室内定位方法和技术综述

张胜利 焦诚 付永恒

摘要：位置服务是促进经济社会发展的基本要素之一，当前GNSS技术和移动通信技术发展迅速，室外定位在强劲需求牵引下，技术不断丰富完善，方案日益成熟完备，在移动互联时代和物联网时代背景下，室内定位技术及应用需求越来越迫切。本文阐述并梳理了室内定位主要算法原理，介绍了各种室内定位技术，在对主要技术指标进行了比较，展望了技术发展前景和演进趋势，有一定参考提供参考。

关键词：室内定位;方法;技术;综述

中图分类号：TP242    文献标识码：A     文章编号：1007-9416（2018）10-0000-00

1 概述

导航定位是人类生产生活的基本需要，罗盘、指南针等工具的发明促进了经济社会发展。当今最普及的室外定位技术是全球导航卫星系统（GNSS）和移动通信网基站定位。GNSS定位原理：导航卫星在轨连續播发导航电文，用户接收4颗及以上卫星，解算三维位置和时间信息。移动基站定位原理是：测量邻近基站至用户手机的下行导频信号，获取信号到达时间TOA（Time of Arrival）或到达时间差TDOA（Time Difference of Arrival），结合基站坐标解算用户位置。卫星定位覆盖区域广定位精度高，但受到建筑物遮蔽影响时，GNSS信号急剧衰落精度显著降低，满足不了室内定位需要;移动基站室内定位精度偏低也不能满足精度要求。

人类80%的时间生活在室内，物联网时代迫切需要在机场、地下停车场、物流仓储、大型超市等场合，快捷地确定室内人员、终端、重要资产和重点目标等位置信息。因此开发了基于红外线、A-GPS、射频识别（RFID）、蓝牙、超声波、光跟踪、超宽带、无线局域网络、伪卫星、图像分析计算机视觉等技术的多种室内定位方法，目前这些技术都存在一定局限，尚无一种普适性技术满足各种场景下应用。

2 主要的室内定位算法

室内建筑墙体交错、障碍物多样、布局复杂多变，根据应用需要派生出不同的技术路线，涉及多技术多学科交叉融合，但是定位关键还是后台核心算法。

邻近探测法：布设发射节点向外辐射信号，定位时通过搜索信号估算信号源的距离和位置。该方法定位精度不高，参考点密度影响定位精度，优点是易于搭建操作简便成本低，适于精度要求不高的场景。

质心法：布设参考点，定位时根据待测目标探测到的所有参考点，求解其质心坐标则为近似坐标。质心坐标求解过程，就是对各参考点横坐标和纵坐标取平均值，求解速度快。

极点法：只要一个参考点通过测量待测目标与参考点间离和方位，解算位置坐标。使用简单方便，测量精度高，广泛用于大地测量。

多边定位法：通过参考点与待测目标间的距离测量，求解待测目标位置坐标，是使用最广泛的定位算法。有四种测距方法：信号到达时间（TOA，Time of Arrival）、信号到达时间差（TDOA，Time Difference of Arrival）、信号到达角度（AOA，Angle of Arrival）和接收信号强度 （RSSI，Received Signal Strength Indication）。

——TOA 法，通过测量接收信号到达时间值，获取待测节点与各信标节点间距离，以信标节点为圆心、距离值为半径作3个圆，交点就是待测节点位置。TOA法要求各节点间时钟精确同步，否则无法交汇于一点。

——TDOA法，需要至少3个参考节点，通过测量信号到达不同参考节点的时间差，通过交互获得两组时间差，定位归结为求解两组双曲线交点。该方法资源要求低定位精度高。

——AOA法，通过2个以上信标节点，测量待测节点信号到达时的角度，解算位置坐标。AOA法精度随天线角度测定精度变化，增加节点密度可提升精度。

——RSSI法，布设多个接收节点检测信号功率，根据信号传播损耗模型，计算各节点间距离，获得发射节点位置。

场景分析法：也称指纹定位法，预先采集室内各点信号特征参数，建立特征参数指纹数据库，实时匹配接收信号获取待测目标位置。优点是参考点需求少定位精度高;缺点是准备工作量大，需建立参考点并采集指纹数据库。

航位推算法：根据设定的初始参数，如起始坐标、时间、速度等，按时间变化规律估计当前位置坐标。行人航迹推算定位就是通过惯性传感器对行人步数、步幅和方向进行检测。

3主流室内定位技术

室内定位技术是测绘技术和信息技术的深度融合集成与综合运用，多种方法各有优劣，既可独立使用也可组合使用。

3.1 WiFi定位技术

部署WiFi无线热点（AP），AP均含有MAC地址和信号强度信息。MAC地址全球唯一用于确定具体AP;信号强度与AP间距离有函数关系，用于解算待测目标和AP间距离。待测目标扫描AP信号，获取MAC地址和信号强度信息，送到位置服务器采用多边定位或指纹数据库等算法，解算位置并返回待测目标，精度取决于部署AP个数和信号稳定程度。

地磁定位根据室内地磁场分布差异确定室内位置，与WiFi指纹定位类似，不作介绍。

3.2 惯性导航技术

惯性导航是一种自主式导航技术，利用陀螺仪、惯性传感器、加速度传感器等组件，采集载体速度、方向、加速度等数据，经过积分运用航位外推算法获取自身位置。惯导一般安装在待测目标内部，工作时不需外部数据，不向外辐射能量也不易受外部干扰，但启动后精度误差随时间逐渐积累需外界定期校准。

3.3 蓝牙室内定位技术

蓝牙是一种使用2.4～2.485GHz的ISM频段的短距离通信无线技术标准，可低成本实现固定和移动信息设备互联组网。蓝牙与WiFi定位差别不大，用于精度较WiFi略高的小范围定位场景。部署蓝牙局域网接入点，保证局域网蓝牙接入点始终是主设备，网络连接模式配置为基于多用户的基础网络，采用近邻法、多边定位法、信号强度测量等定位算法解算位置。

ZigBee與蓝牙二者定位技术类似，不再作介绍。

3.4 RFID定位技术

RFID（Radio Frequency Identification） 无线射频识别，是一种用于识别特定目标并读写相关数据的非接触无线通信技术。由RFID标签和阅读器构成，通过在定位区域设置若干固定RFID阅读器，待测目标上安置RFID标签，RFID标签存储如身份ID、接收信号强度等特征参数。阅读器读取RFID标签的信息，采用相关算法确定标签所在位置坐标。

RFID定位技术虽然作用范围较小仅几十米，但具有电磁场非视距传输优点使用成本低，能在几毫秒内获得厘米级精度的定位信息。紧急救援、资产管理、人员追踪等领域大量应用RFID定位技术。

3.5 红外线室内定位方法

红外线是波长1mm到760nm之间的电磁波，具有反射、散射、折射等特性。高于绝对零度（-273.15摄氏度）的物质都向外辐射红外线。

一种方法是部署多个固定节点安装接收器，在待测目标上安装发射器发射调制的红外线，采用相关算法确定位置。优点是定位精确反应灵敏，缺陷是红外线仅适于视距传播、无法穿透障碍物作用距离短，且易受到荧光灯等光线干扰难以精确定位。

另外一种方法是部署多对红外线发收器，利用红外线编织成网覆盖待测空间，直接对空间内运动目标进行定位。优势是待测目标不必携带任何定位标签隐蔽性强，常用于较高等级的安防领域。劣势是需布设大量红外收发器成本偏高。

3.6 超声波定位技术

超声波穿透力强，方向性好，是频率高于20KHz的声波。超声波定位系统由若干应答器和一个主测距器组成，采用反射式测距方式，待测目标安装主测距器发送同频信号，室内固定位置安装多应答器接收超声波后将信号反射回主测距器，通过解算获得相互间距离，采用多边定位等相关算法求解待测目标坐标。

超声波定位精度高达厘米级而且结构简单;缺点是大量的底层硬件设施投资成本较高，非视距传播和多径效应影响定位精度。

3.7 超宽带（UWB）定位技术

超宽带（UWB）是一种穿透能力较强的无载波窄脉冲无线技术，传输速率达1Gbps，发射功率较低。工作原理是定位区域布设四个以上坐标已知的定位基站，在待测目标上安放UWB定位标签，标签按一定频率发射脉冲与定位基站间通信，使用TDOA到达时间差等方法获取相互间距离，采用多边定位或者指纹定位方法确定位置。

超宽带系统穿透力强、定位精度高、抗多径效应好、功耗低、系统复杂度低，适于室内动态和静止物体以及人员定位跟踪与导航，具有广阔应用前景。缺点是UWB建设成本高难以大范围室内覆盖。

3.8 LED可见光定位技术

LED可见光定位技术高效节能不易受到电磁干扰，兼具照明和定位两种功能。是在室内布设带有位置信息的LED阵列发送信号，待测目标携带光探测器接收信号，解调实现距离测量，采用相应算法确定待测目标的位置坐标，还可利用接收灯光到达角度进一步修正定位结果。高通公司据此方法达到厘米级精度。

3.9 各种室内定位技术比较

各种室内定位技术的不同参数指标对比如表1所示。

4 结语

综上可知，室内定位应用环境复杂需求多样，研究人员针对各种室内应用场景，开发了适应不同需求的定位方法和技术，定位精度、稳健性等指标不断提高，但是室内定位技术种类偏多，尚未形成普适性的解决方案，一定程度阻碍了行业发展。

当前室内定位技术研究，呈现出GPS位置信息、惯导信息、移动基站定位信息和其它信息深度融合，多种方法优势互补、多学科相互交叉、多源信号处理、多元信息融合发展的趋势，各类技术相互汲取优势弥补不足，不断迭代演进是基本发展途径，随着的物联网、无线通信等技术的发展和普及，更加完备优化的室内定位方法和技术将不断涌现，室内定位应用将迎来新的发展机遇，在经济社会发展中发挥重要作用。

参考文献

[1]万群，郭贤生，陈章鑫.室内定位理论、方法和应用[M].电子工业出版社，2012.

[2]杨恒，魏丫丫，李彬，郭丹.定位技术[M].电子工业出版社，2013.

[3]徐小龙.物联网室内定位技术[M].电子工业出版社，2017.

Overview of Indoor Positioning Methods and Techniques

ZHANG Sheng-li，JIAO Cheng，FU Yong-heng

（Beijing Satellite Navigation Center，Beijing  100094）

Abstract： Location service is one of the basic elements to promote economic and social development. Currently， GNSS technology and mobile communication technology are developing rapidly. Outdoor positioning is under the traction of strong demand. The technology is continuously enriched and perfected， and the program is increasingly mature and complete. In the era of mobile internet and the Internet of Things Under the background of the times， indoor positioning technology and application requirements are becoming more and more urgent. This paper expounds and sorts out the main algorithm principle of indoor positioning， introduces various indoor positioning technologies， compares the main technical indicators， and forecasts the development prospects and evolution trends of the technology.

Keywords： indoor positioning; method; technology; review