室内定位技术及应用

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1、室内定位技术及应用定位技术和应用分类1. 定位技术如下图所示，目前在用的定位技术主要分为三种：SatellitesSatelliite-basedNetwork-basedSensor-basedRF networksBluetooihWLAN Smart PhoneCellular& DTV人小 RFIU/NFCJ settwISensorsi1）基于卫星网络的定位包括GPS、伽利略、GLONASS和我国的北斗定位。2）射频网络定位 包括运行商基站位置定位、蓝牙定位、红外定位、 WIFI 热点定位等。3）基于传感器网络的定位包括基于惯性传感器的定位、利用磁场定位、 LIFI 可见光通信定位、

2、激光定位等2. 定位技术的应用分两类：1） 室外应用 主要是用于导航、智慧物流等室外作业，活动范围广泛，便于接收卫星信号的领域。2）室内应用 位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展，以提供无所不在的基于位置的服 务。包括作为室外定位技术的位置信息补盲（例如人员进入室内后的轨迹定位）、室内作 业人员（甚至机器人、无人导引车等）位置跟踪与导向、室内关键物品固定位置的监控、 轨道列车的导航和定位（包括信息服务等）。二、室外定位目前应用于室外定位的主流技术主要有卫星定位和基站定位两种。1. 卫星定位卫星定位即是通过接收卫星提供的经纬度坐标信号来进行定位，卫星定位系统主要 有：美国全球定位系(GPS

3、)、俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)、欧洲伽利略(GALILEO)系统、中国 北斗卫星导航系统，其中 GPS 系统是现阶段应用最为广泛、技术最为成熟的卫星定位技 术。门恪录统构磴呻问部分令抻!制部分用戶部分GPS 全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分、地面控制部分、用户设备部分。空间部分是由24 颗工作卫星组成，均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4颗)，卫 星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星，并能保持良好定位 解算精度的几何图象；控制部分主要由监测站、主控站、备用主控站、信息注入站构成，主要负责 GPS 卫星 阵的管理控制；用户设备部分主要是GPS接收机，主要

4、功能是接收GPS卫星发射的信号，获得定位信 息和观测量，经数据处理实现定位。GPS 的定位通过四颗已知位置的卫星来确定 GPS 接收器的位置。卫星的位置可以根据星载时钟所 记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再 将其乘以光速得到 (由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪 距)。当 GPS 卫星正常工作时，会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发 射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射 修正等信息。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是

5、同步，所以除 了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个变量t即卫星与接收机之间的时间差作为未知 数，然后用 4 个方程将这 4 个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要 能接收到4 个卫星的信号。如下图所示：a 丿Csl样斗-纠卩他-時a临国斗2-撐斗-E2卩生X琳-TV叫 脸国曲3呼严驴卩Z%确-1円3 他-或旺帥-厅+-乞）3卩11+ &晞-iAdqn2an4(瓯 ft3 &)/ xi, yi? nJO2. 基站定位基站定位一般应用于手机用户，手机基站定位服务又叫做移动位置服务 （LBS，Location Based Service），通过电信移动运营商的网络获取移动终端用

6、户的位置信息。手机等移动设备在开机以后，会主动搜索周围的基站信息，与基站建立联系，而且在 可以搜索到信号的区域，手机能搜索到的基站不止一个，只不过远近程度不同，再进行通 信时会选取距离最近、信号最强的基站作为通信基站。其余的基站并不是没有用处了，当 你的位置发生移动时，不同基站的信号强度会发生变化，如果基站 A 的信号不如基站 B 了，手机为了防止突然间中断链接，会先和基站 B 进行通信，协调好通信方式之后就会从 A 切换到 B。基站定位的原理也很简单：手机测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的 TOA （Time of Arrival,到达时刻）或TD0A（Time Differ

7、ence of Arrival,到达时间差），根据该测量结果并结合 基站的坐标，一般采用三角公式估计算法，就能够计算出移动电话的位置。基站“三点定位”原理由于基站定位时，信号很容易受到干扰，所以决定了它定位的不准确性，精度大约在150 米左右，基本无法开车导航。定位条件是必须在有基站信号的位置，手机处于 sim 卡 注册状态（飞行模式下开WiFi和拔出sim卡都不行），而且必须收到3个基站的信号。但 是，定位速度超快，一旦有信号就可以定位，目前主要用途是没有GPS且没有WiFi的情况 下快速大体了解下你的位置。表：两种室外定位技术的对比定位技术GPS定位LBS定位原理卫星定位基站定位精度精度咼

8、（5-10m）精度较低（市区20-200m；郊区 1000-2000m)耗电量很大，需要手机为GPS模基站采集数据即可，不消块提供高压供电耗手机电量优点室外定位精度咼；覆盖广定位速度超快；不受天缺点1.GPS系统的天线必须在室气、高楼、位置等等的影 响；功耗低1.定位条件是必须在有基站外并且能看到大面积天空，否信号的位置，手机处于sim卡则无法定位，受天气和位置影注册状态），且必须收到3个响很大；2.比较耗电；3.成本 较咼基站的信号；2定位精度低三、室内定位近年来，位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展，以提供无所不在的基于位 置的服务，其主要推动力是室内位置服务所能带来的巨大的应用和商

9、业潜能。许多公司包 括 OS 提供商、服务提供商，设备和芯片提供商都在竞争这个市场。1. 室内定位技术的需求室内定位的需求越来越广泛，包括消防、学校、商场、医院、停车场、轨道列车、物 流仓储、地下作业等场合，尤其是涉及到公共安全、地铁、矿洞作业等领域，室内定位技 术的需求更为迫切。2. 室内定位面临的挑战室内定位主要是受室内环境布局的千变万化影响，布置的精细要求定位的精度更高。 室内定位的局限性也主要体现在了多路径布设、非视距、信号衰减快、信号传递的时变性 以及精度等比较实用的室内定位技术需要满足精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性 和响应时间等综合要求。精度：对精度的要求不同的应用差

10、别很大，比如在超市或仓库找一个特定的商品可能 需要 1 米甚至更低的精度，如果在购物中心寻找一个特定的品牌或餐馆，5-10 米的精度就 能满足要求。覆盖范围：覆盖范围主要是指一个技术和解决方案可以在多大的范围内提供满足精度 的覆盖。有些技术需要相应或专用的基础设施支撑并结合相应的定位终端使用，这样它的 覆盖就只是布局了相应技术的环境范围。可靠性：前面提到室内环境动态性很强，会经常发生改变，比如商场的设置和隔断会 经常发生变化。另一方面，定位所依赖的基础设施也会经常发生变化。举个例子，一些大 型的会议，参展商会架设自己的 WiFi 热点， 这些设施会动态变化位置，甚至有时开有时 关，如果定位技术

11、是基于WiFi的，可靠的系统应该不会受到这些因素的影响。成本和复杂度：成本和复杂度指标涵盖两个方面。一个是定位终端的成本，是不是可 以用终端已有的硬件而不添加新的硬件。另一方面是布局和维护的成本及其复杂度，包括 布局与维护定位所需要的设施和采集相关的数据库。功耗：定位所产生的功耗是一个很重要的指标尤其对使用电池的移动设备，如果功耗 大很快使设备没电了，就限制了用户的使用。有调查表明，电池消耗过快是很多用户不开 启定位功能的一个主要因素。所以，如果要实现随时随地的位置感知，必须降低定位所增 加的设备额外功耗。可扩展性：可扩展性指一个解决方案扩展到更大的覆盖范围使用的能力，和方便地移 植到不同的环

12、境和应用的能力。响应时间：系统给出一个位置更新所需的时间是响应时间，不同的应用需求不同，比 如移动用户和导航应用需要快的位置更新。3. 室内定位技术室内定位的技术分支多样，下图是各种室内定位方案的对比图：I米莖牙定強E亚琳缴勞卅毎 （定位珂度）規横化瑞羽程此RFD迢声波计说机 视觉目前室内定位常用的定位方法，从原理上主要分为七种：邻近探测法、质心定位法、多边定位法、三角定位法、极点法、指纹定位法和航位推算法。定位原理 临近探测法描述通过一些有范围限制的物理信号的 接收，从而判断移动设备是否出现 在某一个发射点附近。特点该方法虽然只能提供大概的定位信 息，但其布设成本低、易于搭建，适 合于一些对

13、定位精度要求不咼的应 用，例如自动识别系统用于公司的员 工签到。质心定位法根据移动设备可接收信号范围内所 有已知的信标（beacon）位置，计 算其质心坐标作为移动设备的坐 标。该方法易于理解，计算量小，定位精 度取决于信标的布设密度。多边定位法通过测量待测目标到已知参考点之 间的距离，从而确定待测目标的位 置。精度咼、应用广。三角定位法该方法是在获取待测目标相对2个 已知参考点的角度后结合两参考点 间的距离信息可以确定唯一的三角 形，即可确定待测目标的位置。精度咼、应用广。极点法通过测量相对某一已知参考点的距 离和角度从而确定待测点的位置。该方法仅需已知一个参考点的位置坐 标，因此使用非常方

14、便，已经在大地 测量中得到广泛应用。指纹定位法在定位空间中建立指纹数据库，通 过将实际信息与数据库中的参数进 行对比来实现定位。指纹定位的优势是几乎不需要参考测 量点，定位精度相对较高；但缺点是 前期离线建立指纹库的工作量巨大， 同时很难自适应于环境变化较大的场 景。航位推算法是在已知上一位置的基础上，通过 计算或已知的运动速度和时间计算 得到当前的位置。数据稳定，无依赖，但该方法存在累 积误差，定位精度随着时间增加而恶 化。不同的室内定位方法选择不同的观测量，通过不同的观测量提取算法所需要的信息。表对主要的观测量进行简要的介绍。观测量简介RSSI（接收信号 强度指示）测量TOA （到达时 间

15、）测量它是通过计算信号的传播损耗，可以使用理论或者经验模型来将传播损耗 转化为距离，也可以用于指纹定位建立指纹库。该方法主要测量信号在基站和移动台之间的单程传播时间或来回传播时 间。前者要求基站与移动台间的时钟同步。TDOA （到达时 间差）测量该方法同样是测量信号到达时间，但使用到达时间差进行定位计算，可利 用双曲线交点确定移动台位置，故可以避免对基站和移动台的精确同步。AOA （到达角 度）测量该方法是指接收机通过天线阵列测出电磁波的入射角度，包括测量基站信 号到移动台的角度或者移动台信号到达基站的角度。每种方式均会产生从 基站到移动台的方向线。2个基站可以得到2条方向线，其交点即为移动 台位置。因此，AOA方法只需要2个基站即可确定移动台位置。方向和距离获取方向和距离多用于航位推算定位，米用自包含传感器记录载体的物理 信息，计算得到方向和距离，从而在已知上一位置的基础上计算得到当前 的位置。根据上面介绍的定位原理和观测量，衍生出了多种室内