室内外定位技术坐标统一的研究

胡凤东，李大勇

（德阳市勘察测绘设计院，四川 德阳 618000）

人类约80%的时间是在室内度过的[1]，实时获取室内位置至关重要，传统的GNSS 定位技术由于信号受到建筑物的遮挡和城市多路径效应等因素的影响，在室内封闭空间无法获得可靠的定位结果。近年来，面向市场需求强烈的室内位置服务，室内定位技术发展迅速，已经成为当下移动互联网时代的研究热点，同时给人们的生活带来了极大的便利，应运而生的定位方法多种多样，相关定位精度已经达到米级、厘米级[2-4]。其中无线局域网(Wi-Fi)定位技术由于具备室内外环境下节点数量多、分布广、无须布设网络、简单易用等特点，逐渐成为移动位置服务中的主流定位技术[5]。

室内外定位技术一体化是未来发展的趋势，如何将室内定位与室外定位协同和无缝对接是定位服务发展的关键[6]，在室内外定位无缝对接中一个关键的因素就是两者坐标的一体化问题[7]。以GPS为代表的传统定位技术使用WGS84 坐标框架下的全球三维坐标，并且具有与各城市坐标体系相对应的转换系统，而目前室内定位技术还没有形成统一的坐标体系，获取的坐标也主要是相对于某一建筑体或建筑物局部平面区域的坐标。室内外定位原理不同、方法各异，如何统一室内外坐标体系，形成从室外到室内的坐标无缝对接具有重要的意义。

目前主流的室内定位技术在获取目标位置时都要借助辅助节点[4]，一般设置位置已知的固定辅助节点，通过测量定位对象到辅助节点的位置来确定定位对象的位置。若对所有辅助节点设置统一坐标，并将坐标纳入到广泛应用的WGS84 坐标体系下或城市坐标系下，进而统一所有室内目标对象的坐标信息，将具有十分重要的意义。

1 室内定位技术现状

室内定位技术的出现弥补了现有GPS 定位技术的不足，为人们在室内、地下方便地获取实时位置信息提供了可能。与室外定位相比，室内环境下的定位技术难度增加，影响室内定位的因素有：⑴来自周围墙体、天花板等建筑体的影响，导致信号在传输过程中极度衰减，使得室内定位距离短，精度变低。⑵室内环境复杂，障碍物增多，导致信号传输受影响。⑶室内存在干扰信号的光、声、电、等因素，使信号多路径影响严重。⑷室内一般为封闭空间，与外界物理信息交流困难。

为满足不同环境下的定位需求，科研人员因地制宜的发展了不同的定位方法，目前主流的室内定位技术有：无线局域网(Wi-Fi)，辅助GPS(A-GPS)，红外线，超声波，蓝牙，射频识别，超宽带，ZigBee 等技术[8]。目前的定位算法主要有三种：⑴邻近信息法，根据目标对象到辅助节点邻近程度，决定将参考点划归为距离最近参考点所在的区域；⑵场景分析法，根据目标对象到辅助节点的信号强度，与数据库中已有信号强度表对比并换算出距离信息，从而确定目标对象的坐标；⑶几何特征法，利用边角交会法确定目标对象到3 个已知辅助点的几何信息从而计算目标对象的坐标。以上定位技术都利用了这三种定位算法。

可以看出，以上定位技术定位时都需要借助辅助节点来完成。室内定位时，在室内合理的环境中设置位置已知并且固定的节点，并将位置信息保存在数据库或者节点中，借助电磁波、红外线等不同介质完成待测点到辅助节点的位置测量，然后从数据库中获取辅助信息完成定位，从而确定目标对象位置。

2 室内外坐标统一

无缝定位技术就是在人类活动的室内、室外空间和地上、地下空间内，通过联合不同的定位方法，满足不同场景下人们需要的定位应用的无缝覆盖[10]。实现室内外无缝定位技术关键要满足以下要求：①统一的基础设施集合，②统一坐标体系，③统一时间基准，④统一的软硬件框架，⑤通信设施。可见，统一坐标体系是其中重要的一环，文献5 中提出，根据目前的无缝定位基础设施层次，可以将坐标体系划分出为以下几个层级：全球框架、区域框架、城市框架、街区框架、单元建筑框架和楼层平面框架。上一层坐标框架依次为下一层提供坐标基准，坐标体系的划分已有极为成熟的理论支撑，如何将室内定位信息与这个坐标体系联系在一起才是统一室内外坐标的关键。

可以发现，首先要将室内位置信息纳入到楼层平面框架，其中辅助节点是支撑楼层平面框架和联系目标位置的重要节点，如果将辅助节点纳入到楼层平面框架，给定辅助节点坐标，然后将楼层平面框架纳入到街区框架和城市框架，目标位置就可以统一为对应的坐标，这就完成了统一室内外定位坐标的任务。

室内外坐标统一具有以下重要的意义：⑴目前人类的生产和生活已经能在室内外自由穿梭，实时获取位置信息而不受周围环境的影响对社会发展有重要意义；⑵现在，不同建筑物示意图有不同比例、不同坐标系，使得准确了解目标对象相对于建筑物或相对于城市位置的成为一大难题，统一室内外坐标将使得目标对象的位置更准确的被获取；⑶将室内位置信息统一到室外一体化的全球坐标或城市坐标对逃生、救灾有重要意义，例如，灾难发生时刻，可以将被困者的室内位置转换为WGS84 坐标，搜救者可以直接携带GPS 放样出被困者的准确位置；⑷是室内外无缝定位的基础条件。

3 实例分析

选择目前应用较广泛的Wi-Fi 定位技术分析[11]。Wi-Fi 技术是在无线局域网覆盖范围内，通过无线电波连接用户（移动终端）和网络的一种技术，其定位原理主要是测量无线访问节点（Access Point，AP）和用户的距离来获取位置信息。每一个AP 都有一个全球唯一的MAC 地址，具有Wi-Fi 功能的移动终端即使不与Wi-FiAP 建立数据连接，只要开启Wi-Fi 就可以通过AP 广播信号获取周围AP 的MAC 地址和Wi-Fi 信号强度，移动终端再将这些参数发送到数据库，数据库检索出每一个AP 的地理位置，并结合移动终端到每个AP 的信号强弱程度计算出终端的地理位置并返回到用户设备中。

将Wi-Fi 技术应用于室内定位具有以下优势：⑴Wi-Fi 已经成为人们上网的重要途径，室内环境下部署的Wi-Fi 热点越来越多，可以直接利用，可行性强，节约了大量成本；⑵Wi-Fi 在城市中的一些公共场所如地铁、博物馆、学校、超市、企业等都已经广泛部署Wi-Fi，这也正是室内定位的主要场所；⑶相比较而言，在室内环境下Wi-Fi 定位的准确度更高也更定位性能更稳定。相信在不久的将来Wi-Fi定位技术将得到更好的发展。⑷移动终端可以直接利用定位。

通过分析可知，这里的AP 就是辅助节点，如果将AP 位置固定，给定全球框架下的坐标，存储到位置服务器中，用户获得的坐标就是全球框架坐标，这样就完成了统一坐标的任务。这里的难点是如何准确给出AP 的全球坐标，本文给出两种解决办法。对于未建造的建筑物，在规划设计时将辅助节点纳入设计，类似于沉降点的设计，根据某种原则设置若干固定的AP 作为已知控制点，并且能相互“通视”，其坐标已知，并且纳入建筑物整体坐标体系，画出位置示意图，在建筑物完成后放样安装，并录入数据库，其他AP 根据以上控制点为图根点进而布设具有统一坐标的AP 点。对于现存的建筑物，我们可以采用测量的方法测出AP 点到已知全球坐标的参考点的物理距离，获取若干已知AP 点的全球坐标，进而获取现有AP 坐标与全球坐标的转换模型，从而统一坐标体系。

4 结束语

室内外定位技术的无缝对接是未来发展的趋势，统一室内外坐标体系是无缝定位技术的关键，若将室内目标坐标纳入城市坐标体系或全球坐标框架，可以实时获取室内目标对象准确位置，在商场寻人、救灾等领域可以发挥重要的作用，本文的研究为统一室内外坐标提供了参考。