天地（常州）自動化股份有限公司 徐寶平 徐壽泉

淺談室內(nèi)精確定位系統(tǒng)

天地（常州）自動化股份有限公司 徐寶平 徐壽泉

本文在對室內(nèi)精確定位市場需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論各種無線測距模式的優(yōu)缺點(diǎn)并提出對室內(nèi)精確定位新技術(shù)的展望。

無線定位；精確測距；超寬帶

0 引言

隨著社會不斷的發(fā)展，大型建筑、大型商場的普及，怎樣能在如此大的建筑定位自己的精確物理位置成了一個迫切需要解決難題。當(dāng)你開車到一個大型停車場，怎樣能找到空的停車位，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)只能幫你導(dǎo)航導(dǎo)入口處，室內(nèi)的導(dǎo)航技術(shù)還只是停留在研發(fā)或者實(shí)驗(yàn)中。當(dāng)你處在一個大型航站樓里，迫切尋找著即將要檢票的登機(jī)口的時候，除了詢問工作人員或者查看難以識別的機(jī)場平面圖以為，暫時還沒有一款便攜式精確定位導(dǎo)航設(shè)備能引導(dǎo)你迅速到達(dá)登機(jī)口。

基于如此龐大的市場需求，室內(nèi)精確定位技術(shù)的研發(fā)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)鋪開了。本文就對各種實(shí)現(xiàn)室內(nèi)精確定位系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行簡單的對比分析。

1 室內(nèi)定位系統(tǒng)

定位的核心技術(shù)其實(shí)是測距。在給定空間中已知三點(diǎn)的坐標(biāo)，通過測量一個未知點(diǎn)到三點(diǎn)的距離，通過計(jì)算就能得知該未知點(diǎn)的坐標(biāo)。這通常叫做三邊測量定位算法（Silent River）。 由于實(shí)際情況中存在著各種各樣的干擾因素，導(dǎo)致測量到的三個距離并不是非常精確的實(shí)際距離，這就產(chǎn)生了定位精度問題。

室內(nèi)定位技術(shù)不管是基于超聲波、Wi-Fi還是UWB的，發(fā)展了這么多年都有一定的研究成果。室內(nèi)測距最大的問題在于距離太短，基于電波傳播的測距時間太短難以捕捉以及人體遮擋、室內(nèi)復(fù)雜的環(huán)境反射信號和干擾信號等問題。

如何解決上述的問題成了室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展的迫切需求。

2 相關(guān)無線測距系統(tǒng)對比

下面就對當(dāng)前比較流行的室內(nèi)精確定位技術(shù)綜合比較。

2.1 超聲波技術(shù)

超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計(jì)時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時。超聲波在空氣中的傳播速度大概為340m/s（需要根據(jù)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償），根據(jù)計(jì)時器記錄的時間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離（s），即：s=340t/2。這就是所謂的時間差測距法。

超聲波測距定位系統(tǒng)由若干個應(yīng)答器和一個發(fā)射器組成，發(fā)射器固定在被測物體上，由發(fā)射器內(nèi)部芯片控制發(fā)射器的發(fā)射頻率及發(fā)射角度，空間中固定位置的應(yīng)答器收到想通頻率的超聲波信號后立即回復(fù)一個超聲波信號，這樣就得到了兩者之間的距離。通過3個不同位置的應(yīng)答器就可以綜合計(jì)算出被測物體在空間中的位置。

超聲波定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是定位精度高，結(jié)構(gòu)較簡單，缺點(diǎn)是超聲波的多徑效應(yīng)及波長過長容易發(fā)生衍射、超聲波測距的量程較近，需要大量的投資，成本過高。

2.2 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)通過測量信號強(qiáng)度進(jìn)行定位。這項(xiàng)技術(shù)的代表是iBeacon技術(shù)，iBeacon技術(shù)是蘋果公司開發(fā)出來通過低功耗藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)短距離定位的技術(shù)。這套系統(tǒng)采用藍(lán)牙4.0低功耗技術(shù)，擁有驚人的待機(jī)時長。

基于藍(lán)牙技術(shù)的室內(nèi)定位優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備體積小，功耗低，建立連接時間短，可以應(yīng)用于小范圍的定位，易于集成在手機(jī)、筆記本以及pad中，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟就能進(jìn)行定位。缺點(diǎn)是藍(lán)牙系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，受噪聲的干擾比較大。

2.3 射頻標(biāo)簽技術(shù)

RFID是射頻標(biāo)簽的縮寫，是一種無線通信技術(shù)，通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，無需識別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。由于RFID的發(fā)射功率限制，測距的最長距離只有50m左右，射頻識別研究的瓶頸在于建立測距模型、保護(hù)用戶的隱私安全等問題。

射頻標(biāo)簽技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是非接觸式操作，應(yīng)用方便，體積較小，價格低，環(huán)境要求不高，缺點(diǎn)是作用距離近，無法進(jìn)行實(shí)時定位且定位精度較低。

2.4 無線局域網(wǎng)技術(shù)

基于Wi-Fi技術(shù)的室內(nèi)定位主要依據(jù)RSSI強(qiáng)度信息來判斷用戶位置。在已知空間中確定各個AP位置的前提下，用信號衰減模型計(jì)算裝有信號強(qiáng)度測量的移動設(shè)備與各個已知AP的距離，用三邊測量定位算法就能確定移動設(shè)備的大致位置。

由于Wi-Fi的普及這種技術(shù)變得流行，在不增加額外的成本下，這套定位方案能在現(xiàn)有的平臺下實(shí)現(xiàn)定位功能。Wi-Fi定位可以達(dá)到米級定位精度（1-10米），傳統(tǒng)的Wi-Fi定位產(chǎn)品主要應(yīng)用在專業(yè)行業(yè)領(lǐng)域（礦井、監(jiān)獄、醫(yī)院、石油石化等）。新型的Wi-Fi定位技術(shù)已經(jīng)逐步向消費(fèi)行業(yè)轉(zhuǎn)移，百度、高德等公司已經(jīng)在研發(fā)Wi-Fi室內(nèi)定位產(chǎn)品。

Wi-Fi方法的優(yōu)勢在于無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍大，易于安裝，成本低，但僅能用于事先熟悉Wi-Fi環(huán)境的建筑或場地內(nèi)，且精度不高。

2.5 ZigBee技術(shù)

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起和無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，ZigBee技術(shù)作為一種新興的低功耗、低成本、低速率、短距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而出現(xiàn)了。它是基于IEEE0.15.4標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的無線協(xié)議。在這個標(biāo)準(zhǔn)下，數(shù)百個ZigBee傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實(shí)現(xiàn)定位。這些傳感器有著極低的功耗，通過級聯(lián)的方式將信號從接收器一步一步的轉(zhuǎn)發(fā)到控制器上并進(jìn)行運(yùn)算控制。ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是低功耗和低成本且信號傳輸不受視距的影響。缺點(diǎn)在于精度不高，產(chǎn)品不夠成熟。

2.6 超寬帶無線電技術(shù)

UWB（超寬帶技術(shù)）是一種新型的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有完全不同的新技術(shù)，補(bǔ)了高精度定位領(lǐng)域的空白。UWB最初用于軍事用途，2002年才發(fā)布商用化規(guī)范。UWB主要采用極短脈沖信號傳送數(shù)據(jù)，傳輸速率高（最高可達(dá)1000Mbps以上），能保證高速通信的同時，發(fā)射功率卻極小，且無載波要求。目前UWB室內(nèi)定位最出名的公司是Ubisense，做精確實(shí)時定位產(chǎn)品業(yè)務(wù)和位置查詢業(yè)務(wù)，已在物流、體育、醫(yī)療保健、人員監(jiān)控等領(lǐng)域有所應(yīng)用。

超寬帶系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)有功耗低、抗多徑效果好、安全性高、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，WUWB可以用于室內(nèi)及室外惡劣環(huán)境下的物體及人員的定位跟蹤與導(dǎo)航，而且能提供十分精確的定位精度。缺點(diǎn)在于成本過高，技術(shù)比較復(fù)雜。

3 結(jié)語

本文從室內(nèi)精確定位的需求出發(fā)，引出了幾種現(xiàn)行室內(nèi)精確定位的技術(shù)方案，對它們進(jìn)行基本的理論分析介紹，并分別從它們的相關(guān)特征，優(yōu)缺點(diǎn)等具體的介紹，讓我們對室內(nèi)精確定位有了進(jìn)一步的理解。

［1］侯玉華.PHS和WLAN共用室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)覆蓋［J］.中興通訊技術(shù)， 2008，7（1）.

［2］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社， 2005.

徐寶平（1988—），男，江蘇揚(yáng)州人，助理工程師，主要從事煤礦通信技術(shù)的研究工作。