黃 博

(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

前 言

當(dāng)前，以北斗、GPS為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無論從民用領(lǐng)域還是軍用領(lǐng)域都已經(jīng)能滿足人們對(duì)于室外導(dǎo)航的不同需求，但是在室內(nèi)導(dǎo)航方面人們同樣用著巨大的應(yīng)用需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，室內(nèi)高精度定位的應(yīng)用價(jià)值都刪除日益凸顯。但是現(xiàn)在通用的室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)在數(shù)據(jù)精度方面卻無法滿足這樣的應(yīng)用需要。特別是在一些比較復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，譬如大型地下室、商場、車間等這樣的問題更為突出。所以在室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境中，如何提高導(dǎo)航定位的實(shí)時(shí)性、精確性是一個(gè)急需解決的技術(shù)難題，針對(duì)這樣的問題，國內(nèi)外的不少學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究。首先對(duì)當(dāng)前室內(nèi)定位主要的應(yīng)用技術(shù)傳感器和射頻等研究現(xiàn)狀進(jìn)行了性能分析，然后對(duì)于室內(nèi)導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 室內(nèi)定位分類

室內(nèi)定位分類體系最早由HIGHTOWER J,BORROELLO G于2001年提出，分類的依據(jù)包括定位目標(biāo)類型、定位輻射范圍、定位需求精度、定位采用的信號(hào)等，另外定位的絕對(duì)性與相對(duì)性以及定位的主動(dòng)性與被動(dòng)性也是需要考慮的因素。定位分類有助于挖掘其應(yīng)用價(jià)值。陳崟崟等按照所采用的不同的方法來做分類[1]。婁路等認(rèn)為定位信號(hào)獲取路徑的不同來進(jìn)行分類[2]。鄧中亮等將傳輸信號(hào)的差別來作為分類的依據(jù)[3]。室內(nèi)定位技術(shù)的各種分類方法促進(jìn)了領(lǐng)域基礎(chǔ)理論的細(xì)化研究，對(duì)行業(yè)整體發(fā)展有積極意義。

2 室內(nèi)定位研究進(jìn)展

目前，目前常用的室內(nèi)定位技術(shù)主要是基于傳感器和基于網(wǎng)線信號(hào)兩種類型，每種類型又可分出幾種不同的實(shí)現(xiàn)方法，并具有各自的特點(diǎn)。

2.1 基于傳感器的室內(nèi)定位技術(shù)

2.1.1 紅外線定位

紅外線定位系統(tǒng)的主要元件包括裝有紅外發(fā)射器的移動(dòng)站與基站。在具體應(yīng)用層面，Ac-tiveBadge系統(tǒng)是劍橋大學(xué)AT<實(shí)驗(yàn)室根據(jù)紅外線技術(shù)研制的，在室內(nèi)場景中可實(shí)現(xiàn)的6m定位精度。質(zhì)量輕，容易攜帶是紅外線發(fā)射器的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在紅外線穿透力弱的缺點(diǎn)，尤其碰到墻壁時(shí)，紅外線就只能提供房間級(jí)別的定位信息傳遞，在狹小室內(nèi)，紅外線傳播距離有限，加之其他光照干擾或路徑限制，空間區(qū)域容易產(chǎn)生盲區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致定位效果變差。所以，從實(shí)用性思考，紅外線定位技術(shù)可以與其他定位設(shè)備融合使用，充分發(fā)揮紅外線LED室內(nèi)導(dǎo)航導(dǎo)航的優(yōu)勢(shì)功能[4]。

2.1.2 慣性導(dǎo)航定位

慣導(dǎo)系統(tǒng)確定位置首先由加速度計(jì)、陀螺儀等傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)融合算法推導(dǎo)出目標(biāo)的具體位置。但是慣導(dǎo)系統(tǒng)有一個(gè)缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)誤差會(huì)隨時(shí)間積累，許多科研團(tuán)隊(duì)都在研究如何抵消這一負(fù)面影響，有的研究團(tuán)隊(duì)通過微機(jī)電技術(shù)，將各種運(yùn)動(dòng)傳感器與智能手機(jī)平臺(tái)相結(jié)合來進(jìn)行行人航機(jī)推算。當(dāng)前領(lǐng)域內(nèi)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)PDR與地磁、無線保真高度融合匹配是一個(gè)討論熱烈的研究課題[5]。還有的團(tuán)隊(duì)提出將無線局域網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成誤差補(bǔ)償機(jī)制，用于矯正累計(jì)誤差。

2.1.3 超聲波定位

超聲波定位主要利用的是聲波反射產(chǎn)生的時(shí)間差來推算發(fā)射位置與反射面之間的距離，根據(jù)這一原理研究人員研制出了Active Bat系統(tǒng)，在科學(xué)測(cè)試中Active Bat系統(tǒng)定位精度最高可以達(dá)到3厘米，這微小的數(shù)據(jù)相對(duì)智能智聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有重要影響。此后，研究人員在Active Bat系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造研制出Cricket室內(nèi)定位系統(tǒng)，改變了有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無需再特定位置固定大量發(fā)射及接受網(wǎng)站，而是基于超聲波傳輸時(shí)間與射頻控制信號(hào)，完成三維、多維定位。當(dāng)然，從成本上來說，超聲波定位對(duì)硬件要求更高，因此需要花費(fèi)更多資金投入。

2.1.4 視覺定位

視覺定位通過前置攝像頭來捕捉周邊環(huán)境特征，根據(jù)大量圖片數(shù)據(jù)以智能算法來分析目標(biāo)的三維空間位置。已經(jīng)成熟的技術(shù)中，具有代表性的技術(shù)：一種是利用了便攜式移動(dòng)設(shè)備，當(dāng)多組單目攝像頭進(jìn)行定位時(shí)能夠具備更高的精度；一種基于圖像密度匹配性和運(yùn)動(dòng)恢復(fù)原理，采用相機(jī)交會(huì)來實(shí)現(xiàn)醫(yī)院室內(nèi)定位。借助高性能照相機(jī)，獲取像素極高的圖像數(shù)據(jù)，讓分析精度增加，進(jìn)而提高了定位準(zhǔn)確性，不過室內(nèi)環(huán)境是非常多變的，定位系統(tǒng)要持續(xù)保持高精度也是不現(xiàn)實(shí)的。在改進(jìn)方面，一些學(xué)者正嘗試用引入視覺傳感器的方法完善這一技術(shù)[6]。

2.2 基于無線信號(hào)的室內(nèi)定位技術(shù)

2.2.1 WiFi定位

就目前而言，常用的WiFi室內(nèi)定位技術(shù)包括2種：一種是根據(jù)接收信號(hào)的強(qiáng)度變化來指示距離變化，當(dāng)然信號(hào)衰減與空間距離變化不一定成線性關(guān)系，會(huì)受到如物體遮擋、空氣濕度等的外部因素干擾，所以定位精度是受限的；另一種是基于RSSI位置指紋法的定位技術(shù)，這一方法屬于目前使用最為廣泛的WiFi定位類型[7]。另外，還有一些相同原理的產(chǎn)品，如美國的WiFi SLAM以及我國的“翼周邊”系統(tǒng)，它們精度較好但是組成系統(tǒng)的輔助設(shè)施非常多，因此后期的維護(hù)與前期支撐設(shè)備的布設(shè)需要花費(fèi)很多成本，不利于大規(guī)模推廣[8]。

2.2.2 藍(lán)牙和紫蜂定位

這種定位擁有能耗低，空間距離短、適用場合范圍廣等特點(diǎn)，不過這兩種定位方法也存在穩(wěn)定性比較差、容易被外界環(huán)境干擾的劣勢(shì)。藍(lán)牙定位依托接收到的信號(hào)強(qiáng)度場來進(jìn)行空間距離計(jì)算，典型如國產(chǎn)“尋鹿”微定位系統(tǒng)與iBeacon系統(tǒng)，iBeacon由蘋果公司所開發(fā)，在很大程度上滿足了低功耗、較高精度這一用戶需求。當(dāng)前，以藍(lán)牙技術(shù)為基礎(chǔ)的諸多定位系統(tǒng)多利用了指紋定位原理，包括改進(jìn)的方案。而隨著藍(lán)牙5.0協(xié)議在2016年的發(fā)布，使得這類高精度定位獲得了更好的通信技術(shù)保障。紫峰定位技術(shù)利用鄰近探測(cè)法對(duì)不同盲點(diǎn)間的通信進(jìn)行探測(cè)，然后采用模糊聚類算法進(jìn)行定位分析，從而獲得米級(jí)精確度的定位結(jié)果[9]。

2.2.3 蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位

智能手機(jī)的定位主要依靠蜂窩網(wǎng)檢測(cè)傳播信號(hào)的特征參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，這種定位方法的主要類型分為鄰近探測(cè)法、信號(hào)傳遞時(shí)間差探測(cè)定位。便于構(gòu)建普適化較強(qiáng)的室內(nèi)定位方案是這種定位技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)，但它同樣存在自身的缺點(diǎn)，由于受系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響以及時(shí)間同步精度存在差異，使得定位精度往往偏低，如：愛立信公司常使用的OTDOA定位，這種定位方法的精度只有50m。若使用多天線MIMO+TDOA定位技術(shù)，其精度也只能達(dá)到5～10m。隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，在5G通信網(wǎng)絡(luò)逐步普及的情況下，其精度有望獲得提升[10]。

2.2.4 射頻識(shí)別定位

射頻識(shí)別技術(shù)通過對(duì)不同的射頻信號(hào)識(shí)別來獲取對(duì)應(yīng)目標(biāo)位置，該技術(shù)既具有較長距離的輻射范圍、能夠繞過部分阻礙物傳遞信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，又具有攜帶方便、定位精度高等技術(shù)特長，但射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)信號(hào)強(qiáng)度非常敏感，當(dāng)信號(hào)不穩(wěn)定時(shí)，定位精度也會(huì)降低。目前以Spoton系統(tǒng)為代表的射頻識(shí)別系統(tǒng)存在硬件組成較為復(fù)雜并且計(jì)算量較大的問題，為解決之一問題而采取的技術(shù)手段是改進(jìn)算法，未來隨著智能算法的不斷改進(jìn)，相信這一技術(shù)也會(huì)不斷改進(jìn)[11]。

2.2.5 超寬帶定位

超寬帶定位最早在僅在美國空軍中應(yīng)用，美國聯(lián)邦政府于2002年通過提案開始在民用領(lǐng)域使用。超寬帶定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單、建造成本也不高、并且具有能耗低、可靠性高、通道容量大等諸多優(yōu)勢(shì)，其定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。超寬帶能夠?qū)崿F(xiàn)通信與定位的一體化，在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中比其他無線通信定位技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)。在硬件開發(fā)方面，專業(yè)級(jí)的Driver2和Aether5芯片實(shí)現(xiàn)了體積小型化，綜合能耗低等性能。Ubisense公司開發(fā)的超寬帶實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)通過不斷提升硬件系統(tǒng)性能實(shí)現(xiàn)了5.8～7.2GHz的工作頻段，通過使用多邊定位法和三角定位法使得其室內(nèi)定位精度能夠達(dá)到15cm[12]。

2.3 地磁定位

典型如地磁定位技術(shù)利用高精度的地磁探測(cè)儀器對(duì)周邊地磁變化進(jìn)行分析，由于不同區(qū)域地磁強(qiáng)度不同進(jìn)而進(jìn)行室內(nèi)定位，這一原理與WiFi相似，不過在有限面積內(nèi)地磁的變化是非常有限的，因此這對(duì)探測(cè)器的要求便很高，加之同一地點(diǎn)的地磁并不是恒定的，所以這一定位系統(tǒng)存在較大的誤差。國外有科學(xué)團(tuán)隊(duì)借助高精度探測(cè)設(shè)備構(gòu)建出的定位系統(tǒng)能夠在低磁環(huán)境穩(wěn)點(diǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)精度接近1米的定位。地磁定位的優(yōu)勢(shì)在于在室內(nèi)布置系統(tǒng)比較便捷，其系統(tǒng)可以與其他定位方法融合使用，構(gòu)成多信息定位模型，因而具有較好的研究前景[13]。

2.4 類腦導(dǎo)航

生物可以在沒有傳感器的情況下做到高精度的導(dǎo)航定位與建圖。這主要依靠的是大腦中的導(dǎo)航細(xì)胞。導(dǎo)航細(xì)胞包括頭朝向細(xì)胞、網(wǎng)格細(xì)胞和位置細(xì)胞，每種導(dǎo)航細(xì)胞具有各自的功能。生物憑借頭朝向細(xì)胞可以按照正確的方向行進(jìn)，生物在行進(jìn)過程中得到的信息會(huì)傳輸?shù)骄W(wǎng)格細(xì)胞，由其處理后得到相對(duì)位置，相對(duì)位置信息再傳輸給位置細(xì)胞來確定絕對(duì)位置。具體來說就是頭朝向細(xì)胞獲取的是生物的運(yùn)動(dòng)信息，網(wǎng)格細(xì)胞獲取的是生物的相對(duì)位置信息，位置細(xì)胞獲取的是生物的絕對(duì)位置信息。最后根據(jù)這些信息進(jìn)行編碼形成對(duì)環(huán)境空間的記憶。

由上述過程可以看出，大腦導(dǎo)航過程可以通過深度學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)行建模，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的類腦導(dǎo)航定位對(duì)于類腦導(dǎo)航進(jìn)行建模，孫瑤潔提出了一種以連續(xù)吸引子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的方法[14]。利用這種方法建模時(shí)，頭朝向細(xì)胞能獲得最優(yōu)角度，網(wǎng)格細(xì)胞通過最優(yōu)角度信息得到相對(duì)位置信息，最后位置細(xì)胞得到最優(yōu)的絕對(duì)位置信息。當(dāng)出現(xiàn)熟悉場景時(shí)位置細(xì)胞會(huì)被激活，調(diào)用其存儲(chǔ)的位置信息進(jìn)行回環(huán)校準(zhǔn)，較小導(dǎo)航數(shù)據(jù)誤差。

3 室內(nèi)定位技術(shù)的不足及未來展望

3.1 室內(nèi)導(dǎo)航定位面臨的困境

近年來，室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)的研究成果不斷涌現(xiàn)，在諸多領(lǐng)域獲得了很好的應(yīng)用，然而依然存在一些困難需要進(jìn)一步攻克。

3.1.1 穩(wěn)態(tài)性不足

室內(nèi)環(huán)境是復(fù)雜多變的，例如一些大型商業(yè)綜合體中，室內(nèi)隔間多且物體多雜，這就導(dǎo)致信號(hào)干擾源增多，特別是一些金屬材質(zhì)的大體積物件，發(fā)生移動(dòng)都可能對(duì)定位信號(hào)產(chǎn)生影響。這也給室內(nèi)定位系統(tǒng)的自適應(yīng)能力提出了更高的要求，即必須在復(fù)雜環(huán)境中能連續(xù)提供穩(wěn)定的導(dǎo)航信號(hào)，實(shí)現(xiàn)能夠長時(shí)間穩(wěn)定導(dǎo)航的需求。

3.1.2 成本高

隨著用戶對(duì)精度要求不斷提高，室內(nèi)定位系統(tǒng)的配套設(shè)施也變的愈加龐大，對(duì)于相關(guān)設(shè)備的精密性要求也越來越高，這些設(shè)備必然會(huì)增加系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)營成本，加之大量的人力物力資源消耗，使得系統(tǒng)的應(yīng)用難以大范圍推廣。此外，復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也對(duì)維護(hù)工作帶來較高要求，尤其是專業(yè)維護(hù)維修技術(shù)人才的需求將會(huì)進(jìn)一步增大，所以需要對(duì)成本進(jìn)行最優(yōu)化處理，以低成本得到較高的定位效果。

3.1.3 可擴(kuò)展性低

不同定位技術(shù)應(yīng)用于不同場合所取得的效果是有差異的，因此很多時(shí)候定位系統(tǒng)都是特事特定，一旦環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，這一定位系統(tǒng)的精度很可能就會(huì)下降，難以滿足用戶的導(dǎo)航定位需求，進(jìn)而降低了系統(tǒng)應(yīng)用的可擴(kuò)展性。

3.1.4 能耗大

大量的室內(nèi)定位系統(tǒng)配套有通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)探測(cè)等諸多設(shè)備，這些設(shè)備必然會(huì)消耗大量的電能，這同樣會(huì)增加系統(tǒng)的使用成本。因此如何降低室內(nèi)定位系統(tǒng)的能耗也是一大研究課題。

3.2 室內(nèi)導(dǎo)航定位未來趨勢(shì)

隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能的進(jìn)步，室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)的涌現(xiàn)，使得導(dǎo)航定位技術(shù)擁有了更多的可選擇性，其理論研究、試驗(yàn)深度不斷增加，面對(duì)這些問題，將從以下幾個(gè)方面來探討該領(lǐng)域未來的發(fā)展方向。

3.2.1 優(yōu)化多信息融合算法

多信息融合可以有效提高室內(nèi)定位精度，且能提升系統(tǒng)整體的普適性，研究新算法有利于提高多信息處理效率，提高導(dǎo)航定位的實(shí)時(shí)性，通過集成不斷縮小定位系統(tǒng)的建造成本，讓其商用價(jià)值獲得提升，進(jìn)而拓展應(yīng)用市場。同時(shí)還要加大對(duì)于融合算法的研究，不斷提高算法的性能和算法的魯棒性，使其能夠滿足越來越高的使用需求。

3.2.2 降低功耗

未來硬件設(shè)備性能將進(jìn)一步提高，使定位系統(tǒng)整體的功耗降低，達(dá)到降低成本、提升應(yīng)用價(jià)值、拓展市場的目的。隨著芯片技術(shù)、新材料技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能系統(tǒng)性能將進(jìn)一步提升，一些理論層面的研究成果必然會(huì)轉(zhuǎn)化為實(shí)用，例如隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)據(jù)處理器將具備更多的功能，可以通過分析數(shù)據(jù)判斷定位需求量，進(jìn)而調(diào)節(jié)子系統(tǒng)功耗水平，蘋果公司的iBeacon就是因其藍(lán)牙開啟后的低功耗性能而被大眾所接受。

3.2.3 創(chuàng)新定位方法

傳統(tǒng)的室內(nèi)定位技術(shù)得到的數(shù)據(jù)精度一般只有2～5m左右，所以如何提高導(dǎo)航數(shù)據(jù)精度是一個(gè)重要的研究方向。此外，更好的對(duì)視覺、音頻信號(hào)和射頻信號(hào)進(jìn)行利用，引入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、粒子群算法等智能算法來簡化數(shù)據(jù)處理過程，提升處理器運(yùn)行速度，也是提高定位精度，系統(tǒng)魯棒性的重要途徑。

3.2.5 5G網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位

5G時(shí)代已然來臨，全球都在不遺余力的推進(jìn)通信網(wǎng)絡(luò)5G化進(jìn)程，而在此關(guān)口，我國的5G技術(shù)處于領(lǐng)頭羊位置，相關(guān)專利數(shù)量世界第一。5G對(duì)于室內(nèi)定位技術(shù)的革新具有重要促進(jìn)作用，隨著未來更加密集的5G組網(wǎng)建設(shè)，室內(nèi)定位的數(shù)據(jù)獲取支撐將更加穩(wěn)固，因此，未來一個(gè)重要的探索方向是室內(nèi)定位與5G通信技術(shù)的結(jié)合。

4 結(jié)語

綜上所述，室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)在軍事、地質(zhì)勘探、社會(huì)安全、民用等諸多領(lǐng)域都有極高的應(yīng)用價(jià)值，在可以預(yù)見的未來，這一技術(shù)必將成為另一個(gè)經(jīng)濟(jì)增長極。本文結(jié)合近年來大量學(xué)者的研究成果對(duì)室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)的進(jìn)展進(jìn)行了綜述，分析了當(dāng)前傳感器定位、慣性導(dǎo)航、視覺識(shí)別、超聲波定位等主流技術(shù)的理論基礎(chǔ)以及一些成果。同時(shí)，對(duì)技術(shù)發(fā)展動(dòng)向進(jìn)行了探討，希望對(duì)行業(yè)進(jìn)步有所借鑒。