室內定位技術專利分析

王卓然，白紅昌

室內定位技術專利分析

王卓然，白紅昌*

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南 鄭州 450018）

隨著基于位置的服務（LBS）在移動互聯時代的快速發展，傳統衛星定位技術已無法滿足室內定位的需求。近年來室內定位技術的發展已經形成單節點定位、多節點定位和融合定位的發展方向，并在室內定位和導航的多種場景下得到廣泛的應用。針對室內定位領域的專利情況進行分析，具體從專利申請量、專利申請人、技術分支的發展和重點專利分析等方面對室內定位技術進行分析，并在此基礎上獲得室內定位技術的發展態勢，能夠便于相關企業和研究機構了解室內定位技術發展的動向。

室內定位；專利分析；Wi-Fi定位；LBS

1 研究背景

隨著GPS、北斗等衛星導航技術的發展，利用衛星導航系統為用戶提供位置服務已經成為移動互聯網時代發展的新主流。然而，越來越多的第三方移動互聯服務聚集在商場、寫字樓等室內環境為用戶提供移動互聯服務，而傳統的衛星導航由于信號遮蔽的影響，已經不再能夠勝任提供位置服務的最佳角色，而為了能夠提供室內無縫的位置服務，室內定位技術應運而生[1]。室內定位著眼于為室內環境提供優質而精準的定位服務，根據室內定位算法的類型將室內定位分為單節點室內定位、多節點室內定位和融合室內定位算法[2-3]。本文主要從以上幾個方面對室內定位技術進行概述，介紹其所涉及的算法在專利文獻庫的分布情況，以期得到室內定位技術的專利申請現狀和技術發展的脈絡。

2 專利申請現狀

本節主要基于專利平臺分析了室內定位的研究現狀。通過分類號（H04W64+ or G01C21+ or G01S5+）+關鍵詞（室內定位；indoor localization），檢索關于室內定位的相關專利。截至目前，檢索到關于室內定位的申請共630件，其中國內申請量為357件，國外申請量為273件，下面對以上630件專利進行分析。

2.1 專利申請量

室內定位專利的各年度的專利申請量如圖1所示。從圖1可以看出2012年以后室內定位的專利申請呈現穩步增長的趨勢。室內定位技術在國外起步較早，但在2010年前發展較為緩慢。在2012年前后，隨著Wi-Fi技術逐漸普及，以Wi-Fi定位技術為主的RSS指紋定位逐漸成為室內定位的主流，并伴隨著申請量不斷增長，2017年前后，由于部分專利尚未公開，專利申請量有部分下滑。但整體上來看，全球專利申請量目前仍然保持在一個較高的水平，這也在一定程度上反映了室內定位技術的快速發展和較好的應用前景。

圖1 室內定位專利歷年申請量

2.2 專利申請人

室內定位專利主要申請人分布如圖2所示。從圖2可以看出，排名前5的申請人分別為哈爾濱工業大學、高通股份有限公司、重慶郵電大學、華為技術有限公司、電子科技大學，申請量占比分別為28%，17%，10%，10%，10%，占整個申請量的75%。在全球的申請人中，國內申請人主要集中在高校，以華為為代表的國內企業也具備相當的實力，而國外申請人則以高通、英特爾為主的跨國公司為代表。

3 技術路線發展分析

室內定位技術是一個高度依賴網絡設備的技術，在2010年前，室內定位技術主要利用芯片進行定位，例如ZigBee、RFID、藍牙、傳感器等；2012年前后，隨著Wi-Fi的大規模普及，基于Wi-Fi的指紋定位方法又逐步取代傳統的室內定位技術成為主流；2013年前后，隨著移動互聯網時代的到來，以蘋果公司主導的ibeacon定位技術逐步走入大眾的視野；2014年前后，各類單節點定位技術均已發展到瓶頸期，研究者更加關注利用卡爾曼濾波、粒子濾波的融合定位的方法。通過對室內定位領域和相關專利文獻的分析，確定本文將室內定位研究的技術分支為單節點定位技術、多節點定位技術和融合定位技術。

圖2 室內定位專利主要申請人分布

室內定位的各技術分支申請量變化如圖3所示。從圖3看出，多節點定位的申請總量位于第一，其次是融合定位，最后是單節點定位。由于慣性器件、MEMS傳感器的龍頭生產企業主要在國外，因此國外關于單節點定位技術的申請量要略優于國內，但隨著Wi-Fi技術的發展，以RSS為主的指紋定位逐步走在前列，而國內申請人則是處于領先地位。

圖3 室內定位各技術分支申請量變化曲線

各技術分支歷年申請總量如圖4所示。從圖4可以看出單節點定位技術起步最早，而單節點定位技術由于技術發展的限制和性能指標進入發展的瓶頸，2009年以后已經逐漸下滑，多節點定位技術的申請總量在2012年以后一直保持最多，而融合定位技術在2013年前后得到快速發展，其申請量也在逐步增加。

3.1 單節點定位技術

單節點定位技術主要利用傳感器實現目標的相對定位，常用的傳感器包括MEMS和IMU。與傳統的多節點定位技術（例如ZigBee、藍牙、RFID、ibeacon）相比，它可以獨立完成自身的姿態解算以實現自身的相對定位，目前已經在機器人領域大規模使用。專利US6853947B1通過利用IMU的加速度計、三軸磁傳感器、速度傳感器來進行位置姿態的估計，但是IMU的精度隨著時間的推移逐漸降低，這主要是由于陀螺儀存在常值漂移。專利CN200610114096通過在IMU中安裝一個附加陀螺作為監控陀螺，實現對其他導航陀螺的輸入軸的正反向精確校準，從而減小慣性導航系統的漂移誤差。此外針對陀螺儀的常值漂移的抑制方法還包括專利CN2013106567410公開的利用卡爾曼濾波器對漂移誤差進行估計。雖然慣性導航單元可以提供高精度的定位結果，但由于誤差的積累，慣性導航的可用性隨著時間的推移會逐漸降低，雖然研究人員已經研究了一系列優化慣性導航累計誤差的方法，但是由于其成本昂貴、校準時間長等缺點，其應用多集中在機器人領域和軍事領域。

三個室內定位領域重要專利年份及技術分支如圖5所示，本文接下來對三個技術分支的重點專利進行分析。

圖4 各技術分支歷年申請總量

圖5 室內定位領域技術發展路線

3.2 多節點定位技術

多節點定位技術?；谛盘柦邮諒姸萊SS來進行位置估計，它與單節點定位區別在于它的定位需要依賴外部信息，一般都是利用RSS建立的指紋庫來進行位置的估計。指紋定位包括離線階段和在線階段，離線階段是在待定位的區域內預先布置一定數量的采樣點，利用移動設備采集接收來自不同采樣點的信號強度，最終建立一個信號強度與物理位置映射的指紋數據庫；在線階段則是利用實際接收的信號強度與指紋庫進行匹配，推算出具有最大似然概率的估計位置。目前采用信號強度定位的方式包括ZigBee、RFID、藍牙（ibeacon）、Wi-Fi等。

藍牙ibeacon定位技術基于射頻信號強度隨距離衰減的模型來計算距離，它是由蘋果公司主導的室內定位技術，ibeacon技術的主要優點是利用了低功耗的藍牙技術，缺點是射頻信號易受到外界環境的干擾。諾基亞公司是最早著手研發藍牙定位的國外公司之一，其專利EP10857771A通過從至少三根天線接收藍牙數據分組來確定終端相對位置，解決了傳統的GPS不可用的問題，而其另一篇專利EP11876544A使用了最早的ibeacon設備來降低功耗。然而，受限于ibeacon信號的RSSI受無線傳播環境的影響，其RSSI波動范圍較大，為此，專利CN201510587515公開了一種利用卡爾曼濾波器對ibeacon信號進行處理，控制了其動態范圍，極大提高了定位精度。RFID定位技術是通過一組固定的閱讀器讀取目標RFID標簽的特征信息，同樣可以采用近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方法確定標簽所在位置，其優點在于RFID成本低、作用范圍廣，但缺點在于感應距離較短，專利CN200810027885通過搭建RFID閱讀器，標簽并利用RSSI進行位置估計。另外，由于射頻干擾的問題，RFID的定位精度也容易受到影響，專利CN201101014745通過每隔一段時間采集數據，減少了環境因素的影響，再通過構造虛擬標簽來實現定位，消除了高密度標簽所帶來的影響。

藍牙和RFID受限于節點布置普及率不足的影響，目前仍未在商業中得到大規模的推廣，而考慮室內定位的實際需求，Wi-Fi作為移動互聯網時代的強有力推動者，在室內定位也逐漸受到研究人員的追捧。Wi-Fi定位的普及在于Wi-Fi設備的普及，Wi-Fi定位包括離線階段和在線階段，離線階段為采集AP的RSSI并建立指紋庫，在線階段則是基于實際接收信號強度RSSI與指紋庫匹配進行位置估計。CN200910169315是較早使用Wi-Fi定位的專利申請，它通過建立AP的RSSI數據庫，并使用RSSI與數據庫匹配進行位置估計。與傳統的無線信號在自由空間的傳播模型相似，Wi-Fi信號受室內多徑效應、環境噪聲等外界環境因素的影響，使得采集的信號強度分布規律不明顯，導致系統訓練誤差的增加和映射能力的下降，因此采用傳統RSS訓練算法所建立的指紋庫在定位測試中效果不佳，為此，專利CN201010032481通過對初始RSS進行聚類以排除自由空間環境對Wi-Fi信號的影響，從而提高系統的定位精度和環境適應性。另外，在基于指紋圖的室內定位技術中，增加AP的密度有助于提高定位精度，但AP數量過大會導致定位計算延時過長以及能耗增加。在室內定位系統中，AP的選擇策略有助于減少定位誤差，減小客戶端與服務器端的通信代價。專利CN201510267317通過將大量AP進行模糊聚類，并由此構建優化模型選擇最優的AP組，使得所選AP組定位精度損失最小，同時也可以縮小不同的定位區域之間的定位精度差距。專利CN201610038579通過對AP特征進行細粒度分析，綜合考慮AP信號的梯度特征、穩定性、方向特征，并通過模擬退火算法求出最高精度的最優解，有效刪去了無效的候選AP，可有效節約測量成本。CN201710749844通過SDN控制器接收RSSI值，計算定位區域與各AP的相關性，選擇相關性大的AP，提高了定位精度，減少了存儲開銷。此外，當AP數目增加時，指紋數據庫就變成了高維數據。為減輕處理高維數據的負擔，降維算法是有效的解決方法之一。專利CN201310750528和CN201510020485均是解決Wi-Fi定位中降維問題，從而保證定位的實時性。

3.3 融合定位技術

由于單節點定位和多節點定位均是采用單一模式的定位思想，因此其在誤差估計抑制方面受到的影響很多，而為了取得更佳的定位效果，研究人員開始研究融合定位技術。融合定位技術是指利用多種定位技術并采用濾波的思想對誤差進行修正，以獲得更好的位置估計精度，常用的濾波算法包括卡爾曼濾波、粒子濾波、增強卡爾曼濾波等。根據融合的類型，可以將融合技術分為多元傳感器融合定位、衛星融合輔助定位和Wi-Fi融合輔助定位等。多元傳感器融合定位是指利用多種傳感器來進行耦合定位，專利EP12786667A通過獲取加速度計和陀螺儀的數據，并采用了粒子濾波算法對位置進行估計，極大地提高了定位的精度。專利CN201510954979通過多傳感器融合實現了對目標的三維定位，并通過濾波算法將不同傳感器的噪聲濾除，提高了定位的精度。Wi-Fi輔助室內融合定位技術是指主要利用Wi-Fi的融合定位算法，由于Wi-Fi在商場和寫字樓的大規模普及，基于Wi-Fi的輔助室內融合定位算法具有較廣泛的應用，例如Wi-Fi地磁融合、Wi-Fi-mems融合、Wi-Fi傳感器融合、Wi-Fi藍牙融合等。專利CN201410843968公開了一種利用Wi-Fi結合地磁的融合定位算法，不僅克服了Wi-Fi定位受室內環境的影響，也減弱了地磁定位的不穩定性，從而實現了二者定位缺陷的互補。相比于地磁定位，mems定位更能克服室內環境對信號的影響，因此其更適合于與Wi-Fi進行融合定位，例如專利US20170536615A通過將Wi-Fi與MEMS數據融合，并且采用EKF算法，有效地提高了定位的精度。專利CN201510219651通過融合Wi-Fi和慣性器件的數據并通過粒子濾波算法提高了室內定位的精度。另外，將基于雙重RSS指紋定位算法應用到室內定位中也受到廣泛關注，專利CN201710380398通過將Wi-Fi和藍牙的RSS通過貝葉斯估計來測算所估計的位置，減弱了高斯噪聲對信號的影響。

4 總結

隨著網絡技術的快速發展，高度依賴網絡技術發展的室內定位技術也不斷更新和突破。通過對室內定位領域專利的分析，更具體地通過分析室內定位技術各年度的申請情況、申請人情況及各技術分支的申請情況以及重點專利的分析，目前室內定位的主流趨勢是以基于RSS的Wi-Fi定位為主，并且融合定位也逐步凸顯其優勢。然而，AP布置以及數據降維依然是影響Wi-Fi定位的定位精度和實時性的重要因素，而隨著融合定位優勢的凸顯，未來室內定位的發展方向必將是以Wi-Fi定位為主導的融合定位。目前，國內對于該領域的研究主要集中于高校和研究所，一些跨國企業已經實現了室內定位的商用，因此國內企業仍需進一步提升對室內定位領域的技術研發，提前做好專利布局，最終實現室內定位的產業化。

［1］賴金陽.基于RSS的WLAN室內定位算法分析與應用研究［D］. 廣州：暨南大學，2017.

［2］王海榕.基于BLE的大型商場室內定位導航的設計與實現［D］.杭州：浙江工業大學，2015.

［3］AXEL K.Location-based services：fundamentals and operation［M］.New York：John Wiely&Sons，2005.

TN925

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.18.023

2095－6835（2019）18－0060－03

王卓然（1990—），男，河南開封人，碩士研究生，研究實習員，研究方向為信號處理、移動通信。白紅昌（1990—），男，河南商丘人，碩士研究生，研究實習員，研究方向為移動通信。

＊對本文貢獻等同于第一作者

〔編輯：嚴麗琴〕