黄 博

(桂林电子科技大学 信息与通信学院，广西 桂林 541004)

当前，以北斗、GPS为代表的卫星导航系统无论从民用领域还是军用领域都已经能满足人们对于室外导航的不同需求，但是在室内导航方面人们同样用着巨大的应用需求。随着物联网技术的不断发展，室内高精度定位的应用价值都删除日益凸显。但是现在通用的室内导航技术在数据精度方面却无法满足这样的应用需要。特别是在一些比较复杂的室内环境中，譬如大型地下室、商场、车间等这样的问题更为突出。所以在室内复杂环境中，如何提高导航定位的实时性、精确性是一个急需解决的技术难题，针对这样的问题，国内外的不少学者都进行了大量的研究。首先对当前室内定位主要的应用技术传感器和射频等研究现状进行了性能分析，然后对于室内导航技术的发展前景进行了展望。

室内定位分类体系最早由HIGHTOWER J,BORROELLO G于2001年提出，分类的依据包括定位目标类型、定位辐射范围、定位需求精度、定位采用的信号等，另外定位的绝对性与相对性以及定位的主动性与被动性也是需要考虑的因素。定位分类有助于挖掘其应用价值。陈崟崟等按照所采用的不同的方法来做分类[1]。娄路等认为定位信号获取路径的不同来进行分类[2]。邓中亮等将传输信号的差别来作为分类的依据[3]。室内定位技术的各种分类方法促进了领域基础理论的细化研究，对行业整体发展有积极意义。

目前，目前常用的室内定位技术主要是基于传感器和基于网线信号两种类型，每种类型又可分出几种不同的实现方法，并具有各自的特点。

2.1 基于传感器的室内定位技术

2.1.1 红外线定位

红外线定位系统的主要元件包括装有红外发射器的移动站与基站。在具体应用层面，Ac-tiveBadge系统是剑桥大学AT<实验室根据红外线技术研制的，在室内场景中可实现的6m定位精度。质量轻，容易携带是红外线发射器的优点，但是也存在红外线穿透力弱的缺点，尤其碰到墙壁时，红外线就只能提供房间级别的定位信息传递，在狭小室内，红外线传播距离有限，加之其他光照干扰或路径限制，空间区域容易产生盲区，进而导致定位效果变差。所以，从实用性思考，红外线定位技术可以与其他定位设备融合使用，充分发挥红外线LED室内导航导航的优势功能[4]。

2.1.2 惯性导航定位

惯导系统确定位置首先由加速度计、陀螺仪等传感器采集相关数据，再通过数据融合算法推导出目标的具体位置。但是惯导系统有一个缺点是数据误差会随时间积累，许多科研团队都在研究如何抵消这一负面影响，有的研究团队通过微机电技术，将各种运动传感器与智能手机平台相结合来进行行人航机推算。当前领域内，进一步实现PDR与地磁、无线保真高度融合匹配是一个讨论热烈的研究课题[5]。还有的团队提出将无线局域网络定位系统的数据与惯性导航系统组成误差补偿机制，用于矫正累计误差。

2.1.3 超声波定位

超声波定位主要利用的是声波反射产生的时间差来推算发射位置与反射面之间的距离，根据这一原理研究人员研制出了Active Bat系统，在科学测试中Active Bat系统定位精度最高可以达到3厘米，这微小的数据相对智能智联网系统具有重要影响。此后，研究人员在Active Bat系统基础上改造研制出Cricket室内定位系统，改变了有线网络技术，无需再特定位置固定大量发射及接受网站，而是基于超声波传输时间与射频控制信号，完成三维、多维定位。当然，从成本上来说，超声波定位对硬件要求更高，因此需要花费更多资金投入。

2.1.4 视觉定位

视觉定位通过前置摄像头来捕捉周边环境特征，根据大量图片数据以智能算法来分析目标的三维空间位置。已经成熟的技术中，具有代表性的技术：一种是利用了便携式移动设备，当多组单目摄像头进行定位时能够具备更高的精度；
一种基于图像密度匹配性和运动恢复原理，采用相机交会来实现医院室内定位。借助高性能照相机，获取像素极高的图像数据，让分析精度增加，进而提高了定位准确性，不过室内环境是非常多变的，定位系统要持续保持高精度也是不现实的。在改进方面，一些学者正尝试用引入视觉传感器的方法完善这一技术[6]。

2.2 基于无线信号的室内定位技术

2.2.1 WiFi定位

就目前而言，常用的WiFi室内定位技术包括2种：一种是根据接收信号的强度变化来指示距离变化，当然信号衰减与空间距离变化不一定成线性关系，会受到如物体遮挡、空气湿度等的外部因素干扰，所以定位精度是受限的；
另一种是基于RSSI位置指纹法的定位技术，这一方法属于目前使用最为广泛的WiFi定位类型[7]。另外，还有一些相同原理的产品，如美国的WiFi SLAM以及我国的“翼周边”系统，它们精度较好但是组成系统的辅助设施非常多，因此后期的维护与前期支撑设备的布设需要花费很多成本，不利于大规模推广[8]。

2.2.2 蓝牙和紫蜂定位

这种定位拥有能耗低，空间距离短、适用场合范围广等特点，不过这两种定位方法也存在稳定性比较差、容易被外界环境干扰的劣势。蓝牙定位依托接收到的信号强度场来进行空间距离计算，典型如国产“寻鹿”微定位系统与iBeacon系统，iBeacon由苹果公司所开发，在很大程度上满足了低功耗、较高精度这一用户需求。当前，以蓝牙技术为基础的诸多定位系统多利用了指纹定位原理，包括改进的方案。而随着蓝牙5.0协议在2016年的发布，使得这类高精度定位获得了更好的通信技术保障。紫峰定位技术利用邻近探测法对不同盲点间的通信进行探测，然后采用模糊聚类算法进行定位分析，从而获得米级精确度的定位结果[9]。

2.2.3 蜂窝网络定位

智能手机的定位主要依靠蜂窝网检测传播信号的特征参数来实现，这种定位方法的主要类型分为邻近探测法、信号传递时间差探测定位。便于构建普适化较强的室内定位方案是这种定位技术的主要优点，但它同样存在自身的缺点，由于受系统设计影响以及时间同步精度存在差异，使得定位精度往往偏低，如：爱立信公司常使用的OTDOA定位，这种定位方法的精度只有50m。若使用多天线MIMO+TDOA定位技术，其精度也只能达到5～10m。随着通信技术的进步，在5G通信网络逐步普及的情况下，其精度有望获得提升[10]。

2.2.4 射频识别定位

射频识别技术通过对不同的射频信号识别来获取对应目标位置，该技术既具有较长距离的辐射范围、能够绕过部分阻碍物传递信号的优点，又具有携带方便、定位精度高等技术特长，但射频识别技术对信号强度非常敏感，当信号不稳定时，定位精度也会降低。目前以Spoton系统为代表的射频识别系统存在硬件组成较为复杂并且计算量较大的问题，为解决之一问题而采取的技术手段是改进算法，未来随着智能算法的不断改进，相信这一技术也会不断改进[11]。

2.2.5 超宽带定位

超宽带定位最早在仅在美国空军中应用，美国联邦政府于2002年通过提案开始在民用领域使用。超宽带定位系统结构较为简单、建造成本也不高、并且具有能耗低、可靠性高、通道容量大等诸多优势，其定位精度可以达到厘米级。超宽带能够实现通信与定位的一体化，在复杂的室内环境中比其他无线通信定位技术更有优势。在硬件开发方面，专业级的Driver2和Aether5芯片实现了体积小型化，综合能耗低等性能。Ubisense公司开发的超宽带实时定位系统通过不断提升硬件系统性能实现了5.8～7.2GHz的工作频段，通过使用多边定位法和三角定位法使得其室内定位精度能够达到15cm[12]。

2.3 地磁定位

典型如地磁定位技术利用高精度的地磁探测仪器对周边地磁变化进行分析，由于不同区域地磁强度不同进而进行室内定位，这一原理与WiFi相似，不过在有限面积内地磁的变化是非常有限的，因此这对探测器的要求便很高，加之同一地点的地磁并不是恒定的，所以这一定位系统存在较大的误差。国外有科学团队借助高精度探测设备构建出的定位系统能够在低磁环境稳点区域实现精度接近1米的定位。地磁定位的优势在于在室内布置系统比较便捷，其系统可以与其他定位方法融合使用，构成多信息定位模型，因而具有较好的研究前景[13]。

2.4 类脑导航

生物可以在没有传感器的情况下做到高精度的导航定位与建图。这主要依靠的是大脑中的导航细胞。导航细胞包括头朝向细胞、网格细胞和位置细胞，每种导航细胞具有各自的功能。生物凭借头朝向细胞可以按照正确的方向行进，生物在行进过程中得到的信息会传输到网格细胞，由其处理后得到相对位置，相对位置信息再传输给位置细胞来确定绝对位置。具体来说就是头朝向细胞获取的是生物的运动信息，网格细胞获取的是生物的相对位置信息，位置细胞获取的是生物的绝对位置信息。最后根据这些信息进行编码形成对环境空间的记忆。

由上述过程可以看出，大脑导航过程可以通过深度学习等技术进行建模，以实现对环境的类脑导航定位对于类脑导航进行建模，孙瑶洁提出了一种以连续吸引子神经网络来实现的方法[14]。利用这种方法建模时，头朝向细胞能获得最优角度，网格细胞通过最优角度信息得到相对位置信息，最后位置细胞得到最优的绝对位置信息。当出现熟悉场景时位置细胞会被激活，调用其存储的位置信息进行回环校准，较小导航数据误差。

3.1 室内导航定位面临的困境

近年来，室内导航定位技术的研究成果不断涌现，在诸多领域获得了很好的应用，然而依然存在一些困难需要进一步攻克。

3.1.1 稳态性不足

室内环境是复杂多变的，例如一些大型商业综合体中，室内隔间多且物体多杂，这就导致信号干扰源增多，特别是一些金属材质的大体积物件，发生移动都可能对定位信号产生影响。这也给室内定位系统的自适应能力提出了更高的要求，即必须在复杂环境中能连续提供稳定的导航信号，实现能够长时间稳定导航的需求。

3.1.2 成本高

随着用户对精度要求不断提高，室内定位系统的配套设施也变的愈加庞大，对于相关设备的精密性要求也越来越高，这些设备必然会增加系统的建设与运营成本，加之大量的人力物力资源消耗，使得系统的应用难以大范围推广。此外，复杂的系统结构也对维护工作带来较高要求，尤其是专业维护维修技术人才的需求将会进一步增大，所以需要对成本进行最优化处理，以低成本得到较高的定位效果。

3.1.3 可扩展性低

不同定位技术应用于不同场合所取得的效果是有差异的，因此很多时候定位系统都是特事特定，一旦环境发生变化时，这一定位系统的精度很可能就会下降，难以满足用户的导航定位需求，进而降低了系统应用的可扩展性。

3.1.4 能耗大

大量的室内定位系统配套有通信网络、数据分析、信号探测等诸多设备，这些设备必然会消耗大量的电能，这同样会增加系统的使用成本。因此如何降低室内定位系统的能耗也是一大研究课题。

3.2 室内导航定位未来趋势

随着移动通信网络技术、计算机技术、人工智能的进步，室内导航定位技术的涌现，使得导航定位技术拥有了更多的可选择性，其理论研究、试验深度不断增加，面对这些问题，将从以下几个方面来探讨该领域未来的发展方向。

3.2.1 优化多信息融合算法

多信息融合可以有效提高室内定位精度，且能提升系统整体的普适性，研究新算法有利于提高多信息处理效率，提高导航定位的实时性，通过集成不断缩小定位系统的建造成本，让其商用价值获得提升，进而拓展应用市场。同时还要加大对于融合算法的研究，不断提高算法的性能和算法的鲁棒性，使其能够满足越来越高的使用需求。

3.2.2 降低功耗

未来硬件设备性能将进一步提高，使定位系统整体的功耗降低，达到降低成本、提升应用价值、拓展市场的目的。随着芯片技术、新材料技术的发展，储能系统性能将进一步提升，一些理论层面的研究成果必然会转化为实用，例如随着人工智能技术的进步，数据处理器将具备更多的功能，可以通过分析数据判断定位需求量，进而调节子系统功耗水平，苹果公司的iBeacon就是因其蓝牙开启后的低功耗性能而被大众所接受。

3.2.3 创新定位方法

传统的室内定位技术得到的数据精度一般只有2～5m左右，所以如何提高导航数据精度是一个重要的研究方向。此外，更好的对视觉、音频信号和射频信号进行利用，引入模糊神经网络、粒子群算法等智能算法来简化数据处理过程，提升处理器运行速度，也是提高定位精度，系统鲁棒性的重要途径。

3.2.5 5G网络室内定位

5G时代已然来临，全球都在不遗余力的推进通信网络5G化进程，而在此关口，我国的5G技术处于领头羊位置，相关专利数量世界第一。5G对于室内定位技术的革新具有重要促进作用，随着未来更加密集的5G组网建设，室内定位的数据获取支撑将更加稳固，因此，未来一个重要的探索方向是室内定位与5G通信技术的结合。

4 结语

综上所述，室内导航定位技术在军事、地质勘探、社会安全、民用等诸多领域都有极高的应用价值，在可以预见的未来，这一技术必将成为另一个经济增长极。本文结合近年来大量学者的研究成果对室内导航定位技术的进展进行了综述，分析了当前传感器定位、惯性导航、视觉识别、超声波定位等主流技术的理论基础以及一些成果。同时，对技术发展动向进行了探讨，希望对行业进步有所借鉴。

猜你喜欢 定位精度精度定位 北方海区北斗地基增强系统基站自定位精度研究导航定位学报(2022年5期)2022-10-13基于不同快速星历的GAMIT解算精度分析导航定位学报(2022年5期)2022-10-13热连轧机组粗轧机精度控制一重技术(2021年5期)2022-01-18Galileo中断服务前后SPP的精度对比分析导航定位学报(2021年4期)2021-08-29《导航定位与授时》征稿简则导航定位与授时(2020年5期)2020-09-23银行业对外开放再定位中国外汇(2019年20期)2019-11-25GPS定位精度研究智富时代(2019年4期)2019-06-01GPS定位精度研究智富时代(2019年4期)2019-06-01少儿智能定位鞋服成新宠海峡姐妹(2018年2期)2018-04-12把握新定位、新要求 推动人大工作创新发展人大建设(2018年12期)2018-03-21