龔峰　宋熠

摘要：近年來，隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，人們對室內(nèi)定位的需求越來越多，各種室內(nèi)定位技術(shù)蓬勃發(fā)展起來。本文對現(xiàn)有的幾種室內(nèi)定位技術(shù)的工作原理進(jìn)行了闡述，每種技術(shù)選取了一個(gè)典型系統(tǒng)進(jìn)行研究，包括其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、定位原理、定位精度，闡述了各個(gè)定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和局限性，最后對各定位技術(shù)進(jìn)行了對比，分析了各個(gè)定位技術(shù)的應(yīng)用場景，并指出需要根據(jù)不同的使用環(huán)境選擇不同的定位技術(shù)。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；定位技術(shù)；定位方法

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2016.04.003

0 引言

隨著美國全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalOrbiting Navigation Satellite System，GLONASS）、我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite svstem，BDS）以及歐盟伽利略衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GalileoSatellite Navigation System，GALILEO）的蓬勃發(fā)展，室外定位技術(shù)已經(jīng)非常成熟，人們可以很容易地在室外進(jìn)行路線導(dǎo)航、地址定位，精度非常高。然而，上述四種定位系統(tǒng)采用的是衛(wèi)星定位技術(shù)，在室內(nèi)衛(wèi)星信號受到屋頂以及其他障礙物的遮擋，無法進(jìn)行定位，因此需要發(fā)展其他的室內(nèi)定位技術(shù)。室內(nèi)定位的應(yīng)用非常廣泛。在醫(yī)院，需要對某些特殊病人進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，以確保其安全；在商場或超市，如果能對小孩進(jìn)行定位，就不用再擔(dān)心走丟；在展覽館，對參觀者進(jìn)行定位，可以做到講解的有的放矢；在發(fā)生火災(zāi)或其他突發(fā)事件時(shí)，還可以對被困者進(jìn)行定位以實(shí)施有效救援。

本文針對目前已有的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行了研究，每種技術(shù)選取一種典型系統(tǒng)進(jìn)行分析，闡述了該系統(tǒng)的定位原理，分析了已有室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，對已有室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行了對比，提出要根據(jù)不同的使用環(huán)境選擇不同的定位技術(shù)。

1 已有室內(nèi)定位技術(shù)介紹

室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行位置定位，從而實(shí)現(xiàn)人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控。目前的室內(nèi)定位技術(shù)主要有基于紅外線的室內(nèi)定位技術(shù)、基于超聲波的室內(nèi)定位技術(shù)、基于超寬帶（Ultra-wideband，UWB）的室內(nèi)定位技術(shù)、基于射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）的室內(nèi)定位技術(shù)、基于無線局域網(wǎng)（Wireless Local AreaNetwork，WLAN）的室內(nèi)定位技術(shù)和基于藍(lán)牙的室內(nèi)定位技術(shù)。

1.1 基于紅外線的室內(nèi)定位技術(shù)

紅外線是波長介于微波和可見光之間的電磁波，具有可見光的特征，即沿直線傳播，會被障礙物遮擋。基于紅外線的室內(nèi)定位技術(shù)一般包括兩種組件：紅外線發(fā)射器和光學(xué)接收器。

典型的基于紅外線的室內(nèi)定位系統(tǒng)是Roy等人在1992年提出的Active Badge系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種特殊的標(biāo)簽，周期性地發(fā)射紅外線信號，待定位者攜帶這種標(biāo)簽，其發(fā)射的周期性的信號會被室內(nèi)布置的光學(xué)接收器傳感網(wǎng)絡(luò)接收到，傳感器將這些信息發(fā)送給中央控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就可以得到待定位者的位置信息。

該系統(tǒng)的定位精度取決于光學(xué)接收器的分布密度，在權(quán)衡成本和定位精度的要求后，該系統(tǒng)每隔6米設(shè)置—個(gè)光學(xué)接收器。但是，由于紅外線可以通過反射被傳感器捕捉到，因此該定位系統(tǒng)不能判斷待定位者的方向信息。出于對標(biāo)簽?zāi)芰抗?yīng)的考慮，系統(tǒng)每隔15秒發(fā)射一次紅外線，然而在15秒的時(shí)間內(nèi)物品的位置可以發(fā)生很大變化，做不到實(shí)時(shí)定位，因此該系統(tǒng)只適用于位置變化很緩慢的情況。另外，系統(tǒng)要求能定位在同一位置的多個(gè)待定位者，因此，設(shè)置持續(xù)時(shí)間為0.1秒的紅外線可以有效降低兩個(gè)紅外線可能發(fā)生干擾的概率。

1.2 基于WLAN的室內(nèi)定位技術(shù)

WLAN是在有線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的。在無線局域網(wǎng)中，終端設(shè)備通過電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，不再需要固定的連接方式，網(wǎng)絡(luò)非常靈活便捷。WLAN系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。智能手機(jī)、筆記本電腦等移動(dòng)終端通過電磁波與無線接入點(diǎn)進(jìn)行通信，無線接入點(diǎn)通過有線方式接入到以太網(wǎng)中，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的信息傳輸。

基于WLAN技術(shù)的典型室內(nèi)定位系統(tǒng)是微軟公司在2000年提出的RADAR系統(tǒng)。RADAR系統(tǒng)中，在特定的位置布置無線接入點(diǎn)，待定位者攜帶可以接收無線信號的設(shè)備進(jìn)行定位。由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，無線信號受到多徑、反射、障礙的干擾，其信號強(qiáng)度的傳播模型很難建立。針對這一問題，RADAR系統(tǒng)采用了基于RSSI（Received SignalStrength Indication，接收信號強(qiáng)度）的指紋定位法，即在待定位區(qū)域內(nèi)選取一系列的參考節(jié)點(diǎn)，收集待定位者在每一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)接收到的所有無線接入點(diǎn)的信號強(qiáng)度，并存儲在數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)待定位者進(jìn)入WLAN覆蓋區(qū)域時(shí)，根據(jù)其接收到的所有基站的信號強(qiáng)度，與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，就可以得到待定位者的位置。這種方法可以有效解決室內(nèi)無線信號因?yàn)槎鄰?、反射、障礙而產(chǎn)生的噪聲干擾問題。RADAR系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到2-3米。

RADAR系統(tǒng)也存在缺陷。當(dāng)待定位區(qū)域的環(huán)境改變導(dǎo)致無線信號的傳播路徑發(fā)生改變時(shí)，各參考節(jié)點(diǎn)的信號強(qiáng)度就會發(fā)生改變，只能重新進(jìn)行測量建立新的信號強(qiáng)度數(shù)據(jù)庫，定位系統(tǒng)才不會失效。

1.3 基于藍(lán)牙的室內(nèi)定位技術(shù)

藍(lán)牙是一種基于短波特高頻的無線通信技術(shù)，可以用來在短距離設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)。藍(lán)牙4.0是藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）于2010年推出的新規(guī)范，大大降低了使用藍(lán)牙進(jìn)行通信的功耗，提高了傳播速度和通信距離。

文獻(xiàn)提出了一種基于藍(lán)牙4.0技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，其基本原理如圖2所示。在室內(nèi)特定位置安裝藍(lán)牙信號發(fā)射器，每隔一定時(shí)間發(fā)射一次信號，待定位者攜帶可以接收藍(lán)牙信號的設(shè)備，當(dāng)接收器接收到不同發(fā)射器的信號后，通過接收到的信號強(qiáng)度以及相應(yīng)的算法就可以計(jì)算出待定位者的位置。系統(tǒng)的定位精度可以達(dá)到2-4米。

1.4 基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)

RFID采用電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。RFID技術(shù)主要包括兩種組件，標(biāo)簽（tag）和閱讀器（Reader）。標(biāo)簽內(nèi)存儲著一定的信息，閱讀器可以讀取標(biāo)簽內(nèi)的信息，也可以向標(biāo)簽內(nèi)寫入信息。它們是通過內(nèi)置于閱讀器中的天線發(fā)射的電磁波來進(jìn)行通信的，因此RFID技術(shù)具有非接觸、非視距的特點(diǎn)。RFID標(biāo)簽體積小、制作成本低、使用壽命長，因此在室內(nèi)定位方面得到了廣泛應(yīng)用。

最經(jīng)典的基于RFID技術(shù)的定位系統(tǒng)為LANDMARC系統(tǒng)，其原理如圖3所示。在待定位區(qū)域內(nèi)設(shè)置位置已知的閱讀器和參考標(biāo)簽，系統(tǒng)對閱讀器檢測到的待定位標(biāo)簽與參考標(biāo)簽的RSSI（Received Signal Strength Indication，接收到的信號強(qiáng)度）值進(jìn)行比較，找出與待定位標(biāo)簽位置相近的參考標(biāo)簽，賦予其不同的權(quán)重，與待定位標(biāo)簽信號強(qiáng)度越接近的參考標(biāo)簽權(quán)重越大。最后，根據(jù)近鄰參考標(biāo)簽的實(shí)際位置和權(quán)重值計(jì)算出待定位標(biāo)簽的位置。該系統(tǒng)的定位精度受到閱讀器數(shù)量、參考標(biāo)簽密度、算法中選擇的近鄰標(biāo)簽數(shù)以及室內(nèi)環(huán)境的影響，基本的定位精度在1-2 m范圍內(nèi)。

1.5 基于UWB的室內(nèi)定位技術(shù)

UWB是一種無載波通信技術(shù)，它不使用正弦信號來傳送數(shù)據(jù)，而是利用脈沖信號來傳送。它具有以下特點(diǎn)：高數(shù)據(jù)速率、功耗低、穿透力強(qiáng)、成本低。UWB可以有效減少非視距和多徑傳播所帶來的誤差。UWB定位系統(tǒng)通過附著在物體上的小型UWB標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)對物體的三維動(dòng)態(tài)定位。

Ubisense公司的UWB定位系統(tǒng)原理如圖4所示。該系統(tǒng)主要由兩部分組成，包括UWB傳感器和UWB標(biāo)簽。UWB傳感器以蜂窩方式組網(wǎng)，布置在待定位區(qū)域內(nèi)，以確保待定位區(qū)域被完全覆蓋。每個(gè)傳感器包含一個(gè)射頻信號收發(fā)器以及UWB信號接收器的相控陣。UWB標(biāo)簽由待定位者攜帶，包含一個(gè)射頻信號收發(fā)器以及一個(gè)UWB信號發(fā)射器。待定位的UWB標(biāo)簽向周圍發(fā)射UWB脈沖，UWB傳感器接收到信號以后結(jié)合TDOA（TimeDifference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差）方法和AOA（Angle of Arrival，到達(dá)角度）方法來進(jìn)行定位。利用UWB技術(shù)僅用兩個(gè)傳感器就可以實(shí)現(xiàn)對待定位標(biāo)簽的三維定位。系統(tǒng)定位精度可以達(dá)到15cm。

1.6 基于超聲波的室內(nèi)定位技術(shù)

超聲波是指頻率超過人耳可聽到的最高頻率達(dá)到20 kHz的聲波，可以在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)介質(zhì)中傳播。

最早的基于超聲波的室內(nèi)定位系統(tǒng)是由AT&T實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。該系統(tǒng)在屋頂上每平方米安裝一個(gè)超聲波接收器，這些接收器通過物理連接線形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并且與中央控制器相連。待定位者攜帶超聲波發(fā)射器，利用三角定位法，通過計(jì)算待定位者發(fā)射的超聲波到達(dá)接收器的時(shí)間來進(jìn)行定位。

由于系統(tǒng)是通過時(shí)間來進(jìn)行定位的，超聲波發(fā)射器與接收器的時(shí)間同步就至關(guān)重要。中央控制器通過無線電波控制待定位者攜帶的超聲波發(fā)射器，因此中央控制器可以同時(shí)通過有線和無線的方式分別控制超聲波接收器和發(fā)射器，從而實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。該系統(tǒng)可以識別用戶的方向信息，定位精度可達(dá)到3 cm。系統(tǒng)每20毫秒更新一次位置信息，實(shí)時(shí)性非常好。但是，由于需要數(shù)量眾多的超聲波接收器進(jìn)行有線連接，成本比較高，且不易于擴(kuò)展。

2 各種室內(nèi)定位技術(shù)的對比

每種定位技術(shù)都有其特點(diǎn)，相應(yīng)的定位系統(tǒng)的定位精度、成本及其本身的局限性都有所不同，如表1所示。

由于紅外線沿直線傳播，并且容易受到燈光干擾，一般應(yīng)用于物體運(yùn)動(dòng)線路比較固定的定位過程中。紅外線傳感器成本比較低，因此一般布局比較密集。考慮到其定位精度不高的缺點(diǎn)，常常與其他定位技術(shù)一起使用。例如，在文獻(xiàn)中提出了一種結(jié)合紅外線與超聲波技術(shù)的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，物體運(yùn)動(dòng)軌道固定，沿著其運(yùn)動(dòng)軌道布置紅外線發(fā)射器，運(yùn)動(dòng)物體攜帶紅外線接收器，當(dāng)其接收到紅外線信號時(shí)再利用超聲波進(jìn)行定位。

基于WLAN的定位技術(shù)通常利用已有的Wi-Fi設(shè)備來收集待定位物體的信息，通過定位引擎進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算量比較大，因此需要一個(gè)強(qiáng)大的定位引擎。華為等設(shè)備公司均提出了相應(yīng)的解決方案。

藍(lán)牙4.0技術(shù)大大降低了藍(lán)牙通信的功耗，解決了傳統(tǒng)藍(lán)牙定位功耗高的問題，因此得到了廣泛應(yīng)用。目前針對藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)的研究主要在減少噪聲干擾、改進(jìn)定位算法方面，以提高定位精度。

由于RFID的通信距離較短，因此適用于待定位物體與傳感器距離較近的情況。例如清華大學(xué)劉云浩團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的“人工行李分揀輔助系統(tǒng)”，通過在行李傳送帶兩邊設(shè)置RFID傳感器來進(jìn)行定位。他們通過研究，提出“差分增強(qiáng)全息圖”（Differential Augmented Hologram，DAH）定位方法，將基于RFID的室內(nèi)定位技術(shù)精度提高到毫米級；

基于UWB的室內(nèi)定位技術(shù)抗多徑效應(yīng)和電磁干擾能力都很強(qiáng)，因此精度較高，但是由于硬件要求高，其成本也比較高。

超聲波定位的精度也比較高，同樣由于硬件設(shè)備復(fù)雜，成本偏高。

可以看出，每種定位技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)，在實(shí)際的使用過程中，需要根據(jù)不同的情境選擇不同的室內(nèi)定位技術(shù)，或者將幾種定位技術(shù)結(jié)合使用。還有一部分學(xué)者提出了新的定位技術(shù)，例如使用可見光進(jìn)行室內(nèi)定位，利用陀螺儀、加速度計(jì)等多種傳感器進(jìn)行室內(nèi)定位。相信通過國內(nèi)外學(xué)者的不懈努力，室內(nèi)定位技術(shù)會越來越成熟。

3 結(jié)束語

室內(nèi)定位在人們的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著非常重要的作用，研究定位精度更高、成本更低的室內(nèi)定位技術(shù)有利于國家發(fā)展和社會進(jìn)步。本文介紹了現(xiàn)有的幾種室內(nèi)定位技術(shù)，并且每種技術(shù)選取了一種典型系統(tǒng)對其定位原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、定位精度進(jìn)行了描述，對比了各種定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，指出了每種技術(shù)的局限性，分析了每種技術(shù)的應(yīng)用場景。希望通過本文能使讀者對室內(nèi)定位技術(shù)有一個(gè)基本的了解，在此基礎(chǔ)上為室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展添磚加瓦。