室内定位技术探讨

2013-11-24

江西测绘 2013年2期

（江西省基础测绘院江西南昌 330001）

1 引言

定位技术、导航技术发展到今天，GPS的使用已经十分普及了。而移动导航技术A-GPS 也随着智能手机的普及而越发的使用广泛了。然而，在民用导航领域，由于GPS的广泛使用，且鉴于GPS技术本身的限制，室内的定位技术和导航技术一直发展缓慢。技术上虽然有很多的大型跨国公司及著名大学团队在进行研究，至今还是在研究阶段，并没有从研究室进入商用的阶段。本文主要介绍几种研究比较深入、易于进行商用模式扩展的室内定位技术。

2 室内定位技术的原理

室内定位技术是通过对携带有室内定位设备的相关人员的位置感知，再通过一定的定位算法，进而进行计算反馈给终端，从而帮助人们在陌生、不熟悉的室内环境下快速找到所需要的位置信息。

一个简略的室内定位原理图1所示：

3 室内定位技术的难点

室内定位技术的模型设计相对简单，主要模块的设计在于定位算法的设计，这是定位技术的核心与难点。

现在比较通行的定位算法主要分为两种，分别是模式匹配算法及三角（边）测量方法。下面分别分析这两种算法的计算机制及其引发的技术难点。

图1 室内定位原理图

室内定位采用模式匹配算法时，一般需要通过预先建立信号——位置的关系数据模式，从而把参考信号的地理位置分布图建立起来，进而在定位执行阶段选用模式匹配方法搜索并输出度量指标对应的目标位置。通过模式匹配的方法，能够采用数学上比较有效率的算法，譬如最近邻居法、支持向量机法和相关统计学方法等。在进行室内定位时，采用三角（边）测量定位则需要先将度量指标转换为收发设备间的距离，并做三边计算，从几何计算角度获取目标点的位置信息，未知目标的位置坐标一般通过目标节点与参考节点间的角度或距离关系获得，即度量指标，主要有基于到达方向检测的信号到达角度、用于距离估计的接收信号强度、信号到达时间和信号到达时间差等。如图2所示，是一个简单的三角（边）计算位置点的方法。

在进行室内定位时，无论采用任何一种室内定位算法与机制，都不可避免出现室内情况复杂多变，人员活动不确定等因素，从而使得信道环境复杂，信号传播出现特征不明显、数据丢失严重等问题。非视距传输和多径效应等对定位系统的数据采集、修正、应用模型和定位算法设计造成极大困难，现有研究工作正为解决这些问题进行大量探索和努力。

4 几种室内定位技术的优劣分析

4.1 室内GPS技术

GPS 最早是由美国军方用于军事目的的定位导航系统，自从GPS 开放了民用频段后，GPS的使用日益频繁。作为一种使用最广泛的定位技术，GPS 运用于室内定位的主要困难在于：GPS 接收机在室内工作时，由于GPS 数据传输所采用的载波信号受建筑物的影响而大大衰减，造成定位精度十分低。而GPS定位所需要的卫星广播信号在室内情况下要想达到和室外一样的程度，甚至有时在地下建筑中直接从卫星广播中提取定位信息和时间信息所需要的数据都是不可能的。而辅助全球卫星定位系统（A-GPS）技术则在这方面进行了改进，A-GPS 通过无线电信号（譬如手机基站的信号），配合GPS 卫星信号，可以更快、更准确的定位。室内GPS技术所采用的就是这种方案，通过其他辅助信息、信号资源，把GPS信号所不能或者难以覆盖的区域进行有效的广泛覆盖，从而完成普通GPS所不能完成的室内定位的工作。

利用GPS 进行定位的优势是扩大了卫星信号的有效覆盖范围，同时GPS 信号的使用目前为止是免费的，从而在购置GPS 终端设备后，使用定位导航信号是没有其他费用的；但是GPS的使用缺点也十分明显：主要集中在GPS 自身的传输限制——不易穿透建筑物，从而造成在建筑物内的信号衰减严重，同时由于GPS的垄断因素，其硬件设备的采购成本较高。

4.2 室内无线定位技术

室内无线定位技术主要采用的是例如红外线、超声波、蓝牙、射频等技术手段作为定位模式，通过计算定位的位置点与已知的相关地物点的角度、距离等参数，推得室内需定位点的位置信息。现在室内无线设备运用的十分普遍，从而给我们的室内无线定位工作带来的方便。下面主要介绍几种室内常见的无线设备的技术方案。

4.2.1 红外线室内定位技术

红外线室内定位技术定位的原理是，通过室内安装的红外线发射装备，计算定位点与已知点位置的距离，通过多个已知点的多次结算，进而计算出该点的位置。

红外线室内定位的主要优点在于，红外线设备发射的红外线具有相对较高的室内定位精度。

红外线室内定位的主要缺点在于，红外线作为一种不可见光，本质上不能穿透建筑物或墙体，因而红外线必须在可见视距范围内传输，同时整体而言，红外线只适合短距离传播，稍长距离的传输就容易被荧光灯或者其他光线干扰，从而造成了红外线不再准确。

4.2.2 蓝牙技术

所谓蓝牙技术指的是使用2.4GHZ的无线电频段工作，通过一个特定的“蓝牙”技术协议进行通讯的无线电传输模式。

通过蓝牙技术建设室内定位系统的优势在于蓝牙设备的体积较小、集成度高，特别的蓝牙设备现在普遍集成在PDA、PC 以及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。

而采用蓝牙技术进行室内定位建设时，其劣势在于蓝牙设备的采购成本较高，同时作为一种数据传输方案，蓝牙2.0 技术模式传输速率较慢，而蓝牙3.0 协议虽然在广泛推广，但仍旧没有普及。此外，在复杂的空间环境中，蓝牙系统的稳定性是一个比较容易出问题的地方，蓝牙在噪声多而杂的情况下，受噪声信号干扰大。

4.2.3 Wi-Fi技术

无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。通过Wi-Fi技术进行室内定位的方案主要是把发送Wi-Fi 信号的设备作为已知点，而计算未知点与已知点的距离参数，从而解算需定位点的左边位置。

采用Wi-Fi技术进行室内定位的主要优势在于，日益普及的Wi-Fi 热点，以及慢慢成熟的Wi-Fi使用习惯。

而Wi-Fi技术的劣势在于：Wi-Fi技术总是依赖于某一个对定位点相对路径短的节点设备，而如果在室内，总是存在错层的问题。这时，就存在问题了。同时，Wi-Fi技术对距离远近要求较高，在100米范围内如果没有遮挡物，一般可以搜索到信号，但如果出现遮挡物，这个距离就要大打折扣，因而其传输距离也是一个显而易见的问题所在。