室內(nèi)定位技術(shù)概述

在接近五十年的發(fā)展歷程中，GNSS定位技術(shù)曾遭遇過(guò)許多的挑戰(zhàn)和阻礙，但通過(guò)不斷提升自身的可用性和精確度，以及與各類(lèi)成熟或新興技術(shù)的相互融合，GNSS定位一次又一次成功地沖破障礙并邁向新的高度。如今，面對(duì)室內(nèi)定位這一全新的應(yīng)用領(lǐng)域，GNSS定位正面臨著新的技術(shù)挑戰(zhàn)。衛(wèi)星定位信號(hào)有僅能在視距內(nèi)傳輸?shù)墓逃邢拗疲虼穗y以在室內(nèi)環(huán)境下對(duì)其進(jìn)行接收。而來(lái)自社交網(wǎng)絡(luò)和商業(yè)位置感知應(yīng)用具有強(qiáng)勁需求，室內(nèi)定位技術(shù)已成為當(dāng)前最為熱門(mén)的研究領(lǐng)域之一。隨著智能手機(jī)的迅速普及，室內(nèi)定位應(yīng)用已逐漸走入人們的視野，智能手機(jī)內(nèi)置的慣性傳感器和Wi-Fi通信模塊不僅能夠提升衛(wèi)星定位的精度，同時(shí)也可在最近一次衛(wèi)星定位結(jié)果的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)精確的室內(nèi)定位。包括諾基亞、索尼和三星等在內(nèi)的22家企業(yè)也共同成立了In-Location室內(nèi)定位聯(lián)盟，并承諾共同開(kāi)展室內(nèi)定位研究、開(kāi)放接口及啟動(dòng)室內(nèi)定位標(biāo)準(zhǔn)化等相關(guān)工作（彭宇等，2011）。

室內(nèi)定位技術(shù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及趨勢(shì)

社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展促使人們對(duì)定位與導(dǎo)航的需求日益增大，目前使用最廣泛的是GNSS定位技術(shù)。但是當(dāng)GNSS接收機(jī)在室內(nèi)工作時(shí)，信號(hào)受到建筑物的影響而大大衰減，定位精確度低，無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)活動(dòng)頻繁的室內(nèi)定位導(dǎo)航（基于位置服務(wù)）的需求。為此，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者們探索了很多技術(shù)方法以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)室內(nèi)定位的需求，提出了許多室內(nèi)定位技術(shù)和室內(nèi)定位系統(tǒng)。常用的室內(nèi)定位技術(shù)主要包括基于超聲波定位技術(shù)、基于紅外線(xiàn)的定位技術(shù)、基于超寬帶的定位技術(shù)、射頻識(shí)別定位技術(shù)等。

1基于超聲波的定位技術(shù)

基于超聲波的定位目前大多數(shù)采用反射式測(cè)距法。系統(tǒng)由一個(gè)主測(cè)距器和若干個(gè)電子標(biāo)簽組成，主測(cè)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(guò)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(cè)距器，從而可以確定各個(gè)電子標(biāo)簽到主測(cè)距器之間的距離，并得到定位坐標(biāo)。目前，比較流行的基于超聲波室內(nèi)定位的技術(shù)還有以下兩種：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(cè)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。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(cè)距形成坐標(biāo)。該技術(shù)抗干擾性強(qiáng)、精度高，而且可以解決機(jī)器人迷路問(wèn)題?；诔暡ǖ亩ㄎ患夹g(shù)精度可達(dá)厘米級(jí)，主要缺陷為超聲波在傳輸過(guò)程中衰減明顯，從而影響其定位的有效范圍。

2基于紅外線(xiàn)的定位技術(shù)

紅外線(xiàn)是一種波長(zhǎng)間于無(wú)線(xiàn)電波和可見(jiàn)光波之間的電磁波。典型的基于紅外線(xiàn)的室內(nèi)定位系統(tǒng)Activebadges為待測(cè)物體附上一個(gè)電子標(biāo)識(shí)，該標(biāo)識(shí)通過(guò)紅外發(fā)射機(jī)向室內(nèi)固定放置的紅外接收機(jī)周期發(fā)送該待測(cè)物唯一ID號(hào)，接收機(jī)再通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù)，但這個(gè)定位技術(shù)功耗較大且常常會(huì)受到室內(nèi)墻體或物體的阻隔，實(shí)用性較低。如果將紅外線(xiàn)與超聲波技術(shù)相結(jié)合也可方便地實(shí)現(xiàn)定位功能，即用紅外線(xiàn)觸發(fā)定位信號(hào)使參考點(diǎn)的超聲波發(fā)射器向待測(cè)點(diǎn)發(fā)射超聲波，應(yīng)用TOA基本算法，通過(guò)計(jì)時(shí)器測(cè)距定位。該技術(shù)一方面降低了功耗，另一方面避免了超聲波反射式定位技術(shù)傳輸距離短的缺陷，使得紅外技術(shù)與超聲波技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)?；诩t外線(xiàn)定位技術(shù)的定位精度為5~10m，主要缺陷為紅外線(xiàn)在傳輸過(guò)程中易受物體或墻體阻隔且傳輸距離較短，定位系統(tǒng)更為復(fù)雜，有效性和實(shí)用性較其他技術(shù)仍有差距。

3 基于超寬帶的定位技術(shù)

超寬帶技術(shù)是近年來(lái)新興的一項(xiàng)無(wú)線(xiàn)技術(shù)，目前，包括美國(guó)、日本、加拿大等在內(nèi)的國(guó)家都在研究這項(xiàng)技術(shù)，在無(wú)線(xiàn)室內(nèi)定位領(lǐng)域具有良好的前景。超寬帶技術(shù)是一種傳輸速率高（最高可達(dá)1000Mbps以上），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(wú)線(xiàn)技術(shù)。超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA演示測(cè)距定位算法，即基于信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差，通過(guò)雙曲線(xiàn)交叉來(lái)定位超寬帶系統(tǒng)。定位過(guò)程中由超寬帶接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的超寬帶信號(hào)，通過(guò)過(guò)濾電磁波傳輸過(guò)程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號(hào)，再通過(guò)中央處理單元進(jìn)行測(cè)距定位計(jì)算分析。基于超寬帶技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)典型實(shí)例為Ubisense，其定位方法為三邊定位，基于超寬帶的定位技術(shù)的定位精度為6~10cm，主要缺陷為造價(jià)較高。

4 基于射頻識(shí)別的定位技術(shù)

基于射頻識(shí)別的定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常方便，而且系統(tǒng)受環(huán)境的干擾較小，電子標(biāo)簽信息可以編輯改寫(xiě)，比較靈活。射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency IDentification）技術(shù)是一種操控簡(jiǎn)易，適用于自動(dòng)控制領(lǐng)域的技術(shù)，它利用了電感和電磁耦合或雷達(dá)反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。射頻（RF，Radio Frequency）是具有一定波長(zhǎng)的電磁波，它的頻率描述為kHz、MHz、GHz，范圍從低頻到微波不一。該系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、射頻讀寫(xiě)器、中間件以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)組成。射頻標(biāo)簽和讀寫(xiě)器是通過(guò)由天線(xiàn)架起的空間電磁波的傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。在定位系統(tǒng)應(yīng)用中，將射頻讀寫(xiě)器放置在待測(cè)移動(dòng)物體上，射頻電子標(biāo)簽嵌入到操作環(huán)境中。電子標(biāo)簽上存儲(chǔ)有位置識(shí)別的信息，讀寫(xiě)器則通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)形式連接到信息數(shù)據(jù)庫(kù)。RFID常用頻段包括低頻、高頻、超高頻、微波。在射頻識(shí)別定位技術(shù)中，WLAN和ZigBee是主要的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）WLAN技術(shù)

基于IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到室內(nèi)定位系統(tǒng)，在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的接入點(diǎn)或是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡都可以方便測(cè)得無(wú)線(xiàn)信號(hào)的強(qiáng)度，利用這一點(diǎn)可以通過(guò)匹配信號(hào)強(qiáng)度的方法進(jìn)行定位。位置指紋法是一種常用的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)，典型的系統(tǒng)是RADAR原型系統(tǒng)，由微軟研發(fā)?；赗SSI技術(shù)的RADAR室內(nèi)定位系統(tǒng)運(yùn)行分兩個(gè)過(guò)程，分別是先在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域?qū)υO(shè)置的若干個(gè)固定點(diǎn)離線(xiàn)采集其位置信息以及信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)中心形成位置指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，再對(duì)實(shí)時(shí)待測(cè)物所測(cè)算得到信號(hào)強(qiáng)度利用最近鄰居法分析匹配出其位置。該技術(shù)的定位精度為2~3m，主要缺陷為采集數(shù)據(jù)工作量大，而且為了達(dá)到較高的精度，固定點(diǎn)的位置測(cè)算設(shè)置比較繁瑣（顧宗海，2011）。
（2）ZigBee技術(shù)

應(yīng)用于較短距離無(wú)線(xiàn)通信，主要面向無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN， Personal Area Network），網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在應(yīng)用中表現(xiàn)出近距離，低功耗，低成本等特征，這些都可以滿(mǎn)足室內(nèi)定位系統(tǒng)的要求和條件。應(yīng)用ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)是通過(guò)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置參考節(jié)點(diǎn)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成系統(tǒng)的，參考節(jié)點(diǎn)為靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，它們發(fā)送位置信息和RSSI值給移動(dòng)待測(cè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入定位模塊，分析計(jì)算得到自身位置。該系統(tǒng)常采用分布式節(jié)點(diǎn)設(shè)置，可以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)工作量和通信延遲的問(wèn)題。該技術(shù)的定位精度為2m以?xún)?nèi)，平均1m，技術(shù)的主要缺陷為網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性還有待提高，易受環(huán)境干擾（李魏峰等，2010）。

室內(nèi)定位技術(shù)在數(shù)字城市中的應(yīng)用

室內(nèi)定位技術(shù)在數(shù)字城市中非常實(shí)用，在復(fù)雜數(shù)字城市環(huán)境下，如圖書(shū)館、體育館、地下車(chē)庫(kù)、貨品倉(cāng)庫(kù)等都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人員以及物品的快速定位，在場(chǎng)館導(dǎo)覽、商品導(dǎo)購(gòu)、人員定位、物流運(yùn)輸?shù)确矫娴膽?yīng)用具有較大的拓展空間。當(dāng)前，以蘋(píng)果公司iPhone、iPad 為代表的智能手持設(shè)備不僅數(shù)據(jù)處理能力大幅增強(qiáng)，而且整合了加速度計(jì)、陀螺儀等微機(jī)電系統(tǒng)傳感器，同時(shí)還擁有極強(qiáng)的軟件擴(kuò)展能力，成為可搭載慣性室內(nèi)定位系統(tǒng)的優(yōu)良載體，從而為數(shù)字城市室內(nèi)建模導(dǎo)航奠定了應(yīng)用基礎(chǔ)。

 圖文摘錄于《走向大數(shù)據(jù)——從數(shù)字北京到智慧北京》一書(shū)

如需本書(shū)，請(qǐng)?jiān)谖⑿牌脚_(tái)留言聯(lián)系我們