多技術融合的室內無線定位方法發展綜述

陳沛宇，袁勤政，戴鵬飛，鄒 亮，吳 曉，袁志剛，汪 佩

（武漢紡織大學 湖北省數字化紡織裝備重點實驗室，武漢 430200）

0 引言

室外無線定位技術作為一項成熟的技術，已經融入了人類生活的方方面面。如全球衛星導航系統(global navigation satellite system, GNSS）在室外場景中，能夠提供準確的地理位置、行車速度等信息，給人們的日常生活帶來了極大的便利。但是在室內條件下，由于建筑物的阻擋，GNSS無法實現精準定位、提供穩定的位置信息。

據調研顯示，人們平均只有10%~20%的時間在室外，大多數時間是在室內活動，對室內無線定位的需求日益增多。工業物聯網設備、人員定位以及各類型機器人等的室內定位需求，促進人們展開對室內定位技術的進一步研究。超寬帶（ultrawide band, UWB）、射頻、無線保真（wireless fidelity,WiFi）、慣性導航等室內無線定位技術應運而生，并逐漸應用到各行各業中。但是隨著社會發展，現在這些室內定位技術無法滿足人們對定位精度、覆蓋范圍、成本等的更高要求，室內無線定位技術有待提高。

近年來，有學者提出了將兩種或多種室內定位技術融合成新的型室內無線定位技術，將不同技術進行優勢融合，可獲得更好的定位性能。本文介紹了目前流行的多技術融合的室內無線定位方法，分析了各自方案的原理及其關鍵性問題，對其發展趨勢進行展望。

1 多技術融合的室內無線定位方法發展現狀

目前流行的室內無線定位有藍牙、WiFi、超寬帶和慣性導航等，這些室內定位技術分為兩類：1）基于外置信號源的室內定位技術，包括 WiFi、藍牙、超寬帶等；2）基于天然信號源的室內定位技術，包括慣性導航、地磁導航等。這些定位技術的定位精度已經提高到米級甚至亞米級，開始邁入消費級市場水平。

雖然上述幾種室內定位技術已經能夠應用到各行各業中，但是人們為追求更高的定位精度和可靠性，嘗試將不同定位技術進行融合，主流的融合方案有兩種：1）依賴外置信號源與天然信號源的定位技術融合；2）兩種不同的基于外置信號源的定位技術融合。

1.1 超寬帶與慣性導航技術的融合

UWB技術是一種無載波通信技術，它的傳輸速率高，發射功率低且穿透能力較強，但只適用視距傳播條件下，當存在障礙物體遮擋信號時，其測距精度將大大降低。

慣性導航技術是利用慣性測量系統（inertial measurement unit, IMU）采集運動數據，并進行處理來獲取物體當前時刻的位置信息。慣性導航技術具有一個明顯的缺點，即定位誤差會隨著工作時間的增加而累積。

為克服上述兩種定位技術各自的缺點，有學者提出將二者進行融合，開發出環境適應能力強、精度高的室內無線導航技術。其基本原理是利用這兩種定位方法單獨測量定位數據，然后對兩組數據進行融合處理，如圖1所示。圖1中，TDOA（time difference of arrival）為到達時間差。

圖1 UWB與IMU技術融合工作原理

文獻[7]提出了使用無跡卡爾曼濾波（unscented Kalman filter, UKF）算法搭建基于IMU和UWB的融合室內定位系統，工作原理是先對已知的兩組樣品數據進行無損變換（unscented transformation,UT）、獲取近似高斯分布函數，再利用卡爾曼濾波（Kalman filter, KF）算法，得到兩組對應的預測數據，最終計算出相應權重并與預測數據融合、得到定位結果。根據實驗結果，該系統可以提高定位精度并且能夠降低對使用環境的要求。國內學者對此融合算法還有其他相應研究，如文獻[8]使用自適應蟻群優化粒子濾波器算法，可實現在只有一個UWB定位節點情況下，將定位數據融合后，能夠得到精確的定位結果。

1.2 超聲波與射頻技術的融合

超聲波定位是利用超聲波傳遞信號，采用反射式測距，并通過三角定位等算法來獲取定位信息。超聲波定位雖然精確度高、抗干擾能力較強，但是定位有效范圍小，并且設備成本較高。

射頻識別（radio frequency identification, RFID）是利用一組固定的傳感器識別移動目標上的標簽特征信息，再通過近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方法確定標簽所在位置。該定位方法傳輸范圍大、獲取位置信息快，但定位精度低，并且不具備通信功能。

文獻[11]提出一種超聲波與射頻技術融合使用的定位方法，這種融合方案將整個定位過程分為兩步：1）利用 RFID獲取定位目標所在區域，同時移動目標給區域內所有定位基點發射射頻同步信號和超聲波；2）定位基點根據接收到射頻同步信號與超聲波的時間差計算出定位數據，通過減少精確測距過程中超聲波信號的損耗，從而降低了定位誤差，達到提升定位精度的效果。這種融合技術只是簡單地組合使用兩種定位技術，無需設計融合算法，相較于單獨使用兩種技術，能夠實現大范圍的精確定位，并且通用性好，能耗低。

1.3 WiFi與慣性導航技術的融合

WiFi定位是利用WiFi信號來實現定位的，需要在目標場景布置基站，通過測距交匯法或指紋匹配法得到目標定位信息。該定位方式傳輸效率高、成本低，但覆蓋半徑小且易受其他信號干擾。

基于WiFi定位的優勢，即可以得到目標的絕對位置，利用這些數據來校正慣性導航定位算法的累積誤差，實現高精度、穩定的室內導航。使用無跡卡爾曼濾波算法可實現兩種非線性數據融合，獲取誤差較小的融合定位數據，工作原理如圖2所示。通過對實驗結果的分析，融合技術方案能夠有效降低定位誤差，達到提高定位精度的目的。

圖2 WiFi與IMU技術融合工作原理

1.4 WiFi與藍牙技術的融合

藍牙定位與WiFi定位原理相似，主要區別是使用定位信號不同，藍牙定位是使用的是2.4~2.485 GHz的工業科學醫學（industrial scientific medical, IMS）頻段的超高頻（ultra-high frequency, UHF）無線電波，它的覆蓋范圍為10~100 m，范圍較小，但是傳輸速度較快，可達2 Mbit/s。同時還具有功耗低、運用范圍廣等特點。

為解決WiFi與藍牙室內定位易受干擾且信號波動較大的問題，文獻[16]提出一種基于WiFi與藍牙融合的誤差區域加權定位算法，該算法首先在離線階段，建立WiFi和藍牙多邊定位模型，計算相應加權系數并融合兩組定位坐標。同時利用移動最小二乘法獲取誤差擬合函數，對融合誤差進行誤差分析，將融合誤差與前面得到的融合位置結合，得到最終估計值，工作原理如圖3所示。

圖3 WiFi與藍牙技術融合工作原理

通過實驗數據對比，該方案將兩種技術獲得的多邊測量模型簡化成獲取二維定位可取區域，再通過加權融合得到融合定位信息，能夠有效地提高定位精度；通過定位誤差模型獲取的加權擬合誤差來分析融合數據，減少了多徑效應和信號波動的影響，提升了定位方案的抗干擾性。

2 應用進展

在一些日常生活中的簡單場景中，使用單一的室內無線定位技術已經能夠滿足人們對定位的需求，但在復雜環境中就無法實現精確定位，而多技術融合的室內無線定位技術能解決這一難題，無論是在覆蓋范圍、定位精度和抗干擾性等性能上，都有較大的提升，使其能夠應用到人類的社會生活中。

2.1 個人服務

在復雜多變室內環境中，人員流動性大、無線信號干擾嚴重，需要根據實際情況設計定位解決方案，實現精準定位。如在醫院對醫生和患者進行定位，文獻[18]提出一種基于無線電波和地磁指紋技術結合的混合定位技術，將醫院人員和物品位置信息可視化，達到提高醫生工作效率和預防突發事件的目的。文獻[19]使用一種基于WiFi與慣性導航融合的定位方法，提高礦井下人員定位的精度和穩定性，為應對危險情況提供了穩定的定位信息保障。文獻[20]設計了一套基于RFID的室內無線定位系統，實現了視頻監控、報警、無線定位、門禁、對講、會見、外來車輛管理、監獄信息管理等子系統的無縫銜接和統一管理。

除了上述的舉例外，復雜的室內環境還有許多，比如國際會議會場、室內廠房、地下空間和購物中心等室內環境。而室內定位不僅僅服務于個人需求，也可以應用到其他運動載體，這些技術的應用最終目的都是為人們提供更好位置信息服務。

2.2 自動化工廠

工業4.0以來，企業為了實現工廠的全自動化管理，對內部設備工作狀況、移動設備的運動軌跡進行實時監控和管理，這就需要首先獲取工廠內工作人員、移動機器人以及大型設備定位信息，根據不同工廠設計多技術融合的室內無線定位解決方案，保障定位信息的準確性和穩定性，再通過監控設備對物體進行實時監控，將數據上傳到終端進行處理，實現工廠的自動化管理。

2.3 物聯網

物聯網平臺是一個可以將范圍內所有物品與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理的平臺。室內無線定位技術可以為物聯網提供定位服務，但物聯網定位服務沒有一個絕對的解決方案，必須根據應用目標、環境條件和系統參數來設計定位方案。多技術融合的無線定位技術，可以獲取定位誤差最小的用戶位置，即結合多種類型技術的優勢，克服彼此缺點。

3 多技術融合的室內無線定位方法發展趨勢

由上文綜述可知，外置信號源的定位方法容易受到環境和多徑效應的干擾，而天然信號源的定位方法不受環境影響，但定位誤差會隨時間積累，所以主流的室內無線定位方案會根據環境需求，使用兩種及兩種以上的定位技術組合來以獲取精準的位置信息，其融合發展趨勢主要包括以下三個方面。

3.1 新的室內無線定位技術與現有技術融合

目前已有的室內無線定位技術各自存在難以克服的局限性，國內外學者開始探索新的室內無線定位技術，主要集中在機械視覺、發光二極管（light emitting diode, LED）、音頻和第5代移動網絡通信技術（the fifth generation of mobile network communication technology, 5G）等方面，這些技術除機械視覺外，都需要外置信號源。機械視覺是利用攝像頭檢測周圍物體特征，與數據庫對比來計算定位信息，定位精度可達到厘米級。LED是在固定光源上加載一個特殊信號，傳感器接收到光信號，解析出特殊信號和其對應的位置，還可以通過算法完成定位，定位精度可達厘米級。音頻定位與超聲波定位原理相似，測量聲音從音頻發生器到接收器距離來定位，但聲波傳播較慢，存在延遲。5G定位是近兩年出現的新技術，它是利用 5G信號來實現定位的，5G相對于以往的第二代移動通信系統（the second-generation mobile system, 2G）、第三代移動通信系統（the thirdgeneration mobile system, 3G）及第四代移動通信系統（the fourth-generation mobile system, 4G）在技術上有很大提升，能夠實現更準確的定位，定位精度在1 m以內，而且5G信號相對于其他信號更為可靠。但這些新技術的研究還不夠成熟，需要突破許多技術壁壘,才能滿足定位需求，再根據實際需求與現有定位技術組合使用，才能夠解決工程實際問題。

3.2 高效多源信息融合方案

在選取具有互補特性的不同定位技術的基礎上，還需要設計能夠讓數據高效融合的方案來提高定位精度，融合方案的設計包括兩個方面：

1）不同技術的融合方式。目前采用的緊耦合方式來融合不同信號源，是業界認可的融合方式，這是數據融合方案的設計基礎。

2）融合定位算法的設計。不同定位技術融合大多都需要將它們各自的定位數據，利用濾波算法進行融合，從而得到最優的位置估計。拓展卡爾曼濾波算法和無跡卡爾曼濾波算法是目前使用較多的算法，還有一些是近幾年開發的新型融合定位算法，如粒子算法，也可以完成數據融合、實現定位技術的組合運用。

3.3 使用額外設備輔助定位

在室內環境中，使用室內定位技術較多的是智能手機，智能手機的定位技術主要依賴于 GNSS，該技術在室外能夠提供精準定位，但是在室內會受環境影響，出現較大誤差。為提高室內定位精度，通過使用藍牙信標作為額外輔助設備，可實現智能手機水平定位精度優于0.7 m，高程定位精度優于0.2 m。而除了智能手機外，其他終端定位也可以使用額外設備輔助來提高定位精度。在“2018年室內定位導航比測”活動中，國內團隊采用“UWB+IMU+氣壓計”方案，獲得了水平定位精度達0.2 m、高程定位精度達0.1 m這樣的高精度。

4 結束語

為解決在室內環境中，單獨使用某種室內定位技術不能滿足人們對定位精確性，信號抗干擾性、覆蓋范圍、功耗、穿透性以及部署設備復雜程度的問題。人們將多種室內定位技術進行組合使用、使其優勢融合，這些研究成果已經應用到了各行各業中。本文通過對幾種主流室內定位技術融合方案的關鍵性問題進行分析，其結果表明，目前多技術融合的室內無線定位方案還可以進一步優化，新的定位技術的研發，也為人們提供了可供使用的室內組合方案，這也是室內定位技術未來主要發展方向之一。