室内定位技术及应用Word格式文档下载.docx
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当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。
导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。
然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个变量t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。
所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。
如下图所示：
2.基站定位
基站定位一般应用于手机用户，手机基站定位服务又叫做移动位置服务（LBS，LocationBasedService），通过电信移动运营商的网络获取移动终端用户的位置信息。
手机等移动设备在开机以后，会主动搜索周围的基站信息，与基站建立联系，而且在可以搜索到信号的区域，手机能搜索到的基站不止一个，只不过远近程度不同，再进行通信时会选取距离最近、信号最强的基站作为通信基站。
其余的基站并不是没有用处了，当你的位置发生移动时，不同基站的信号强度会发生变化，如果基站A的信号不如基站B了，手机为了防止突然间中断链接，会先和基站B进行通信，协调好通信方式之后就会从A切换到B。
基站定位的原理也很简单：
手机测量不同基站的下行导频信号，得到不同基站下行导频的TOA（Time
of
Arrival，到达时刻）或TDOA（Time
Difference
Arrival，到达时间差），根据该测量结果并结合基站的坐标，一般采用三角公式估计算法，就能够计算出移动电话的位置。
基站“三点定位”原理
由于基站定位时，信号很容易受到干扰，所以决定了它定位的不准确性，精度大约在150米左右，基本无法开车导航。
定位条件是必须在有基站信号的位置，手机处于sim卡注册状态（飞行模式下开WiFi和拔出sim卡都不行），而且必须收到3个基站的信号。
但是，定位速度超快，一旦有信号就可以定位，目前主要用途是没有GPS且没有WiFi的情况下快速大体了解下你的位置。
表：
两种室外定位技术的对比
定位技术
GPS定位
LBS定位
原理
卫星定位
基站定位
精度
精度高（5-10m）
精度较低（市区20-200m；
郊区1000-2000m）
耗电量
很大，需要手机为GPS模块提供高压供电
基站采集数据即可，不消耗手机电量
优点
室外定位精度高；
覆盖广
定位速度超快；
不受天气、高楼、位置等等的影响；
功耗低
缺点
1.GPS系统的天线必须在室外并且能看到大面积天空，否则无法定位，受天气和位置影响很大；
2.比较耗电；
3.成本较高
1.定位条件是必须在有基站信号的位置，手机处于sim卡注册状态），且必须收到3个基站的信号；
2.定位精度低
三、室内定位
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。
1.室内定位技术的需求
室内定位的需求越来越广泛，包括消防、学校、商场、医院、停车场、轨道列车、物流仓储、地下作业等场合，尤其是涉及到公共安全、地铁、矿洞作业等领域，室内定位技术的需求更为迫切。
2.室内定位面临的挑战
室内定位主要是受室内环境布局的千变万化影响，布置的精细要求定位的精度更高。
室内定位的局限性也主要体现在了多路径布设、非视距、信号衰减快、信号传递的时变性以及精度等
比较实用的室内定位技术需要满足精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性和响应时间等综合要求。
精度：
对精度的要求不同的应用差别很大，比如在超市或仓库找一个特定的商品可能需要1米甚至更低的精度，如果在购物中心寻找一个特定的品牌或餐馆，5-10米的精度就能满足要求。
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。
有些技术需要相应或专用的基础设施支撑并结合相应的定位终端使用，这样它的覆盖就只是布局了相应技术的环境范围。
可靠性：
前面提到室内环境动态性很强，会经常发生改变，比如商场的设置和隔断会经常发生变化。
另一方面，定位所依赖的基础设施也会经常发生变化。
举个例子，一些大型的会议，参展商会架设自己的WiFi热点，这些设施会动态变化位置，甚至有时开有时关，如果定位技术是基于WiFi的，可靠的系统应该不会受到这些因素的影响。
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，是不是可以用终端已有的硬件而不添加新的硬件。
另一方面是布局和维护的成本及其复杂度，包括布局与维护定位所需要的设施和采集相关的数据库。
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，如果功耗大很快使设备没电了，就限制了用户的使用。
有调查表明，电池消耗过快是很多用户不开启定位功能的一个主要因素。
所以，如果要实现随时随地的位置感知，必须降低定位所增加的设备额外功耗。
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，比如移动用户和导航应用需要快的位置更新。
3.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。
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。
航位推算法
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（接收信号强度指示）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（到达时间）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（到达时间差）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（到达角度）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。
四、几种主流的室内定位技术
1.WiFi定位技术
1）工作原理
在覆盖无线局域网的地方，佩戴在人员身上的定位卡或腕带周期性地发出信号，无线局域网访问点（AP）接收到信号后，将信号传送给定位服务器。
定位服务器根据信号的强弱或信号到达时差判断出人员的位置，并通过电子地图显示具体位置。
基于无线局域网（Wi-Fi）的实时定位系统工作原理示意图
2）系统组成
一般的无线局域网实时定位系统构架如下图所示：
系统架构图
如上图所示，无线局域网实时定位监控系统主要由定位卡或腕带（Wi-FiTag）、无线局域网接入点（AP：
AccessPoint））和后端监控管理中心（定位服务器）三部分组成。
无线局域网接入点可以使用任何支持WIFI的产品。
a）定位卡或腕带作为无线数据采集模块佩戴在人员身上或物品上，系统通过对标签的跟踪实现对人员和资产的跟踪定位。
可以根据需要设计不同的外形，腕带、胸卡等以适应不同需求。
b）AP及时采集卡或腕带的信息，传输到后端的监控中心，对定位卡或腕带进行控制管理。
c）安装了定位服务器软件系统的监控管理中心，主要实现实时数据分析处理。
分析管理定位卡或腕带数据，通过控制中心的电子地图监视并及时显示各现场定位卡或腕带的位置，数据可同时存入存储数据库，监控人员可以通过计算机访问存储服务器查询人员或物品的实时位置信息，报警信息，及某段时间内的移动轨迹等。
3）网络结构
基于定位的无线局域网络有别于一般的通讯网络，要求在任一位置点，均可以收到3个以上的AP信号。
AP主要分为主通讯AP与定位AP，主通讯AP负责服务器与通讯AP之间的数据交换和传输，所有主通讯AP必须通过网线进行连接。
定位AP，主要负责收集标签信息，并将结果发送给指定服务器，
无线局域网实时定位系统网络拓扑结构图
功能特点
>
定位系统基于Wi-Fi对无线局域网非常普及，价格便宜，容易搭建和管理；
同时定位网络还可用于上网、语音、视频等其他用途；
实时的人员或物品跟踪，随时查找人员或物品所在位置，和在某时间段内所经过的路径，并显示线路轨迹；
区域监控：
可以设定区域范围，监控次区域内人员或物品出入等情况，非许可人员或物品出入时，报警提示；
定位精度高，可达3-5M（视具体环境而定），准确掌握人员或物品所处位置；
超低功耗，标签可以更换电池或充电，且对人体安全、无辐射损害；
可视化终端平台，以电子地图形式显示人员或物品的位置和移动轨迹，
能通过传感器监测其周围环境的温度等信息，便于环境监测和安全防范。
4）定位算法介绍
Wi-Fi定位系统算法是基于接收到Wi-Fi信号的强度（RSSI）。
在覆盖无线局域网的地方，定位标签周期性地发出信号，无线局域网访问点（AP）接收到信号后，将信号传送给定位服务器。
定位服务器根据信号的强弱判断出标签距离AP的位置，通过标签到至少3个AP的距离可以算出标签的位置，并通过电子地图显示具体位置。
这是传统的三角定位原理。
Wi-Fi无线信号经过反射后才到达接收器，而不是一条径直的路径，这样就给定位计算带来了很大的误差，这种现象叫多路径。
因为室内空间的障碍物会造成多路径干扰,导致讯号变化较大,所以传统的三角定位法不适用于室内环境。
为了更精确的定位，采用基于ＲＦ指纹识别（fingerprinting）的定位方法。
在定位区域内设置多个采样点，将定位终端放在给个采样点。
把定位终端发射的信号特征记录下来，根据这些特征和不同位置的信号建立信号纹来指示定位终端的位置。
利用信号纹和相对应的位置信息建立起数据库后，定位系统根据实时收集到的信号特征，就能计算位置了。
人体对标签是有干扰的，定位系统可以采用历史移动轨迹参考、增加ＡＰ定位器、修正信号突变等方法尽量在算法上降低干扰带来的定位误差。
定位精度与定位目标、环境和定位器铺设密度有关，定物可以达到3米甚至更好，定位人时由于人体干扰，精度在5-10米的半径范围。
定位精度是和定位器分布密度、环境、定位对象的干扰有关的，所以无线定位的精度不是一个绝对的数字。
一般说，精度能达到3米－5米，有时会10米甚至更差。
通过布点密度和预先建立数据库也可以做到1.5米。
定位器部署密度越高，定位精度越高。
任何无线定位的技术，都会有定位误差及不确定因素存在。
实际应用中，考虑到无线定位的特性，通过软件补偿或修正解决精度的不确定因素。
定位中会出现跳动，这是由于定位位置处于几个定位点中间。
定位频率可以设置为1秒或以上。
系统刷新时间为１秒。
网络传输也会耗费一定的时间，定位算法上为了避免人体对定位精度的干扰，在算法上做了特别调整，所以可能出现3-6秒的延时。
AP定位器数量虽然会多，但是AP定位器的成本低，可以集中管理，可以通过POE方式供电。
AP定位器无线发射功能可以禁止，所以大量AP定位器并没有产生任何无线信号，这和普通AP是不同的，不会造成无线干扰。
不过，WiFi热点受到周围环境的影响会比较大，精度较低。
为了更加准确，建立拥有巨量数据的数据库，来参考定位确定位置。
由于数据库要定期进行维护，技术难以扩展，只能在有限的范围内定期维护指纹数据。
WiFi定位可以用于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。
5）WiFi定位局限性
在物联网领域应用WIFI定位时，WIFI定位标签的局限性明显存在，主要表现在以下几个方面：
●WiFi定位所用的WiFi标签是非标设计，只是数据格式参照802.11b格式，不支持标准WiFi协议。
无线路由器不支持扫描WiFi标签功能，需要对路由器二次开发，即在路由器加载WiFi标签扫描固件。
部分无线路由器支持WiFi扫描功能，可以获取WiFi标签的MAC地址，WiFi标签定义的其他功能就不支持了。
比如无线传感、按钮呼叫、低电告警等。
这些是非标准协议，标准化的路由器不支持非标协议.
●WiFi标签功耗较大，连续发射电流在200mA以上，电池寿命限制了WiFi定位标签的推广使用。
●WiFi标签成本相对较高，不利于大幅度推广商用。
●WiFi定位存在严重的同频干扰问题，系统会相互影响。
6）代表厂家
苏州工业园区优频科技有限公司
（URadioSystemsCo.,Ltd.）
2.FRID定位
1）基本原理
RFID（RadioFrequencyIdentification）即无线射频识别，又称电子标签。
RFID是一种通信技术，可通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。
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。
为实现标签识别功能，一个典型的RFID应用系统包括RFID标签、阅读器（含天线）和交互系统三个主要组成部分，如下图所示。
当物品进入阅读器天线辐射范围后，物品上的标签接收到阅读器发出的射频信号，无源的被动标签（PassiveTag）凭借感应电流所获得的能量发出存储在标签中的数据，有源的主动标签（ActiveTag）则主动发送存储在标签芯片中的数据。
阅读器读取数据、解码并直接进行简单的数据处理，发送至交互系统;
交互系统根据逻辑运算判断标签的合法性，针对不同的设定进行相应的处理和控制，由此实现RFID系统的基本功能。
当一个RFID系统设计用于室内定位时，定位服务器结合RFID标签的特征数据，包含RSSI测量数据或AOA测量数据等，采用近邻法、多边定位法或三角定位法等计算出RFID标签所在的位置，同样为了提高定位准确度，可以结合fingerprinting预先采集建立样本位置数据库为参考。
定位系统软件由下面几个部分组成。
●系统核心程序：
主要是负责数据的管理和接收数据采集端发送过来的数据，并对采集端送来的数据进行比对、查询、统计等。
●信息采集程序：
主要负责采集定位标签的数据，并对标签进行定位计算。
●展示端程序：
负责地图显示，人员/车辆位置显示，告警输出等。
●后台管理：
负责对设备管理，人员/车辆与物品跟标签的关联，人员/车辆、物品的档案管理，定位区域管理，以及各种查询统计等。
3）RFID常用的定位方法
RFID定位方法按系统构成可分为：
基于标签定位、基于阅读器定位、无收发器和混合方法。
其中基于标签定位需要定位对象携带一个标签，比如主动标签，用于周期性地发出一些信号信息;
基于阅读器定位需要定位对象携带一个阅读器，用于收集附近的标签信息;
无收发器模型可以在定位对象不携带任何设备的情况下得到定位对象的位置信息;
混合方法是将RFID技术与其他技术相结合，如惯性导航系统、无线传感器网络系统等。
RFID定位技术优点是RFID标签的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中，无法做到精准定位，布设读卡器和天线需要有大量的工程实践经验难度大。
4）代表厂家
上海优翊信息技术有限公司
3.蓝牙技术
1）原理与系统组成
蓝牙定位基于RSSI（ReceivedSignalStrengthIndication，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）、蓝牙信标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：
●首先在区域内铺设beacon和蓝牙网关。
●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：
●首先在区域内铺设蓝牙信标
●beacon不断的向周围广播信号和数据包
●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。
终端侧定位一般用于室内定位导航，精准位置营销等用户终端；
而网络侧定位主要用于人员跟踪定位，资产定位及客流分析等情境之中。
蓝牙定位的优势在于实现简单，定位精度和蓝牙信标的铺设密度及发射功率有密切关系。
并且非常省电，可通过深度睡眠、免连接、协议简单等方式达到省电目的。
2）代表厂家
苏州寻息电子科技有限公司、苹果、腾讯、摩托罗拉。
4.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。
这种方法在空旷的室内容易实现较高精度，可实现对红外辐射源的被动定位，但红外很容易被障碍物遮挡，传输距离也不长，因此需要大量密集部署传感器，造成较高的硬件和施工成本。
此外红外易受热源、灯光等干扰，造成定位精度和准确度下降。
该技术目前主要用于军事上对飞行器、坦克、导弹等红外辐射源的被动定位，此外也用于室内自走机器人的位置定位。
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。
这种方式的优势在于不需要定位对象携带任何终端或标签，隐蔽性强，常用于安防领域。
劣势在于要实现精度较高的定位需要部署大量红外接收和发射器，成本非常高，因此只有高等级的安防才会采用此技术。
5.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。
由于射频信号传输速率接近光速，远高于射频速率，那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号，利用时间差的方法测距。
这种技术成本低，功耗小，精度高。
另一种为多超声波定位技术。
该技术采用全局定位，可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器，将待定位空间分区，由超声波传感器测距形成坐标，总体把握数据，抗干扰性强，精度高，而且可以解决机器人迷路问题。
超声波定位精度可达厘米级，精度比较高。
缺陷是超声波在传输过程中衰减明显从而影响其定位有效范围。
6.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，如加速度传感器、陀螺仪等
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