引言

　　導(dǎo)航與定位關(guān)乎國(guó)家安全，是全球大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的核心利益。對(duì)于室外環(huán)境，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)諸如美國(guó)的全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)、我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System, BDS)能夠?yàn)橛脩籼峁┹^高精度的定位服務(wù)，基本滿足了用戶在室外場(chǎng)景中對(duì)基于位置服務(wù)的需求。然而，個(gè)人用戶、服務(wù)機(jī)器人、掃地機(jī)器人等有大量的定位需求發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景。而室內(nèi)場(chǎng)景受到建筑物的遮擋，GNSS信號(hào)快速衰減，甚至完全拒止，無(wú)法滿足室內(nèi)場(chǎng)景中導(dǎo)航定位的需要。因此，室內(nèi)定位技術(shù)成為工業(yè)界與學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

　　相比于美國(guó)軍方于1964年正式投入使用的子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Transit)[1]以及后來(lái)以此為前身于1994年全面建成的GPS[2]，室內(nèi)定位技術(shù)起步較晚，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(Federal Communications Commission, FCC)在1996年制定了初衷用于應(yīng)急救援的E-911定位標(biāo)準(zhǔn)[3]，之后在各行業(yè)應(yīng)用需求的推動(dòng)下，室內(nèi)定位技術(shù)得到了快速的發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)外研究已提出了射頻識(shí)別技術(shù)(Radio Frequency Identification, RFID)、藍(lán)牙、WLAN(Wireless Local Area Networks)、超寬帶(Ultra-Wideband, UWB)等室內(nèi)定位技術(shù)及系統(tǒng)，其中部分定位技術(shù)已經(jīng)商用。但是，由于室內(nèi)場(chǎng)景的復(fù)雜性和多樣性，不同的室內(nèi)定位技術(shù)也具有不同的缺點(diǎn)和局限性，尚未形成與GNSS類似的普適解決方案。

　　本文首先對(duì)目前主要的室內(nèi)定位技術(shù)的原理進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，然后對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)的分類進(jìn)行闡述，并針對(duì)目前主流的室內(nèi)定位技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。最后介紹室內(nèi)定位技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展前景。

　　1室內(nèi)定位技術(shù)

　　室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)位置定位，主要采用無(wú)線通信、基站定位、慣導(dǎo)定位等多種技術(shù)集成形成一套室內(nèi)位置定位體系，從而實(shí)現(xiàn)人員、物體等在室內(nèi)空間中的位置監(jiān)控。

　　隨著通信技術(shù)和電子制造工藝的不斷發(fā)展和普及，室內(nèi)定位技術(shù)層出不窮，定位精度從幾米到幾十米都有，并在一些行業(yè)中得到了應(yīng)用。

　　PART

　　01 室內(nèi)定位方法

　　目前室內(nèi)定位常用的定位方法，從原理上主要分為七種：鄰近探測(cè)法、質(zhì)心定位法、多邊定位法、三角定位法、極點(diǎn)法、指紋定位法和航位推算法[4]。

　　1.1ProximityDetection

　　鄰近探測(cè)法

　　鄰近探測(cè)法，又稱為CoO(Cell of Origin)法或Cell-ID(Cell Identification)法，通過(guò)一些有范圍限制的物理信號(hào)的接收，從而判斷移動(dòng)設(shè)備是否出現(xiàn)在某一個(gè)發(fā)射點(diǎn)附近。該方法的定位精度取決于發(fā)射點(diǎn)的布設(shè)密度和信號(hào)覆蓋范圍。該方法雖然只能提供大概的定位信息，但其布設(shè)成本低、易于搭建，適合于一些對(duì)定位精度要求不高的應(yīng)用，例如自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)用于公司的員工簽到。

　　1.2Centroid Determination

　　質(zhì)心定位法

　　質(zhì)心定位法是根據(jù)移動(dòng)設(shè)備可接收信號(hào)范圍內(nèi)所有已知的信標(biāo)(beacon)位置，計(jì)算其質(zhì)心坐標(biāo)作為移動(dòng)設(shè)備的坐標(biāo)。相應(yīng)地，也可以根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication, RSSI)設(shè)置對(duì)應(yīng)的信標(biāo)的權(quán)重，得到加權(quán)質(zhì)心作為移動(dòng)設(shè)備的坐標(biāo)。該方法算法易于理解，計(jì)算量小，定位精度取決于信標(biāo)的布設(shè)密度。

　　1.3Multilateration

　　多邊定位法

　　該方法是通過(guò)測(cè)量待測(cè)目標(biāo)到已知參考點(diǎn)之間的距離，從而確定待測(cè)目標(biāo)的位置。基于多邊定位的定位系統(tǒng)可以采用多種距離估計(jì)方法，比較常見的距離估計(jì)法有基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間(Time Of Arrival, TOA)，基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(Time Difference Of Arrival, TDOA)，基于增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)間差(Enhanced Observed Time Difference, E-OTD)，基于往返時(shí)間(Round Trip Time, RTT)，基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示[5][6]。

　　1.4Triangulation

　　多邊定位法

　　三角定位法，也可稱為到達(dá)角測(cè)量法(Arrival Of Angle, AOA)。該方法是在獲取待測(cè)目標(biāo)相對(duì)兩個(gè)已知參考點(diǎn)的角度后結(jié)合兩參考點(diǎn)間的距離信息可以確定唯一的三角形，即可確定待測(cè)目標(biāo)的位置。到達(dá)角信息，亦即信號(hào)到達(dá)的角度，可以通過(guò)定向天線獲取。同時(shí)基于攝像頭的定位系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)基于AOA的定位[7]。

　　1.5Polar Point Method

　　極點(diǎn)法

　　極點(diǎn)法通過(guò)測(cè)量相對(duì)某一已知參考點(diǎn)的距離和角度從而確定待測(cè)點(diǎn)的位置。該方法僅需已知一個(gè)參考點(diǎn)的位置坐標(biāo)，因此使用非常方便，已經(jīng)在大地測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用，多個(gè)待測(cè)目標(biāo)的位置可以僅從一個(gè)全站儀的簡(jiǎn)單建立得到。

　　1.6Fingerprinting

　　指紋定位法

　　指紋定位采集的標(biāo)準(zhǔn)量是射頻信號(hào)，但指紋定位法也可采用聲音信號(hào)、光信號(hào)或其他無(wú)線信號(hào)實(shí)現(xiàn)。指紋定位通常包括兩個(gè)階段：第一階段，離線校準(zhǔn)階段，通過(guò)實(shí)際采集或計(jì)算分析建立指紋地圖。具體地，選擇室內(nèi)場(chǎng)景中的多個(gè)位置點(diǎn)采集多個(gè)基站發(fā)出的信號(hào)的強(qiáng)度并加入到指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中。第二階段，定位階段，通過(guò)將實(shí)際實(shí)時(shí)接收到的信號(hào)于指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比找到最好的匹配參數(shù)，其對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)即認(rèn)為是待測(cè)目標(biāo)的位置坐標(biāo)。指紋定位的優(yōu)勢(shì)是幾乎不需要參考測(cè)量點(diǎn)，定位精度相對(duì)較高，但缺點(diǎn)是前期離線建立指紋庫(kù)的工作量巨大，同時(shí)很難自適應(yīng)于環(huán)境變化較大的場(chǎng)景。

　　1.7Dead Reckoning

　　航位推算法

　　指紋定位采集的標(biāo)準(zhǔn)量是射頻信號(hào)，但指紋定位法也可采用聲音信號(hào)、光信號(hào)或其他無(wú)線信號(hào)實(shí)現(xiàn)。指紋定位通常包括兩個(gè)階段：第一階段，離線校準(zhǔn)階段，通過(guò)實(shí)際采集或計(jì)算分析建立指紋地圖。具體地，選擇室內(nèi)場(chǎng)景中的多個(gè)位置點(diǎn)采集多個(gè)基站發(fā)出的信號(hào)的強(qiáng)度并加入到指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中。第二階段，定位階段，通過(guò)將實(shí)際實(shí)時(shí)接收到的信號(hào)于指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行對(duì)比找到最好的匹配參數(shù)，其對(duì)應(yīng)的位置坐標(biāo)即認(rèn)為是待測(cè)目標(biāo)的位置坐標(biāo)。指紋定位的優(yōu)勢(shì)是幾乎不需要參考測(cè)量點(diǎn)，定位精度相對(duì)較高，但缺點(diǎn)是前期離線建立指紋庫(kù)的工作量巨大，同時(shí)很難自適應(yīng)于環(huán)境變化較大的場(chǎng)景。

　　PART

　　02 室內(nèi)定位觀測(cè)量

　　不同的室內(nèi)定位方法選擇不同的觀測(cè)量，通過(guò)不同的觀測(cè)量提取算法所需要的信息。下面對(duì)主要的觀測(cè)量進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹。

　　2.1RSSI測(cè)量

　　RSSI測(cè)量是通過(guò)計(jì)算信號(hào)的傳播損耗，可以使用理論或者經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)將傳播損耗轉(zhuǎn)化為距離，也可以用于指紋定位建立指紋庫(kù)。

　　在自由空間中，距發(fā)射機(jī)d處的天線接收到的信號(hào)強(qiáng)度可由下式給出[4]：

　　(1)其中，PT表示發(fā)射功率；PR表示距離d處的接收功率；GT表示發(fā)射天線的增益； GR表示接收天線的增益；λ表示信號(hào)波長(zhǎng)；L表示系統(tǒng)的損失(L>1) 。

　　2.2TOA測(cè)量

　　TOA方法主要測(cè)量信號(hào)在基站和移動(dòng)臺(tái)之間的單程傳播時(shí)間或來(lái)回傳播時(shí)間。前者要求基站與移動(dòng)臺(tái)間的時(shí)鐘同步。

　　TOA測(cè)量的定位方法為多邊定位。若電磁波從移動(dòng)臺(tái)到基站的傳播時(shí)間為t，電磁波的傳播速度為c，則移動(dòng)臺(tái)位于以該基站為圓心，c×t為半徑的圓上。同理在第二個(gè)、第三個(gè)基站的圓上，故移動(dòng)臺(tái)的位置坐標(biāo)應(yīng)為這三個(gè)圓的交點(diǎn)。如圖1所示，A、B、C為三個(gè)已知位置的基站，P為移動(dòng)臺(tái)，R1、R2、R3分別為移動(dòng)臺(tái)到基站A、B、C的距離。

　　圖.1.基于TOA的定位原理[9]

　　2.3TDOA測(cè)量

　　該方法同樣是測(cè)量信號(hào)到達(dá)時(shí)間，但使用到達(dá)時(shí)間差進(jìn)行定位計(jì)算，可利用雙曲線交點(diǎn)確定移動(dòng)臺(tái)位置，故可以避免對(duì)基站和移動(dòng)臺(tái)的精確同步。

　　通過(guò)TDOA測(cè)量，可以得到未知移動(dòng)臺(tái)到兩個(gè)基站的距離之差，即移動(dòng)臺(tái)位于以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線上。引入第三個(gè)基站，可以得到兩個(gè)以上雙曲線方程，則雙曲線的交點(diǎn)即為移動(dòng)臺(tái)的位置。如圖2所示，A、B、C為三個(gè)已知位置的基站，P為移動(dòng)臺(tái)，R1、R2、R3分別為移動(dòng)臺(tái)到基站A、B、C的距離，其中R2－R1、R3－R1為定值。

　　圖. 2.基于TDOA的定位原理[9]

　　2.4AOA測(cè)量

　　AOA方法是指接收機(jī)通過(guò)天線陣列測(cè)出電磁波的入射角度，包括測(cè)量基站信號(hào)到移動(dòng)臺(tái)的角度或者移動(dòng)臺(tái)信號(hào)到達(dá)基站的角度。每種方式均會(huì)產(chǎn)生從基站到移動(dòng)臺(tái)的方向線。兩個(gè)基站可以得到兩條方向線，其交點(diǎn)即為移動(dòng)臺(tái)位置。因此，AOA方法只需要兩個(gè)基站即可確定移動(dòng)臺(tái)位置。如圖3所示，θ1為移動(dòng)臺(tái)P的信號(hào)到達(dá)基站A的角度，θ2為信號(hào)到達(dá)基站B的角度。

　　AOA需要準(zhǔn)確測(cè)量電磁波的入射角，對(duì)天線的要求非常高，如果每個(gè)基站均安裝天線陣列，將導(dǎo)致設(shè)備復(fù)雜度變高。而在室內(nèi)環(huán)境中多徑效應(yīng)和環(huán)境變化均會(huì)嚴(yán)重影響方向判斷，干擾定位結(jié)果。

　　圖. 3.基于AOA的定位原理[9]

　　2.5方向和距離

　　獲取方向和距離多用于航位推算定位，采用自包含傳感器記錄載體的物理信息，計(jì)算得到方向和距離，從而在已知上一位置的基礎(chǔ)上計(jì)算得到當(dāng)前的未知。

　　PART03 室內(nèi)定位分類

　　室內(nèi)定位技術(shù)的分類對(duì)于室內(nèi)定位結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建具有重要的價(jià)值。

　　華盛頓大學(xué)的J. Hightower和G. Borriello在2001年就提出了以定位位置類型、絕對(duì)/相對(duì)定位、主動(dòng)/被動(dòng)定位、精度、覆蓋范圍、所用信號(hào)等方面對(duì)定位技術(shù)進(jìn)行分類，以方便研究人員和開發(fā)者更好地評(píng)估一個(gè)定位系統(tǒng)[10]。清華大學(xué)的劉長(zhǎng)征等人在2003年根據(jù)測(cè)量和計(jì)算的實(shí)體將定位技術(shù)分為基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)和基于移動(dòng)終端的定位技術(shù)[11]。北京理工大學(xué)的房秉毅在2006年根據(jù)應(yīng)用精度將室內(nèi)定位技術(shù)大致分為“目標(biāo)發(fā)現(xiàn)”類和“智能空間”類[12]。李泳按照通信手段和測(cè)量所采用的技術(shù)對(duì)室內(nèi)定位系統(tǒng)進(jìn)行了分類[13]。

　　2009年，梁元誠(chéng)提出了三種室內(nèi)定位技術(shù)的分類方法：基于位置感知技術(shù)，分為基于臨近關(guān)系、基于三角關(guān)系和基于場(chǎng)景分析的定位技術(shù)；基于信號(hào)測(cè)量技術(shù)，分為基于RSSI測(cè)量、基于TOA測(cè)量、基于TDOA測(cè)量、基于AOA測(cè)量、基于Cell-ID以及基于BER(Bit Error Rate)測(cè)量的定位；基于傳感器類型，可以分為基于RFID、紅外線、超聲波系統(tǒng)、藍(lán)牙、超寬帶系統(tǒng)、Zigbee、WLAN、GSM和GPS等[14]。

　　同年，F(xiàn). Seco根據(jù)室內(nèi)定位中定位算法，將定位技術(shù)分為四類：基于幾何的方法、基于成本最小化的方法、指紋定位和貝葉斯技術(shù)[15]。

　　2013年，北京郵電大學(xué)的鄧中亮提出按照定位原理可以分為識(shí)別(Identity)、幾何法和指紋定位；按照傳輸信號(hào)不同分為Wi-Fi、Zigbee、RFID、藍(lán)牙、超寬帶、偽衛(wèi)星、蜂窩網(wǎng)絡(luò)和激光等[16]。

　　同時(shí)，按照定位范圍分為廣域室內(nèi)定位和居于室內(nèi)定位[17]。其他常見的定位分類標(biāo)準(zhǔn)還有：基于距離和距離無(wú)關(guān)的定位技術(shù)、遞增式和并發(fā)式的定位技術(shù)、基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和無(wú)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù)以及集中式定位與分布式定位技術(shù)等[13]。