引言

　　導(dǎo)航與定位關(guān)乎國家安全，是全球大國競爭的核心利益。對于室外環(huán)境，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)諸如美國的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)、我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)能夠?yàn)橛脩籼峁┹^高精度的定位服務(wù)，基本滿足了用戶在室外場景中對基于位置服務(wù)的需求。然而，個人用戶、服務(wù)機(jī)器人、掃地機(jī)器人等有大量的定位需求發(fā)生在室內(nèi)場景。而室內(nèi)場景受到建筑物的遮擋，GNSS信號快速衰減，甚至完全拒止，無法滿足室內(nèi)場景中導(dǎo)航定位的需要。因此，室內(nèi)定位技術(shù)成為工業(yè)界與學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

　　相比于美國軍方于1964年正式投入使用的子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Transit)[1]以及后來以此為前身于1994年全面建成的GPS[2]，室內(nèi)定位技術(shù)起步較晚，美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission, FCC)在1996年制定了初衷用于應(yīng)急救援的E-911定位標(biāo)準(zhǔn)[3]，之后在各行業(yè)應(yīng)用需求的推動下，室內(nèi)定位技術(shù)得到了快速的發(fā)展。目前，國內(nèi)外研究已提出了射頻識別技術(shù)(Radio Frequency Identification, RFID)、藍(lán)牙、WLAN(Wireless Local Area Networks)、超寬帶(Ultra-Wideband, UWB)等室內(nèi)定位技術(shù)及系統(tǒng)，其中部分定位技術(shù)已經(jīng)商用。但是，由于室內(nèi)場景的復(fù)雜性和多樣性，不同的室內(nèi)定位技術(shù)也具有不同的缺點(diǎn)和局限性，尚未形成與GNSS類似的普適解決方案。

　　本文首先對目前主要的室內(nèi)定位技術(shù)的原理進(jìn)行簡要介紹，然后對室內(nèi)定位技術(shù)的分類進(jìn)行闡述，并針對目前主流的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。最后介紹室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用場景和發(fā)展前景。

　　1室內(nèi)定位技術(shù)

　　室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)位置定位，主要采用無線通信、基站定位、慣導(dǎo)定位等多種技術(shù)集成形成一套室內(nèi)位置定位體系，從而實(shí)現(xiàn)人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控。

　　隨著通信技術(shù)和電子制造工藝的不斷發(fā)展和普及，室內(nèi)定位技術(shù)層出不窮，定位精度從幾米到幾十米都有，并在一些行業(yè)中得到了應(yīng)用。

　　PART

　　01 室內(nèi)定位方法

　　目前室內(nèi)定位常用的定位方法，從原理上主要分為七種：鄰近探測法、質(zhì)心定位法、多邊定位法、三角定位法、極點(diǎn)法、指紋定位法和航位推算法[4]。

　　1.1ProximityDetection

　　鄰近探測法

　　鄰近探測法，又稱為CoO(Cell of Origin)法或Cell-ID(Cell Identification)法，通過一些有范圍限制的物理信號的接收，從而判斷移動設(shè)備是否出現(xiàn)在某一個發(fā)射點(diǎn)附近。該方法的定位精度取決于發(fā)射點(diǎn)的布設(shè)密度和信號覆蓋范圍。該方法雖然只能提供大概的定位信息，但其布設(shè)成本低、易于搭建，適合于一些對定位精度要求不高的應(yīng)用，例如自動識別系統(tǒng)用于公司的員工簽到。

　　1.2Centroid Determination

　　質(zhì)心定位法

　　質(zhì)心定位法是根據(jù)移動設(shè)備可接收信號范圍內(nèi)所有已知的信標(biāo)(beacon)位置，計算其質(zhì)心坐標(biāo)作為移動設(shè)備的坐標(biāo)。相應(yīng)地，也可以根據(jù)接收信號強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication, RSSI)設(shè)置對應(yīng)的信標(biāo)的權(quán)重，得到加權(quán)質(zhì)心作為移動設(shè)備的坐標(biāo)。該方法算法易于理解，計算量小，定位精度取決于信標(biāo)的布設(shè)密度。

　　1.3Multilateration

　　多邊定位法

　　該方法是通過測量待測目標(biāo)到已知參考點(diǎn)之間的距離，從而確定待測目標(biāo)的位置?；诙噙叾ㄎ坏亩ㄎ幌到y(tǒng)可以采用多種距離估計方法，比較常見的距離估計法有基于信號到達(dá)時間(Time Of Arrival, TOA)，基于信號到達(dá)時間差(Time Difference Of Arrival, TDOA)，基于增強(qiáng)觀測時間差(Enhanced Observed Time Difference, E-OTD)，基于往返時間(Round Trip Time, RTT)，基于接收信號強(qiáng)度指示[5][6]。

　　1.4Triangulation

　　多邊定位法

　　三角定位法，也可稱為到達(dá)角測量法(Arrival Of Angle, AOA)。該方法是在獲取待測目標(biāo)相對兩個已知參考點(diǎn)的角度后結(jié)合兩參考點(diǎn)間的距離信息可以確定唯一的三角形，即可確定待測目標(biāo)的位置。到達(dá)角信息，亦即信號到達(dá)的角度，可以通過定向天線獲取。同時基于攝像頭的定位系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)基于AOA的定位[7]。

　　1.5Polar Point Method

　　極點(diǎn)法

　　極點(diǎn)法通過測量相對某一已知參考點(diǎn)的距離和角度從而確定待測點(diǎn)的位置。該方法僅需已知一個參考點(diǎn)的位置坐標(biāo)，因此使用非常方便，已經(jīng)在大地測量中得到廣泛應(yīng)用，多個待測目標(biāo)的位置可以僅從一個全站儀的簡單建立得到。

　　1.6Fingerprinting

　　指紋定位法

　　指紋定位采集的標(biāo)準(zhǔn)量是射頻信號，但指紋定位法也可采用聲音信號、光信號或其他無線信號實(shí)現(xiàn)。指紋定位通常包括兩個階段：第一階段，離線校準(zhǔn)階段，通過實(shí)際采集或計算分析建立指紋地圖。具體地，選擇室內(nèi)場景中的多個位置點(diǎn)采集多個基站發(fā)出的信號的強(qiáng)度并加入到指紋數(shù)據(jù)庫中。第二階段，定位階段，通過將實(shí)際實(shí)時接收到的信號于指紋數(shù)據(jù)庫中的信號特征參數(shù)進(jìn)行對比找到最好的匹配參數(shù)，其對應(yīng)的位置坐標(biāo)即認(rèn)為是待測目標(biāo)的位置坐標(biāo)。指紋定位的優(yōu)勢是幾乎不需要參考測量點(diǎn)，定位精度相對較高，但缺點(diǎn)是前期離線建立指紋庫的工作量巨大，同時很難自適應(yīng)于環(huán)境變化較大的場景。

　　1.7Dead Reckoning

　　航位推算法

　　指紋定位采集的標(biāo)準(zhǔn)量是射頻信號，但指紋定位法也可采用聲音信號、光信號或其他無線信號實(shí)現(xiàn)。指紋定位通常包括兩個階段：第一階段，離線校準(zhǔn)階段，通過實(shí)際采集或計算分析建立指紋地圖。具體地，選擇室內(nèi)場景中的多個位置點(diǎn)采集多個基站發(fā)出的信號的強(qiáng)度并加入到指紋數(shù)據(jù)庫中。第二階段，定位階段，通過將實(shí)際實(shí)時接收到的信號于指紋數(shù)據(jù)庫中的信號特征參數(shù)進(jìn)行對比找到最好的匹配參數(shù)，其對應(yīng)的位置坐標(biāo)即認(rèn)為是待測目標(biāo)的位置坐標(biāo)。指紋定位的優(yōu)勢是幾乎不需要參考測量點(diǎn)，定位精度相對較高，但缺點(diǎn)是前期離線建立指紋庫的工作量巨大，同時很難自適應(yīng)于環(huán)境變化較大的場景。

　　PART

　　02 室內(nèi)定位觀測量

　　不同的室內(nèi)定位方法選擇不同的觀測量，通過不同的觀測量提取算法所需要的信息。下面對主要的觀測量進(jìn)行簡要的介紹。

　　2.1RSSI測量

　　RSSI測量是通過計算信號的傳播損耗，可以使用理論或者經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠韺鞑p耗轉(zhuǎn)化為距離，也可以用于指紋定位建立指紋庫。

　　在自由空間中，距發(fā)射機(jī)d處的天線接收到的信號強(qiáng)度可由下式給出[4]：

　　(1)其中，PT表示發(fā)射功率；PR表示距離d處的接收功率；GT表示發(fā)射天線的增益； GR表示接收天線的增益；λ表示信號波長；L表示系統(tǒng)的損失(L>1) 。

　　2.2TOA測量

　　TOA方法主要測量信號在基站和移動臺之間的單程傳播時間或來回傳播時間。前者要求基站與移動臺間的時鐘同步。

　　TOA測量的定位方法為多邊定位。若電磁波從移動臺到基站的傳播時間為t，電磁波的傳播速度為c，則移動臺位于以該基站為圓心，c×t為半徑的圓上。同理在第二個、第三個基站的圓上，故移動臺的位置坐標(biāo)應(yīng)為這三個圓的交點(diǎn)。如圖1所示，A、B、C為三個已知位置的基站，P為移動臺，R1、R2、R3分別為移動臺到基站A、B、C的距離。

　　圖.1.基于TOA的定位原理[9]

　　2.3TDOA測量

　　該方法同樣是測量信號到達(dá)時間，但使用到達(dá)時間差進(jìn)行定位計算，可利用雙曲線交點(diǎn)確定移動臺位置，故可以避免對基站和移動臺的精確同步。

　　通過TDOA測量，可以得到未知移動臺到兩個基站的距離之差，即移動臺位于以兩個基站為焦點(diǎn)的雙曲線上。引入第三個基站，可以得到兩個以上雙曲線方程，則雙曲線的交點(diǎn)即為移動臺的位置。如圖2所示，A、B、C為三個已知位置的基站，P為移動臺，R1、R2、R3分別為移動臺到基站A、B、C的距離，其中R2－R1、R3－R1為定值。

　　圖. 2.基于TDOA的定位原理[9]

　　2.4AOA測量

　　AOA方法是指接收機(jī)通過天線陣列測出電磁波的入射角度，包括測量基站信號到移動臺的角度或者移動臺信號到達(dá)基站的角度。每種方式均會產(chǎn)生從基站到移動臺的方向線。兩個基站可以得到兩條方向線，其交點(diǎn)即為移動臺位置。因此，AOA方法只需要兩個基站即可確定移動臺位置。如圖3所示，θ1為移動臺P的信號到達(dá)基站A的角度，θ2為信號到達(dá)基站B的角度。

　　AOA需要準(zhǔn)確測量電磁波的入射角，對天線的要求非常高，如果每個基站均安裝天線陣列，將導(dǎo)致設(shè)備復(fù)雜度變高。而在室內(nèi)環(huán)境中多徑效應(yīng)和環(huán)境變化均會嚴(yán)重影響方向判斷，干擾定位結(jié)果。

　　圖. 3.基于AOA的定位原理[9]

　　2.5方向和距離

　　獲取方向和距離多用于航位推算定位，采用自包含傳感器記錄載體的物理信息，計算得到方向和距離，從而在已知上一位置的基礎(chǔ)上計算得到當(dāng)前的未知。

　　PART03 室內(nèi)定位分類

　　室內(nèi)定位技術(shù)的分類對于室內(nèi)定位結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建具有重要的價值。

　　華盛頓大學(xué)的J. Hightower和G. Borriello在2001年就提出了以定位位置類型、絕對/相對定位、主動/被動定位、精度、覆蓋范圍、所用信號等方面對定位技術(shù)進(jìn)行分類，以方便研究人員和開發(fā)者更好地評估一個定位系統(tǒng)[10]。清華大學(xué)的劉長征等人在2003年根據(jù)測量和計算的實(shí)體將定位技術(shù)分為基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)和基于移動終端的定位技術(shù)[11]。北京理工大學(xué)的房秉毅在2006年根據(jù)應(yīng)用精度將室內(nèi)定位技術(shù)大致分為“目標(biāo)發(fā)現(xiàn)”類和“智能空間”類[12]。李泳按照通信手段和測量所采用的技術(shù)對室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行了分類[13]。

　　2009年，梁元誠提出了三種室內(nèi)定位技術(shù)的分類方法：基于位置感知技術(shù)，分為基于臨近關(guān)系、基于三角關(guān)系和基于場景分析的定位技術(shù)；基于信號測量技術(shù)，分為基于RSSI測量、基于TOA測量、基于TDOA測量、基于AOA測量、基于Cell-ID以及基于BER(Bit Error Rate)測量的定位；基于傳感器類型，可以分為基于RFID、紅外線、超聲波系統(tǒng)、藍(lán)牙、超寬帶系統(tǒng)、Zigbee、WLAN、GSM和GPS等[14]。

　　同年，F(xiàn). Seco根據(jù)室內(nèi)定位中定位算法，將定位技術(shù)分為四類：基于幾何的方法、基于成本最小化的方法、指紋定位和貝葉斯技術(shù)[15]。

　　2013年，北京郵電大學(xué)的鄧中亮提出按照定位原理可以分為識別(Identity)、幾何法和指紋定位；按照傳輸信號不同分為Wi-Fi、Zigbee、RFID、藍(lán)牙、超寬帶、偽衛(wèi)星、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和激光等[16]。

　　同時，按照定位范圍分為廣域室內(nèi)定位和居于室內(nèi)定位[17]。其他常見的定位分類標(biāo)準(zhǔn)還有：基于距離和距離無關(guān)的定位技術(shù)、遞增式和并發(fā)式的定位技術(shù)、基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和無信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)以及集中式定位與分布式定位技術(shù)等[13]。