室內外定位技術綜述

蘇素燕， 陳金旺， 王林芳， 陳 芳， 陳 俊， 林明睿

（1 國網福建省電力有限公司 廈門供電公司， 福建 廈門 362400； 2 福州大學 物理與信息工程學院， 福州 350108）

0 引 言

隨著技術水平的不斷提升，社會各行各業的興起和發展，位置服務受到了越來越多人的關注和重視，定位服務也因此變得越來越商業化、普遍化。 定位系統開始投入到各行各業，如：地圖導航、森林消防、房屋建筑、交通安防等［1］都離不開定位系統，可以說定位服務極大程度的改變了人們的生活水平，推進了社會的發展與進步。

由于行業的興起和技術的發展，以及生活環境的不斷復雜化，對定位精度的要求也越來越高。 美國的GPS 定位系統和中國北斗導航定位系統，撐起了整個的室外定位。 然而，其在復雜多變的室內環境下并不適用，因此越來越多滿足室內定位需求的定位技術被研發實施。 如：藍牙、WIFI、超聲波等定位技術［2］，通過結合不同的算法，甚至與不同技術的融合，使室內定位精度達到一個新的高度。

1 室外定位技術

1.1 GPS 定位技術

GPS 定位是目前最為精確，應用最為廣泛的定位技術，GPS 系統由空間端、控制端、用戶終端組成。其定位原理是通過用戶端發出的定位請求，空間端就會發送定位的衛星信號，接收器隨之接收相關定位信息，再由用戶端接收由地面控制中心計算出來的位置結果。

GPS 定位方法包括絕對定位（單點定位）和相對定位（差分定位）等。 該系統廣泛應用于房屋建筑、車輛定位、農業養殖等領域［3］，但由于定位過程的軌道誤差、時鐘誤差以及各種延遲和噪聲的干擾，定位精度只能達到米級。

1.2 北斗定位技術

北斗定位系統由空間端、地面控制端、用戶端組成，是主動式雙向測距二維導航。 地面控制中心解算供用戶定位的三維數據。 北斗定位原理與GPS 大致相同，多采用“三球交匯”的原理來實現。 即地面接收設備需同時測量至少三顆衛星與用戶的距離。 用戶端分別以每顆衛星為球心，其與該衛星間的距離為半徑，畫出相交于兩點的3 個球面，根據地理常識選取相對位置較低的交點，即為用戶的實際坐標位置點［4］。

迄今為止，北斗導航系統已經發展到“北斗三號”，北斗三號實現了全球范圍的無源定位，在抗干擾能力方面要強于GPS 定位系統。 北斗定位精度為米級，被廣泛應用于通信、水利、交通、森林防火等，且北斗是唯一可以進行通信聊天的定位系統，北斗地面增強站系統已實現廣域覆蓋，可為全球用戶提供高精度定位數據支持，具有無限的發展潛力。目前，國家正在推進北斗與5G 技術的融合定位［5］。

2 室內定位技術

2.1 WIFI 定位技術

目前WIFI 是相對成熟且應用較多的技術，近年來有不少公司投入到了這個領域。 WIFI 室內定位技術需要通過定位標簽，在布滿無線局域網的區域按照一定的周期發出相關信號，最后由定位服務器接收該信號。 根據接收信號的強弱以及信號到達時差，來推算出人員所在的位置，并讓具體位置在電子地圖顯示［6］。

因成本低、覆蓋范圍廣、傳輸速度高等原因WIFI 成為室內定位的主流。 WIFI 室內定位算法大致分為兩大類：一是不基于RSSI 的算法，其中包括到達時間（Time Of Arrival，TOA）、到達時間差（Time Difference of Arrival，TDOA）以及到達角度（Angle of Arrival，AOA）算法；另一種是基于RSSI 的三角定位算法和指紋算法。 就目前來說，WIFI 技術定位應用最可行的算法是基于RSSI 的指紋定位算法［7］。 利用該算法進行室內定位，在正常情況下能滿足室內需求，但環境復雜多變，很容易影響WIFI 信號，使其定位精度降低，定位漂移現象尤其嚴重，且標簽功耗大、略昂貴，再加上指紋定位的數據采集階段工程量繁瑣，且很容易受基站變換的影響。

2.2 RFID 定位技術

RFID 定位技術適用于區域位置定位，即通過2.4 G和低頻125 K 的RFID 技術，實現對人和物的識別以及定位管理。 RFID 定位主要是讀取所測RFID 標簽的相關特征信息，該過程通過一組固定的閱讀器實現，再通過相關方法（如接收信號強度等），把標簽所在的具體位置計算出來。

基于RFID 的定位方法有室內靜態目標定位算法和室內動態目標定位算法。 室內靜態目標定位算法包括測距定位算法以及非測距定位算法。 如：距離矢量跳數節點定位算法、質心定位算法和k 鄰近定位算法等。 動態目標定位算法包括：時間域相位差測距算法、頻率域相位差測距算法和空間域相位差測距算法［8］等等。

RFID 定位技術信號傳輸范圍較廣、應用成本低，具有非接觸以及非視距等優點，適用于室內定位。 但由于該技術作用的距離有限，缺乏通信能力，與其他系統融合在一起的效果并不好，因此定位不夠精準。

2.3 超聲波定位技術

超聲波定位原理是基于超聲波測距技術，大多采用反射式測距法［9］。 定位過程如下：首先通過固定在被測物體上的聲波發生器，周期性的發送同頻率的信號給各個位置已知的電子標簽，通過不同時間所接收到的同一信號，具體推算出其各自之間的相關距離，從而推算出被側目標的定位坐標。

常見超聲波測距采用傳播時間檢測法進行，超聲波的傳輸路程等于超聲波傳播時間與超聲波在空氣中的傳播速度的乘積。 利用定位算法并結合多組超聲波測量的距離數據，即可計算出被定位物體的具體位置坐標。 超聲波定位主要應用TOA 定位算法和TDOA 定位算法實現。 該方法成本低、功耗小、定位精度可觀，但對于復雜的環境定位效果仍不佳。

2.4 藍牙定位技術

藍牙定位技術的實現，需要在室內環境下建立3 個及以上的beacon 基站［10］，然后通過帶有藍牙功能的移動設備來接受從基站發出的廣播報文，以此來推算出功率，計算出移動設備與基站間的距離，從而確定移動設備的位置。

藍牙定位系統主要采用測距交匯法（又稱傳播模型法）和指紋匹配法兩種定位方式。 測距交匯法基本原理為：先構建室內環境下的藍牙信號衰減模型，使用衰減模型將信號強度信息轉換為兩者之間的距離信息，再采用定位算法計算出目標位置。 該方案的優勢是無需構建指紋數據庫，理論定位精度高；指紋匹配定位方法是將位置信息和藍牙信號強度特征形成特殊的映射關聯，即對室內場景下的位置坐標信息形成與之唯一對應的信號強度特征指紋［11］。

藍牙定位技術是一種短距離（一般在2-5 米左右）適用于室內的無線傳輸技術，具有較高的商業價值，且功率消耗低，定位精度相對較高。 其缺點是受環境影響較大，穩定性較差，而且系統作用的范圍比較小。

2.5 慣性導航定位技術

慣性導航技術是一種純依靠客戶端的技術，通過終端慣性傳感器采集物體運動過程的相關數據信息（其中包括物體的速度、方向、加速度等），再利用各種定位運算方法推算出被測物體的大概位置。 慣性導航系統是一個自主式的導航系統，由慣性測量單元和積分器組成的積分系統。 慣性導航技術在沒有通訊設備和網絡的情況下，就可以輸出用戶的具體位置信息，并且這一過程是實時進行的，也就是說在各種復雜多變的環境中，仍然可以做到對人員位置的精確定位。 在慣性導航定位的基礎上，還有一些技術可以輔助，從而達到更好的定位效果，如與WIFI 指紋技術的結合［12］。

該技術不會被電磁信號所干擾，安全隱蔽性強，而且產生的導航信息噪聲低，定位過程中的數據更新率高，能在短時間內有比較好的精度和穩定性；但是隨著時間的變化，誤差也會隨之增大，再加上傳感器價格昂貴等原因，該技術也無法滿足人們對室內定位的需求。

2.6 超寬帶（UWB）定位技術

超寬帶技術是一種無線通訊技術［13］，其不使用傳統通信體制中的載波（不采用正弦載波），而是通過對極窄脈沖的發送和接收來進行數據傳輸。 該脈沖為非正弦，且脈沖寬度須在納秒甚至微秒級以下，具有3.1～10.6 GHz 量級的頻譜帶寬。 該技術具有良好的室內定位發展應用前景，隱含著很高的商業價值。

隨著硬件設施以及對應操作水平的不斷提高，提高UWB 定位精度以及達到普遍化應用的重點，是將該系統與其他定位技術相融合；再加上深度學習的發展，將給該技術帶來更大的突破和影響。 該技術主要用于室內定位，具有數據傳輸性能好、低功耗、安全保密性強、高處理增益、很強的抗干擾能力和定位精度高等特點［14］。 超寬帶技術通過與不同技術的融合，以及采用不同算法的應用，定位精度保持在0.1～0.5 m 的范圍。

3 定位算法

3.1 AOA 定位算法

如圖1 所示，AOA 到達角度定位方法，主要是通過建立兩個基站，分別以基站坐標為起始位置，形成兩條經過移動臺的射線，而兩射線相交的點就是移動臺所在的大概位置［15］。

圖1 AOA 定位示意圖Fig.1 AOA positioning schematic diagram

當基站內設有天線陣列時，移動臺作為信號的發送端發出信號，并且由兩個基站進行接收，進而可以得到兩個基站的入射角，即圖中所示的α、β，再以各基站坐標作為出發點，沿著入射角所對應方向形成的交點，就是移動臺所在的位置。 假設移動臺位置坐標為（x，y），N個基站的位置坐標為（xi，yi）。根據其幾何意義，坐標之間存在以下關系：

將式（1）展開可得

將式（2）化簡可得

最后可以利用最小二乘法解得X。 該算法通信成本低，定位精度較高，常應用室內定位過程中。

3.2 TOA 定位算法

TOA 到達時間定位方法，是通過記錄移動臺（信號發送端）發出信號到基站接收到信號所消耗的時間，再利用相關公式轉換為兩者間的距離，從而進行位置定位。 該方法的實現至少需要3 個基站的參與，才能計算目標的位置，其定位示意如圖2 所示。

圖2 TOA 定位示意圖Fig.2 TOA positioning schematic diagram

三個基站與信號接收節點的距離分別為d1、d2、d3，以基站所在位置為圓心，所測得的距離為半徑畫3 個圓，相交于一點，即目標節點所在位置。 在計算過程中一般利用最小二乘法計算待測節點的大概位置［15］。 假設節點處位置坐標為（x，y），N個基站的位置坐標為（xi，yi）。 根據其幾何意義，則坐標之間存在以下關系：

其中，i ＝1，2，3，…，N，設：Ki ＝xi2＋yi2，R ＝x2＋y2，將公式（3）化簡得到：

要得到坐標（x，y），即求得X的值，可利用最小二乘法可得X ＝（ATA）-1ATY，進行求解計算。

因該方法部署過程方便且性價比高，特別適用于室內、巖洞、森林、峽谷等GPS 拒止環境下的目標定位，并且隨著環境以及技術的變化，該算法在不斷的被改進更新。 該算法主要應用于WIFI 室內定位技術和UWB 室內定位技術中。

3.3 TDOA 定位算法

到達時間差算法TDOA，是對TOA 算法的改進與加強，只需保持各基站時鐘同步即可。 該算法主要利用多個基站接收到同一信號的時間差計算出對應的距離差，再確定信號源所在位置。 定位示意如圖3 所示：

圖3 TDOA 定位示意圖Fig.3 TDOA positioning schematic diagram

各個基站從同一時間開始接受信號源的信號，根據信號接收端接收到數據的時間不一，會產生一個時間差，再通過相關的計算公式，計算出各個基站之間的距離差，距離差＝時間差×電磁波的速度。 如圖3 所示，可以選取基站1 作為相對固定點，分別與其他基站聯合作為焦點，可以得到兩條雙曲線，兩條雙曲線的交點就是信號節點所在的位置。 通過各基站的坐標以及各基站到節點的距離，就可以計算出節點處坐標。

TDOA 算法的優勢是不存在任何相位模糊問題，且該系統構建復雜度較低，定位精度相對高，常常被應用于各種室內外定位技術中［15］。 隨著定位精度需求的不斷提高，該算法也被多次改進，其中包括基于TDOA 的Fang 算法、Chan 算法以及泰勒級數法等等。

3.4 指紋定位算法

指紋定位算法是基于無線信號的室內定位中比較經典的定位算法，其主要思想就是將某一需要進行定位的區域進行網格劃分，將這些網格的交點分別設置其對應坐標，在每一個坐標上，都可以收到一組對應接入點（Access Point，AP）的特征量，這組特征量就相當于一個指紋上的多個特征（這也是位置指紋這個名字的由來，指紋只是一種比喻），依靠這組特征就可以確定定位節點所在的網格位置。 該方法的實現分為離線采集和在線測試兩個階段［16］。

離線階段負責采集指紋信息，通過將某一需要進行定位的區域進行網格劃分，對每個交點處分別設置對應坐標后，采集每個小網格區域內所表現出來的RSSI 值，將指紋信息圖片化處理，然后構建指紋數據庫。

在線階段進行定位測試，通過相關算法得到待測點處RSSI 值以及大致坐標值，與數據庫中的指紋坐標信息進行匹配對比，從中找出與待測點處RSSI值最為接近的點，此點的坐標就可視為待測點處坐標。 該階段可采用Bayes 法、KNN 法進行坐標加權計算，用K-means 等方法對指紋數據進行聚類運算［17］，減少匹配時間。

指紋定位算法的精確度，很大程度取決于指紋信息分類的精細程度，分類越精細，定位精度就越高。 因此，可以結合分類器對指紋信息進行分類，以此提高定位精度。 但是，該方法也存在很大的不穩定性，當周邊環境變化或者基站數量或位置變化時，該定位算法精確度就會很低，而且需要進行指紋信息重新采集，而采集工作相當繁瑣，任務量較大。 因此，該算法時常與WIFI 定位技術相結合應用于室內定位。

3.5 RSSI 測距定位算法

RSSI 信號是將RSS 經過轉換后的值，RSSI值由無線局域網的供應商按照自己特定的方式去定義。將原有的RSSI區間值通過特有的公式，對應到自己定義的區間。 室內定位常用對數距離路徑損耗模型，從而得到以下計算公式（4）：

其中，RSSI（d0） 即為距離發射點d0 處的RSSI（僅為參考點），往往以1 m 作為這個參考點；RSSI（d） 是與發射點相差d處的RSSI；Xσ是一個均值為0，方差為σ變量，并服從高斯分布；n為信號衰減指數，與環境有關，通常值為2～4 之間。 根據所搭建的模型，可得到發送端距離接收端的長度d，不同發送端所在的位置不一，所以得到同一接收端的距離也不同，最后依據多邊定位等計算方法，計算出大致的位置坐標［18］。

4 結束語

本文從對定位技術的需求出發，對多種室內外定位技術以及相關定位算法進行概括闡述，得出其各自適用的領域與環境。 由于復雜多變的環境，導致定位精度的大大降低，現存的單一定位技術已無法滿足目前的發展需求，多種定位技術甚至算法的融合定位才是未來室內外定位的發展方向。 目前的融合定位系統并未成熟，迫切需要新技術的投入，而5G 通信技術的興起給該領域帶來新的機遇，尤其是當下正處于探索階段的”北斗＋5G”融合定位技術，是未來定位系統領域的重點研究對象。