主流室內(nèi)定位技術(shù)

印寧華|印寧華|Indining China|

2022-03-27 05:59:40 23

室內(nèi)定位技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，可與寬帶移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算等技術(shù)相結(jié)合，形成新型綜合應(yīng)用，在提升*空間基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)能力和服務(wù)水平，提升城市在重大災(zāi)害、公共安全和應(yīng)急救援領(lǐng)域的服務(wù)能力，助力醫(yī)療健康和養(yǎng)老等社會(huì)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化、定制化的進(jìn)程，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新融合發(fā)展。

目前室內(nèi)定位常用的定位方法，從原理上主要分為七種：鄰近探測法、質(zhì)心定位法、多邊定位法、三角定位法、極點(diǎn)法、指紋定位法和航位推算法。

人的定位：敏感區(qū)域的訪客，養(yǎng)老院的老人，醫(yī)院恢復(fù)的病人，工地的工人，巡更人員。

物的定位：金融抵押車輛，購物手推車，倉儲(chǔ)托盤，文物展品，出產(chǎn)設(shè)備等。

上面這些運(yùn)用的共性，就是需求集中在一個(gè)限制區(qū)域內(nèi)找到方針，因此叫做室內(nèi)定位。常用的室內(nèi)定位技能主要有RFID，紅外線，超聲波，2.4GHz的ZigBee、WiFi、藍(lán)牙(RSSI, AOA/AOD, HADM, WIRA)，UWB等。這些技能各有好壞，例如RFID有方向性，UWB超寬帶限制覆蓋范圍，2.4GHz多徑攪擾嚴(yán)重等，不能一招走遍全國。其中，蘋果公司在2013年發(fā)布了iBeacon技能，期望運(yùn)用藍(lán)牙布置的便利性來完成室內(nèi)定位和*營銷。

根據(jù)上面介紹的定位原理和觀測量，衍生出了多種室內(nèi)定位技術(shù)，下面將對主流的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行簡要介紹。

1.WiFi定位技術(shù)

目前WiFi是相對成熟且應(yīng)用較多的技術(shù)，這幾年有不少公司投入到了這個(gè)領(lǐng)域。WiFi室內(nèi)定位技術(shù)主要有兩種。

WiFi定位一般采用“近鄰法”判斷，即最靠近哪個(gè)熱點(diǎn)或基站，即認(rèn)為處在什么位置，如附近有多個(gè)信源，則可以通過交叉定位(三角定位)，提高定位精度。

由于WiFi已普及，因此不需要再鋪設(shè)專門的設(shè)備用于定位。用戶在使用智能手機(jī)時(shí)開啟過Wi-Fi、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，就可能成為數(shù)據(jù)源。該技術(shù)具有便于擴(kuò)展、可自動(dòng)更新數(shù)據(jù)、成本低的優(yōu)勢，因此最先實(shí)現(xiàn)了規(guī)模化。

不過，WiFi熱點(diǎn)受到周圍環(huán)境的影響會(huì)比較大，精度較低。為了做得準(zhǔn)一點(diǎn)有公司就做了WiFi指紋采集，事先記錄巨量的確定位置點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，通過用新加入的設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度對比擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，來確定位置。由于采集工作需要大量的人員來進(jìn)行，并且要定期進(jìn)行維護(hù)，技術(shù)難以擴(kuò)展，很少有公司能把國內(nèi)的這么多商場定期的更新指紋數(shù)據(jù)。

WiFi定位可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位，但精度只能達(dá)到2米左右，無法做到*定位。因此適用于對人或者車的定位導(dǎo)航，可以于醫(yī)療機(jī)構(gòu)、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導(dǎo)航的場合。

2.FRID定位

RFID定位的基本原理是，通過一組固定的閱讀器讀取目標(biāo)RFID標(biāo)簽的特征信息(如身份ID、接收信號(hào)強(qiáng)度等)，同樣可以采用近鄰法、多邊定位法、接收信號(hào)強(qiáng)度等方法確定標(biāo)簽所在位置。

這種技術(shù)作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，成本較低。同時(shí)由于其非接觸和非視距等優(yōu)點(diǎn)，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。

目前，射頻識(shí)別研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)在于理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標(biāo)準(zhǔn)化等問題。優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)識(shí)的體積比較小，造價(jià)比較低，但是作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中，無法做到*定位，布設(shè)讀卡器和天線需要有大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)難度大。

3.紅外技術(shù)

紅外線是一種波長在無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外定位主要有兩種具體實(shí)現(xiàn)方法，一種是將定位對象附上一個(gè)會(huì)發(fā)射紅外線的電子標(biāo)簽，通過室內(nèi)安放的多個(gè)紅外傳感器測量信號(hào)源的距離或角度，從而計(jì)算出對象所在的位置。

這種方法在空曠的室內(nèi)容易實(shí)現(xiàn)較高精度，可實(shí)現(xiàn)對紅外輻射源的被動(dòng)定位，但紅外很容易被障礙物遮擋，傳輸距離也不長，因此需要大量密集部署傳感器，造成較高的硬件和施工成本。此外紅外易受熱源、燈光等干擾，造成定位精度和準(zhǔn)確度下降。

該技術(shù)目前主要用于軍事上對飛行器、坦克、導(dǎo)彈等紅外輻射源的被動(dòng)定位，此外也用于室內(nèi)自走機(jī)器人的位置定位。

另一種紅外定位的方法是紅外織網(wǎng)，即通過多對發(fā)射器和接收器織成的紅外線網(wǎng)覆蓋待測空間，直接對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位。

這種方式的優(yōu)勢在于不需要定位對象攜帶任何終端或標(biāo)簽，隱蔽性強(qiáng)，常用于安防領(lǐng)域。劣勢在于要實(shí)現(xiàn)精度較高的定位需要部署大量紅外接收和發(fā)射器，成本非常高，因此只有高等級的安防才會(huì)采用此技術(shù)。

4.超聲波技術(shù)

超聲波定位目前大多數(shù)采用反射式測距法。系統(tǒng)由一個(gè)主測距器和若干個(gè)電子標(biāo)簽組成，主測距器可放置于移動(dòng)機(jī)器人本體上，各個(gè)電子標(biāo)簽放置于室內(nèi)空間的固定位置。

定位過程如下：先由上位機(jī)發(fā)送同頻率的信號(hào)給各個(gè)電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽接收到后又反射傳輸給主測距器，從而可以確定各個(gè)電子標(biāo)簽到主測距器之間的距離，并得到定位坐標(biāo)。

目前，比較*的基于超聲波室內(nèi)定位的技術(shù)還有兩種：一種為將超聲波與射頻技術(shù)結(jié)合進(jìn)行定位。由于射頻信號(hào)傳輸速率接近光速，遠(yuǎn)高于射頻速率，那么可以利用射頻信號(hào)先激活電子標(biāo)簽而后使其接收超聲波信號(hào)，利用時(shí)間差的方法測距。這種技術(shù)成本低，功耗小，精度高。另一種為多超聲波定位技術(shù)。該技術(shù)采用全局定位，可在移動(dòng)機(jī)器人身上4個(gè)朝向安裝4個(gè)超聲波傳感器，將待定位空間分區(qū)，由超聲波傳感器測距形成坐標(biāo)，總體把握數(shù)據(jù)，抗干擾性強(qiáng)，精度高，而且可以解決機(jī)器人迷路問題。

超聲波定位精度可達(dá)厘米級，精度比較高。缺陷是超聲波在傳輸過程中衰減明顯從而影響其定位有效范圍。

5.藍(lán)牙技術(shù) (RSSI, AOA/AOD, HADM, WIRA)

藍(lán)牙定位基于RSSI(Received Signal Strength Indication，信號(hào)場強(qiáng)指示)定位原理。根據(jù)定位端的不同，藍(lán)牙定位方式分為網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位和終端側(cè)定位。

網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位系統(tǒng)由終端(手機(jī)等帶低功耗藍(lán)牙的終端)、藍(lán)牙beacon節(jié)點(diǎn)，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，無線局域網(wǎng)及后端數(shù)據(jù)服務(wù)器構(gòu)成。其具體定位過程是：

1)首先在區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)beacon和藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)。

2)當(dāng)終端進(jìn)入beacon信號(hào)覆蓋范圍，終端就能感應(yīng)到beacon的廣播信號(hào)，然后測算出在某beacon下的RSSI值通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)經(jīng)過wifi網(wǎng)絡(luò)傳送到后端數(shù)據(jù)服務(wù)器，通過服務(wù)器內(nèi)置的定位算法測算出終端的位置。

終端側(cè)定位系統(tǒng)由終端設(shè)備(如嵌入SDK軟件包的手機(jī))和beacon組成。其具體定位原理是：

1)首先在區(qū)域內(nèi)鋪設(shè)藍(lán)牙信標(biāo)

2)beacon不斷的向周圍廣播信號(hào)和數(shù)據(jù)包

3)當(dāng)終端設(shè)備進(jìn)入beacon信號(hào)覆蓋的范圍，測出其在不同基站下的RSSI值，然后再通過手機(jī)內(nèi)置的定位算法測算出位置。

終端側(cè)定位一般用于室內(nèi)定位導(dǎo)航，*位置營銷等用戶終端;而網(wǎng)絡(luò)側(cè)定位主要用于人員跟蹤定位，資產(chǎn)定位及客流分析等情境之中。藍(lán)牙定位的優(yōu)勢在于實(shí)現(xiàn)簡單，定位精度和藍(lán)牙信標(biāo)的鋪設(shè)密度及發(fā)射功率有密切關(guān)系。并且非常省電，可通過深度睡眠、免連接、協(xié)議簡單等方式達(dá)到省電目的。

Angle of Arrival (AoA)

該技術(shù)計(jì)算信號(hào)從UD到ANs的角度，然后繪制UD可能存在的區(qū)域，如圖所示。基本上，這個(gè)區(qū)域是一條與ANs有一定角度的直線，雖然估計(jì)UD的位置至少需要兩個(gè)ANs，但如果AoA估計(jì)中出現(xiàn)一個(gè)小的誤差，位置估計(jì)誤差可能會(huì)很大。因此，基于AoA的技術(shù)對于定位效果有限，除非它與大型天線陣列一起使用。

6.慣性導(dǎo)航技術(shù)

這是一種純客戶端的技術(shù)，主要利用終端慣性傳感器采集的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，如加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等信息，基于航位推測法，經(jīng)過各種運(yùn)算得到物體的位置信息。

隨著行走時(shí)間增加，慣性導(dǎo)航定位的誤差也在不斷累積。需要外界更高精度的數(shù)據(jù)源對其進(jìn)行校準(zhǔn)。所以現(xiàn)在慣性導(dǎo)航一般和WiFi指紋結(jié)合在一起，每過一段時(shí)間通過WiFi請求室內(nèi)位置，以此來對MEMS產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正。該技術(shù)目前的商用得也比較成熟，在掃地機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。

7. LoRa中長距室內(nèi)定位技術(shù)

LoRa Geolocation是面向低功率廣域網(wǎng)的無GPS解決方案。作為LoRa無線RF平臺(tái)的主要增強(qiáng)功能，Semtech的LoRa地理位置解決方案將能夠?qū)崿F(xiàn)作為整體解決方案中一部分需要位置確定的應(yīng)用。這種新功能由現(xiàn)有的LoRa終端節(jié)點(diǎn)支持，消除了額外的成本，并且不需要額外的處理能力，同時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù)和位置的最佳安全性。LoRaWAN傳感器現(xiàn)在可以支持跟蹤應(yīng)用，通過使用到達(dá)時(shí)間差技術(shù)來確定接近的位置。

比較而言，RFID的方向性可能導(dǎo)致漏讀或死角。LoRa成為了最合適的挑選：將主打公里級、低功耗傳輸技能的LoRa，與主打米級、低功耗傳輸技能的藍(lán)牙進(jìn)行跨界混搭，立異性地找到了室內(nèi)定位面臨的精度、功耗、成本、布置靈活性之間的平衡點(diǎn)！

8.超寬帶(UWB)定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)是近年來新興一項(xiàng)全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信無線新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.1~10.6GHz量級的帶寬。目前，包括美國，日本，加拿大等在內(nèi)的*都在研究這項(xiàng)技術(shù)，在無線室內(nèi)定位領(lǐng)域具有*的前景。

UWB技術(shù)是一種傳輸速率高，發(fā)射功率較低，穿透能力較強(qiáng)并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，無載波。正是這些優(yōu)點(diǎn)，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域得到了較為精確的結(jié)果。

超寬帶(UWB)定位技術(shù)利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點(diǎn)和橋節(jié)點(diǎn)，與新加入的盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，并利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置。

超寬帶可用于室內(nèi)精確定位，例如戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)跟蹤等。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強(qiáng)、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點(diǎn)。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動(dòng)物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。根據(jù)不同公司使用的技術(shù)手段或算法不同，精度可保持在0.1m—0.5m。

9.LED可見光技術(shù)

可見光是一個(gè)新興領(lǐng)域，通過對每個(gè)LED燈進(jìn)行編碼，將ID調(diào)制在燈光上，燈會(huì)不斷發(fā)射自己的ID，通過利用手機(jī)的前置攝像頭來識(shí)別這些編碼。利用所獲取的識(shí)別信息在地圖數(shù)據(jù)庫中確定對應(yīng)的位置信息，完成定位。

根據(jù)燈光到達(dá)的角度進(jìn)一步細(xì)化定位的結(jié)果，高通公司做到了厘米級定位精度。由于不需要額外部署基礎(chǔ)設(shè)施，終端數(shù)量的擴(kuò)大對性能沒有任何的影響，并且可以達(dá)到一個(gè)非常高的精度，該技術(shù)被高通公司所看好。

目前，可見光技術(shù)在北美有很多商場已經(jīng)在部署。用戶下載應(yīng)用后，到達(dá)商場里的某一個(gè)貨架，通過檢測貨架周圍的燈光即可知曉位置，商家在通過這樣的方法向消費(fèi)者推動(dòng)商品的折扣等信息。

10.地磁定位技術(shù)

地球可視為一個(gè)磁偶極，其中一極位在地理北極附近，另一極位在地理南極附近。地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個(gè)部分。基本磁場是地磁場的主要部分，起源于地球內(nèi)部，比較穩(wěn)定，屬于靜磁場部分。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源于地球內(nèi)部，相對比較微弱。

現(xiàn)代建筑的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)在局部范圍內(nèi)對地磁產(chǎn)生擾亂，指南針可能也會(huì)因此受到影響。原則上來說，非均勻的磁場環(huán)境會(huì)因其路徑不同產(chǎn)生不同的磁場觀測結(jié)果。而這種被稱為IndoorAtlas的定位技術(shù)，正是利用地磁在室內(nèi)的這種變化進(jìn)行室內(nèi)導(dǎo)航，并且導(dǎo)航精度已經(jīng)可以達(dá)到0.1米到2米。

不過使用這種技術(shù)進(jìn)行導(dǎo)航的過程還是稍顯麻煩。你需要先將室內(nèi)樓層平面圖上傳到IndoorAtlas提供的地圖云中，然后你需要使用其移動(dòng)客戶端實(shí)地記錄目標(biāo)地點(diǎn)不同方位的地磁場。記錄的地磁數(shù)據(jù)都會(huì)被客戶端上傳至云端，這樣其它人才能利用已記錄過的地磁進(jìn)行精確室內(nèi)導(dǎo)航。

11.視覺定位

視覺定位系統(tǒng)可以分為兩類，一類是通過移動(dòng)的傳感器(如攝像頭)采集圖像確定該傳感器的位置，另一類是固定位置的傳感器確定圖像中待測目標(biāo)的位置。根據(jù)參考點(diǎn)選擇不同又可以分為參考三維建筑模型、圖像、預(yù)部署目標(biāo)、投影目標(biāo)、參考其他傳感器和無參考。

參考3D建筑模型和圖像分別是以已有建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫和預(yù)先標(biāo)定圖像進(jìn)行比對。而為了提高魯棒性，參考預(yù)部署目標(biāo)使用布置好的特定圖像標(biāo)志(如二維碼)作為參考點(diǎn);投影目標(biāo)則是在參考預(yù)部署目標(biāo)的基礎(chǔ)上在室內(nèi)環(huán)境投影參考點(diǎn)。參考其他傳感器則可以融合其他傳感器數(shù)據(jù)以提高精度、覆蓋范圍或魯棒性。

除了以上提及的，目前來看定位技術(shù)的種類有幾十甚至上百種，而每種定位技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和適合的應(yīng)用場景，沒有*的勝負(fù)之分，從需求角度來說，室內(nèi)定位可以通過不同技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，對于位置基站、終端根據(jù)應(yīng)用場景和要求來選擇適合的技術(shù)方案。主要看對精度、鋪設(shè)成本、終端類型尺寸及成本等方面的需求，根據(jù)不用的需求因地制宜的部署解決方案，方為上策。

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