高精度室内定位算法与技术综述

刘挺，杜小甫，黄昆达，黎江枫

（厦门大学嘉庚学院信息科学与技术学院，福建漳州，363105）

0 引言

在日常生活中，以位置为基础的服务（Location-based services，LBS）已经和人类的生活息息相关。可靠的LBS服务离不开准确的位置信息。当前，依赖全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）的室外定位技术[1]已经趋于成熟，甚至在于特定需求下可以达到亚米级的精度。但是看似相似的室内定位技术实际却是截然不同，室内定位技术受环境影响较大，室外环境下障碍物较少，一般情况下二维定位即可满足需求。而室内环境复杂，各种家具、楼房等等都会对定位产生影响，并且室内定位的精度需求远远高于室外，往往需要“厘米级”精度[2]才能满足用户需求，因此利用GNSS 提供位置服务的方案不太合适。

根据数据统计，在实际生活中，人类在室内度过的时间平均可以达到70% - 90%，对于LBS 的需求更迫切，GNSS服务无法满足用户需求的情况下，需求精准室内位置信息已经成为室内LBS 服务发展的红线。同时，随着几种主流室内定位技术,包括有Wi-Fi、蓝牙、超宽带、蜂窝移动网络的发展，已经能更为精确地实现信号的传递与检测。

1 应用前景

随着定位技术的发展，基于位置的服务越来越受到人们的关注。目前，LBS已经渗透到人们日常生活的方方面面，关于室内定位的需求价值早已远远超出早期学者的预期，精确、实时的位置信息打破了虚拟空间的数据信息与真实世界物理对象的壁垒，掀起零售、制造、物流、急救、大型公共场所导航等行业的革命，真正意义上推动万物互联的进程。[3]

在商场、停车场、机场、火车站、医院等大型公共场所中，LBS是不可或缺的。比如，在人们外出旅游时，LBS可以给人们带来方便，便于人们查询景点、餐厅、酒店宾馆等信息；当发生事故时，LBS可以更加准确地提供具体信息。同时，在信息时代的背景下，随着人工智能、机器人技术的发展，一些新型行业的兴起，比如无人医疗护理、智能制造、智能物流等行业也更加需要LBS提供技术支撑。

目前，我国室内定位具有庞大的市场环境。机场、动车站、商场、医院等大型场所是人流相对密集的场所，这就需要更加准确、高效的人流监控和分析手段，满足不同场所的市场需求；在工厂、码头、物流中枢等大型仓库管理中，LBS在智能仓库管理、生产过程追踪、智能搬运等过程具有广泛应用价值。

2 室内定位信道模型

不同的高精度室内定位技术，基础大多数基于四种信道模型。分别是基于接收信号强度模型（Received Signal Strength, RSS）、基于信号入射角度模型（Angle of arrival，AOA）、基于信号到达时间差模型（Time Difference of Arrival，TDOA）和基于信号到达时间模型（Time of Arrival，TOA）[4]。这几种信道模型给室内定位领域发展提供理论模型支撑。

2.1 基于RSS的信道模型

基于RSS的信道模型是通过理论或者经验模型计算信号的传播损耗，并转化为距离。随着通信距离的增加，信号在传播过程中强度会发生衰落。由于在真实环境中，信号会受到反射、散射、遮掩现象等环境干扰，难以采用准确地数学模型对其进行分析，通常采用Shadowing理论模型[5,6]：

在公式(1)中，P表示距离发射机为d时接收端接收到的信号强度RSSI值，P0表示距离发射机为 d0时接收端接收到的信号功率；d0为参考距离；n为路径损耗指数，通常由实际测量得到，障碍物越多，n值就越大，即接收到的平均能量下降的速度会随着距离的增加而变得越来越快。ε是一均值为0、方差为δ的高斯随机变量，此变量反映了在距离一定时，接收端接收到的能量的变化。基于RSS的信道模型在短距离内有良好的相关特性[7]。但是，如果节点的距离不断增大，接收到的信号强度的变化率会越来越小，因此该方法适用于短距离测距。

2.2 基于TOA的信道模型

基于TOA的信道模型[8]主要测量信号在基站和移动台之间的单程传播时间或者来回传播时间。在TOA模型研究中，常采用以下模型：d=ct+v,其中d为基站与移动终端之间的距离，c是波速，t是信号的传播时间，v是误差(高斯噪声)。在实际的室内测量中，信号在传播过程中会受到多径和非视距问题的干扰，可以将模型改良为：d=ct+v+b，其中b是在非视距情况下造成的误差。

2.3 基于AOA的信道模型

基于AOA[9]的信道模型是测量基站信号到移动台的角度或移动台信号到基站的角度去估计移动台的具体位置。在AOA测量中，只需两个基站就可以确定移动台的位置。在测量时，每个基站到移动台会产生一条方向线，通过两条方向线便可确定移动台的位置。

2.4 基于TDOA的信道模型

基于TDOA[10]的信道模型是通过测量移动终端到不同发送端的时间差，推算出不同终端之间的距离进行定位。基于TDOA的信道模型是对TOA信道模型的改进，由于TDOA模型不需要测量信号的传输时间，因为不需要对不同终端进行同步测量，因此TDOA测量模型不需要满足同步性。在TDOA信道模型中，实验的测量至少需要三个基站，并且这三个基站的坐标位置是已知的，这样才能通过测量不同基站的信号传输时间差来推算基站的位置，进而进行定位。

2.5 其他定位算法模型

除了上述常见信道模型外，还有一些定位算法不依赖于固定的几个信号，或者不利用信号与位置的函数来进行定位，例如传播模型法、近似法、位置指纹法等。如表1所示，列出了目前主流的各种定位模型的特点对比。

表1 当前常用室内定位模型特点对比

3 室内定位信标技术

室内定位技术多种多样，根据所使用的信标种类，可以划分为Wi-Fi室内定位技术、RFID室内定位技术、蓝牙室内定位技术、超宽带室内定位技术、红外线室内定位技术等。本文主要介绍前三种。如表2所示为当前常用室内定位技术特点对比。

表2 当前常用室内定位技术特点对比

3.1 Wi-Fi室内定位技术

Wi-Fi室内定位技术是目前相对成熟的并且应用相对广泛的定位技术。Wi-Fi室内定位技术的工作原理是以无线网络为传输媒介，由Wi-Fi标签或手机、电脑等移动终端向接收节点发出信号，接收节点收到信号后，会根据相应的定位算法，确定设备或人员的具体位置，并通过地图显示。

Wi-Fi室内定位技术已经相对成熟，不仅方便组网部署，而且可以实现大范围定位、成本较低，目前广泛应用在医院、工厂、商场等大型场所。但是Wi-Fi室内定位技术容易受到周围环境的影响，容易产生定位漂移，在日常使用中会经常出现定位精度不准确、甚至严重偏离定位点的现象[11]。

3.2 RFID室内定位技术

RFID室内定位技术的工作原理是通过阅读器读写目标RFID标签的信息，采取近邻法、多边定位法等方法确定标签的位置[12]。RDID定位系统主要有主动式和被动式两种，其终端系统如下图3所示。主动式在射频信号上具有较高要求，通常需要大量射频天线，保证射频信号可以覆盖整个定位区域；而被动式定位系统在部署成本上具有更好的优势，通过PC端的射频天线就可以发射大量射频信号。

RFID技术的作用距离小，不适合长距离的定位，一般在几十米范围内。但是RFID技术的成本低，定位精度相对准确，可以在几毫秒的时间内获取到厘米级RFID标签定位精度的信息，在室内定位领域具有应用前景。如图1所示，是基于RFID的是被定为系统结构图。

图1 RFID室内定位系统结构

3.3 蓝牙室内定位技术

蓝牙室内定位技术是通过测量信号强度进行定位，是基于RSSI定位原理[13]。蓝牙定位系统主要由发射节点和接收处理中心构成。通过信标提供参考位置和信号强度，接收端获取信号强度并进行一系列滤波处理后，最后由处理中心进行定位解算。

蓝牙技术具有低功耗、低成本、部署简单、安全性高的特点，在小范围场所应用广泛，目前大多数移动终端设备都普遍具备蓝牙通信模块。但是蓝牙定位技术极容易收到外界的干扰，信号不稳定现象常见，定位精度不准确问题是未来蓝牙定位技术的突破点。

4 结论

各种室内定位模型、室内定位技术都有各自的特点，也各自存在着优势和劣势。目前，国内外在有关室内定位上做了大量的研究，但是依然没有一个相对成熟、可行的方案。单信标的定位在一定程度上都有各自的局限性，比如Zigbee技术虽然有很强的穿透性，但是抗干扰能力一般，容易受到多径效应和移动的影响，在精确度表现一般，而且部署复杂，定位成本较高。超宽带技术作为一种新技术，具有GHz量级的带宽，具有很高的精确度，并且穿透能力强，抗多径效果好，抗干扰能力强，可用于室内精准定位，但是在部署上却十分困难，成本较高[14]。因此，采取基于多信标的融合定位技术具有重要现实意义。在未来的室内定位研究领域，将着重于探究综合各种单信标定位技术的优缺点，取长补短，提高定位的精度，降低模型的复杂度，研究出一具有普遍应用价值的多信标融合室内定位方法。