室內空間定位方法研究綜述

張寧, 付煒平， 孟榮, 李光， 趙智龍， 楊家駿， 王淳灝

(1.國家電網河北省電力有限公司檢修分公司， 石家莊 050000； 2.保定云深電子科技有限公司， 保定 071000)

隨著現代社會的不斷進步，物聯網技術、智能移動終端技術、移動計算技術也飛速發展[1]。現如今，大型建筑日益增多，室內則是群眾活動的主要場所[2]。此外，當今的公共安全、人員管理及監護、物流配送、智慧城市建設等領域也需要精準的室內外定位信息[3]。隨著當今社會對室內定位服務需求的日益強烈，需要實現廣泛、不間斷且高效的室內空間定位，滿足與日俱增的室內定位服務應用需求[4]。

在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020)》中，“導航與位置服務”被列為中國長期發展需重點關注的戰略性新興產業，“全方位精確定位和信息獲取技術”已成為信息安全等領域的重點研究內容[5]。此外，由中國科研團隊自主研發的室內高精度定位導航系統——“羲和系統”作為“北斗系統”的室內配套工程，也反映了中國對這一研究領域的支持與鼓勵[6]。

鑒于此，結合當今社會對室內定位服務的應用需求，總結室內空間定位技術的應用現狀與發展方向。首先，概述當今主流室內定位技術以及測距和非測距兩類室內空間定位算法；而后，論述室內空間定位技術在公共安全、人資物資管理、智能交通、室內定位服務、大數據關聯分析以及社交網絡等典型場景中的應用研究現狀；最后，探討現階段室內空間定位技術發展所面臨的挑戰，并對未來的主要研究方向進行了展望。

1 室內空間定位技術及算法

1.1 主流室內空間定位技術

近十幾年以來，室內空間定位技術飛速發展，逐漸突破了“特定設備，特定技術，高成本”的技術和應用限制，且逐漸向普適性定位、低成本定位、高精度定位[7]的方向發展。目前，常見的室內空間定位技術如表1所示。

表1 室內空間定位技術

1.1.1 超寬帶定位技術

超寬帶技術(ultra wide band，UWB)是近年來新興一種傳輸數據速度快、發射能耗小、穿透力大、安全性好、基于極窄脈沖的無線技術[8-9]。與傳統通信不同的是，UWB不需載波，其是借助極窄脈沖來傳輸數據，因而其具有GHz量級的帶寬。

UWB技術可用于室內精確定位。近年來，UWB技術在變電站工作人員監管、戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤[10]、礦井巷道定位[11]、火災消防員定位[12]以及車輛地下精準定位等場景中，得到了應用。文獻[10]結合UWB技術，研發了一套應用于導購機器人的室內空間無線定位系統，該系統抗干擾能力強、誤差較小,可較好地滿足導購機器人的定位服務與導航應用需求。針對礦井巷道的特殊環境特點，并結合系統組網模型和UWB精確定位算法，文獻[11]設計了一種基于UWB技術的精度高、并發容量大、安裝便捷的礦井精確定位系統，滿足了智能礦山建設的精準定位需求。文獻[12]充分利用目標到UWB基站以及到其他目標的測距信息，提出基于UWB技術的消防員室內協同定位算法，該算法在強弱非視距(non line of sight，NLOS)環境下都擁有較高的定位性能，為復雜火場環境下消防員的定位問題提供了參考。

UWB技術的物理特性使得其可以在無完全遮掩的復雜室內環境中實現高效精準定位；近年來，基于UWB的空間定位技術在多個軍民領域中實現了廣泛應用。

1.1.2 藍牙定位技術

藍牙技術(Bluetooth)是一種數據傳輸距離短、功耗低的無線通信技術。藍牙技術運用于定位時需要測量信號的強度信息[13]。藍牙室內定位系統設備具有體積小、易集成等特點，因此較容易推廣應用[14]。結合城市軌道交通環境以及所面向的用戶群體,從定位精度、經濟性、工程量等多角度出發, 文獻[15]以某城市軌道交通車站為試點,在站廳、站臺、電梯處部署藍牙設備, 設計了基于藍牙定位技術的城市軌道交通室內導航系統，該系統為乘客目的地指引提供了便利,滿足軌道交通室內定位導航的應用需求。

藍牙技術應用于室內環境下較短距離的定位時， 信號的傳輸一般不受視距的影響。藍牙技術最大的缺陷是信號傳輸距離短；此外，藍牙定位網絡建設的成本較大，且在復雜的定位環境下，定位的效果較差。綜上，藍牙定位技術適用于數據傳輸距離短、功耗小、環境相對簡單、定位精度要求低的應用場景。

1.1.3 超聲波定位技術

目前，超聲波定位技術大都采用反射式的測距方法[16]。目前，比較常用的基于超聲波的室內空間定位大概有兩種：一種為將超聲波技術與射頻識別技術結合進行定位，這種技術成本不高，能耗較低，定位精準；另一種為多超聲波的空間定位技術，該技術的抗干擾能力強，定位精度高。文獻[17]提出了一種融合無線射頻識別技術和超聲波技術的室內空間定位系統,該系統結構較為簡單、能耗較小，可實現單輛自動導引運輸車(automated guided vehicle，AGV)小車在單一小空間中的實時定位，為AGV小車的路徑實時規劃提供了參考方案。文獻[18]提出了一種基于多超聲波傳感器的移動機器人目標定位新方法，該方法是根據測得的渡越時間比值來計算待測目標的坐標，避免了對超聲波聲速的依賴以及環境溫度對定位精度的影響，為基于超聲波傳感器的移動機器人高精度定位提供了新的借鑒。

超聲波定位技術的精度可達厘米級別，相對其他室內定位技術而言，精度較高；但超聲波在信號傳輸過程中的衰減情況較為明顯，因而會影響超聲波定位的覆蓋范圍，且超聲波定位易受環境干擾。綜上，超聲波定位技術適用于定位精度要求高、數據傳輸距離短、環境相對簡單的應用場景中。

1.1.4 紅外線定位技術

紅外線是電磁波的一種，其波長介于無線電波和可見光波之間。在紅外線應用于室內空間定位時，紅外線的標識首先發射調制的紅外射線，布設于室內空間的光學傳感器可接收到紅外射線，而后通過定位算法可實現定位[19]。紅外線定位技術可實現較高精度的室內定位，但是由于紅外射線不能透過障礙物傳播的性質，使得只能利用紅外線定位技術在視距范圍內定位；此外，紅外線定位技術還有傳輸距離短的缺陷。綜上，使得紅外線定位技術在實際工程應用中的定位效果較差[20]。

總體而言，紅外線定位技術因其功耗較大、易受障礙物影響、傳輸距離短、定位復雜等缺點，在可用性和實用性上與其他定位技術有較大差距，在實際工程中應用較少[21]。

1.1.5 射頻識別定位技術

射頻識別技術(radio frequency identification，RFID)是一種操控簡易、適用于自動控制領域的技術[22]。射頻識別技術應用于識別和定位時主要通過射頻的方式進行非接觸式的雙向通信[23]。文獻[24]利用RFID技術，通過研究RFID讀卡器和標簽的安裝位置,給出了充電裝置自動充電的控制流程圖,最后驗證了充電裝置的自動充電功能，實現了三亞市某有軌電車的精準定位。文獻[25]以物聯網技術為基礎，設計了一種礦用智能安全頭盔智能終端系統，該系統利用RFID高性能室內定位技術實現礦井復雜環境下人員的監控和定位。

射頻識別定位技術的作用距離最長為幾十米；其可在較短時間內得到厘米級定位精度的位置信息，且信號傳輸范圍很大，定位系統成本較小。RFID定位設備相對穩定，且 RFID定位終端、RFID標簽的價格較低，所以可以進行大規模的推廣使用。近年來，RFID定位技術在物資人員管控中有著成熟的應用和良好的使用前景。

1.1.6 WIFI定位技術

在無線局域網絡(wireless local area networks，WLAN)中，收集無線訪問接入點(wireless access point，AP)或網卡處測得信號的強度信息，而后可通過匹配信號強度算法可實現多應用領域內復雜大空間環境中的定位、監察和追蹤[26-27]。WIFI技術由于在室內傳輸距離遠、使用方便等優點，已成為無線以太網的一種室內定位解決方案。基于WIFI定位技術，文獻[28]提出了一種加權K近鄰(weightedK-nearest neighbor，WKNN)算法與改進粒子群算法相結合的混合定位算法，該混合定位算法在定位精度上相比傳統的位置指紋算法有顯著的提高。

目前，WIFI定位技術的覆蓋范圍有限，只適用于小空間范圍內的室內定位，且較容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，且定位系統的能耗也較高[29]。

1.1.7 ZigBee定位技術

ZigBee技術是一種新型的數據傳輸距離短、傳輸速率低的無線通信技術[30]，也可以用于室內定位。文獻[31]提出一種應用于消防機器人的捷聯慣性導航系統與ZigBee定位系統相融合的組合定位方法，該組合定位方法精度相比常規的定位方法有明顯的提高，且較為穩定可靠，可以滿足消防機器人的實時精準定位。

ZigBee技術主要應用于無線個人區域網，其具有距離近、功耗小、成本低等特點[32]，可以很好地滿足室內空間定位系統的應用需求；此外ZigBee定位技術對于網絡穩定性的要求較高，且易受周圍環境的影響。綜上，ZigBee定位技術適用于網絡穩定、環境簡單、空間相對較小的室內空間定位場景。

1.1.8 其他室內空間定位技術

現如今，除了上述提及的室內空間定位技術外， 還有基于計算機視覺[33-35]、光跟蹤定位[36-37]、圖像分析[38]、磁場[39-40]、信標定位[41]的單一室內空間定位技術以及WIFI/地磁[42]、WIFI/MEMS/BT/RFID/氣壓傳感器/光傳感器、WIFI/ RFID/GPS等多源混合定位技術；這些技術大都處于研究試驗階段，穩定性和實用性都有待提高。文獻[34] 以交通視頻中的行人為研究對象，結合計算機視覺理論，實現了運動目標的識別與定位，為中國行人交通流數據智能采集工作提供了新的借鑒。文獻[37]提出一種基于激光跟蹤定位的運動目標檢測方法,其利用激光通過 “粗定位”和“精準定位”等步驟，實現了針對運動目標的迅速鎖定與精準定位。文獻[42]提出了一種 WIFI/地磁相融合的室內空間定位算法,使用WIFI定位結果矯正地磁粒子濾波算法中存在的不足,降低地磁定位時的系統誤差,從而提高了室內空間定位的精度。

1.2 主流室內空間定位算法

當前的室內空間定位技術所用的定位算法大致分為兩類，如表2所示。

表2 室內空間定位算法

(1) 基于無需測距的空間定位算法，主要包括接近度定位[43]和位置指紋匹配定位[44]；此類定位算法是依靠待測點與錨節點的連通性進行場景分析進而得到位置信息[45]。

(2) 基于測距的空間定位算法，主要包括測距離[46]、測角度[47]和測時差[48]；此類定位算法是依靠待測點與錨節點之間的距離或角度求取位置信息[49]。

1.2.1 基于無需測距的空間定位算法

常見的基于無需測距的空間定位算法有：質心定位算法[50]、近似三角形內點測試(any point in time，APIT)定位算法[51-52]、距離向量跳躍(distance vector-hop，DV-Hop)定位算法[53-55]和基于接收信號強度比較的環重疊(ring overlapping based on comparison of received signal strength indication，ROCRSSI)定位算法[56-57]等。此類算法都是使用由參考節點和待測節點所組成的分布式異構網絡模型，因而不需增加額外硬件設備。

(1) 質心定位算法。質心定位算法的定位精度較為一般，且參考節點數對定位精度的影響較大，但質心定位算法的通信成本小。

(2) APIT定位算法。APIT定位算法的定位精度較為良好，且參考節點數對定位精度的影響較小，但APIT定位算法的通信成本是最大的。

(3) DV-Hop定位算法。DV-Hop定位算法的定位精度較為良好，且DV-Hop定位算法的通信成本較小，但參考節點數對定位精度的影響較大。

(4) ROCRSSI定位算法。ROCRSSI定位算法的定位精度為最好，且ROCRSSI定位算法的通信成本為最小，但參考節點數對定位精度的影響較大。

通過對以上4種定位算法性能的總結分析對比，可得各種定位算法在不同的應用需求下，定位性能也不相同，雖然在定位中不需要增添額外硬件設備，但總體而言，通信成本較大。

1.2.2 基于測距的空間定位算法

基于測距的空間定位算法主要有接收信號強度指示(received signal strength indication，RSSI)定位算法[58-60]、基于信號到達時間(time of arrival，TOA)定位算法[61-62]、基于信號到達角度(angle of arrival，AOA)定位算法[63-64]以及基于信號到達時間差(time different of arrival，TDOA)定位算法[65-67]等。

(1)RSSI定位算法。RSSI定位算法是已知在待測節點處接收到的信號的強度值；而后通過已知的距離損耗模型求取待測節點到參考節點的實際距離；最后，利用所求得的距離計算出待測節點的實際位置[58-60]。

RSSI定位算法與TOA、AOA、TDOA等定位算法相比，不需要額外的硬件設備的支持，且比獲得TOA、AOA、TDOA等定位算法的多徑特征信息要較容易。

(2)TOA定位算法。TOA定位算法在使用時需要已知至少三個參考節點的實際位置坐標信息；而后，通過測量信號從參考節點到待測節點所經歷的時間進而求取待測節點的實際位置[61]。圖1為TOA定位算法示意圖。

圖1 TOA定位算法示意圖

實際的室內環境存在著非視距(NLOS)以及多徑效應(multipath)等問題[62],這些問題都使得TOA定位算法的測量值與實際值之間會存在較大的差距，所以在TOA定位系統中要求待測節點與參考節點計算無線信號開始傳輸的時間要保持一致。要滿足上述要求，需要硬件設備來保證時間的同步一致性，這往往會增加定位系統的成本。

(3)AOA定位算法。AOA定位算法是通過測量待測節點與參考節點之間的角度來求取待測節點的實際位置信息，其算法原理如圖2所示。

圖2 AOA定位算法示意圖

AOA定位算法的使用過程中，待測節點處可以獲取參考節點發射的無線信號，而后根據待測節點接收到無線信號的方位和角度對待測節點的實際位置信息進行估算[63]。

AOA定位算法較容易受到噪聲、非視距(NLOS)等外界環境因素的影響；且該算法的定位性能隨著待測節點與參考節點之間距離的增大而降低[64]；此外，AOA定位算法在工程應用時需要額外硬件設備的支持，增加了定位系統的成本。

綜上所述，AOA定位算法在工程推廣應用中有較大的局限性，所以該算法通常應用于輔助定位。

(4)TDOA定位算法。在一定程度上，TDOA定位算法可以看作TOA定位算法的改進版。

在TDOA定位算法的使用過程中，定位系統中的參考節點會在同時刻發送兩個擁有不同傳播速度的無線信號；而后，待測節點處可以根據接收到兩個無線信號的時差以及兩個無線信號的傳播速度來求取待測節點與參考節點之間的實際距離；最后，利用所求取的距離使用定位算法求取待測節點的實際位置信息[65-67]。

TDOA定位算法的定位精度與其他算法相比，相對較高；但無線信號的傳播距離對此類定位系統的推廣應用有較大影響。

2 室內空間定位技術的場景應用

2.1 公共安全場景應用

室內空間定位技術在事關公共安全的緊急救援、消防安全、執法安全等方面具有重要作用。文獻[68]對比分析了當下主流定位技術，按照不同工作性質將公共安全領域的工作分為應急救援工作、室內日常勤務工作以及臨時性勤務工作3大部分，并分析不同性質工作對定位技術的具體應用需求。

當群眾的人身安全遭受威脅時，需要快速確定受困人員的位置信息，而室內空間定位技術可以為救援工作的順利進行提供強而有力的技術支持，為救援工作人員以及受困人員的生命安全提供保障。

2.2 人資物資管理場景應用

室內空間定位技術在人員的智能化管控中得到了廣泛應用，在石油化工、工貿制造、電力能源、智慧校園、智慧醫院、智慧養老、智慧監所以及工程建設等產業中發揮著重要作用[69]。

特別地，隨著智能電網建設的不斷推進，能源電力行業對于電力工作人員以及電力設備的管控提出了更加智能化、精細化的需求，開展室內空間定位技術在能源電力行業中的研究對于推進電力管控的成熟化、精細化、智能化以及智能電網的發展具有十分重要的意義[70-71]。文獻[71]開展變電站室內定位算法研究，改進了RSSI測距算法，并將卡爾曼濾波算法與拉伊達檢驗法進行了結合，解決了RSSI信號強度值中的誤差問題，為變電站室內定位技術應用提供了參考。圖3為室內定位技術在電力行業管控中的技術應用流程框圖。

圖3 室內定位技術在電力行業管控的應用流程

此外，室內空間定位技術也可以為倉儲物流行業提供物資的定位服務；利用室內空間定位技術可以提供物資全程的位置信息記錄，極大地便利了物資的防盜、管理、運輸等實際需求。

2.3 智能交通場景應用

室內空間定位技術可與傳統的室外定位技術聯合，從而實現室內室外無死角全方位定位。利用該方案可為行車提供全程無縫的定位以及導航服務。此外，利用室內空間定位技術也可解決復雜環境及地下區域的尋車難題。文獻[72]在解決室內停車問題時，引入車聯網與室內定位等技術，并設計了一種智能車輛-停車場協同的室內停車系統架構，對于提高停車系統的信息化和智能化程度、解決停車巡航問題、提高停車效率、降低資源消耗和交通壓力等具有重要的研究意義與實用價值。

2.4 室內定位服務場景應用

現如今，利用室內空間定位技術可在大型商場[73]、超市[74]、會展中心、飛機場[75]、旅店等較大型室內區域提供室內定位服務。

在大型商場中，室內位置服務可以幫助購物者查尋自己感興趣的商店和文娛地；商家也可以對購物者推送有指向性的廣告。

在空間布局比較復雜的大型超市中，室內位置服務可以幫助購物者查找感興趣商品的所在位置。文獻[74]針對用戶需導購的實際需求，將藍牙技術和iBeacon定位技術結合，構建了一個基于iBeacon的室內空間定位導購系統，為解決大型超市購物中出現的“短板”問題提供了參考。

在會展中心、機場及酒店中，利用室內空間定位技術可以提供全方位的定位導航服務。文獻[75]針對大型機場候機樓定位環境的特點，提出一種基于即譜回歸核判別分析-加權K近鄰(spectral regression kernel discriminant analysis-weightedK-nearest neighbor，SRKDA-WKNN) 的室內定位算法和基于接收信號強度(received signal strength，RSS)特征擴展的室內定位算法, 具有較高的定位準確率和較好的定位效果。

2.5 大數據關聯分析場景應用

利用室內空間定位技術還可以實現用戶活動軌跡的完整記錄；而后，可以利用這些商業行為數據進行大數據分析從而將用戶的位置信息與行為特征及其背后隱含的興趣偏好聯系起來。文獻[76] 提出一種基于用戶商業行為數據的采集分析方案，通過對痕跡數據進行分類采集，利用即定評價指標進行數據挖掘，與關聯規則庫進行匹配等步驟，最終為用戶推薦滿意的商品。

綜上，利用室內空間定位數據進行數據分析與挖掘具有極其可觀的商業價值和推廣應用前景。

2.6 社交網絡場景應用

社交網絡是人們日常生活的核心組成部分，而位置信息則是社交網絡的核心。

在日常生活中，人們大部分時間生活在室內環境下，利用室內空間定位技術獲得的真實位置信息可以將朋友與活動關聯起來，這對于個人社交網絡的維護與拓展發揮著重要作用[77]。

3 挑戰與展望

3.1 室內空間定位技術面臨的挑戰

實際的工程應用中，在設計室內空間定位的解決方案時，需要同時滿足一些應用需求，包括：定位精度、覆蓋范圍、系統可靠性、定位成本、系統功耗、系統可擴展性和響應時間等。

3.1.1 定位精度

不同的應用場景對室內空間定位系統的定位精度要求差別很大。

若在大型商場或超市中尋找特定的商品可能需要1 m甚至更高的精度要求；若在地下停車場中尋找車輛則2～5 m的精度要求即可滿足應用。

3.1.2 覆蓋范圍

覆蓋范圍是指該技術解決方案能夠在多大的區域內提供滿足定位精度要求的定位服務。

在一些場景應用中，室內空間定位系統終端需要相應基礎設施的支持配合；在此情形下，室內空間定位系統的覆蓋范圍則會受到相應的制約。

3.1.3 系統可靠性

一般而言，室內環境具有很強的實時性和多變性。例如，大型超市中的人流以及商場中的隔斷等會經常發生變化。

此外，室內空間定位系統所依賴的基礎設施也會經常發生變化。

3.1.4 定位成本

室內空間定位成本一般包含兩部分。

一部分是室內空間定位系統終端的成本；在工程應用中，需要考慮是否可用已有的定位終端硬件設備而不添加額外的硬件設備。

另外一部分是室內空間定位系統布局和維護的成本及復雜度，包含系統布局和維護所需的配套設施及需求。

3.1.5 系統功耗

室內空間定位系統的功耗是衡量該系統是否可推廣應用的重要因素。尤其針對使用電池供電的定位設備終端，若功耗很大，則定位系統的待機時間就成為限制該系統推廣應用的致命缺陷。

據調查分析，功耗大是大部分用戶關閉實時定位功能的主要因素。

綜上，若要將室內空間定位系統推廣應用，實現實時全方位的定位服務，降低室內空間定位所增加的功耗是目前急需解決的問題。

3.1.6 系統可擴展性

室內空間定位系統可擴展性是指該技術解決方案可以拓展到更大范圍并提供滿足精度要求的定位服務的能力以及更加便捷地移植到不同應用場景的能力。

3.1.7 響應時間

響應時間是指定位系統更新一次位置所需的時間。

不同應用場景對于響應時間的需求有較大差異。例如，在大型商場和超市中，對于商品位置的實時更新要求較低；但對于移動用戶和定位導航則需要較高的位置刷新率。

3.2 室內空間定位技術發展展望

室內空間定位技術是當前熱門研究領域之一，也是推進智能化社會進程中的重要組成部分。為推進室內空間定位技術的行業應用，下一步室內空間定位的研究工作可以向以下幾個方向進行。

3.2.1 室內定位技術的普適化

目前的室內定位技術普適性不足，在解決室內外空間的融合實現無縫定位以及未知環境中的定位時仍存在一些問題。但隨著人工智能、計算機視覺、物聯網以及5G通信網絡等技術的發展作為技術支撐，廣域普適化的室內定位技術必將出現，以滿足不同室內環境、不同行業、不同應用場景的應用需求。

3.2.2 室內定位技術的優化更新

針對當前室內空間定位技術所存在的缺點進行優化也是一個重要發展方向。可以針對各技術的定位精度、覆蓋范圍、抗干擾性、功耗、定位成本等實際問題進行優化改善，從而提升該技術的實用性。

當前的室內空間定位技術大部分都是建立在鄰近信息、場景分析和幾何特征三種基礎定位方法的基礎之上。尋找新型定位源，并引入人工智能、神經網絡等相關算法，從而形成創新性的室內定位算法也是未來的一個重要發展方向。

3.2.3 多源混合定位技術的發展

鑒于當前單一室內空間定位技術各自的特性，將多個室內空間定位技術進行融合，從而實現優勢互補是當今的一個重要發展方向。現如今，該發展方向仍面臨著一些問題亟待解決，如各技術數據模型和通信標準的統一化，各技術之間的融合銜接以及多技術融合后的成本、功耗、響應時間等問題。

4 結論

(1) 隨著物聯網技術、智能移動終端技術、移動計算技術的飛速發展，當今社會對室內定位服務需求日益強烈。通過全面開展超寬帶定位、藍牙定位、超聲波定位等為代表的主流室內空間定位技術在當今社會中的行業工程應用與研究，對于推進當今社會的智能化發展與進步具有十分重要的意義。

(2) 根據當今的社會應用需求，針對室內空間定位技術的應用研究可歸納為公共安全、人資物資管理、智能交通、室內定位服務、大數據關聯分析以及社交網絡等典型應用場景。

(3) 目前，在實際的行業應用中設計室內空間定位的解決方案時，需要同時滿足一些應用需求，包括：定位精度、覆蓋范圍、系統可靠性、定位成本、系統功耗、系統可擴展性和響應時間等；這些問題一定程度上限制了室內空間定位技術的工程推廣應用。未來，室內空間定位技術的發展方向應在室內定位技術的普適化、室內定位技術的優化更新以及多源混合定位技術的發展等相關研究熱點，從而進一步推動室內定位技術的推廣應用。