浅谈室内精确定位系统

天地（常州）自动化股份有限公司 徐宝平 徐寿泉

浅谈室内精确定位系统

天地（常州）自动化股份有限公司 徐宝平 徐寿泉

本文在对室内精确定位市场需求进行分析的基础上，进一步讨论各种无线测距模式的优缺点并提出对室内精确定位新技术的展望。

无线定位；精确测距；超宽带

0 引言

随着社会不断的发展，大型建筑、大型商场的普及，怎样能在如此大的建筑定位自己的精确物理位置成了一个迫切需要解决难题。当你开车到一个大型停车场，怎样能找到空的停车位，GPS导航系统只能帮你导航导入口处，室内的导航技术还只是停留在研发或者实验中。当你处在一个大型航站楼里，迫切寻找着即将要检票的登机口的时候，除了询问工作人员或者查看难以识别的机场平面图以为，暂时还没有一款便携式精确定位导航设备能引导你迅速到达登机口。

基于如此庞大的市场需求，室内精确定位技术的研发已经在全球范围内铺开了。本文就对各种实现室内精确定位系统的技术进行简单的对比分析。

1 室内定位系统

定位的核心技术其实是测距。在给定空间中已知三点的坐标，通过测量一个未知点到三点的距离，通过计算就能得知该未知点的坐标。这通常叫做三边测量定位算法（Silent River）。 由于实际情况中存在着各种各样的干扰因素，导致测量到的三个距离并不是非常精确的实际距离，这就产生了定位精度问题。

室内定位技术不管是基于超声波、Wi-Fi还是UWB的，发展了这么多年都有一定的研究成果。室内测距最大的问题在于距离太短，基于电波传播的测距时间太短难以捕捉以及人体遮挡、室内复杂的环境反射信号和干扰信号等问题。

如何解决上述的问题成了室内定位技术发展的迫切需求。

2 相关无线测距系统对比

下面就对当前比较流行的室内精确定位技术综合比较。

2.1 超声波技术

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度大概为340m/s（需要根据环境温度进行补偿），根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2。这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距定位系统由若干个应答器和一个发射器组成，发射器固定在被测物体上，由发射器内部芯片控制发射器的发射频率及发射角度，空间中固定位置的应答器收到想通频率的超声波信号后立即回复一个超声波信号，这样就得到了两者之间的距离。通过3个不同位置的应答器就可以综合计算出被测物体在空间中的位置。

超声波定位系统的优点是定位精度高，结构较简单，缺点是超声波的多径效应及波长过长容易发生衍射、超声波测距的量程较近，需要大量的投资，成本过高。

2.2 蓝牙技术

蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这项技术的代表是iBeacon技术，iBeacon技术是苹果公司开发出来通过低功耗蓝牙技术实现短距离定位的技术。这套系统采用蓝牙4.0低功耗技术，拥有惊人的待机时长。

基于蓝牙技术的室内定位优点在于设备体积小，功耗低，建立连接时间短，可以应用于小范围的定位，易于集成在手机、笔记本以及pad中，只要设备的蓝牙功能开启就能进行定位。缺点是蓝牙系统稳定性较差，受噪声的干扰比较大。

2.3 射频标签技术

RFID是射频标签的缩写，是一种无线通信技术，通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。由于RFID的发射功率限制，测距的最长距离只有50m左右，射频识别研究的瓶颈在于建立测距模型、保护用户的隐私安全等问题。

射频标签技术的优点是非接触式操作，应用方便，体积较小，价格低，环境要求不高，缺点是作用距离近，无法进行实时定位且定位精度较低。

2.4 无线局域网技术

基于Wi-Fi技术的室内定位主要依据RSSI强度信息来判断用户位置。在已知空间中确定各个AP位置的前提下，用信号衰减模型计算装有信号强度测量的移动设备与各个已知AP的距离，用三边测量定位算法就能确定移动设备的大致位置。

由于Wi-Fi的普及这种技术变得流行，在不增加额外的成本下，这套定位方案能在现有的平台下实现定位功能。Wi-Fi定位可以达到米级定位精度（1-10米），传统的Wi-Fi定位产品主要应用在专业行业领域（矿井、监狱、医院、石油石化等）。新型的Wi-Fi定位技术已经逐步向消费行业转移，百度、高德等公司已经在研发Wi-Fi室内定位产品。

Wi-Fi方法的优势在于无线网络的覆盖范围大，易于安装，成本低，但仅能用于事先熟悉Wi-Fi环境的建筑或场地内，且精度不高。

2.5 ZigBee技术

随着物联网的兴起和无线传感网络技术的发展，ZigBee技术作为一种新兴的低功耗、低成本、低速率、短距离的无线传感器网络而出现了。它是基于IEEE0.15.4标准开发的无线协议。在这个标准下，数百个ZigBee传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器有着极低的功耗，通过级联的方式将信号从接收器一步一步的转发到控制器上并进行运算控制。ZigBee技术的优点是低功耗和低成本且信号传输不受视距的影响。缺点在于精度不高，产品不够成熟。

2.6 超宽带无线电技术

UWB（超宽带技术）是一种新型的、与传统通信技术有完全不同的新技术，补了高精度定位领域的空白。UWB最初用于军事用途，2002年才发布商用化规范。UWB主要采用极短脉冲信号传送数据，传输速率高（最高可达1000Mbps以上），能保证高速通信的同时，发射功率却极小，且无载波要求。目前UWB室内定位最出名的公司是Ubisense，做精确实时定位产品业务和位置查询业务，已在物流、体育、医疗保健、人员监控等领域有所应用。

超宽带系统优点有功耗低、抗多径效果好、安全性高、能提供精确定位精度等优点。因此，WUWB可以用于室内及室外恶劣环境下的物体及人员的定位跟踪与导航，而且能提供十分精确的定位精度。缺点在于成本过高，技术比较复杂。

3 结语

本文从室内精确定位的需求出发，引出了几种现行室内精确定位的技术方案，对它们进行基本的理论分析介绍，并分别从它们的相关特征，优缺点等具体的介绍，让我们对室内精确定位有了进一步的理解。

［1］侯玉华.PHS和WLAN共用室内覆盖系统实现室内覆盖［J］.中兴通讯技术， 2008，7（1）.

［2］孙利民，李建中，陈渝，等.无线传感器网络［M］.北京：清华大学出版社， 2005.

徐宝平（1988—），男，江苏扬州人，助理工程师，主要从事煤矿通信技术的研究工作。