所。但是Wi-Fi室內定位技術容易受到周圍環(huán)境的影響，容易產(chǎn)生定位漂移，在日常使用中會經(jīng)常出現(xiàn)定位精度不準確、甚至嚴重偏離定位點的現(xiàn)象[11]。

3.2 RFID室內定位技術

RFID室內定位技術的工作原理是通過閱讀器讀寫目標RFID標簽的信息，采取近鄰法、多邊定位法等方法確定標簽的位置[12]。RDID定位系統(tǒng)主要有主動式和被動式兩種，其終端系統(tǒng)如下圖3所示。主動式在射頻信號上具有較高要求，通常需要大量射頻天線，保證射頻信號可以覆蓋整個定位區(qū)域；而被動式定位系統(tǒng)在部署成本上具有更好的優(yōu)勢，通過PC端的射頻天線就可以發(fā)射大量射頻信號。

RFID技術的作用距離小，不適合長距離的定位，一般在幾十米范圍內。但是RFID技術的成本低，定位精度相對準確，可以在幾毫秒的時間內獲取到厘米級RFID標簽定位精度的信息，在室內定位領域具有應用前景。如圖1所示，是基于RFID的是被定為系統(tǒng)結構圖。

圖1 RFID室內定位系統(tǒng)結構

3.3 藍牙室內定位技術

藍牙室內定位技術是通過測量信號強度進行定位，是基于RSSI定位原理[13]。藍牙定位系統(tǒng)主要由發(fā)射節(jié)點和接收處理中心構成。通過信標提供參考位置和信號強度，接收端獲取信號強度并進行一系列濾波處理后，最后由處理中心進行定位解算。

藍牙技術具有低功耗、低成本、部署簡單、安全性高的特點，在小范圍場所應用廣泛，目前大多數(shù)移動終端設備都普遍具備藍牙通信模塊。但是藍牙定位技術極容易收到外界的干擾，信號不穩(wěn)定現(xiàn)象常見，定位精度不準確問題是未來藍牙定位技術的突破點。

4 結論

各種室內定位模型、室內定位技術都有各自的特點，也各自存在著優(yōu)勢和劣勢。目前，國內外在有關室內定位上做了大量的研究，但是依然沒有一個相對成熟、可行的方案。單信標的定位在一定程度上都有各自的局限性，比如Zigbee技術雖然有很強的穿透性，但是抗干擾能力一般，容易受到多徑效應和移動的影響，在精確度表現(xiàn)一般，而且部署復雜，定位成本較高。超寬帶技術作為一種新技術，具有GHz量級的帶寬，具有很高的精確度，并且穿透能力強，抗多徑效果好，抗干擾能力強，可用于室內精準定位，但是在部署上卻十分困難，成本較高[14]。因此，采取基于多信標的融合定位技術具有重要現(xiàn)實意義。在未來的室內定位研究領域，將著重于探究綜合各種單信標定位技術的優(yōu)缺點，取長補短，提高定位的精度，降低模型的復雜度，研究出一具有普遍應用價值的多信標融合室內定位方法。