趙 銳，鐘 榜，朱祖禮，馬 樂，姚金飛

(1.軍事交通學院基礎(chǔ)部，天津 300161;2.軍事交通學院研究生管理大隊，天津 300161)

自從以GPS為代表的定位技術(shù)出現(xiàn)以來，其高效、方便、快速與準確使人們的生活出現(xiàn)了巨大的變化，帶動了一批應(yīng)用和服務(wù)的快速發(fā)展，但傳統(tǒng)定位技術(shù)由于技術(shù)原理的局限性，在室內(nèi)環(huán)境的定位效果不盡理想，因此目前室內(nèi)環(huán)境急需一種高效、便捷、準確的定位技術(shù)來填補空白。當前的定位技術(shù)主要依托臨近信息、場景分析和幾何定位3種算法展開，借助多個輔助節(jié)點，利用不同的介質(zhì)手段完成測距，然后和信息數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)匹配完成定位。

1 應(yīng)用前景

定位技術(shù)的影響延伸到了包括軍事、科技、以及人們普通生活在內(nèi)的各個領(lǐng)域，而室內(nèi)定位技術(shù)作為定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境的延續(xù)，彌補了傳統(tǒng)定位技術(shù)的不足，有著良好的應(yīng)用前景。

1.1 基于位置服務(wù)的發(fā)展方向

伴隨社交網(wǎng)絡(luò)而出現(xiàn)的LBS(Location Based Service)能夠根據(jù)人們?nèi)粘５纳钜?guī)律打造個性化的生活方式。而室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，能進一步完善基于位置服務(wù)，能幫助人們完成各種繁雜、耗時的任務(wù)。這些解決方案和應(yīng)用將是基于位置服務(wù)行業(yè)未來的發(fā)展方向，并將統(tǒng)領(lǐng)整個市場。

1.2 促進電子商務(wù)

目前的定位技術(shù)可以幫助人們在城市中定位一家商店，而室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展，能夠幫助人們在商場中快速定位一家小的店鋪，甚至可以在大型超市中快速定位商品，省去了人們在尋找上浪費的時間。

1.3 應(yīng)急救援的開展

當發(fā)生地震、火災(zāi)等緊急事件時，救援的關(guān)鍵就是快速確定人員位置。特別是當建筑物由于火災(zāi)、地震的影響，與原布局相比發(fā)生較大變化的時候，憑借經(jīng)驗很難快速定位人員位置，而且盲目尋找很危險。此時，室內(nèi)定位技術(shù)為救援提供了強有力的技術(shù)支持，不僅節(jié)約時間，還可以為救援規(guī)劃安全救援路線。

1.4 公共安全事件

當發(fā)生人質(zhì)劫持、炸彈威脅等公共安全事件時，了解建筑物內(nèi)的情況，快速定位人員的分布，能夠為事件的快速解決提供很大的幫助。同時在反恐部隊進入建筑物執(zhí)行任務(wù)時，室內(nèi)定位技術(shù)能幫助其確定自己和同伴位置，有利于進行戰(zhàn)術(shù)協(xié)同和配合，提高執(zhí)行任務(wù)的效率和安全性。

2 室內(nèi)定位的難點

相對于傳統(tǒng)的室外定位技術(shù)，室內(nèi)定位技術(shù)由于其環(huán)境的特殊性，存在以下技術(shù)難點。(1)GPS信號變?nèi)?。室?nèi)環(huán)境由于墻體的遮蔽，尤其是鋼筋混凝土時，GPS信號穿過建筑物后會明顯變?nèi)酰瑐鹘y(tǒng)依靠GPS進行定位的技術(shù)，精確度大幅降低。所以室內(nèi)環(huán)境不適宜使用GPS技術(shù)進行定位。(2)障礙物多。建筑物內(nèi)通常會有各種障礙物，包括家具、房間和行人等。障礙物位置各異，房間布局不同，行人時刻在動，大量的不確定性使室內(nèi)環(huán)境異常復雜。(3)干擾源多。由于室內(nèi)環(huán)境相對封閉，聲音、光線、溫度等干擾源都會對定位設(shè)備的傳感器造成一定的影響，特別是聲音和光線，會在室內(nèi)進行多次反射，使室內(nèi)干擾情況更加復雜。(4)多層建筑中的定位。室內(nèi)定位不僅要考慮二維平面的位置，在多層建筑中還要考慮樓層的位置，包括地上和地下部分。(5)未知環(huán)境定位困難。目前大部分室內(nèi)定位技術(shù)都是基于對室內(nèi)環(huán)境了解的基礎(chǔ)上，但實際應(yīng)用中也許得不到環(huán)境信息，或者定位基礎(chǔ)設(shè)施遭到破壞，比如地震、反恐等特殊情況時，減少對環(huán)境依賴性的室內(nèi)定位也是一項難題。

3 定位算法

目前的定位算法，從原理上來說，大體上可以分為3種:鄰近信息法、場景分析法以及幾何特征法。

3.1 鄰近信息法

利用信號作用的有限范圍，可以確定待測點是否在某個參考點的附近。但只能提供大概的定位信息，能滿足某些應(yīng)用的要求［1－3］。例如利用手機基站定位，可以確定來電歸屬地，但精度也只能確定在某一地區(qū)。

3.2 場景分析法

對于指定位置的可測量特征定位。比如測量接收信號的強度，與實現(xiàn)測量的、存在數(shù)據(jù)庫的該位置的信號強度作對比［1－3］。理想的場景分析法可以利用視頻識別，看到某一景物就能確定位置，但這需要龐大的信息知識庫做支撐。

3.3 幾何特征法

幾何特征法是利用幾何原理進行定位的算法，是目前應(yīng)用最廣泛的定位算法，通常需要多個點和邊作為已知條件進行計算定位，具體又分為以下幾種［1－3］:(1)三邊定位法:在平面上，三邊定位法就是測量待測點到3個不在同一直線上的參考點的距離。根據(jù)估計的三邊距離，再結(jié)合參考點的位置，待測點的位置就在3個圓的交點上。(2)三角定位法:利用了這樣一個事實:在一個三角形中，如果已知一條邊的長度和兩個角的大小，那么可以確定第3個點的位置，且該點是三角形另外兩條邊的交點。(3)雙曲線定位法:形成雙曲線的幾何原理是:到兩個固定點距離差為常數(shù)的動點軌跡，是以這兩個固定點為焦點的雙曲線。由3個不在一條直線上的參考點可以確定兩條雙曲線，兩條雙曲線的交點就是待測點。

圖1 三邊定位

圖2 三角定位

圖3 雙曲線定位

4 定位技術(shù)

根據(jù)上面介紹的定位算法，衍生出了多種室內(nèi)定位技術(shù)，其中包括GPS、紅外線、超聲波、藍牙、射頻識別、超寬帶、ZigBee 和 WiFi。

4.1 結(jié)構(gòu)原理

目前的定位技術(shù)多要借助輔助節(jié)點進行定位，通過不同的測距方式，計算出待測節(jié)點相對于輔助節(jié)點的位置，然后與數(shù)據(jù)庫中事先收集的數(shù)據(jù)進行比對，從而確定當前位置，如圖4所示。

圖4 室內(nèi)定位結(jié)構(gòu)原理圖

首先在室內(nèi)環(huán)境設(shè)置固定位置的輔助節(jié)點，這些節(jié)點的位置已知，有的位置信息是直接存在節(jié)點中，如RFID的標簽，有的是存在電腦終端的數(shù)據(jù)庫中，如紅外線、超聲波等。

然后測量待測節(jié)點到輔助節(jié)點的距離，從而確定相對位置。使用某種方式進行測距通常需要一對發(fā)射和接收設(shè)備，按照發(fā)射機和接收機的位置大體可以分為兩種:發(fā)射機位于被測節(jié)點，接收機位于輔助節(jié)點，例如紅外線，超聲波和RFID;另一種是發(fā)射機位于輔助節(jié)點，接收機位于被測節(jié)點，例如 WiFi、超寬帶、ZigBee和藍牙。

圖5 室內(nèi)定位流程

最后分析計算位置，利用計算機終端的數(shù)據(jù)庫進行匹配，從而得出具體位置。具體流程如圖5所示，除了用到之前已知的輔助節(jié)點位置和計算得出的距離外，還需要一定的模型來提高精度。

4.2 模型分析

隨著人們對定位精度要求的不斷提高，測距后利用幾何定位已不能滿足要求，因此目前的室內(nèi)定位方法都使用計算模型，具有更高精度和可靠性。目前比較成熟的模型包括傳播模型和指紋模型，這兩種模型在WiFi定位技術(shù)上應(yīng)用廣泛。

(1)傳播模型。依靠分析信號傳播過程中的特性來推算傳播距離。常用的特性包括:RSSI(Received Signal Strength Indication)，AOA(Angel of Arrival)，TOA(Time of Arrival)。由于所有參數(shù)難以在同一模型內(nèi)考慮，所以精度有限。傳播模型得益于已知無線電信號的傳播和AP接入點的位置。但不能很好地處理信號的不確定性。RSSI的數(shù)值不是常數(shù)，即使發(fā)送和接收雙方都不移動，也可能出現(xiàn)嚴重的振蕩。這是由信道的快速衰落和無線信號傳輸環(huán)境的迅速變化造成的。另外，一般使用的簡單的、便宜的無線信號收發(fā)器通常沒有經(jīng)過校準，在不同的設(shè)備上即使相同的信號強度也可能導致不同的RSSI值。

(2)指紋模型。是一種基于學習的模型，運用模式匹配的技術(shù)，根據(jù)所在位置的測量值跟已經(jīng)觀測到的所有位置的測量值作比較，然后根據(jù)匹配情況確定位置。可以將信號的不確定性考慮在內(nèi)，在定位效果方面令人滿意。主要缺點是需要大量的工作量去給一個給定的環(huán)境建立定位模型并進行校準。而且環(huán)境改變之后，之前建立的模型將不再適用，需要修改。

WiFi室內(nèi)定位技術(shù)需要多個WiFi接入點。第一步是構(gòu)建指紋地圖，按照＜指紋，地點＞的形式在不同位置收集數(shù)據(jù)，并寫入指紋地圖的數(shù)據(jù)庫。其中指紋可以包括信號強度、方向以及接入點的MAC地址等信息。第二步是定位，被測物體上安裝WiFi信號接收器，在某一位置接收到信號之后，用當前位置的指紋信息到指紋地圖庫中匹配，即可得出所在位置。

4.3 技術(shù)對比

在精度、定位方法、實例和優(yōu)缺點等方面對當前比較成熟的幾種室內(nèi)定位技術(shù)進行對比［4－9］，從宏觀上掌握室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的方向和目前研究的瓶頸問題。

表1 主流室內(nèi)定位技術(shù)對比

通過表1的對比可以看出，目前的室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展主要存在以下幾個共性問題需要解決:

(1)精度問題。目前大部分定位技術(shù)的精度還不高，約在幾米之內(nèi)，這個精度在室內(nèi)環(huán)境來說較大，要提高精度就必須提高抗干擾能力、解決信號衰減、多徑效應(yīng)、視距傳播和信號震蕩校準等傳統(tǒng)問題。

(2)降低能耗和成本問題。目前大部分的定位技術(shù)都需要在環(huán)境中安裝輔助節(jié)點用于測距、返回位置信息等，要提高精度，就必須安裝大量的輔助節(jié)點，這大幅增加了成本和能耗。有些技術(shù)本身功率大，能耗高，有的技術(shù)需要大量的人力物力去收集指紋信息，完善指紋地圖，此外利用RSSI測距還需要周期性的人為校準等，這些都在實用性方面大幅制約了技術(shù)的發(fā)展。文獻［10～11］通過構(gòu)建指紋地圖來提高WiFi定位的精度，其中文獻［11］利用移動設(shè)備使用位置的歷史來完善指紋地圖，降低了人工搜集指紋的工作量。文獻［12］利用多層建筑中各樓層結(jié)構(gòu)的相似性，提出了一種算法來減輕收集指紋的工作量。文獻［13］提供了一種基于FM調(diào)頻的自校準機制，克服了RSSI測距時電磁波震蕩產(chǎn)生的誤差。

(3)通用標準化問題。各種定位技術(shù)都有優(yōu)缺點，未來室內(nèi)定位的發(fā)展趨勢必然是多種技術(shù)的融合，取長補短。而體系結(jié)構(gòu)的標準化問題、各種技術(shù)的無縫整合問題都大大制約了這樣的發(fā)展趨勢。此外，室內(nèi)定位和室外定位的結(jié)合也是大勢所趨，同樣需要涉及到標準化問題。所以通用標準化的完善有助于促進室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。目前的定位技術(shù)還沒有一個統(tǒng)一的權(quán)威標準出臺，無疑限制了多技術(shù)融合的發(fā)展。

(4)未知環(huán)境的定位問題。目前的大多數(shù)定位技術(shù)都是基于熟悉環(huán)境的，環(huán)境中預先安裝了大量傳感器、標簽等輔助基礎(chǔ)設(shè)施，但是實際應(yīng)用場景并不都是熟悉環(huán)境，比如地震、火災(zāi)、反恐等緊急事件的處理問題，往往沒有條件安裝輔助基礎(chǔ)設(shè)施。所以基于未知環(huán)境的室內(nèi)定位技術(shù)有著巨大的應(yīng)用需求。文獻［14］提出了一種基于未知環(huán)境的定位技術(shù)，利用房間外不同位置的定向天線進行定位，取得了一定突破。此外處理如上提出的緊急事件時，還要求定位系統(tǒng)部署簡單，反應(yīng)快，精度高。

(5)安全隱私問題。個人的實時位置屬于個人隱私的一部分，涉及到安全問題，目前的定位技術(shù)都會將被測物體的位置信息返回到主機進行計算或者到數(shù)據(jù)庫中進行匹配，但主機或數(shù)據(jù)庫會留底，這樣就留下了一定的安全隱患。文獻［15］提出的基于RFID的室內(nèi)指導和監(jiān)控系統(tǒng)目的在于保護使用者隱私，不打擾使用者日常生活。

5 結(jié)束語

室內(nèi)定位技術(shù)是當前熱門研究領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景，下一步的研究工作可以從以下幾個方面進行:(1)提出新的定位方法。當前的定位技術(shù)都是建立在鄰近信息、場景分析和幾何特征三種定位方法之上的，假如可以提出新的定位方法，那必然是一篇全新的領(lǐng)域，對室內(nèi)定位技術(shù)起到巨大的推動作用。(2)使用新的無線介質(zhì)。目前的定位技術(shù)都是建立在傳統(tǒng)無線介質(zhì)之上的，各有優(yōu)缺點。假如能提出一種新的無線介質(zhì)，可以克服之前的缺點，則會大幅促進室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。目前除了介紹的幾種技術(shù)之外，還有FM、雷達、GSM等，文獻［7］則使用了DECT電話網(wǎng)絡(luò)定位，此外，磁場、視覺定位技術(shù)也處于研究階段。(3)多技術(shù)融合。鑒于目前的主流技術(shù)各有優(yōu)缺點，各技術(shù)的融合將是取長補短的有力方法。但面臨的問題有通用標準化的問題，各技術(shù)無縫連接的問題，以及技術(shù)融合后的功耗問題等。(4)現(xiàn)有技術(shù)優(yōu)化。主要是針對目前技術(shù)存在的缺點進行優(yōu)化。從之前的對比可以看出，目前技術(shù)的主要缺點集中在精度低、作用距離短、易受干擾、功耗大、依賴輔助設(shè)施、造價高等方面，針對某一技術(shù)的某一缺點進行優(yōu)化改進，將大幅提高該技術(shù)的實用性。

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