智能手表室内定位技术简析

徐 伟，杨 丽，钟 飞，邬治平

（依波精品（深圳）有限公司，广东 深圳 518107）

智能手表室内定位技术简析

徐 伟，杨 丽，钟 飞，邬治平

（依波精品（深圳）有限公司，广东 深圳 518107）

随着全球导航卫星系统（GNSS）的发展，位置服务日益成为人们生活、工作当中不可缺少的一部分。与此同时，可穿戴设备的兴起，促使对位置服务的需求进一步提高，尤其是智能手表，监护人随时掌握儿童、老人的位置信息，就显得至关重要。众多拥有定位功能的智能手表，其GPS定位模块已基本满足用户对室外定位的要求，但是室内智能手表的定位精度仍不尽人意。因此，探讨智能手表的室内定位技术是很有必要的。

智能手表；室内定位技术；WPS定位；惯性导航技术

1 定位技术原理

目前的定位原理大致上分为4种，分别是邻近信息法、场景分析法、几何特征定位法和惯性导航定位技术[2]。邻近信息法是根据信号的作用范围，大致定位信号源的位置；场景分析法需要事先知道场景位置的特征数据，对待测位置回传信号进行匹配，从而得出位置；几何特征定位法主要有三边定位、三角定位和双曲线定位；惯性导航定位技术，以牛顿力学理论为基础，通过传感器测得人体的运动参数（比如加速度、步长步数等），经过计算实现对人体的实时定位。

最常见的测距方法包括基于信号到达时间（TOA）的方法、基于信号到达时间差（TDOA）的方法、基于信号到达角度（AOA）的方法和基于信号强度（RSS）的方法[3]。

1.1 TOA定位

TOA（Time Of Arrival）定位就是测量出3个或者多个基站和移动端之间的信号（电磁波）传播时间，从而得到3个或多个基站到移动端距离的估计值。TOA方程组有：

式（1）中：（x0，y0）为移动端位置坐标；（xi，yi）为基站i位置坐标；i为第i个基站；c为电磁波传播速度（光速）；ti为电磁波传播时间。

图1为TOA定位原理图。

图1 TOA定位原理图

图2 一种无解情形

在TOA定位原理图中，D点作为移动端位置，在具备了3个基站位置后，就能联立方程组，求得移动端具体的位置坐标。但是，当A，B，C3个圆不存在交于一点的情况时，将会导致上述方程组（1）无解，图2显示的是较为特殊的一种无解情况，通过估算能得到移动端的具体位置坐标。

此时的估算结果为所围区域（阴影）的预估值。其方法是：选取圆B和圆C的2个交点中离圆A近的点，确定点1，同理可以确定点2、点3.此时，点D的估算位置为：

其他无解情况，参照类似解法，进行移动端位置的估算。从TOA定位技术的计算原理可以看到，各个基站和移动端在接收信号时间上需要同步，任何很小的时间误差将会被放大很多倍，又由于多径效应影响带来的误差，单纯的TOA定位技术在实际中应用很少。

1.2 TDOA定位

TDOA（Time Difference Of Arrival）定位技术是对TOA定位的改进，将基站和移动端的信号传播时间t1，t2，t3两两做差，基站和移动端之间构建一个“测距差系统”。基站位置确定后，在二维空间中，移动端到2个基站之间的距离差为常数的轨迹，即为一对曲线，因此TDOA定位系统也被称作“双曲线系统”。

通过这一公式可知，这里以基站间的距离作为焦距，基站作为交点，建立双曲线方程，此时移动端的位置就在曲线上。在多个基站情形下，得到的多条双曲线和TOA类似，移动端位置坐标就是这些曲线的交点。

由于TDOA定位技术通过测得基站间的距离，会抵消掉信号在传递过程中的时间误差和多径效应带来的误差，因此相对于TOA来说，精度有很大的提高，更具实用性。

1.3 AOA定位

AOA（Angle OfArrival）定位是一种两基站无线定位方法，基于信号的入射角进行定位，是一种典型的测角系统。

图3为AOA定位技术原理图。

图3AOA定位技术原理图

如图3所示，基站和移动端连线，基站和移动端连接的射线形成2个夹角，即夹角1和夹角2，2条射线的交点就是移动端的位置。此时有：

式（3）中：i为基站个数，在此i取1，2.

AOA通过两线相交定位，具有唯一性，对于信号接收角度有很高的要求，必须配备方向性很强的天线阵列。当移动端距离基站较远时，基站定位角度的微小偏差会导致较大误差。

1.4 RSS定位

在RSS定位技术中，利用无线信号在传播过程中的衰减，从接收信号强度中推算出定位距离[4]，假定信号强度是信号发射端和接收端距离的一元函数，信号强度和距离的理想函数关系为：

式（4）中：P（r）为接收端的信号功率；r为信号发射接收端间距离；P（r0）为发射端信号功率；α为路径损耗随着距离r的增加而增加的速率。

在实际运用中，需要考虑建筑物墙壁对信号传递的干扰。一种关于信号强度的经验公式模型，考虑了信号传递中墙壁对信号轻度的衰减作用。

式（5）中：n为信号传递中穿过的隔墙数；WAF为隔墙衰减因子。

很明显，RSS定位技术无需复杂的时钟同步，但由于信道的快速衰落和无线信号传输环境的变化，即使接收端和发送端都不移动，也可能出现严重的震荡；信号在非直径路径上的衰减要大于直线路径上的衰减，计算得到的路径就要比实际的路径长，这样定位就会产生很大的误差[5]。

2 智能手表室内定位技术

2.1 基于WIFI的定位系统

随着WIFI网络的盛行，越来越多的智能手表品牌（比如苹果、三星、华为）也推出了可接入WIFI连接模块的智能手表，实现了智能手表上APP的应用和运行。基于WIFI定位系统（WPS，WIFI-Based Positioning System），WIFI用户将终端网卡主动扫描或被动监听其接收范围内各个WIFI的信道接入点（AP，Access Point）的信号，通过监听扫描所接收到的数据帧中的MAC地址和SSID来辨识所有AP，并收集记录其相应的数据。WIFI信号发射设备作为一个无线接入点，意味着实现了全球一个位置的一个唯一ID。对于一个空间位置来说，AP的ID越多，定位也就会越准确。AP采集并建立数据库，采集的点越多，定位也就越准确。

2.2 基于蓝牙低功耗定位

蓝牙（Buletooth）是一种设备间短距离无线通信技术，最新的蓝牙4.0通讯距离达到了100 m，这为智能手表室内定位提供了更大的技术空间，定位精度也能相应地得到提升。蓝牙定位一般是基于RSS原理进行定位，分为网络侧定位和终端侧定位。其中的终端侧定位系统，适用于智能手表的室内定位技术。该系统由终端设备（比如智能手表）和beacon组成。在需要定位的区域内建立蓝牙基站，当智能手表佩戴者进入该区域内时，就会测出beacon向其发送的广播信号和数据包，得到不同基站下的RSS值、智能手表内置的算法（三角或三边算法等），进而得到智能手表佩戴者的具体位置。

2.3 惯性导航定位

WPS室内定位和蓝牙室内定位都是基于无线信号的发射或接收，对终端的定位必须要在室内区域内安装有发射器或者接收器，无法单纯地依靠终端进行定位。但是随着IC（Integrated Circuit）技术的快速发展，惯性传感器的出现顺利地解决了这一难题。惯性导航以牛顿力学理论为基础，需要通过加速度计测得人或者物的移动加速度，通过2次积分求距离；通过磁阻传感器和角速度传感器测量运动方向，实现对运动体的实时定位。

表1 智能手表定位技术对比

3 几种智能手表室内定位技术的比较

通过上述分析，智能手表的室内定位技术还是相对有限的，其中，基于无线电磁波短距离的定位（WPS定位、蓝牙定位），都需要在区域内布置相应的WIFI发射设备或基站节点，前期的投入相对较大。但是随着这些AP的增多，定位将更加精确，其中，惯性导航技术能够依靠智能手表内的传感器测得数据，进行计算定位，这在某种程度上过于依靠传感器的精度等级。几种智能手表室内定位技术的对比情况如表1所示。

［1］王杨，赵红东.室内定位技术综述及发展前景展望［J］.测控技术，2016，35（7）：1-3.

［2］徐伟.基于Android手机的室内定位技术研究与实现［D］.武汉：华中师范大学，2014.

［3］刘林.无线定位基本概念与原理［J］.学术动态，2007（4）：11-12.

［4］陈永光，李修和.基于信号强度的室内定位技术［J］.电子学报，2004，32（9）：1457-1458.

［5］朱敏.室内定位技术分析［J］.现代计算机，2008（277）：79-80.

TP391.4

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.01.015

2095－6835（2018）01－0015－03

目前，在市面的智能手表中，很多产品把多重定位技术作为一个卖点，主要是室外定位技术和室内技术等某几种定位技术的融合。其中，室外技术包括导航系统GNSS（即GPS、GLANESS、GALILEO、北斗）和导航增强系统（比如美国的广域增强系统WAAS、欧洲的EGNOS欧洲静地导航重叠系统、日本的MSAS多功能运输卫星增强系统等）。当然，还要涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。室内定位技术主要有基于WIFI的定位系统（WPS）、惯性传感器定位技术、磁场强度室内定位技术、红外线定位技术、超声波室内定位技术、射频识别定位技术、超宽带室内定位技术、低功耗蓝牙技术等[1]。目前适合于智能手表室内定位技术的主要有WPS定位、基于蓝牙的低功耗定位和惯性传感器定位。

智能手表采用的定位技术GPS或者北斗，在室外广阔的环境中能提供非常精确的定位信息，但是进入室内，由于钢筋混凝土墙体的遮挡，GPS信号变弱，定位精度大幅度降低，因此针对智能手表的室内定位技术发展就显得尤为重要。

〔编辑：刘晓芳〕