莊春華，趙治華，張益青，羅巧梅

（北京環(huán)球信息應(yīng)用開發(fā)中心，北京 100094）

1 引言

近年來，無線通信、網(wǎng)絡(luò)、嵌入式計算、無線傳感網(wǎng)以及其它技術(shù)的飛速發(fā)展，使得人們生活的三維物理空間中充滿了海量的數(shù)據(jù)和信息，促使位置服務(wù)的功能從原有的定位服務(wù)（Where am I？）、位置感知服務(wù)（Where are you？）向情景感知服務(wù)（Context aware service？）發(fā)展。具有無縫位置服務(wù)的普適計算（ubiquitous computing或者pervasive computing）平臺，將使人們可以在生活和工作環(huán)境中隨時、隨地得到位置信息和服務(wù)，無縫定位技術(shù)將在現(xiàn)代社會生活中發(fā)揮著日益重要的作用［1］。

無縫定位技術(shù)是指在人類活動的地上、地下空間和外層空間范圍內(nèi)，能夠聯(lián)合采用不同定位技術(shù)以達(dá)到對各種定位應(yīng)用的無縫覆蓋，同時保證各種場景下定位技術(shù)、定位算法、定位精度和覆蓋范圍的平滑過渡和無縫連接。它是當(dāng)前無線定位技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域進(jìn)行了多年探索，但是到目前為止，還沒有在任意真正信道環(huán)境下（尤其是在鬧市區(qū)）滿足高精度無縫定位要求的實(shí)用系統(tǒng)出現(xiàn)［2］。

本文對常用的室內(nèi)外定位技術(shù)進(jìn)行了介紹，總結(jié)了國內(nèi)外專家學(xué)者在無縫定位技術(shù)、算法、系統(tǒng)等領(lǐng)域的研究成果，并對無縫定位技術(shù)面臨的問題以及發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

2 常用的室內(nèi)外定位技術(shù)

無線定位技術(shù)有多種分類方式，按照定位所采用的基礎(chǔ)設(shè)施的不同，定位技術(shù)可分為基于衛(wèi)星的定位、基于射頻信號的定位、基于自包含傳感器的定位等三大類。圖1給出了常用的室內(nèi)外定位技術(shù)所用到的傳感器［3］。

不同的定位技術(shù)由于使用的定位信號、定位方法不同，導(dǎo)致可獲得的定位精度以及適用的環(huán)境存在較大差別。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)定位精度、功耗、成本等具體要求進(jìn)行選擇。圖2顯給出了現(xiàn)有定位系統(tǒng)的定位性能、定位測量技術(shù)與應(yīng)用環(huán)境［4］。

2.1 GNSS定位技術(shù)

圖1 導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星及常用的定位傳感器

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite systemGNSS 是所有在軌工作的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的總稱［5］。GNSS定位的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)交會出接收機(jī)的具體位置［6］。GNSS定位至少需要接收到4顆衛(wèi)星信號才能求解出自身坐標(biāo)，在空曠的室外環(huán)境中，終端可以暢通無阻地接收到足夠的衛(wèi)星信號實(shí)現(xiàn)高精度定位。但是在城市峽谷區(qū)域，終端和衛(wèi)星之間有高山、建筑物、隧道等物體或地面阻擋時，終端無法接收到4顆以上的衛(wèi)星，就難以實(shí)現(xiàn)有效定位。

2.2 基于射頻信號的定位技術(shù)

無線通信技術(shù)和各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，為無縫定位提供了基礎(chǔ)和軟硬件環(huán)境，利用射頻信號技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位已成為定位研究領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，主要無線定位技術(shù)有無線保真（wireless fidelity，WiFi）［7］、射頻識別（radio frequency identification，RFID）［8］、超寬帶（ultra wide band，UWB）［9］、偽衛(wèi)星［10］、移動通信［11］、藍(lán)牙（Bluetooth）［12］、紫蜂（ZigBee）［13］、紅外線［14］、超聲波［15］、電視（TV）信號［16］等來進(jìn)行定位，表1為基于射頻信號定位技術(shù)。

表1 基于射頻信號的定位技術(shù)

2.3 基于自包含傳感器的定位技術(shù)

基于射頻信號的定位技術(shù)需要移動通信基站、無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)、信號發(fā)射塔或中繼器等外部設(shè)施支持，和預(yù)先建立室內(nèi)環(huán)境的接收信號強(qiáng)度指示（received signal strength indication，RSSI）數(shù)據(jù)庫，增加了行人導(dǎo)航服務(wù)提供商的建設(shè)成本，而且用戶只能在這種環(huán)境下獲取位置信息，限制了導(dǎo)航的范圍，而基于自包含傳感器的定位技術(shù)具有導(dǎo)航定位自主性和連續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)。

最普遍的自包含傳感器包括慣性傳感器（加速度計和陀螺儀）磁羅盤、氣壓計和傾斜儀等，這些傳感器也叫做航跡推算（dead reckoning，DR）傳感器。另外借鑒移動機(jī)器人同步定位和制圖（simultaneous location and mapping，SLAM）的原理，還可以引入視覺傳感器［17］、和激光雷達(dá)［18］等傳感器?；诓煌奈锢硖匦院蛻?yīng)用環(huán)境，這些傳感器可以相互組合實(shí)現(xiàn)不同的配置方案，如陀螺和加速度計組合的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，磁力計和加速度計組成的無漂移定位方法，陀螺儀、磁力計和加速度計冗余定位方法等。

3 無縫定位的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 無縫定位體系結(jié)構(gòu)

無縫定位體系結(jié)構(gòu)主要涉及到無縫定位基礎(chǔ)設(shè)施、統(tǒng)一坐標(biāo)系、時間系統(tǒng)、通信設(shè)施和軟硬件框架等方面。

無縫定位基礎(chǔ)設(shè)施是指各種定位傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的集合，包括GNSS的地面增強(qiáng)和連續(xù)跟蹤站構(gòu)成全球一體化的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，城市的各種無線通信與電視廣播基站，室內(nèi)環(huán)境下已有的各種定位傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)施等。這既包括利用現(xiàn)有的定位基礎(chǔ)設(shè)施，也包括城市環(huán)境下的多種泛在無線信號源以及根據(jù)實(shí)際需要專門布設(shè)的各種小規(guī)模的定位傳感器網(wǎng)絡(luò)。無縫定位信息基礎(chǔ)設(shè)施是建立無縫定位系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是必要條件。

統(tǒng)一坐標(biāo)系。按照現(xiàn)有的無縫定位基礎(chǔ)設(shè)施層次，可以劃分出若干個層級：全球框架、區(qū)域框架、城市框架、街區(qū)學(xué)?？蚣堋误w建筑框架和樓層平面框架，依次由上一層坐標(biāo)框架為下一層提供坐標(biāo)基準(zhǔn)，也可以采用空間信息網(wǎng)格作為支持。

時間系統(tǒng)。時間作為定位中重要的信息，可以按照統(tǒng)一坐標(biāo)系的層級將GNSS提供的時間基準(zhǔn)通過無縫定位基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行分層時間傳遞服務(wù)，依次向下一級傳感器網(wǎng)絡(luò)提供時間基準(zhǔn)。

通信設(shè)施。采用現(xiàn)有的各種通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施以及無縫定位系統(tǒng)自身的通信功能，為各種服務(wù)應(yīng)用和各種定位輔助信息的傳遞提供穩(wěn)定的通信保障。

軟硬件的框架。無縫定位硬件層面指不同接口之間的協(xié)同與集成，軟件層面主要是定位軟件的框架結(jié)構(gòu)。

3.2 無縫定位的主要算法

無縫定位算法主要是針對多種無線定位技術(shù)，例如全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）、無 線 局 域 網(wǎng) 絡(luò)（wireless local area networks，WLAN）、紫蜂（ZigBee）和超寬帶（ultra wide band，UWB）等中多源定位觀測量，例如RSSI、到達(dá)時間（time of arrival，TOA）、到達(dá)時間差（time difference of arrival，TDOA）和 小區(qū)識別碼（cell identity，Cell－ID）以及其他類型的定位傳感器（加速度和高度計等）的定位觀測量構(gòu)建統(tǒng)一的融合定位模型，包括多種技術(shù)共用模式下的自動切換集成以及平穩(wěn)過渡等相關(guān)技術(shù)的研究；針對城市和室內(nèi)復(fù)雜非視線傳播環(huán)境下對各種無線信號定位產(chǎn)生影響的誤差源進(jìn)行鑒別和消除技術(shù)；以及在定位解算過程中需要運(yùn)用到的數(shù)據(jù)處理技等。

3.2.1 常用的定位解算算法

基于測距的定位機(jī)制是通過測量相鄰節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離或方位進(jìn)行定位。在基于測距方式解算算法中，測量節(jié)點(diǎn)間距離或方位時采取的方法有TOA，TDOA和到達(dá)角（arrival of angle，AOA）等，圖3是基于測距的算法原理圖。

圖3 基于測距的算法原理圖

非測距的算法主要有傳播模型法、位置指紋法、基于Cell－ID的定位方法、行人航跡推算（pedestrian dead reckoning，PDR）方法［19］等。

3.2.2 非視距誤差源鑒別和消除算法

1）非視距消除算法

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)射的無線電波具有視距傳輸特性，故非視距傳播是測距、測角定位系統(tǒng)的主要誤差源，目前已提出的非視距（non line of sigh，NLOS）消除方法可以分為兩大類，一類是誤差模型法，一類是非模型法。誤差模型法是利用信道模型假設(shè)出NLOS誤差的分布。非模型法又可以分為利用測量數(shù)據(jù)空間冗余度；利用測量數(shù)據(jù)時間冗余度；利用幾何約束三類［20］。

國內(nèi)外學(xué)者提出的NLOS消除方法有誤差模型 法［21］、散 射 體 模 型 重 構(gòu) 法［22］、 殘 差 比 對 法［23］、加權(quán)定位法［24］、幾何約束法［25］、距離尺度因子法［26］、卡爾曼濾波重構(gòu)法［27］等。NLOS誤差傳播問題已經(jīng)成為目前定位技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，已經(jīng)提出的各種NLOS誤差消除算法，都是在各種假設(shè)和限定條件下提出的優(yōu)化方法，到目前為止，還沒有一種真正簡單有效、廣泛適用的非視距誤差消除算法提出。如何鑒別并消除NLOS誤差的影響，或提出符合NLOS誤差分布規(guī)律的誤差模型，提高定位的精度，是無縫定位技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵［2］。

2）抗多徑干擾估計算法的研究

在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)中，多徑干擾是影響定位精度的主要因素之一，尋找具有抗多徑干擾能力的時延估計算法也是無線定位技術(shù)研究的重點(diǎn)。目前主要的抗多徑干擾時延估計算法有基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的到達(dá)時間［28］、多徑聯(lián)合估計算法［29］、RAKE結(jié)構(gòu)的 TDOA 估計器［30］、高分辨率抗多徑干擾時延估計方法［31］、TLS－ESPRIT（total least squares version of estimation of signal parameters via rotational invariance technique）時延估計方法等［32］。

3.2.3 定位解算與精度評定算法

1）定位解算算法

目前定位解算算法研究比較成熟，主要的定位算法有基于最小二乘（LS）的定位求解算法［33］、二重最小二乘算法［34］、泰勒級數(shù)展開算法［35］、Fang算 法［36］、球面相交算法［37］和分類征服算法［38］。

2）定位精度評定方法

為了正確評價各種定位算法的定位性能，需要首先確定評價定位準(zhǔn)確率的指標(biāo)。目前最常用的指標(biāo)是定位解均方誤差（MSE）、均方根誤差（RMSE）、克拉美羅下界（CRLB）、幾何精度因子（GDOP）、圓誤差概率（CEP）。累計分布函數(shù)（cumulative distribution function，CDF）也常被作為評價指標(biāo)，CDF是指在某個精度門限下的定位結(jié)果的次數(shù)在總定位次數(shù)中所占的比例。其他的評價指標(biāo)還有圓／球誤差概率、幾何精度因子（geometric dilution of precision，GDOP）和相對誤差等。

3.2.4 多傳感器數(shù)據(jù)融合算法

目前還沒有一種通用的融合多傳感器信息的方法，一般要根據(jù)具體的應(yīng)用背景而定。在聯(lián)合不同信息系統(tǒng)，處理來自不同傳感器的信息時，按照信息層次，可以將信息融合分為三個層次，即底層的原始信息融合、中間層的目標(biāo)級融合，以及高層的決策級融合［39］。圖4為多傳感器數(shù)據(jù)融合模式。

圖4 多傳感器數(shù)據(jù)融合

在無縫定位技術(shù)中，常用的信息融合算法主要有綜合平均法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、加權(quán)最小二乘、卡爾曼濾波、貝葉斯估計、模糊邏輯法、D－S法（dempster shafter）、專家系統(tǒng)等。在進(jìn)行多源、異構(gòu)定位技術(shù)融合以實(shí)現(xiàn)無縫定位的研究中，信息融合的工作十分重要，除前述幾種常用的信息融合方法，還有品質(zhì)因數(shù)、模板方法、聚類分析以及統(tǒng)計決策等。

3.2.5 定位模式的切換準(zhǔn)則

切換是指由于衛(wèi)星的運(yùn)行或用戶的移動，使用戶接收到的衛(wèi)星數(shù)目或無線接入點(diǎn)發(fā)生變化的情況。實(shí)質(zhì)就是定位模式重新選擇的過程，對定位精度和定位可用性具有重要影響。切換不僅增加了定位系統(tǒng)中需更新的信息通信量，而且為定位程序的運(yùn)行帶來了額外的負(fù)擔(dān)，因此需要對切換策略進(jìn)行研究。圖5為無縫定位切換基本情況。

圖5 無縫定位切換基本情況

切換策略基本原則是具有較低的時延、較小的切換頻率及較少的切換次數(shù)［40］。在組合定位系統(tǒng)中，可采用的切換準(zhǔn)則主要以下幾種：最大可用性準(zhǔn)則、最大定位精度準(zhǔn)則、最小負(fù)荷準(zhǔn)則。

3.3 典型的室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)

綜合GNSS以及各種傳感器，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)推出了各種室內(nèi)外無縫定位系統(tǒng)，部分系統(tǒng)已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。

其中Skyhook公司提出了混合定位系統(tǒng)XPS，XPS是基于軟件的定位解決方案，定位時綜合利用WiFi、GPS和蜂窩網(wǎng)絡(luò)信息獲得用戶位置，其定位精度可達(dá)10～20m，是目前最成熟的無縫定位解決方案［41］。

滿足美國聯(lián)邦通訊委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）的輔助全球定位系統(tǒng)（assisted global positioning system，A－GPS）和GPSone技術(shù)，這兩種定位技術(shù)同時采用了無線通信網(wǎng)絡(luò)信號和GPS衛(wèi)星信號，改善了定位的可用性、靈敏性、精確度和定位耗時［42－43］。

日本宇宙開發(fā)局于2009年推出了新的室內(nèi)精確定位系統(tǒng)（indoor messaging system，IMES），該系統(tǒng)通過一些預(yù)置在室內(nèi)的信號發(fā)射器、移動設(shè)備中經(jīng)過修改的內(nèi)嵌固件、以及相應(yīng)的信息服務(wù)器，組成了無縫的室內(nèi)定位系統(tǒng)［44］。

國內(nèi)的唐恩科技公司于2005年底開發(fā)出國內(nèi)第一套民用UWB定位系統(tǒng)iLocate無縫定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了核心定位引擎，可以融合多種無線傳感信號進(jìn)行無縫定位［45］。

歐空局研發(fā)的室內(nèi)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位演示器（demonstrator for indoor GNSS positioning，DINGPOS）［46］聯(lián)合使用了能在室內(nèi)接收到GPS和伽利略信號的高靈敏度接收器和輔助定位傳感器如加速器和陀螺儀傳感器、WiFi等，并結(jié)合地圖匹配技術(shù)可依據(jù)當(dāng)前建筑的計算機(jī)模型綜合本地現(xiàn)有的數(shù)據(jù)在室內(nèi)外進(jìn)行無縫定位。

國內(nèi)的北京郵電大學(xué)研制了天地一體化的TC－OFDM定位與通信融合新型信號體制，構(gòu)建了天地一體的室內(nèi)外無縫定位體系，實(shí)現(xiàn)了基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的高精度室內(nèi)外無縫定位與融合衛(wèi)星導(dǎo)航的室外高精度定位，它水平定位精確到3m，高度定位精確到1m，能有效提高北斗系統(tǒng)的定位速度、精度、范圍與核心競爭優(yōu)勢，滿足北斗系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展的迫切需求。

美國的WiFiSLAM公司采用結(jié)合WiFi網(wǎng)絡(luò)的 “印跡”及手機(jī)內(nèi)置的加速度計和指南針來進(jìn)行定位，它能夠在沒有定位數(shù)據(jù)庫信息的區(qū)域快速建立起定位服務(wù)，精度可達(dá)到所在位置的 “十幾步”之內(nèi)。通過導(dǎo)航的算法用來處理WiFi網(wǎng)絡(luò)“印跡”和人的腳步的變換模式，在電腦系統(tǒng)中重現(xiàn)人曾走過的路途，隨后那條蹤跡會與建筑物的地圖相結(jié)合，從而使WiFiSLAM告訴用戶他們在這個環(huán)境中的所在位置。

4 無縫定位服務(wù)與應(yīng)用模式

無縫定位服務(wù)面向的是廣大的空間信息社會化用戶群，無縫定位系統(tǒng)一旦構(gòu)建實(shí)施，需要有足夠的用戶群體來支撐。無縫定位在系統(tǒng)服務(wù)層面要考慮到終端用戶的各種需求，包括合適的定位精度和與之相匹配的電子地圖顯示模式，還要考慮定位服務(wù)和各種空間數(shù)據(jù)的服務(wù)與收費(fèi)模式。

無縫定位應(yīng)針對用戶群體多樣化的特征，要求在相應(yīng)的電子地圖顯示模式和終端服務(wù)模式方面考慮到用戶的實(shí)際需求，以最簡單有效的可視化方式、快捷便利的定位技術(shù)來為用戶提供可靠的空間信息數(shù)據(jù)服務(wù)。終端的接入模式也可以根據(jù)需要以用戶終端為主，或者充分利用現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，將部分的數(shù)據(jù)服務(wù)以網(wǎng)絡(luò)的形式提供給用戶使用。此外，還應(yīng)針對定位技術(shù)和服務(wù)進(jìn)行一系列的標(biāo)準(zhǔn)化、組件化、網(wǎng)絡(luò)化、自適應(yīng)化、集成化、智能化等方面的研究。

5 無縫定位面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向

5.1 無縫定位技術(shù)存在的問題

無縫定位技術(shù)還面臨以下幾個問題：難以依靠單一的無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)無縫定位，如GNSS技術(shù)無法在封閉空間發(fā)揮其高精度定位的特點(diǎn)；各種定位信號無法覆蓋多個不同區(qū)域，需要解決室內(nèi)外連接區(qū)域的無縫連接問題；無線信號在室內(nèi)外NLOS傳播環(huán)境下的復(fù)雜傳播信道；無縫定位系統(tǒng)所需的統(tǒng)一的坐標(biāo)和時間系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施和軟硬件成本、合適的移動定位設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)化問題；公眾無線服務(wù)的定位服務(wù)模式；其他諸如支持開放式服務(wù)的應(yīng)用編程接口（application programming interface，API）、電源、隱私安全等問題［47］。

5.2 無縫定位算法研究重點(diǎn)

（1）進(jìn)一步研究基本定位方法和定位算法，提出新的定位方法和原理，重點(diǎn)研究定位算法的抗NLOS和抗多徑、多址干擾能力。

（2）在現(xiàn)有定位算法研究基礎(chǔ)上，深入研究影響定位精度的主要誤差源，嘗試建立符合實(shí)際的誤差模型或?qū)τ绊懚ㄎ痪鹊恼`差統(tǒng)計特性進(jìn)行適當(dāng)假定和合理描述；重點(diǎn)研究如何減少或消除NLOS傳播和多徑干擾對定位精度的影響。

（3）針對影響時延估計精度的多徑干擾問題，重點(diǎn)研究在蜂窩移動信道環(huán)境下的抗多徑時延估計算法，提高時延估計的準(zhǔn)確度。

（4）充分利用現(xiàn)有的各種定位方法和定位數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合或數(shù)據(jù)融合定位。

5.3 無縫定位發(fā)展趨勢

（1）開展導(dǎo)航與位置服務(wù)技術(shù)研究，突破GPS／北斗系統(tǒng)雙系統(tǒng)高精度軟硬件接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，通過與電子羅盤、慣性導(dǎo)航與地圖匹配技術(shù)相融合，開發(fā)出城市道路和高遮擋地區(qū)不間斷定位和導(dǎo)航的軟硬件系統(tǒng)。

（2）以無線 WiFi、藍(lán)牙、空氣聲學(xué)定位、慣性導(dǎo)航和環(huán)境場匹配技術(shù)為基礎(chǔ)，在無線定位中融入光學(xué)、慣性、電磁場和超聲波等技術(shù)，通過多傳感器集成和數(shù)據(jù)融合算法的研究，研究出性價比高的室內(nèi)定位系統(tǒng)。

（3）突破GNSS技術(shù)與地面移動通信網(wǎng)、無線互聯(lián)網(wǎng)、地面物聯(lián)網(wǎng)、室內(nèi)地下導(dǎo)航定位系統(tǒng)之間高可靠性通訊技術(shù)和方法，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外、地上地下無縫、高精度、高可用性的空間定位。

（4）減少定位算法對前期環(huán)境勘測的依賴，進(jìn)一步提高定位準(zhǔn)確性及速度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的軟件層替代原本硬器件完成的功能，即硬件功能的軟件無線電化。利用各種認(rèn)知的無線電技術(shù)如無線頻譜感知技術(shù)來提升泛在無線信號在無縫定位中所發(fā)揮的作用。

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