常用室內定位方法與技術概述

桑媛

摘?要： 隨著信息技術、無線通信技術與物聯網技術的日趨成熟，移動設備的室內感知與定位需求也越來越高。為了實現移動設備的室內定位，多種室內定位方法被提出。基于此，本文簡要介紹了較為常用的幾種室內定位算法，并分析其適用特點與使用環境。

關鍵詞：物聯網?室內定位?RSSI TOA RFID

中圖分類號：TN929.5??文獻標識碼：A????文章編號：1003-9082（2020）09-00-01

一、室內定位概述

隨著無線通信技術的迅速發展，人們對基于位置信息的服務的需求日益增多，尤其是室內定位服務。當前，常用的GNSS定位只用于戶外場景的定位和導航，在室內環境中，由于衛星信號無法穿透建筑物，GNSS難以發揮正常的功效，并且室內環境和戶外相比更加復雜，在室內傳播時，無線信號可能會產生多徑、折射、衍射效應等現象，不利于終端設備對信號的判斷。因此，需要室內定位相關的技術進行研究。

室內定位技術的應用場景十分廣闊，例如，在大型超市，利用室內定位技術可以提供超市內部的導航，以及基于顧客位置的商品信息的推送服務;在機場、火車站，根據旅客的位置提供導航與查找服務;在地下停車場，利用室內定位技術能夠獲取到車輛停放的位置和停車場的方位信息等。

在室內定位研究中，如何解決無線電波的各種傳播效應，獲取目的節點與錨節點之間的距離，同時控制整個定位成本，減少大空間中錨節點數量，使方案切實可行便于實施，是現在室內定位研究進行產業化部署的重點。

二、室內定位算法概述

目前室內定位的實現算法主要依靠信號的傳播特性進行定位。

1.基于RSSI的室內定位算法

無線信號在傳播的過程中，其強度（RSSI）會隨著距離的增加而減少。而RSSI的具體數值可以在接收機端被檢測到，若將RSSI數值進行提取，并換算成距離值，即可獲得兩個無線通信節點之間的距離。

由于RSSI獲取簡單，成本可控，上述定位方法被廣泛研究應用。典型的應用場景為：空間中存在3個已知節點（通常稱為錨節點）和1個未知節點（即被定位節點），未知節點定時發送無線定位數據包，錨節點檢測到未知節點的接收信號后，根據RSSI的值換算出未知節點與該錨節點的距離。最后結合未知節點與3個錨節點的距離，以獲取未知節點在空間中的坐標 。

這種方法被廣泛應用于多種通信協議中，包括WLAN協議、ZigBee協議等。符合ZigBee協議標準的芯片CC2431中還集成了一個RSSI定位引擎。然而，基于RSSI的定位算法也存在一定的缺陷：首先，RSSI值隨著距離的增加衰減很慢，因此當兩個節點之間距離較遠的時候，其定位精度很低;其次，由于無線信號的衰減與溫度、濕度、信號多徑、室內場景等均存在很大的關聯，因此RSSI的值受外界環境影響很大。

2.基于TOA/TDOA的室內定位算法

基于TOA的三維定位方法是，通過測量收、發天線間信號的傳播時間，在已知信號的傳播速度后即可得出距離，進而實現對目標的定位。在室內環境中，通常由于存在NLOS以及多徑效應等問題，造成TOA的測量值與真實值之間存在較大偏差，因此為取得較好的定位效果，需要盡量消除NLOS和多徑效應對測距產生的影響。

在實際環境中，測量得到的時間信號傳播時間一般含有誤差，因為存在噪聲、時間同步、硬件設備精度的影響，所以定位方程組一般沒有唯一解，而是存在無解、多解的情況。在無解的情況下，可以將已有的定位場景地圖結合待定位節點的歷史信息進行擬合。由于目前的硬件設施精度均比較高，一般很少存在無解的情況，室內定位的精度更大程度上取決于定位方程在多解情況下的處理。建立起一套適用的三維定位算法，對解決定位方程組的多解情況十分必要。

基于TDOA的三維定位與基于TDOA的定位算法有一定的相似之處，一般是根據兩種不同傳播速度的信號及信號的到達時間差計算節點間的距離，再利用已有的三維算法實現對目標的定位。此類系統適用于室內環境下的高精度目標定位。

基于TDOA的三維定位，利用了在雙曲線上的點到兩個焦點的距離之差為定值的特性。其定位過程一般有如下三步：第一，測出兩個接收天線的信號到達時間差;第二，將時間差轉化為距離，代入雙曲線方程，并聯立雙曲線方程組;第三，利用已有算法求解聯立方程組的解，完成定位。

3.基于RFID的室內定位算法

基于RFID的室內定位算法是一種廣泛應用于對精度要求不高場合的定位算法。其原理如下：錨節點為RFID讀卡器，未知節點為RFID卡片。當未知節點進入讀卡器讀取范圍時，其ID信息會被讀卡器獲取，表示該未知節點已進入該錨節點的范圍內，從而獲取未知節點的大致范圍。

基于RFID的定位算法分為有源RFID定位與無源RFID定位。有源RFID定位中，主要通過未知節點主動發送自身的ID信息，從而使讀卡器獲取其ID信息，未知節點與錨節點之間的通信距離可通過軟件編程進行調整。無源RFID定位中，錨節點主動發送檢測信號，當周圍有未知節點時，觸發其檢測天線生成感應電流，進而發送一次本身的ID號，其檢測距離主要由錨節點的檢測信號功率、天線增益決定。

基于RFID的室內定位算法被廣泛應用與井下定位，主要考慮到巷道為一維空間，且距離很長，RFID方案較為適用。對于較大的平面空間（機場、火車站、商場等場景），若使用RFID技術進行室內定位，則需要部署大量錨節點。北京西站火車站便是使用了基于藍牙技術的RFID室內定位系統，實現精度約為5米×5米的定位精度。

結語

為了實現移動設備的室內定位，多種室內定位方法被提出。基于此，本文簡要介紹了較為常用的三種室內定位算法：基于RSSI的室內定位算法、基于TOA/TDOA的室內定位算法和基于RFID的室內定位算法，并分析其適用特點與使用環境。實際的使用場景下，除了三種方法的獨立使用，也存在多種定位算法共存、兩種以上定位數據融合的情況。而基于機器視覺、基于定位目標（以人為主）的動作估計的定位算法，為室內定位的推廣與實踐提供了更多的解決方案。

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