室內(nèi)定位技術(shù)綜述及發(fā)展前景探究

摘要：隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對基于位置的定位精度要求越來越高，室內(nèi)定位也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，為了提高室內(nèi)定位的精度，陸續(xù)出現(xiàn)了各種各樣的室內(nèi)定位技術(shù)，如Wi-Fi室內(nèi)定位、藍(lán)牙室內(nèi)定位、地磁室內(nèi)定位等。該文主要針對各種室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、使用場景、室內(nèi)定位算法、新發(fā)展趨勢、面臨的挑戰(zhàn)等進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位；室內(nèi)定位算法；環(huán)境因素

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.08.030

中圖分類號(hào)：TN 96" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）08-00-04

Review and Development Prospect of Indoor Positioning Technology

DAI Yangping， LIU Tianyu

（The State Radio_monitoring_center Testing Center， Beijing 100041， China）

Abstract： With the progress of society， people have higher and higher requirements for location-based positioning accuracy， and indoor positioning is far from meeting the demand. In order to improve the accuracy of indoor positioning， various indoor positioning technologies have emerged one after another， such as Wi-Fi indoor positioning， Bluetooth indoor positioning and geomagnetic indoor positioning. This paper mainly discusses the advantages and disadvantages， application scenarios， indoor positioning algorithms， new development trends and challenges of various indoor positioning technologies.

Keywords： indoor positioning; indoor positioning algorithm; environmental factors

0nbsp; "引言

GPS（Global Positioning System）在全球?qū)Ш较抵薪o人們帶來了福利，使人們生活發(fā)生了前所未有的變化。從地圖導(dǎo)航到基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)社交，位置導(dǎo)航發(fā)揮著越來越重要的作用。于是一些國內(nèi)外企業(yè)者或者研究者開始對各種室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行研究，出現(xiàn)了藍(lán)牙、RFID[1]、Wi-Fi、多種融合定位技術(shù)等。本文對室內(nèi)定位做了相關(guān)討論，同時(shí)提出了其發(fā)展過程中可能遇到的挑戰(zhàn)以及未來的發(fā)展前景。

1" "室內(nèi)定位技術(shù)

生活中常見的室外定位技術(shù)有GPS定位、基站定位、北斗衛(wèi)星定位，這些定位在室內(nèi)受到鋼筋混凝土的遮擋，導(dǎo)致定位精度有所下降，于是出現(xiàn)了Wi-Fi室內(nèi)定位、藍(lán)牙室內(nèi)定位、地磁室內(nèi)定位等。

1.1 紅外線室內(nèi)定位技術(shù)

紅外技術(shù)是波長比可見光譜長的電磁輻射，一個(gè)紅外簡單系統(tǒng)由一個(gè)紅外發(fā)光二極管和一個(gè)接收光電二極管組成。很多家用紅外設(shè)備比如家用遙控器，旨在具有低方向性，因?yàn)橛脩舨粫?huì)精確的指向接收器。

1.2 可見光室內(nèi)定位

可見光通信（VLC）[2]是一種使用可見光傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)，可以使用于各種類型的燈，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)LED燈比較適合，因?yàn)長ED的光源發(fā)出可以在很短時(shí)間內(nèi)重新關(guān)閉和打開，所以可以利用可見光傳輸一些數(shù)據(jù)。

1.3 射頻識(shí)別（RFID）室內(nèi)定位

射頻識(shí)別（RFID）[3]在日常生活中比較常見，它可以連接到人、動(dòng)物或者物體身上，所以它提供了一種識(shí)別的方法，RFID系統(tǒng)由RFID閱讀器和RFID標(biāo)簽組成，RFID閱讀器可以拾取從RFID發(fā)出的數(shù)據(jù)。射頻識(shí)別定位系統(tǒng)目前主要用于緊急救援、滑雪場、地下停車場以及送貨碼頭等。

1.4 Wi-Fi室內(nèi)定位

Wi-Fi定位技術(shù)[4]是使用Wi-Fi接入點(diǎn)定義坐標(biāo)，這些接入點(diǎn)可以傳輸某些數(shù)據(jù)。使用RSSI和MAC地址，系統(tǒng)可以使用多重迭代方法精確定義用戶設(shè)備的當(dāng)前位置。Wi-Fi定位技術(shù)有實(shí)施軟硬件成本比較少、易于擴(kuò)展、數(shù)據(jù)可以自動(dòng)更新的優(yōu)點(diǎn)，但其比較容易遭到四周環(huán)境的影響，室內(nèi)定位的準(zhǔn)確度較低。但應(yīng)用廣泛，在一些大型醫(yī)療場所、商場以及旅游景點(diǎn)都有使用。

1.5 藍(lán)牙室內(nèi)定位

藍(lán)牙是一種無線通信技術(shù)[5]，它適用射頻信號(hào)上的數(shù)字嵌入信息。它最開始是用于短距離數(shù)據(jù)之間的交換，現(xiàn)在藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)被考慮用于室內(nèi)定位系統(tǒng)，它可用性強(qiáng)、成本低和非常低的功耗。藍(lán)牙定位技術(shù)設(shè)備體積小、距離相對短、容易集成，但穩(wěn)定性稍差，容易受干擾且設(shè)備成本昂貴，主要在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行使用，如零售業(yè)、景區(qū)等。

1.6 超寬帶室內(nèi)定位

超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)[6]擁有很高的時(shí)間和空間分辨率，短距離內(nèi)精度高、穿透墻壁和其他障礙物的能力強(qiáng)、低功耗。可用在如車庫停車導(dǎo)航、井下礦工人員定位、值錢物品的存放等。

1.7 地磁室內(nèi)定位

地磁室內(nèi)定位技術(shù)[7]利用室內(nèi)不同位置地磁數(shù)據(jù)不一樣，來確定室內(nèi)位置。地磁在一定環(huán)境下具有一定的穩(wěn)定性，利用地磁的這個(gè)特性，可以實(shí)現(xiàn)地磁室內(nèi)定位。地磁室內(nèi)定位對硬件的要求低，降低了成本，使用簡單，老少皆宜，但也存在缺點(diǎn)，在定位過程中數(shù)據(jù)匹配容易出現(xiàn)問題。

1.8 ZigBee室內(nèi)定位

ZigBee是傳感器節(jié)點(diǎn)以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)傳給另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，相互通信組成一個(gè)可達(dá)65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)來對覆蓋區(qū)域進(jìn)行探測，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層和媒介層協(xié)議。

ZigBee具有低功耗、低速率、低成本、安全性高等一些列優(yōu)點(diǎn)。

2" "室內(nèi)定位算法

室內(nèi)定位算法有很多種，主要包括TOA、AOA、TDOA、位置指紋法、PDR等。

2.1 時(shí)間到達(dá)法（TOA）

TOA是信號(hào)從發(fā)射器到接收器所花費(fèi)的時(shí)間，如圖1所示，MS是發(fā)射器，BS是接收器，和GPS應(yīng)用中的情況有些類似，一開始MS的位置是未知的。獲取MS與BS之間的距離，然后以BS為圓心進(jìn)行畫圓，半徑為r，三圓相交的點(diǎn)就是MS的位置。

TOA在測量中可能會(huì)存在一些誤差，無論是噪聲和測量精度引起的小誤差，還是因?yàn)樾盘?hào)的反射、多徑以及散射引起的大誤差，將無法確定單個(gè)點(diǎn)作為解決方案，但是在區(qū)域里，通常會(huì)選擇被認(rèn)為是最佳猜測的點(diǎn)。此方法有利有弊，如在一定的定位區(qū)域里，基本上可以得到較高的定位精度。但是在整個(gè)算法的實(shí)現(xiàn)過程中，需要來回的測量MS與BS之間的距離，需要之間來回的通信，可能會(huì)導(dǎo)致MS的消耗較高。

這三個(gè)基站與MS之間的距離就是半徑，如圖1所示，三個(gè)圓的相交點(diǎn)就是MS的具體位置。如果當(dāng)三個(gè)基站全部是LOS基站的時(shí)候，一般可以使用最小二乘法（LS）算法計(jì)算MS的可估計(jì)位置信息。于是來設(shè)MS的位置坐標(biāo)為，利用數(shù)學(xué)的幾何性質(zhì)可以得到它們之間的關(guān)系為

（1）

2.2 到達(dá)角度差法（AOA）

AOA定位法是指，基站和測量信號(hào)移動(dòng)臺(tái)（MS）之間的到達(dá)角度，以基站為起點(diǎn)一定會(huì)經(jīng)過移動(dòng)臺(tái)，兩條射線相交的點(diǎn)就是移動(dòng)臺(tái)（MS）的位置。使用這個(gè)方法就可以得到MS的大體位置，如圖2所示。

2.3 時(shí)間到達(dá)差法（TDOA）

TDOA定位方法與TOA有相同之處，它利用發(fā)射器到接收器的時(shí)間來估計(jì)距離，但有時(shí)發(fā)射時(shí)間是未知的，因此用來自每個(gè)接收器的時(shí)間差用于估計(jì)發(fā)射器到接收器之間的距離。它和TOA或者其他基于時(shí)間的方法一樣，必須實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的同步才能進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。由于TDOA不使用發(fā)射器與接收器之間的距離，因此發(fā)射器不需要與接收器同步進(jìn)行。

2.4 位置指紋法

位置指紋法是依據(jù)室內(nèi)中的每個(gè)場景參考點(diǎn)，是信號(hào)發(fā)出點(diǎn)的RSSI值和獨(dú)一無二的標(biāo)志信息把室內(nèi)的場景來特征化描述與抽象，來進(jìn)行室內(nèi)定位。此算法也有缺點(diǎn)如：耗費(fèi)人力物力、數(shù)據(jù)認(rèn)為處理不當(dāng)、經(jīng)常受噪聲、多徑、陰影效應(yīng)的影響、數(shù)據(jù)庫更新不及時(shí)等問題，都會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2.5 行人航位推算算法（PDR）

PDR[8]能在無信標(biāo)的情況下，利用加速三軸加速度和方向角感知行人在行進(jìn)過程中的加速度和方向角，使用這些數(shù)據(jù)對行走路線進(jìn)行相對定位，最終達(dá)到對行人定位跟蹤的目的。其中主要涉及的過程有步態(tài)檢測和方向計(jì)算兩個(gè)方面，PDR演示圖如圖3所示。

例如，已經(jīng)知道開始的坐標(biāo)信息，推理下一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，推理的數(shù)學(xué)公式為

（2）

式中，為行走位移；為方向角。

3" "室內(nèi)定位發(fā)展前景

室內(nèi)定位這幾年飛快發(fā)展，也取得了相應(yīng)的研究成果，常見的定位技術(shù)已經(jīng)非常成熟，開始出現(xiàn)多種定位技術(shù)相融合的室內(nèi)定位方法，這些融合室內(nèi)定位存在著不同的優(yōu)勢，同時(shí)也有一定的局限性。目前，不少國內(nèi)外學(xué)者也著手研究室內(nèi)定位的算法，通過各種算法的改進(jìn)來提高定位精度。室內(nèi)定位有很廣的發(fā)展前景，但也出現(xiàn)了很多問題，如定位過程中的多徑問題、環(huán)境影響因素、地理位置影響、成本問題等，這也是室內(nèi)面臨的挑戰(zhàn)，如果這些問題得到一定程度的解決，室內(nèi)定位精度將會(huì)大大提高。

3.1 面臨挑戰(zhàn)

（1）多徑問題。在室內(nèi)定位，由于建筑物或者鋼筋混凝土的遮擋，傳播信號(hào)會(huì)逐漸變?nèi)酰瑢?dǎo)致接收到的信號(hào)與發(fā)出的信號(hào)差距很大，對最后室內(nèi)定位精度造成很大影響。如果通過各種技術(shù)和算法能解決一部分多徑問題的影響，室內(nèi)定位精度也能大幅度提高。

（2）環(huán)境因素。環(huán)境對室內(nèi)定位的影響主要包括溫度、濕度、空氣的流通度、空氣中浮塵的密度。這些因素在室內(nèi)定位中都會(huì)對信號(hào)傳播有一定的影響，研究員做室內(nèi)定位的實(shí)驗(yàn)過程中需要定期采樣，盡量減少環(huán)境因素對室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

（3）地理位置。目前，室內(nèi)定位針對于繁華區(qū)域的商場、醫(yī)院、地下車庫等，方便人們出行、購物。但在偏僻地區(qū)，室內(nèi)信號(hào)差，接收到的信息不穩(wěn)定，造成室內(nèi)定位精度較低。

（4）成本問題。無論哪一種室內(nèi)定位方式都在追求低成本、低消耗、便捷，藍(lán)牙室內(nèi)定位、Wi-Fi室內(nèi)定位、地磁室內(nèi)定位等較為受歡迎，出門用手機(jī)即可進(jìn)行定位，方便、快捷。最近幾年較為流行多種定位技術(shù)相互融合定位，采取每種定位技術(shù)的優(yōu)勢，最大程度的降低成本。

3.2 新發(fā)展趨勢

（1）室內(nèi)定位算法新融合。不同的定位算法有不同的優(yōu)勢，在復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境中，使用一種定位算法很難提高定位精度。針對這種情況，室內(nèi)定位會(huì)朝著多種定位算法融合的方向進(jìn)行發(fā)展，充分發(fā)揮每種算法的優(yōu)勢，彌補(bǔ)其他算法的不足。定位之前選擇合適的定位算法，以提高定位精度、節(jié)約成本、操作方便為前提，使不同的定位算法進(jìn)行融合，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出最優(yōu)的定位方案。

（2）室內(nèi)和室外聯(lián)合定位。隨著社會(huì)的發(fā)展，在不久的將來會(huì)實(shí)現(xiàn)由室內(nèi)到室外的跨場景定位，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位和室外定位無縫切換，成本低，定位精度高。在未來，大型商場、地下車庫等，由室內(nèi)到室外，提供詳細(xì)的行走路線，室內(nèi)以商店的具體位置信息、樓層信息以及行走路線為主，室外以交通路線、實(shí)時(shí)的車輛信息及路邊建筑為主，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)到室外路線規(guī)劃的整體性，完整性。

（3）新興5G室內(nèi)定位。最近十年5G技術(shù)飛速發(fā)展，截至目前中國5G基站總數(shù)達(dá)350.9萬個(gè)，占移動(dòng)基站總數(shù)的21.9%，使用人數(shù)也高達(dá)8.05億人，5G已經(jīng)滲入到人們的生活當(dāng)中。3GPP Release16（Rel-16）首次在5G標(biāo)準(zhǔn)中引入定位能力，要求5G在室內(nèi)和室外達(dá)到米級(jí)定位，滿足人們基本的定位需求。5G使用人數(shù)多、大寬帶、效率高、使用方便，并且支持AOA、TDOA等多種方法，優(yōu)勢明顯，可以與其他定位技術(shù)融合，在室內(nèi)定位領(lǐng)域有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

（4）新的發(fā)展方向。社會(huì)發(fā)展迅速，室內(nèi)定位已經(jīng)融入各個(gè)領(lǐng)域，不僅僅運(yùn)用在人員定位，還在電子商務(wù)領(lǐng)域、緊急醫(yī)療救援、快遞管理等方面有了很大突破。

4" "結(jié)束語

室內(nèi)定位已經(jīng)深入人們的生活，以致研究的學(xué)者和企業(yè)也越來越多，精度越高、可維護(hù)性越強(qiáng)、成本越低才能使室內(nèi)定位更具有價(jià)值。同時(shí)室內(nèi)定位面臨很多挑戰(zhàn)，勇于接受挑戰(zhàn)，不斷攻克問題，室內(nèi)定位的精度就會(huì)越來越高。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳雅琴．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概論[M]．北京：科學(xué)出版社，2020．

[2] 張?zhí)鹛穑梢姽舛ㄎ慌c傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2019．

[3] G. Alvarez-Narciandi， J. Laviada， M. R. Pino， et al." \"3D location system based on attitude estimation with RFID technology，\" 2017 IEEE International Conference on RFID Technology amp; Application （RFID-TA）， 2017， pp. 80-82.

[4] BAN， R.， KAJI， K.， HIROI， K. et al. Indoor positioning method integrating pedestrian Dead Reckoning with magnetic field and Wi-Fi fingerprints." Mobile Computing and Ubiquitous Networking （ICML）， 2015 Eighth International Conference on， 2015. IEEE，167-172.

[5] 郭瑩瑩．基于群智感知的低功耗藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)的研究[D]．北京：北京郵電大學(xué)，2017．

[6] 熊海良．超寬帶無線通信與定位關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2011．

[7] 何瑞．基于地磁的室內(nèi)定位方法研究[D]．西安：西安電子科技大學(xué)，2020．

[8] 吳雅琴，楊碩，師蘭蘭．基于位置指紋與PDR融合的室內(nèi)定位算法研究[J]．礦業(yè)科學(xué)學(xué)報(bào)，2019，4（05）：448-454．

作者簡介：代陽坪（1994—），女，漢族，山東人，初級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)槭覂?nèi)定位。

劉天宇（1995—），男，漢族，北京人，工程師，本科，專業(yè)為電子信息工程。