閆大禹，宋 偉，王旭丹，胡子燁

國內(nèi)室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述

閆大禹，宋 偉，王旭丹，胡子燁

（北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100091）

為了進(jìn)一步研究室內(nèi)定位技術(shù)，通過介紹幾種主流室內(nèi)定位技術(shù)的原理及國內(nèi)發(fā)展情況，包括有無線保真(WiFi）、藍(lán)牙、超寬帶、蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)、偽衛(wèi)星、慣性導(dǎo)航和地磁，基于最新國內(nèi)室內(nèi)定位技術(shù)比測結(jié)果，討論無額外設(shè)備輔助的智能手機定位、允許額外輔助的智能手機定位和允許額外設(shè)備輔助的其他終端定位3種場景下當(dāng)前國內(nèi)成熟的室內(nèi)定位技術(shù)方案，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)國內(nèi)室內(nèi)定位技術(shù)方案的發(fā)展趨勢，提出多傳感器組合導(dǎo)航定位方案的改進(jìn)優(yōu)化和新興室內(nèi)定位技術(shù)的開拓創(chuàng)新思路，探討室內(nèi)定位標(biāo)準(zhǔn)和性能體系構(gòu)建的可能性。

位置服務(wù)；室內(nèi)定位；定位技術(shù)；定位方案

0 引言

基于位置的服務(wù)（location-based service, LBS）作為一種生活方式已逐漸滲透到人類生活的方方面面。準(zhǔn)確的位置信息是開展LBS的前提。目前，人類可依賴全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）達(dá)到亞米級的室外定位精度；但是由于衛(wèi)星信號無法穿透建筑物，室內(nèi)定位無法利用GNSS實現(xiàn)。

人類平均約有70 %~90 %的時間在室內(nèi)度過，且在室內(nèi)對LBS的需求更迫切。在GNSS無法提供室內(nèi)定位服務(wù)的情況下，準(zhǔn)確的室內(nèi)位置信息已成為開展室內(nèi)LBS的瓶頸。工業(yè)界和學(xué)術(shù)界均在探求高精度、高可靠性的室內(nèi)定位技術(shù)，以期在電磁環(huán)境和地理環(huán)境復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中獲取準(zhǔn)確的位置信息。2011年谷歌依賴有無線保真（wireless fidelity, WiFi）和移動通信基站等信息發(fā)布室內(nèi)地圖，覆蓋包括商場超市、機場、車站等建筑物；蘋果依靠大量iBeacon設(shè)備和用戶的iPhone繪制室內(nèi)地圖，精度優(yōu)于谷歌；加拿大Calgary大學(xué)結(jié)合傳感器、公共場合無線信號（WiFi、藍(lán)牙）以及室內(nèi)環(huán)境特征（如磁場環(huán)境），實時、可靠地提供用戶在室內(nèi)的位置。此外韓國三星公司、俄羅斯Spirit公司、意大利Zetesis公司、德國斯圖加特大學(xué)、韓國首爾大學(xué)、比利時安特衛(wèi)普大學(xué)等都在室內(nèi)定位領(lǐng)域開展研究。我國于“十二五”期間啟動了“羲和”計劃，旨在構(gòu)建能夠提供室內(nèi)3 m、室外1 m的精密定位服務(wù)系統(tǒng)；“十三五”期間在對地觀測領(lǐng)域啟動了多項室內(nèi)定位方向的國家重點研發(fā)計劃，以國家重點研發(fā)計劃為支撐，國內(nèi)多家企業(yè)、高校院所也競相開展了室內(nèi)定位技術(shù)的研究。

本文以國家遙感中心主辦的“2018年室內(nèi)導(dǎo)航定位比測”中各參測團隊提供的室內(nèi)定位方案和比測數(shù)據(jù)為參考，總結(jié)國內(nèi)現(xiàn)有主流室內(nèi)定位技術(shù)，討論不同應(yīng)用場景下的室內(nèi)定位方案，對國內(nèi)室內(nèi)定位發(fā)展趨勢作分析和展望。

1 國內(nèi)主流室內(nèi)定位技術(shù)總結(jié)

本文將室內(nèi)定位技術(shù)分為2類：第一類為基于外置信源的室內(nèi)定位技術(shù)，這類技術(shù)的實現(xiàn)依賴于外置信源，主要包括WiFi、藍(lán)牙、超寬帶（ultra wide band, UWB）、蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)和偽衛(wèi)星；第二類為基于天然信源的室內(nèi)定位技術(shù)，這類技術(shù)僅依靠終端的傳感器即可實現(xiàn)定位，包括慣性導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航等。隨著室內(nèi)定位技術(shù)的不斷進(jìn)步，定位精度也逐漸提高到米級甚至亞米級，開始邁入消費級市場水平。表1給出了不同室內(nèi)定位技術(shù)的對比情況。

表1 室內(nèi)定位技術(shù)對比

1.1 基于外置信源的室內(nèi)定位技術(shù)

1.1.1 WiFi定位技術(shù)

利用WiFi信號實現(xiàn)室內(nèi)定位有2種方法，測距交匯法和指紋匹配法。測距交匯法是指利用信號強度衰減模型將WiFi信號從接入點到接收機的信號衰減強度轉(zhuǎn)化為2者之間距離，采用三角定位法，根據(jù)3個以上接入點到接收機之間的距離約束對接收機的位置進(jìn)行估算。該方法優(yōu)點在于無需建立維護(hù)數(shù)據(jù)指紋庫，且定位精度比指紋匹配法精度高；缺點在于信號強度衰減模型與室內(nèi)環(huán)境強相關(guān)，由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變且非視距現(xiàn)象嚴(yán)重，很難獲取準(zhǔn)確的信號強度衰減模型。

指紋匹配法是將難以直接測量的位置信息和容易獲取的信號特征（如無線信號強度）建立映射關(guān)系，即對應(yīng)每個室內(nèi)場景的位置坐標(biāo)建立專屬的信號特征指紋，從而匹配估算出待測目標(biāo)的空間位置。指紋匹配法分訓(xùn)練和定位2步進(jìn)行：訓(xùn)練是將定位環(huán)境劃分網(wǎng)格，并在網(wǎng)格點采集信號指紋，如WiFi強度，建立指紋庫；定位是將接收到的信號特征測量值與指紋庫中的值進(jìn)行比對，通過相似性分析得到室內(nèi)位置估計。與測距交匯法相比，該方法的優(yōu)點在于不需要求解信道衰減模型，缺點在于指紋庫的構(gòu)建需要耗費大量人力。

目前，國內(nèi)有多家單位致力于研究WiFi定位技術(shù)，在傳統(tǒng)WiFi室內(nèi)定位的多個方面逐步取得技術(shù)突破和進(jìn)步，主要包括指紋庫采集成本降低、指紋庫精度提升和匹配方法的優(yōu)化等等。

基于WiFi信號的指紋匹配法首先要經(jīng)過離線構(gòu)建指紋庫的階段，場地柵格化、網(wǎng)格點信號指紋采集、指紋庫校正處理都需要消耗一定的人力物力成本，極大地制約了室內(nèi)定位技術(shù)在實際場合中的投入使用。針對離線建庫成本的問題，文獻(xiàn)[1]提出基于眾包數(shù)據(jù)建立室內(nèi)定位方法與平臺，由廣大用戶上傳并不斷更新指紋數(shù)據(jù)，節(jié)省離線建庫階段的成本消耗，同時避免了由于WiFi設(shè)備和信號波動導(dǎo)致的指紋庫時效性問題，可提供長時間的有效定位保證。采集的WiFi信號強度是指紋庫構(gòu)建的重要依據(jù)。單條指紋的復(fù)雜程度由無線接入點的密度和數(shù)量決定。但現(xiàn)實考慮不能無限制的增加路由器設(shè)備；因此如何利用有限的設(shè)備產(chǎn)生的WiFi信號構(gòu)建成高精度指紋庫，也是指紋匹配法現(xiàn)實應(yīng)用中面臨的難題。文獻(xiàn)[2]提出用相鄰位置的信號強度差值建立梯度指紋庫，通過z檢驗使梯度庫二元化；文獻(xiàn)[3]提出使用基于離群點檢測與雙閾值濾波算法處理采集到的不同無線接入點信息，在提高指紋庫精度方面具有優(yōu)秀表現(xiàn)。在線定位匹配階段，要實時將定位終端采集到的WiFi信息與指紋庫匹配。對于信號數(shù)據(jù)處理和匹配算法的研究，北京智慧圖公司利用虛擬指紋提升接入點（access point, AP）稀疏時的定位穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[4]在定位場景內(nèi)均勻部署少量的參考節(jié)點以實時監(jiān)測環(huán)境信號變化，對定位終端測量的接收信號強度指示（received signal strength indicator, RSSI）進(jìn)行動態(tài)補償，顯著提高在線定位階段的穩(wěn)定性和精度。

1.1.2 藍(lán)牙定位技術(shù)

與WiFi定位原理相同，藍(lán)牙定位分為測距交匯法和指紋匹配法。由于絕大多數(shù)智能手機終端都自帶藍(lán)牙模塊，方便大范圍地普及和場地設(shè)備的部署；但是基于藍(lán)牙的定位技術(shù)容易受到外部噪聲信號的干擾，信號穩(wěn)定性較差，通信范圍較小[5]。最常用的藍(lán)牙定位技術(shù)是基于藍(lán)牙4.0的低功耗藍(lán)牙技術(shù)，即iBeacon技術(shù)，該技術(shù)具有低功耗、連接速度更快、傳輸速率高、信號傳輸穩(wěn)定安全無干擾等特點[6]。iBeacon技術(shù)尚未大規(guī)模工程應(yīng)用，其原因在于需要高密度部署藍(lán)牙信標(biāo)，加之軟件費用較高，使得該系統(tǒng)成本偏高[7]。

藍(lán)牙設(shè)備同樣可作為無線接入點，與WiFi定位技術(shù)類似；因此指紋匹配算法同樣應(yīng)用廣泛，針對信號范圍小、穩(wěn)定性差等特點，經(jīng)常與WiFi組合應(yīng)用來實現(xiàn)室內(nèi)定位的小范圍區(qū)域增強。

國內(nèi)有幾家企業(yè)開發(fā)了iBeacon的產(chǎn)品，包括SENSORO、四月兄弟、智石科技和Drop Beacon；但針對藍(lán)牙定位技術(shù)的理論研究較少，主要集中于定位算法層面。文獻(xiàn)[8]提出了一種基于核嶺回歸的自適應(yīng)藍(lán)牙定位算法，該算法對藍(lán)牙信號強度的動態(tài)變化具有較好的適應(yīng)性和魯棒性。國內(nèi)對藍(lán)牙在室內(nèi)定位領(lǐng)域的技術(shù)研究與WiFi有所區(qū)別的進(jìn)展是，文獻(xiàn)[9]充分考慮到藍(lán)牙范圍小、布設(shè)方便的特點，研究特定場地下藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)量、密度和位置的最優(yōu)化布設(shè)方案，提出在小范圍室內(nèi)區(qū)域如辦公室環(huán)境中將藍(lán)牙5~6個呈放射狀排列、直線貫通區(qū)域如走廊中呈直線排列，可以達(dá)到最高的定位精度和可靠性。

1.1.3 UWB定位技術(shù)

UWB定位技術(shù)用來傳輸數(shù)據(jù)的脈沖信號功率譜密度極低、脈沖寬度極窄，因此具備了時間分辨率高、空間穿透能力強等特點，在視距（line of sight,LOS）環(huán)境下能獲得優(yōu)于厘米級的測距和定位精度。UWB最初便是用于軍事工業(yè)用途，2002年才發(fā)布商用化規(guī)范，就目前的情況而言，UWB設(shè)備價格昂貴，部署成本比較高，雖然在專業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛且表現(xiàn)極佳，但難以進(jìn)入消費級市場[10-11]。UWB定位方法包括信號到達(dá)角（angle of arrival, AOA）、接收信號強度（received signal strength, RSS）、信號到達(dá)時間（time of arrival, TOA）和信號到達(dá)時間差（time difference of Arrival, TDOA），是一種典型的基于測距方法的定位技術(shù)。

早在2001年我國發(fā)布的“十五”國家863計劃就將“超寬帶無線通信關(guān)鍵技術(shù)及其共存與兼容技術(shù)”作為無線通信共性與創(chuàng)新技術(shù)的研究內(nèi)容，國內(nèi)高校如中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、東南大學(xué)等就UWB定位技術(shù)開展了研究。文獻(xiàn)[12]中研究了超寬帶信號接收中的低位寬量化問題，并對室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)健到達(dá)時間估計問題進(jìn)行了研究，給出了室內(nèi)環(huán)境下的固定節(jié)點定位方法。超寬帶定位在非視距（non line of sight, NLOS）環(huán)境下的相關(guān)研究也是UWB定位技術(shù)的一個熱點。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于機器學(xué)習(xí)的超寬帶NLOS鑒別方法，該方法較大地提升了鑒別的準(zhǔn)確度和誤差消除能力。文獻(xiàn)[14]建立了信號的穿墻傳播模型，并提出了一種 NLOS誤差減小方法，有效減小誤差并提高對目標(biāo)的定位精度。同時，定位算法的融合也是領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點趨勢：文獻(xiàn)[15]將AOA算法與TOA算法進(jìn)行融合；文獻(xiàn)[16]對TOA算法與TDOA算法進(jìn)行融合，從而有效提高定位精度。

1.1.4 蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)

隨著第二代、第三代到第四代移動網(wǎng)絡(luò)通信長期演進(jìn)（long term evolution, LTE）定位技術(shù)的發(fā)展，基于基站的蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的精度得到了較大提高；第5代移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)（the fifth generation of mobile network communication technology, 5G）協(xié)議的投入商用對室內(nèi)定位領(lǐng)域是一個巨大的契機，其密集組網(wǎng)技術(shù)也使得基站定位具備廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間[17]。蜂窩定位技術(shù)可以便捷使用搭建的基礎(chǔ)設(shè)施，依靠移動通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和傳輸信息實現(xiàn)用戶的位置坐標(biāo)推算。利用室內(nèi)可直接測得的無線電通信信號，與WiFi、藍(lán)牙、UWB技術(shù)相同，既可基于信號強度使用傳統(tǒng)的位置指紋匹配方法，也可以進(jìn)行TOA、TDOA、AOA等測距方式測量。蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)依賴通信基站，與基站密度密切相關(guān)：雖然室內(nèi)信號受基站輸出功率的動態(tài)調(diào)整和非視距傳播效應(yīng)的影響，定位精度不高；但在室內(nèi)外無縫定位需求下，可作為普適化的室內(nèi)外坐標(biāo)一體化的定位方案。

依托廣泛部署的分布式皮基站，文獻(xiàn)[18]提出了一種基于LTE網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，利用基站信號的參考信號強度或時延進(jìn)行定位。為了解決LTE室內(nèi)分布式網(wǎng)絡(luò)下不同位置處的信號相似性問題，文獻(xiàn)[19]提出基于相關(guān)性測序的定位算法，顯著提升了定位精度。針對空缺的室內(nèi)外無縫定位技術(shù)，我國自主研制的室內(nèi)外高精度定位導(dǎo)航“羲和”系統(tǒng)中采用時分正交頻分復(fù)用（timecode division-orthogonal frequency division multiplexing, TC-OFDM）技術(shù)。該技術(shù)由北京郵電大學(xué)提出，它融合了定位和通信信號體制，屬于蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的一種，可實現(xiàn)高精度的廣域室內(nèi)外無縫定位。國內(nèi)企業(yè)如北京首科信通、蘇州羲和北斗作為TC-OFDM專用設(shè)備、產(chǎn)品、室內(nèi)外位置服務(wù)的推廣窗口，TC-OFDM技術(shù)逐漸走向成熟和產(chǎn)業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)。

1.1.5 偽衛(wèi)星定位技術(shù)

偽衛(wèi)星是指安裝在地面附近的能夠發(fā)射類似于GNSS信號的裝置，其本質(zhì)是一個GNSS信號模擬器，可以作為室內(nèi)環(huán)境中對GNSS信號的補充。偽衛(wèi)星技術(shù)定位的規(guī)?；y度比較低，同時定位精度為亞米級[20]，能夠滿足大多數(shù)時候的定位需求，但是較高的基站部署成本使該技術(shù)停留在專業(yè)領(lǐng)域，尚未投入市場使用。目前國內(nèi)上海交通大學(xué)、中國電子科技集團54所也對偽衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，對偽衛(wèi)星的組網(wǎng)配置方案進(jìn)行了詳細(xì)的研究和分析，共同探討偽衛(wèi)星獨立組網(wǎng)配置方案的可行方案[21-22]。

文獻(xiàn)[23]提出了在偽衛(wèi)星系統(tǒng)中對于線性化誤差的檢測方法，分析了自校準(zhǔn)偽衛(wèi)星陣列與LocataNet系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)；并針對偽衛(wèi)星獨立定位系統(tǒng)中載波相位雙差定位的問題，提出利用在航解算整周模糊度的方法。由于地基偽衛(wèi)星位置固定，在信號連續(xù)發(fā)射模式下偽衛(wèi)星信號間的多址干擾會引起相對恒定的測距誤差。針對地基偽衛(wèi)星系統(tǒng)這一特點, 文獻(xiàn)[24]提出一種基于反饋串行干擾抵消的測距算法，抵消強功率偽衛(wèi)星信號對期望測距信號的干擾。文獻(xiàn)[25]提出了適合描述室內(nèi)導(dǎo)航偽衛(wèi)星信號傳播特性的大尺度對數(shù)距離路徑損耗模型，及小尺度萊斯-瑞利-對數(shù)正態(tài)分布模型，準(zhǔn)確描述室內(nèi)偽衛(wèi)星信號的傳播效應(yīng)。

1.2 基于天然信源的室內(nèi)定位技術(shù)

基于天然信源的室內(nèi)定位技術(shù)是指利用傳感器將某些與位置相關(guān)的天然信源轉(zhuǎn)換為可用于定位的信號以實現(xiàn)定位，例如：慣性導(dǎo)航技術(shù)利用慣性傳感器感知載體的運動狀態(tài)；地磁導(dǎo)航技術(shù)利用地磁傳感器獲取當(dāng)前位置的磁場特征；氣壓計測高技術(shù)利用氣壓計測量當(dāng)前位置的氣壓等。

1.2.1 慣性導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航技術(shù)是基于慣性傳感器（inertial measurement units, IMU）對狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，具體是利用加速度計、陀螺儀和磁力計等傳感器對前一時刻的位置信息進(jìn)行處理，得到當(dāng)前時刻的相對位置。隨著傳感器的小型集成化與低成本，近些年來IMU被廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位導(dǎo)航。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)基于航位推算方法實現(xiàn)終端的定位，具備較強的自主性，短時間內(nèi)的定位精度和連續(xù)性非常高；但定位導(dǎo)航精度極大地受限于器件成本，且不可避免地隨著時間的推移產(chǎn)生累積誤差，需要借助外界定位信息源不斷對位置推算進(jìn)行校準(zhǔn)。

零速校正是慣性導(dǎo)航技術(shù)中的一種誤差補償技術(shù)，可以有效控制長時間的累積誤差，提高系統(tǒng)精度。針對零速點的誤判和漏判問題，文獻(xiàn)[26]提出了一種新的零速檢測算法，基于加速度傳感器和陀螺儀的輸出進(jìn)行零速點檢測，通過擴展卡爾曼濾波算法進(jìn)行誤差修正，以提高系統(tǒng)精度。以捷聯(lián)慣性導(dǎo)航原理為基礎(chǔ)，文獻(xiàn)[27]設(shè)計基于梯度下降的姿態(tài)解算算法，相對于傳統(tǒng)的卡爾曼濾波及其衍生算法，能以更高的實時性獲得行人姿態(tài)，結(jié)合零速更新算法獲得行人靜止區(qū)間，實現(xiàn)實時化的行人自主室內(nèi)定位。文獻(xiàn)[28]采用了一種基于無跡卡爾曼濾波的無線定位與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合的室內(nèi)定位算法，解決了無線定位結(jié)果波動幅度過大和慣導(dǎo)系統(tǒng)的累積誤差問題。文獻(xiàn)[29]將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與室內(nèi)WiFi信息、地磁特征相結(jié)合，多層次約束陀螺儀零偏誤差，定位精度可達(dá)到3~5m，定位結(jié)果連續(xù)平滑。

1.2.2 地磁定位

地球的磁場特性最先被廣泛用于航海和軍事等室外定位。地磁定位同樣可以采用指紋匹配的方法，通過事先采集并構(gòu)建精確的地磁指紋數(shù)據(jù)庫，利用傳感器獲取人員當(dāng)前位置磁場數(shù)據(jù)，將實時數(shù)據(jù)與地磁指紋庫基準(zhǔn)數(shù)據(jù)精確匹配獲得最佳估測值，從而實現(xiàn)人員在指定區(qū)域中的定位[20]。由于地球磁場分布方向的原因，室內(nèi)采集到的地磁3軸數(shù)據(jù)本質(zhì)上只具備2個維度的指紋信息，大型建筑物的室內(nèi)地磁特征差異不明顯，在傳統(tǒng)的室內(nèi)區(qū)域柵格化指紋匹配方法中表現(xiàn)不佳，因此室內(nèi)地磁信息多用于室內(nèi)定位的多源信息融合，與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合使用，起到輔助和誤差糾正的作用。

文獻(xiàn)[30]提出了一種基于智能手機的室內(nèi)地磁定位系統(tǒng)，設(shè)計方向和地磁的自適應(yīng)權(quán)重混合位置指紋，通過范圍搜尋定位算法匹配室內(nèi)真實坐標(biāo)，提高了地磁數(shù)據(jù)的辨識度和定位精度。針對地磁場特異性不足的問題，文獻(xiàn)[31]將動態(tài)時間規(guī)整算法和粒子濾波算法結(jié)合，以路徑匹配的方法增加地磁匹配特征的數(shù)目，解決了定位結(jié)果模糊的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[32]提出一種基于模糊C均值聚類算法及位置區(qū)切換的室內(nèi)地磁定位方法，縮小地磁指紋的匹配范圍，減小匹配運算量。

1.3 多源融合定位技術(shù)

1.1節(jié)所介紹的各種定位技術(shù)各具優(yōu)勢和局限性，如：WiFi、藍(lán)牙和UWB信號屬于射頻信號，易受多徑效應(yīng)的影響；慣性導(dǎo)航雖不依賴外置信源，但定位誤差會隨時間累積。目前還沒有哪種室內(nèi)定位技術(shù)可做到與GNSS一樣開機即得。目前國內(nèi)主流的室內(nèi)定位方法是根據(jù)場景需求及各類室內(nèi)定位技術(shù)的特點，選擇2種及以上的定位技術(shù)進(jìn)行融合以獲得當(dāng)前位置的最優(yōu)估計。融合方法有2種，松耦合和緊耦合法，2者的區(qū)別在于：松耦合需要各類傳感器提供定位結(jié)果，而緊耦合需要各類傳感器直接提供觀測信息；松耦合易于實現(xiàn)，但要求各類傳感器均輸出定位結(jié)果，緊耦合較松耦合相比實現(xiàn)難度大，但各類傳感器值需提供觀測信息即可。信息融合的實現(xiàn)依賴濾波算法，如卡爾曼濾波、無跡濾波和粒子濾波，目前工程應(yīng)用多采用卡爾曼濾波。

融合定位的信息源可以是多種多樣的，GNSS信號、加速度計/陀螺儀、基站信號、WiFi、藍(lán)牙、氣壓計、地磁、視覺、室內(nèi)地圖等等；但融合定位模型和方案同樣需要考慮室內(nèi)定位結(jié)果的精度和可靠性：多種信息的協(xié)同融合可以帶來精度的提升，同樣可能會導(dǎo)致災(zāi)難性的定位失準(zhǔn)。獲得傳感器數(shù)據(jù)后需要對多來源信息進(jìn)行預(yù)處理以剔除原生和融合噪聲，從數(shù)據(jù)中提取特征后要根據(jù)不同應(yīng)用情景、設(shè)備條件和具體需求進(jìn)行特征級融合，賦予不同的權(quán)重，結(jié)合地圖信息和各種狀態(tài)估計濾波算法后進(jìn)行決策級融合。

2 不同應(yīng)用場景下室內(nèi)定位方案

室內(nèi)定位的需求主要集中于大型公共場所，如體育場館、機場車站、地下車庫、會展中心、大型商超和博物展覽館等。不同的公共場所、不同的群體對室內(nèi)定位的需求不同，例如：在機場，乘客的終端為智能手機，其需求為找到安檢口、登機口等目標(biāo)位置，定位精度和可靠性要求低；機場地勤工作人員的終端可以是特制的小型手持設(shè)備，其需求為準(zhǔn)確獲取故障設(shè)備、突發(fā)事件的具體位置，定位精度和可靠性要求高；在體育場館中，觀眾的終端為智能手機，其需求為找到觀賽座位，定位精度要求高，可靠性要求低；志愿者的終端為某種輕型可穿戴設(shè)備，組委會工作人員需獲取志愿者的大概位置，以及時調(diào)配人力應(yīng)用突發(fā)情況，定位精度要求低，可靠性要求高?？紤]到各種室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)勢和缺陷，應(yīng)針對不同的應(yīng)用場景設(shè)計不同的室內(nèi)定位技術(shù)方案，在定位性能達(dá)標(biāo)的前提下盡量降低成本。

根據(jù)終端類型和額外輔助設(shè)備的添加情況，本文將室內(nèi)定位的應(yīng)用場景概括為3類：無額外設(shè)備輔助的智能手機定位場景，允許額外設(shè)備輔助的智能手機定位場景和允許額外設(shè)備輔助的其他終端定位場景。此處的額外輔助設(shè)備是指除室內(nèi)環(huán)境中原有的外置信源外，額外添加的其他外置信源。

2.1 無額外設(shè)備輔助的智能手機定位

智能手機是當(dāng)今社會人手必備的電子產(chǎn)品，對于個人用戶，LBS的開展大多依賴于智能手機。以智能手機為終端實現(xiàn)室內(nèi)定位有2個優(yōu)勢：一是用戶不需要額外配置其他專門用于室內(nèi)定位的手持終端；二是智能手機內(nèi)置多種可用于室內(nèi)定位的信號接收器和傳感器，包括蜂窩移動信號接收器、WiFi信號接收器、藍(lán)牙信號接收器、加速度計、陀螺儀、磁力計、氣壓計等，盡管這些信號接收器和傳感器都不是為定位專門設(shè)置的，但是它們均可為定位所用。

在無額外設(shè)備輔助的智能手機定位場景中，國內(nèi)目前成型的技術(shù)方案皆以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為核心，利用場景內(nèi)可實時測得的WiFi信號、基站信號信息進(jìn)行輔助定位，利用氣壓計進(jìn)行測高以完成樓層識別，結(jié)合地圖匹配技術(shù)和濾波算法完成定位精度為5~10 m的坐標(biāo)推算。

根據(jù)“2018年室內(nèi)導(dǎo)航定位比測”結(jié)果，無額外設(shè)備輔助的智能手機定位場景下，最優(yōu)的室內(nèi)定位技術(shù)方案為慣導(dǎo)+WiFi+氣壓計+地磁+地圖約束，水平定位精度優(yōu)于3.2 m、高程定位精度優(yōu)于1.2 m（95 %置信區(qū)間）。此場景下影響定位精度的因素主要包括傳感器靈敏度、指紋庫的精度、外置信源的幾何布局和強度，以及信息融合算法對多元定位信息的優(yōu)化程度。

2.2 允許額外設(shè)備輔助的智能手機定位

目前多數(shù)大型公共室內(nèi)環(huán)境中，WiFi、藍(lán)牙和移動蜂窩基站等外置信源的布設(shè)是為了通信而非定位，其布設(shè)密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到室內(nèi)高精度定位的需求。由于室內(nèi)定位精度與外置信源的部署密度呈正相關(guān)，以智能手機為終端的室內(nèi)定位可通過增加額外的WiFi路由器、藍(lán)牙信標(biāo)和移動蜂窩基站等額外輔助設(shè)備來提升定位精度。由于增設(shè)移動蜂窩基站需要運營商完成，實施難度大；因此在以智能手機為終端的室內(nèi)定位場景下，多采用增設(shè)WiFi路由器和藍(lán)牙信標(biāo)的方式。

WiFi信號雖然覆蓋范圍大，但信號易受干擾，同時路由器的部署需要電源和網(wǎng)絡(luò)接口，體積相對較大，部署成本較高；藍(lán)牙信標(biāo)體積小、功耗低，能內(nèi)置電池獨立工作，部署方便：因此國內(nèi)成熟的技術(shù)方案多以添加藍(lán)牙信標(biāo)輔助智能手機定位。

根據(jù)“2018年室內(nèi)導(dǎo)航定位比測”結(jié)果，以藍(lán)牙信標(biāo)為額外輔助設(shè)備，在藍(lán)牙信標(biāo)部署密度受到限制的條件下，智能手機水平定位精度優(yōu)于0.94 m、高程定位精度優(yōu)于0.2 m（95 %置信區(qū)間）。此場景下影響定位精度的因素主要包括額外輔助設(shè)備硬件性能和幾何布局、傳感器靈敏度、指紋庫的精度，以及信息融合算法對多元定位信息的優(yōu)化程度。

2.3 允許額外設(shè)備輔助的其他終端定位

由于智能手機中的信號接收器和傳感器種類及性能有限，對于有室內(nèi)定位高精度需求的應(yīng)用場景，在原有的室內(nèi)環(huán)境中，可額外增加特殊信源，該信源可以是智能手機無法接收的，再根據(jù)信源開發(fā)與之匹配的終端。目前，在允許額外設(shè)備輔助的其他終端定位場景下，國內(nèi)成熟的技術(shù)方案主要有2套方案：一套是基于超寬帶定位技術(shù)的UWB系統(tǒng)；另一套則是基于激光雷達(dá)的即時定位與地圖構(gòu)建（simultaneous localization and mapping, SLAM）系統(tǒng)，都可以保證高精度的專業(yè)室內(nèi)定位需求。

根據(jù)“2018年室內(nèi)導(dǎo)航定位比測”結(jié)果，允許額外設(shè)備輔助的其他終端定位場景下，國內(nèi)專業(yè)技術(shù)團隊采用UWB+慣導(dǎo)+氣壓計方案，實現(xiàn)水平定位精度優(yōu)于0.2 m、高程定位精度優(yōu)于0.1m（95 %置信區(qū)間）。此場景下影響定位精度的因素主要包括定位設(shè)備的選擇及其硬件性能和幾何布局，以及終端的軟硬件設(shè)計。

3 國內(nèi)室內(nèi)定位發(fā)展趨勢

目前國內(nèi)主流的室內(nèi)定位方案主要是針對不同的應(yīng)用需求選用WiFi、藍(lán)牙、UWB、慣導(dǎo)、氣壓計和磁場中2種以上信源，并對不同信源提供的定位信息進(jìn)行融合。與室外相比：室內(nèi)信道環(huán)境和空間拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜，雖然室內(nèi)信源種類繁多，但各種信源都有一定的局限性；不同定位信息的融合目前仍采用最簡單的擴展卡爾曼濾波技術(shù)，不具備抗差能力；室內(nèi)定位方案的選擇多數(shù)以成本和定位精度為衡量指標(biāo)，尚未構(gòu)成與GNSS定位類似的完整的室內(nèi)定位性能評估體系。

結(jié)合國際室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢，考慮目前國內(nèi)室內(nèi)定位技術(shù)的成熟度，可對國內(nèi)室內(nèi)定位的發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)，主要包括以下3個方面：

1）探索新的室內(nèi)定位技術(shù)。由于各種成熟室內(nèi)定位技術(shù)的局限性，國際上開始探索新的室內(nèi)低位技術(shù)，試圖尋找一種服務(wù)性能媲美GNSS的室內(nèi)定位技術(shù)。目前，新室內(nèi)定位技術(shù)的研究熱點集中于視覺、光源、音頻、藍(lán)牙5.0和5G信號。除視覺定位外，其他幾種都需要外置的信號源。視覺定位以相機為傳感器，在場景光線和圖線特征充足的條件下，定位精度可達(dá)分米級甚至厘米級。光源定位技術(shù)即光源編碼定位技術(shù)，以安裝在天花板上的扇格發(fā)光二極管（light emitting diode, LED）光罩為信號源，通過旋轉(zhuǎn)光罩使終端接收扇格在地面的光投影來確定其位置，定位精度可達(dá)厘米級。音頻定位通過測量聲音從音頻基站到終端的傳播距離來確定終端的位置。與WiFi、藍(lán)牙等射頻信號相比，由于聲音的傳播速度慢，因而對時間同步的要求低。例如，要達(dá)到分米級的定位精度，時間同步精度只需0.1 ms。藍(lán)牙5.0與藍(lán)牙4.0相比，在通信速度、功耗、通信距離和容量方面均有顯著提高，單一藍(lán)牙5.0信標(biāo)的信號覆蓋范圍將是藍(lán)牙4.0信標(biāo)的16倍，故藍(lán)牙5.0的使用將大大降低信標(biāo)布設(shè)成本。5G作為新一代的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計時就考慮了室內(nèi)定位的功能，5G白皮書已明確要求室內(nèi)定位精度優(yōu)于1 m；5G信號可能成為室內(nèi)外無縫定位最可靠的信源。上述技術(shù)均處于理論研究階段，從理論研究轉(zhuǎn)換為工程應(yīng)用仍需要突破許多技術(shù)壁壘。

2）發(fā)展多源定位信息融合技術(shù)。由于各類室內(nèi)定位技術(shù)的局限性，將2種以上具備互補特性的定位技術(shù)組合使用以獲得優(yōu)于優(yōu)于單一技術(shù)的定位性能，是目前實現(xiàn)室內(nèi)定位的主流。在選擇定位技術(shù)的基礎(chǔ)上，需設(shè)計高效的信息融合方案以提高系統(tǒng)的定位性能。以高精度或高可靠性的定位源為基準(zhǔn)，采用緊耦合的方式融合其它定位源以獲得位置的最優(yōu)估計，是目前業(yè)界認(rèn)可的信息融合方案設(shè)計基礎(chǔ)。以此為前提，在信息融合過程中增加粗差探測和信源互檢以確保整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是需要進(jìn)一步探討的技術(shù)難點。

3）建立室內(nèi)定位技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。通過目前國內(nèi)外室內(nèi)導(dǎo)航定位技術(shù)的對比，發(fā)現(xiàn)各技術(shù)存在多方面的差異。室內(nèi)定位技術(shù)數(shù)據(jù)來源五花八門，用戶提供、網(wǎng)絡(luò)、線下搜集、信標(biāo)參考等均是可能的來源，而且不同來源的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式、信息量和精度等均有所不同。目前室內(nèi)定位技術(shù)缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，即一套完整的室內(nèi)空間數(shù)據(jù)采集、處理、編碼、更新、集成、應(yīng)用和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范體系，對室內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、處理與集成過程中的元數(shù)據(jù)信息、數(shù)據(jù)模型、交換格式、數(shù)據(jù)精度等具體細(xì)節(jié)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，使得室內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)的生產(chǎn)、更新、維護(hù)和數(shù)據(jù)共享成為可能。

4）建立室內(nèi)定位性能評估體系。GNSS作為一種技術(shù)成熟的室外定位技術(shù)，擁有完整的導(dǎo)航服務(wù)性能評估體系，該評估體系以定位精度、完好性、連續(xù)性和可用性為指標(biāo)，衡量GNSS提供導(dǎo)航服務(wù)的質(zhì)量。其中定位精度是最基礎(chǔ)的導(dǎo)航服務(wù)性能需求。當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)尚未達(dá)到與GNSS相當(dāng)?shù)某墒於?，對其研究焦點還集中在提升定位精度上。但是，隨著室內(nèi)定位技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)定位精度的需求能夠滿足時，為提升服務(wù)質(zhì)量，需額外考慮定位結(jié)果的可靠性、定位服務(wù)的連續(xù)性等其他服務(wù)性能指標(biāo)。與GNSS相比，室內(nèi)定位的實現(xiàn)是多種室內(nèi)定位技術(shù)組合使用的結(jié)果，一套完整的室內(nèi)定位方案往往包含多種異構(gòu)定位源；因此對室內(nèi)定位性能的評估要比對GNSS服務(wù)性能的評估要復(fù)雜的多。考慮到其必要性及實施難度，室內(nèi)定位性能評估體系的建立可作為室內(nèi)定位領(lǐng)域的一個新的研究方向。

4 結(jié)束語

作為LBS的核心技術(shù)之一，室內(nèi)定位技術(shù)在即將到來的人工智能和萬物互聯(lián)時代有著不可或缺的作用，是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點。本文通過對國內(nèi)幾種主流室內(nèi)定位技術(shù)的介紹，以及對不同場景下室內(nèi)定位方案的分析，表明當(dāng)前國內(nèi)室內(nèi)定位技術(shù)亟須進(jìn)一步提升精度，探索新的室內(nèi)定位技術(shù)、進(jìn)一步發(fā)展多源定位信息融合技術(shù)以及建立室內(nèi)定位性能評估體系是國內(nèi)室內(nèi)定位未來的發(fā)展方向。

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Review of development status of indoor location technology in China

YAN Dayu, SONG Wei, WANG Xudan, HU Ziye

（School of Electronic Information and Engineering, Beihang University, Beijing 100091, China）

In order to further study on indoor location technology, the paper introduced the principles and domestic development of several main indoor location technologies, including WiFi, bluetooth, UWB, cellular mobile network, pseudosatellite, inertial navigation and geomagnetism and so on; and discussed the mature technology solutions under three scenarios: smartphone positioning without additional equipments, smartphone positioning with additional assistance and free terminal positioning with additional equipments based on the latest comparison results of domestic indoor location technology; then summarized the development trends of indoor location technology in China, and proposed the improvement and optimization of multi-sensor integrated navigation and positioning schemes and the innovation of emerging indoor positioning technology; finally gave the probability of establishing the indoor location standards and performance system.

location-based service (LBS); indoor location; positioning technology; positioning scheme

P228

A

2095-4999(2019)04-0005-08

閆大禹，宋偉，王旭丹，等.國內(nèi)室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀綜述[J].導(dǎo)航定位學(xué)報,2019,7(4): 5-12.（YAN Dayu, SONG Wei, WANG Xudan,et al.Review of development status of indoor location technology in China[J].Journal of Navigation and Positioning,2019,7(4): 5-12.）

10.16547/j.cnki.10-1096.20190402.

2019-02-20

北航北斗技術(shù)成果轉(zhuǎn)化及產(chǎn)業(yè)化資金資助項目（BARI1806）。

閆大禹（1996—），男，安徽阜陽人，碩士生，研究方向為室內(nèi)定位。

宋偉（1992—），男，河南信陽人，博士生，研究方向為導(dǎo)航定位。