室内定位技术解析


发布日期:2019-09-27 09:29:46
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      近年来,位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展,以提供无所不在的基于位置的服务,其主要推动力是室内位置服务所能带来的巨大的应用和商业潜能。许多公司包括OS提供商、服务提供商,设备和芯片提供商都在竞争这个市场。



室内定位应用

      室内定位即通过技术手段获知人们在室内所处的实时位置或者行动轨迹。基于这些信息能够实现多种应用。

公司的管理者则可以运用室内定位技术实时获知室内的人员状况,从而更好地优化空调的使用等,达到节能减排的目的,还能够有效提高安全保卫的水平。

      通过部署室内定位技术,电信运营商能够更好地找到室内覆盖的“盲点”和“热点”区域,更好地在室内为用户提供通信服务。


室内定位面临的挑战

      和室外定位相比,室内定位面临很多独特的挑战,比如说室内的环境动态性很强,可以说是多种多样,由此也需要更高的精度来分辨不同的特征。

      那么实用的室内定位解决方案都需要满足哪些要求呢?主要包括以下几个方面:精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性和响应时间。

精度:对精度的要求不同的应用差别很大。

覆盖范围:覆盖范围主要是指一个技术和解决方案可以在多大的范围内提供满足精度的覆盖。  

可靠性:前面提到室内环境动态性很强,会经常发生改变。  

成本和复杂度:成本和复杂度指标涵盖两个方面。一个是定位终端的成本。另一方面是布局和维护的成本及其复杂度。  

功耗:定位所产生的功耗是一个很重要的指标尤其对使用电池的移动设备。  

可扩展性:可扩展性指一个解决方案扩展到更大的覆盖范围使用的能力,和方便地移植到不同的环境和应用的能力。  

响应时间:系统给出一个位置更新所需的时间是响应时间,不同的应用需求不同。


蓬勃发展的室内定位技术

      室内定位的技术分支多样,下图是各种室内定位方案的对比图:



      目前室内定位常用的定位方法,从原理上主要分为七种:邻近探测法、质心定位法、多边定位法、三角定位法、极点法、指纹定位法和航位推算法。

定位原理

描述

特点

临近探测法

通过一些有范围限制的物理信号的接收,从而判断移动设备是否出现在某一个发射点附近。

该方法虽然只能提供大概的定位信息,但其布设成本低、易于搭建,适合于一些对定位精度要求不高的应用,例如自动识别系统用于公司的员工签到。

质心定位法

根据移动设备可接收信号范围内所有已知的信标(beacon)位置,计算其质心坐标作为移动设备的坐标。

该方法易于理解,计算量小,定位精度取决于信标的布设密度。

多边定位法

通过测量待测目标到已知参考点之间的距离,从而确定待测目标的位置。

精度高、应用广。

三角定位法

该方法是在获取待测目标相对2个已知参考点的角度后结合两参考点间的距离信息可以确定唯一的三角形,即可确定待测目标的位置。

精度高、应用广。

极点法

通过测量相对某一已知参考点的距离和角度从而确定待测点的位置。

该方法仅需已知一个参考点的位置坐标,因此使用非常方便,已经在大地测量中得到广泛应用。

指纹定位法

在定位空间中建立指纹数据库,通过将实际信息与数据库中的参数进行对比来实现定位。

指纹定位的优势是几乎不需要参考测量点,定位精度相对较高;但缺点是前期离线建立指纹库的工作量巨大,同时很难自适应于环境变化较大的场景。

航位推算

是在已知上一位置的基础上,通过计算或已知的运动速度和时间计算得到当前的位置。

数据稳定,无依赖,但该方法存在累积误差,定位精度随着时间增加而恶化。

      不同的室内定位方法选择不同的观测量,通过不同的观测量提取算法所需要的信息。下表对主要的观测量进行简要的介绍。

观测量

简介

RSSI测量

它是通过计算信号的传播损耗,可以使用理论或者经验模型来将传播损耗转化为距离,也可以用于指纹定位建立指纹库。

TOA测量

该方法主要测量信号在基站和移动台之间的单程传播时间或来回传播时间。前者要求基站与移动台间的时钟同步。

TDOA测量

该方法同样是测量信号到达时间,但使用到达时间差进行定位计算,可利用双曲线交点确定移动台位置,故可以避免对基站和移动台的精确同步。

AOA测量

该方法是指接收机通过天线阵列测出电磁波的入射角度,包括测量基站信号到移动台的角度或者移动台信号到达基站的角度。每种方式均会产生从基站到移动台的方向线。2个基站可以得到2条方向线,其交点即为移动台位置。因此,AOA方法只需要2个基站即可确定移动台位置。

方向和距离

获取方向和距离多用于航位推算定位,采用自包含传感器记录载体的物理信息,计算得到方向和距离,从而在已知上一位置的基础上计算得到当前的位置。

      根据上面介绍的定位原理和观测量,衍生出了多种室内定位技术,下面将对主流的室内定位技术进行简要介绍。

01

WiFi定位技术

WiFi室内定位技术主要有两种。

WiFi定位一般采用“近邻法”判断,即最靠近哪个热点或基站,即认为处在什么位置,如附近有多个信源,则可以通过交叉定位(三角定位),提高定位精度。

      WiFi定位可以实现复杂的大范围定位,但精度只能达到2米左右,无法做到精准定位。

02

RFID定位

      RFID定位的基本原理是,通过一组固定的阅读器读取目标RFID标签的特征信息(如身份ID、接收信号强度等),同样可以采用近邻法、多边定位法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。

      这种技术作用距离短,一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且传输范围很大,成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点,可望成为优选的室内定位技术。

03

红外技术

      红外线是一种波长在无线电波和可见光波之间的电磁波。红外定位主要有两种具体实现方法,一种是将定位对象附上一个会发射红外线的电子标签,通过室内安放的多个红外传感器测量信号源的距离或角度,从而计算出对象所在的位置。

      另一种红外定位的方法是红外织网,即通过多对发射器和接收器织成的红外线网覆盖待测空间,直接对运动目标进行定位。

04

超声波技术

      超声波定位目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器和若干个电子标签组成,主测距器可放置于移动机器人本体上,各个电子标签放置于室内空间的固定位置。

定位过程如下:先由上位机发送同频率的信号给各个电子标签,电子标签接收到后又反射传输给主测距器,从而可以确定各个电子标签到主测距器之间的距离,并得到定位坐标。

      目前,比较流行的基于超声波室内定位的技术还有两种:一种为将超声波与射频技术结合进行定位。另一种为多超声波定位技术。

05

蓝牙技术

      蓝牙定位基于RSSI(Received Signal Strength Indication,信号场强指示)定位原理。根据定位端的不同,蓝牙定位方式分为网络侧定位和终端侧定位。

      网络侧定位系统由终端(手机等带低功耗蓝牙的终端)、蓝牙beacon节点,蓝牙网关,无线局域网及后端数据服务器构成。其具体定位过程是:

      1)首先在区域内铺设beacon和蓝牙网关。

      2)当终端进入beacon信号覆盖范围,终端就能感应到beacon的广播信号,然后测算出在某beacon下的RSSI值通过蓝牙网关经过wifi网络传送到后端数据服务器,通过服务器内置的定位算法测算出终端的具体位置。

      终端侧定位系统由终端设备(如嵌入SDK软件包的手机)和beacon组成。其具体定位原理是:

      1)首先在区域内铺设蓝牙信标

      2)beacon不断的向周围广播信号和数据包

      3)当终端设备进入beacon信号覆盖的范围,测出其在不同基站下的RSSI值,然后再通过手机内置的定位算法测算出具体位置。

06

惯性导航技术

      这是一种纯客户端的技术,主要利用终端惯性传感器采集的运动数据,经过各种运算得到物体的位置信息。

      现在惯性导航一般和WiFi指纹结合在一起, 每过一段时间通过WiFi请求室内位置,以此来对MEMS产生的误差进行修正。

07

超宽带(UWB)定位技术

      UWB技术是一种传输速率高,发射功率较低,穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术,无载波。

      超宽带(UWB)定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点,与新加入的盲节点进行通讯,并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。

      超宽带可用于室内精确定位,根据不同公司使用的技术手段或算法不同,精度可保持在0.1m~0.5m。

08

LED可见光技术

      可见光是一个新兴领域,通过对每个LED灯进行编码,将ID调制在灯光上,灯会不断发射自己的ID,通过利用手机的前置摄像头来识别这些编码。利用所获取的识别信息在地图数据库中确定对应的位置信息,完成定位。

09

地磁定位技术

      使用这种技术进行导航的过程还是稍显麻烦。你需要先将室内楼层平面图上传到 IndoorAtlas 提供的地图云中,然后你需要使用其移动客户端实地记录目标地点不同方位的地磁场。记录的地磁数据都会被客户端上传至云端,这样其它人才能利用已记录过的地磁进行精确室内导航。

10

视觉定位

      视觉定位系统可以分为两类,一类是通过移动的传感器(如摄像头)采集图像确定该传感器的位置,另一类是固定位置的传感器确定图像中待测目标的位置。根据参考点选择不同又可以分为参考三维建筑模型、图像、预部署目标、投影目标、参考其他传感器和无参考。

参考3D建筑模型和图像分别是以已有建筑结构数据库和预先标定图像进行比对。

      除了以上提及的,目前来看定位技术的种类有几十甚至上百种,而每种定位技术都有自己的优缺点和适合的应用场景,没有绝对的胜负之分。根据不用的需求因地制宜的部署解决方案,方为上策。



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