室内定位技术发展与研究综述

室内定位技术发展与研究综述

黄林 乌尼尔 马瑞强 武文红

（内蒙古工业大学信息工程学院，呼和浩特市  010000）

摘 要：GPS全球定位系统提供了完善的室外定位导航服务，但是由于信号遮挡问题，导致这一定位方式并不适用于室内。因此，室内定位导航技术成为近年来研究的重点和热点。首先介绍目前主流的室内定位技术，包括每种不同定位技术的优缺点和最新的研究进展，然后总结目前室内定位技术发展过程中所面临的挑战。

关键词：位置服务；室内定位；定位技术 

0 引言

美国的GPS定位系统和中国的北斗卫星导航系统提供了室外定位导航服务的技术支撑，这种基于卫星信号的定位方式技术成熟、定位精度高、实时性好、抗干扰能力强，但是由于卫星信号容易被遮挡、室内

环境复杂多变等原因导致这种定位方式无法应用于室内。然而，地下车库停车路线规划、商场购物引导、

火灾救援等发生在室内场景的定位需求，推动了室内定位技术的发展，如何实现精准可靠的室内定位成为

近年来研究的重点。

室内定位是指在室内环境中实现位置定位,主要在采用无线通讯、基站定位以及融合其他技术的基础上形成一套室内定位技术体系，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控[1]。从目前来看，有多种技术解决方案能够完成室内定位的功能，主流且较为成熟的定位技术有Wi-Fi、蓝牙、超声波、惯导、光定位（红外）、地磁、二维码等。采用单一的定位技术由于技术本身固有的缺陷往往无法满足人们对于定位的实时性、准确性需求，再加上室内复杂的环境和多径效应的影响，故多种定位技术的融合是将来室内定位发展的必然趋势[2-3]。

1 室内定位技术

从室内定位技术的实现原理上看，有邻近检测[4]、接收信息强度指示（RSSI）[5]，以及到达时间（TOA）[6]、到达时间差（TDOA）[7]、到达角度（AOA）[8]等几种方式，再结合几何上的算法，如多变定位法、三角定位法、双曲线法等[4]。从具体实现方式上看，有多种技术能在上述定位方法的基础上实现室内定位功能，下面对主流的相对成熟的室内定位技术进行简要介绍。

1.1  RFID室内定位技术

基于RFID的室内定位方法就是通过已知位置的读写器，对标签进行定位，可以分为非测距方法和测距方法。基于测距的方法是指通过各种测距技术对目标设备与各标签之间的实际距离进行估计，再通过几何方式来估计目标设备的位置。常用的基于测距的定位方法有：基于信号到达时间（Time of Arrival，TOA）定位、基于信号到达时间差（Time Difference of Arrival，TDOA）定位、基于RSSI定位、基于信号到达角（Angle of Arrival，AOA）等。这些技术与UWB、Wi-Fi中采用的技术原理一致，只是RFID信号的传播距离受到能量的约束而非常近，一般只有几米到几十米距离。

1.2 Wi-Fi定位技术

Wi-Fi定位，2010年前后，开始在基于定位标签的人员监控行业领域应用起来，2013年，基于手机的Wi-Fi探测等应用也随之崭露头角。

目前，Wi-Fi定位是比较流行的一种室内定位技术，其定位方法是基于信号强度的传播模型法和指纹识别法。

信号强度的传播模型法，是指使用当前环境下假设的某种信道衰落模型，根据其数学关系估计终端与已知位置AP间的距离，如果用户听到多个AP信号，就可以通过三边定位算法来获得用户的位置信息；指纹识别法，则是基于Wi-Fi信号的传播特点，将多个AP的检测数据组合成指纹信息，通过与参考数据对比来估计移动物体可能的位置。

在定位精度为米级的一些场景，可利用Wi-Fi进行覆盖，该技术适用于对人/车的定位导航，医疗机构、商场、主题公园等场景。

1.3 超声波技术
超声波定位主要采用反射式测距法，通过多边定位等方法确定物体位置，系统由一个主测距器和若干接收器组成，主测距仪可放置在待测目标上，接收器固定于室内环境中。定位时，向接收器发射同频率的信号，接收器接收后又反射传输给主测距器，根据回波和发射波的时间差计算出距离，从而确定位置。
 目前，比较流行的基于超声波定位技术的技术还有下面两种：一种为将超声波与射频技术结合进行定位。由于射频信号传输速率接近光速，远高于射频速率，那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号，利用时间差的方法测距。这种技术成本低，功耗小，精度高。另一种为多超声波定位技术。该技术采用全局定位，可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器，将待定位空间分区，由超声波传感器测距形成坐标，总体把握数据，抗干扰性强，精度高，而且可以解决机器人迷路问题。

1.4 红外线定位技术
　　
  红外线室内定位有两种，第一种是被定位目标使用红外线IR标识作为移动点，发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位;第二种是通过多对发射器和接收器织红外线网覆盖待测空间，直接对运动目标进行定位。　

　 红外线的技术已经非常成熟，用于室内定位精度相对较高，但是由于红外线只能视距传播，穿透性极差（可以参考家里的电视遥控器），当标识被遮挡时就无法正常工作，也极易受灯光、烟雾等环境因素影响明显。加上红外线的传输距离不长，使其在布局上，无论哪种方式，都需要在每个遮挡背后、甚至转角都安装接收端，布局复杂，使得成本提升，而定位效果有限。红外线室内定位技术比较适用于实验室对简单物体的轨迹精确定位记录以及室内自走机器人的位置定位。

2面临的挑战

室内定位技术所面临的挑战，如果室内定位技术要广泛使用，这些技术挑战需要很好的解决。首先，精度和可靠性，现有的单一定位技术很难满足不同的精度和环境动态特性所带来的可靠性要求。

其次，从提高覆盖的角度，现有的技术基本上都依赖定位数据库，而数据库的产生大多依赖人工的现场勘测，这样带来的布局和维护成本很高。最后一点，从用户体验的角度，要求所采用的定位技术功耗低，不增加额外成本。

室内定位技术已经有了很多发展，提出了各种解决方案。这些解决方案各存在不同的优势，同时也有各种局限，从而使单一的技术不能满足以上所提出的这些挑战。当前室内定位技术的发展趋势是采取多种技术的融合，以达到充分发挥单一技术的优势，并相互弥补不足，从而满足不同的要求所提出的技术挑战，达到最优的解决方案。

3 结语

综上可知,室内定位应用环境复杂需求多样,研究人员针对各种室内应用场景,开发了适应不同需求的定位方法和技术,定位精度、稳健性等指标不断提高,但是室内定位技术种类偏多,尚未形成普适性的解决方案,一定程度阻碍了行业发展。当前室内定位技术研究,呈现出GPS位置信息、惯导信息、移动基站定位信息和其它信息深度融合,多种方法优势互补、多学科相互交叉、多源信号处理、多元信息融合发展的趋势,各类技术相互汲取优势弥补不足,不断迭代演进是基本发展途径,随着的物联网、无线通信等技术的发展和普及,更加完备优化的室内定位方法和技术将不断涌现,室内定位应用将迎来新的发展机遇,在经济社会发展中发挥重要作用。

参考文献

[1] 阮陵,张翎,许越等 . 室内定位 : 分类、方法与应用综述 [J]. 地理信息世界 ,2015,22(2):8-14.

[2] 宋欣 . 多传感融合的室内定位技术研究 [D]. 上海 : 上海交通大学 ,2013.

[3] 华蕊 , 郝永平 , 杨芳 . 超声波定位系统的设计 [J]. 国外电子测量技术 ,2009,(6):65-67.

[4] 杨铮 , 吴陈沭 , 刘云浩 . 位置计算 : 无线网络定位于可定位性 [M].北京 : 清华大学出版社 ,2014.89-90.

[5] 邓中亮 , 余彦培 , 袁协 . 室内定位现状与发展趋势研究 [J]. 中国通信 ,2013,10(3):42-55.