室内定位技术的研究综述

刘祺　朱秋月　冯莎

摘 要： 室内定位是位置信息服务领域中的重要研究方向，其在日常生活、商业服务和公共安全等方面都有着良好的应用前景。介绍了室内定位技术的由来和类别，以及当前主流的室内定位技术及其定位原理，举例描述了室内定位的应用场景，并分析了其未来发展趋势。

关键词： 室内定位； 类别； 定位原理； 应用场景； 发展趋势

中图分类号：TP271.+5 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）08-13-03

Abstract： Indoor positioning technology is an important research direction in the field of location service research， and it has a promising application prospect in daily life， business services， public security etc. This paper discusses the origin， classification and the current mainstream of indoor positioning technology and introduces the positioning principles behind the indoor positioning technology， and exemplifies the application scenarios of indoor positioning and analyzes its future development trend.

Key words： indoor positioning； category； positioning principle； application scenarios； development trend

0 引言

随着社会的进步，信息技术的发展以及各类电子智能设备的普及，定位技术已越来越贴近人们的生活。作为成熟的定位技术的代表—GPS技术，因其性能稳定、成本低、精度能达到米级，而被越来越多的人所熟悉并使用。例如车载导航，手机地图App等都运用了GPS技术。

在室内，由于受到钢筋混凝土等障碍物的遮挡和复杂室内环境的影响，接收到的GPS信号很弱，无法利用现有的GPS技术实现定位。由于人们的大部分时间都在室内度过，所以室内定位在日常生活、商业服务以及公共安全中都有着极为重要意义。因此，如何在室内实现精确的定位是定位技术研究领域中的一个重要方向。

1 室内定位技术的分类

室内定位技术已有多年的发展历史，现有的室内定位技术按照不同的依据可以有多种划分。其中，以定位机制为依据可以划分为：基于临近关系的室内定位技术、基于几何关系的室内定位技术和基于场景分析的室内定位技术[1]；按照其物理依赖可以划分为：基于GPS的室内定位技术、基于无线传感器网络（红外线、蓝牙、WiFi、超声波等）的室内定位技术和其他室内定位技术；按照定位范围可以划分为：广域室内定位和局域室内定位[2]。

2 现有的室内定位技术

从室内定位被提出至今，已有十多年的发展。在世界各国专家学者的研究下，已取得很多研究成果，产生了多种定位技术。当前主要应用的定位技术有如下几种。

⑴ 红外线定位

红外线定位是通过在待定位目标上安装红外线发射器，该发射器能发射具有惟一身份标识的信号，在室内各个方向上布置红外线接收器。各个接收器都与控制中心相连，通过控制中心的计算分析后得以定位。具有代表性的基于红外线的室内定位系统有AT&T剑桥实验室开发的Active Badge定位系统。红外线技术的定位精度较高，但红外线的传播距离较短，只能在视距内传播，系统成本较高，这些缺陷在一定程度上限制了它的发展。

⑵ 超声波定位

超声波定位[4]依据回波与发射波之间的时间差得到待测点和参考点之间的距离，通过三个或三个以上待测点到参考点之间的距离结合三角定位或其他算法得到待测点在室内的二维坐标。基于超声波的室内定位解决方案有AT&T剑桥实验室提出的Active Bat定位系统、MIT开发的Cricket定位系统，Constellation定位系统。其中，Cricket系统中不仅使用了超声波，还结合了射频技术，Constellation系统中还加入了其他传感器来增加它的定位精度。超声波技术有很高的定位精度，但由于需要在定位空间布置大量的测量设备，使其有较高的定位成本。

⑶ 蓝牙定位

蓝牙技术[5]通过计算移动终端接收已知高度的发射天线所发射的信号的角度，或者根据蓝牙信号强度定位。2011年，NOKIA提出的HAIP（High Accuracy Indoor Positioning）室内定位解决方案，就是利用蓝牙信号的信号到达角度实现精确定位。而苹果公司研制的iBeacon则是根据在待测点所测得的信号强度通过指纹匹配算法得以定位。蓝牙定位技术的优点在于：设备体积小，易于集成在手持终端设备中，且定位精度较高。其易于普及，但在复杂的室内环境中，其定位精度受外界的干扰较大，稳定性有待提高。

⑷ WLAN定位

基于WLAN的室内定位技术近年来得以快速发展。WLAN定位[6]主要是分为两个阶段：离线采集阶段和在线定位阶段。具有代表性的基于WLAN技术的定位系统有微软研究院提出的RADAR系统。此外，一些较著名的IT公司在其研发的室内定位产品中也用到WLAN技术，如谷歌地图中引入室内定位功能，我国的百度、高德公司研发的室内定位产品等。现有的WLAN技术定位精度虽然一般，但由于WiFi设备广泛部署于人们周围，使其拥有良好的应用前景。

⑸ 射频定位

射频识别（Radio Frequency Identification简称RFID）技术[7]利用射频信号进行非接触式双向通信，从而获得目标位置的相关信息。2003年，密歇根州立大学Lionel M .Ni提出基于RFID的LANDMARC室内定位系统。华盛顿大学推出的SpotON系统也基于RFID。由于射频信号传输范围大、非视距、非接触式等优点，而且定位的成本较低，所以近年来被较多的应用。但由于其传输距离短，不具备通信能力等缺陷，使其在发展中受到限制。

⑹ 超宽带定位

超宽带（UWB）技术[8]是一种近年来发展迅速的新兴通信技术，通过发送和接收纳秒或纳秒级以下的急窄脉冲来传输数据，具有GHz量级的带宽。由于其具有穿透力强，功耗低，抗多径效应能力强等特点，使其在室内定位中有独特的优势。Ubisense是具有代表性的UWB室内定位系统，其原理是TDOA和AOA定位算法的相结合。基于UWB的室内定位系统具有亚米级定位精度，抗干扰能力强等优势，但UWB设备成本过高使其难以大范围的使用。

⑺ ZigBee定位

ZigBee技术是一种新兴的无线传感器网络技术，由于其低功耗、低成本的特点，近年来在短距离室内定位中逐渐受到人们的关注。ZigBee定位系统[9]通过在室内布置大量的参考节点，各节点之间协调通信实现室内定位。TI公司推出的CC2431就是带硬件定位引擎的片上系统（SoC）解决方案，它的定位引擎是基于RSSI技术，根据接收到的信号强度和参考点的位置计算出待测点的坐标。

⑻ 其他室内定位技术

除上述方案外，高通公司利用手机基站辅助GPS推出了A-GPS（Assistant-GPS，辅助全球定位技术）系统，IndoorAtlas公司提出基于地球磁场的定位解决方案，Qubulus公司的方案则是根据无线电信号来定位等。现有的室内定位技术有着各自的优点，但同时也存在各自的缺陷，具体如表1所示。

3 室内定位技术在实际中的应用

在日常生活中，当我们在大型商场中苦苦寻找想买的商品，或者急于找到出口时，忽然发现只要打开手机就能轻松找到想要的路线，这确实是一件很令人惊喜的事情。当我们在景区游玩时，有时会发现我们的手机地图不起作用了，只能用纸质地图或通过路标定位。其原因是有的地方不能收到GPS信号，或GPS定位精度不够等。而当室内定位技术足够成熟时，通过室内定位技术和室外定位技术的融合，实现室内外定位技术的无缝切换，问题就会迎刃而解。

在商业服务领域，通过室内定位能够根据顾客的位置推荐当前区域内的商品。在公共安全领域，当火灾发生时，室内定位能帮助消防员了解建筑内的布局，方便消防员展开营救工作，同时能定位消防员的实时位置，有利于保障消防员自身的安全。

4 总结及其未来的发展趋势

室内定位技术已有多年的发展历史，有着良好的应用前景。由于长期的探索已有多种定位技术被提出，甚至在有些实际场景中已在应用某种定位技术。然而由于定位精度、定位成本、定位范围、应用环境等因素的限制，至今仍没有一种定位技术为大部分人所接受，而被应用于实际生活的各个领域中。

当前各种室内定位技术虽然存在各自的缺陷，但也有各自的优点。所以，室内定位技术的发展趋势可以归纳为：在各种定位需求之间寻求平衡，融合多种现有的室内定位技术以弥补单一技术存在的不足；在融合多种技术的基础上，为各模块之间信息的交互制定标准；同时，对于保障位置信息的安全，如保障使用者位置信息的安全，保障有些人的位置信息不被定位系统获知，以及保障本定位系统不被他人使用等，也许会逐渐在未来的室内定位系统中体现出来。

参考文献（References）：

[1] 赵锐，钟榜，朱祖礼，马乐，姚金飞.室内定位技术及应用综述[J].电子科技，2014.3：154-157

[2] 余扬，赵凯飞，沈嘉.室内定位技术应用、研究现状及展望[J].电信网技术，2014.5：46-49

[3] 阮陵，张翎，许越，郑星雨.室内定位：分类、方法与应用综述[J].地理信息世界，2015.2：8-14，30

[4] 杨阳，肖金红，刘智，崔金峰，刘丹，韩丽英.基于超声波的室内三维定位系统[J].吉林大学学报（信息科学版），2012.3003：267-271

[5] 刘明伟，刘太君，叶焱，吴丽.基于低功耗蓝牙技术的室内定位应用研究[J].无线通信技术，2015.24（9503）：19-23

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[8] 杨狄，唐小妹，李柏渝，王飞雪.基于超宽带的室内定位技术研究综述[J].全球定位系统，2015.5：34-40

[9] 高明，吉祥，刘宇，吕宏.ZigBee技术在室内定位中的应用[J].西安工业大学学报，2010.1：9-12