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，闡述了各個定位技術(shù)的優(yōu)缺點和局限性，最后對各定位技術(shù)進(jìn)行了對比，分析了各個定位技術(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)行實時定位，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，還可以對被困者進(jìn)行定位以實施有效救援。

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，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秒的時間內(nèi)物品的位置可以發(fā)生很大變化，做不到實時定位，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待定位者，因此，設(shè)置持續(xù)時間為0.1秒的紅外線可以有效降低兩個紅外線可能發(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)、筆記本電腦等移動終端通過電磁波與無線接入點進(jìn)行通信，無線接入點通過有線方式接入到以太網(wǎng)中，從而實現(xiàn)各個網(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，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，收集待定位者在每一個參考節(jié)點接收到的所有無線接入點的信號強(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，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)無線信號因為多徑、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，各參考節(jié)點的信號強(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。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)簽的實際位置和權(quán)重值計算出待定位標(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：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)簽實現(xiàn)對物體的三維動態(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。每個傳感器包含一個射頻信號收發(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，包含一個射頻信號收發(fā)器以及一個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)僅用兩個傳感器就可以實現(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實驗室開發(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超聲波接收器，這些接收器通過物理連接線形成一個網(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，通過計算待定位者發(fā)射的超聲波到達(dá)接收器的時間來進(jìn)行定位。

由于系統(tǒng)是通過時間來進(jìn)行定位的，超聲波發(fā)射器與接收器的時間同步就至關(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，從而實現(xiàn)時間同步。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，實時性非常好。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，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?？紤]到其定位精度不高的缺點，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)動軌道固定，沿著其運(yùn)動軌道布置紅外線發(fā)射器，運(yùn)動物體攜帶紅外線接收器，當(dāng)其接收到紅外線信號時再利用超聲波進(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)行計算，計算量比較大，因此需要一個強(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)隊設(shè)計的“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，在實際的使用過程中，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，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。