物联网定位技术超全解析！定位正在从室外走向室内

贾静静

摘 要：随着社会的进步和科技的发展，定位技术在技术手段、定位精度、可用性等方面均取得了质的飞越，并且逐步从航海、航天、航空、测绘、军事、自然灾害预防等领域渗透到社会生活的方方面面，成为人们日常生活中不可或缺的重要应用——如人员搜寻、位置查找、交通管理、车辆导航与路线规划等。

关键词：物联网；定位技术

早在15世纪，当人类开始探索海洋时，定位技术也随之而生。当时的定位方法十分粗糙，仅仅运用航海图和星象图确定自身位置。

随着社会的进步和科技的发展，定位技术在技术手段、定位精度、可用性等方面均取得了质的飞越，并且逐步从航海、航天、航空、测绘、军事、自然灾害预防等领域渗透到社会生活的方方面面，成为人们日常生活中不可或缺的重要应用——如人员搜寻、位置查找、交通管理、车辆导航与路线规划等。

总體来说，定位可以按照使用场景的不同划分为室内定位和室外定位两大类，因为场景不同，需求亦不同，所以采用的定位技术也不尽相同。

目前，应用于室外定位的主流技术主要包括卫星定位和基站定位两种。

1 卫星定位

卫星定位即通过接收卫星提供的经纬度坐标信号来进行定位，卫星定位系统主要包括美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）、欧洲伽利略（GALILEO）系统、中国北斗卫星导航系统，其中GPS是现阶段应用最为广泛、技术最为成熟的卫星定位技术。

GPS全球卫星定位系统由空间部分、地面控制部分、用户设备部分组成。

空间部分由24 颗工作卫星组成，它们均匀分布在6 个轨道面上（每个轨道面4 颗），卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象。

控制部分主要由监测站、主控站、备用主控站、信息注入站构成，主要负责GPS卫星阵的管理控制。

用户设备部分主要为GPS接收机，其主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得定位信息和观测量，经数据处理实现定位。

GPS定位即通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并非用户与卫星之间的真实距离，而是伪距）。

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，由于用户接收机使用的时钟与卫星星载时钟并非时刻同步，因此，除用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个变量t，即将卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程对这4个未知数求解。若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。

卫星定位虽然精度高、覆盖广，但其成本昂贵、功耗大，并不适合于所有用户。GPS定位原理如图1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（Location Based Service，LBS），可通过电信移动运营商的网络（如GSM网）获取移动终端用户的位置信息。

手机等移动设备在插入SIM卡开机后，会主动搜索周围的基站信息，并与基站建立联系。在可以搜索到信号的区域，手机可搜索到不止一个基站，但远近程度不同，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。其余基站并非无用基站，当使用者位置发生移动时，不同基站的信号强度亦会发生变化。如果基站A的信号不如基站B强度高，那么手机为了防止突然间中断链接，会先和基站B通信，协调好通信方式后便会从A切换到B。而这也解释了为什么待机一天，在火车上比在家里耗电多的原因。

基站定位的原理很简单，距离基站越远，信号越差，根据手机接收的信号强度可以大致估计距离基站的远近，当手机同时搜索到至少三个基站的信号时，大致可以估计出距离基站的远近；基站在移动网络中是唯一确定的，其地理位置也是唯一的，因此可以得到三个基站（三个点）与手机的距离，而根据三点定位原理，以基站为圆心，距离为半径，多次画圆得到的圆的交点就是手机的位置。基站“三点定位”原理如图2所示。

由于基站定位时，信号很容易受到干扰，且精度误差约为150 m，故无法为开车导航。该方法的定位条件是处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）且必须收到3个基站的信号（无论是否在室内）。但定位速度快，一旦有信号就可以定位，目前主要用途是在没有GPS与WiFi的情况下快速大致了解自身的位置。两种室外定位技术对比见表1所列。

GPS和基站定位技术基本满足了用户在室外场景中对位置服务的需求。然而，人的一生当中有80%的时间是在室内度过的，个人用户、服务机器人、新型物联网设备等大量的定位需求也发生在室内；而室内场景受到建筑物的遮挡，GNSS信号快速衰减，甚至完全拒止，无法满足室内场景中导航定位的需要。

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应用和商业潜能。许多公司包括OS提供商、服务提供商及设备和芯片提供商都在竞争这个市场。

3 室内定位应用

室内定位即通过技术手段获知人们在室内所处的实时位置或者行动轨迹。基于这些信息能够实现多种应用。

大型商场中的商户能够通过室内定位技术获知哪些地方人流量最大，客人们通常会选择哪些行动路线等，从而更科学地布置柜台或者选择举办促销活动的地点。

客人也可以利用室内定位技术更方便地找到所需购买物品的摆放区域，并获得前往该处的最佳路线。

家长不用再担心孩子在商场中走失，通过室内定位技术可以实时定位孩子的位置。

公司的管理者则可以运用室内定位技术实时获知室内的人员状况，从而更好地优化空调的使用等，达到节能减排的目的，还能够有效提高安全保卫水平。

通过部署室内定位技术，电信运营商能够更好地找到室内覆盖的“盲点”和“热点”区域，更好地为用户提供室内通信服务。

4 室内定位面临的挑战

与室外定位相比，室内定位面临很多独特的挑战，比如室内的环境动态性很强且种类多样，不同的大厦会有不同的室内布局；室内的环境更加精细。因此需要更高的精度来分辨不同的特征。

室内定位解决方案主要包括精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性和响应时间等要素。

精度：不同应用对精度的要求差别很大，比如在超市或仓库，寻找一个特定商品可能需要1 m甚至更低的精度，而如果在购物中心寻找一个特定的品牌或餐馆，5～10 m的精度就能满足要求。

覆盖范围：覆盖范围主要是指一种技术或解决方案可以在多大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。

可靠性：一方面，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。如一些大型会议，参展商会架设自己的WiFi热点，但这些设施会动态变换位置，甚至时开时关。

成本和复杂度：成本和复杂度指标涵盖两个方面，一是定位终端的成本，是否可用终端已有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的设施和采集相关数据库。

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而言，如果功耗大对设备电量消耗过大，就会在很大程度上限制用户的使用。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。因此，若要实现随时随地的位置感知，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覆盖范围使用的能力，以及方便地移植到不同环境和应用的能力。

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，如移动用户和导航应用需要快速的位置更新。

5 蓬勃发展的室内定位技术

室内定位技术分支多样，图3所示为各种室内定位方案的对比。

目前室内定位常用的定位方法从原理上主要分为邻近探测法、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。不同算法的描述与特点见表2所列。

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出算法所需信息。主要观测量的简要介绍见表3所列。

5.1 WiFi定位技术

目前WiFi是相对成熟且应用较多的技术，这几年有不少公司投入到了该领域。WiFi室内定位技术主要有两种。

WiFi定位一般采用“近邻法”判断，即最靠近哪个热点或基站，即认为处在什么位置。若附近有多个信源，则可通过交叉定位（三角定位）提高定位精度。

由于WiFi已普及，因此无需铺设专门的设备用于定位。用户在使用智能手机时开启WiFi、移动蜂窝网络就可能成为数据源。该技术具有便于扩展、可自动更新数据、成本低等优势，因此最先实现了规模化。

但WiFi热点受周围环境的影响较大，精度较低。为了提高定位精度，部分公司做了WiFi指纹采集，事先记录巨量确定位置点的信号强度，通过对比新加入的设备信号强度与拥有巨量数据的数据库来确定位置。由于采集工作需要耗费大量人力，且要定期进行维护，导致技术难以扩展。

WiFi定位可以实现复杂的大范围定位，但精度仅约2 m，无法精准定位。因此该方法适用于对人或车的定位导航，或医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。

5.2 FRID定位

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。

这种技术虽然作用距离短（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，且传输范围大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，有望成为优选的室内定位技术。

目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。其虽具有标识的体积较小、造价較低等优点，但由于作用距离近，不具有通信能力，且不便于整合到其他系统中，无法做到精准定位，且布设读卡器和天线难度大、成本高。

5.3 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。红外定位主要包括两种具体实现方法。一种是为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，但由于红外很容易被障碍物遮挡，传输距离不长，因此需要大量部署传感器，导致硬件和施工成本较高。此外，红外易受热源、灯光等干扰，导致定位精度和准确度下降。该技术目前主要用于军事方面，可对飞行器、坦克、导弹等红外辐射源进行被动定位，也可用于室内自走机器人的位置定位。另一种红外定位方法是红外织网，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定位对象无需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，成本较高，因此只有高等级的安防才会采用此技术。

5.4 超声波技术

超声波定位目前大多采用反射式测距法。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，各电子标签放置于室内空间的固定位置。

定位过程：先由上位机发送同频率的信号给各电子标签，待电子标签接收后反射传输给主测距器，从而确定各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主要有两种。一种是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，因此，可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方法，在移动机器人身上的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，可从总体上把握数据，抗干扰性强，精度高，同时还可用于解决机器人迷路问题。

超声波定位精度可达厘米级，精度较高。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。

5.5 蓝牙技术

蓝牙定位基于信号场强指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）定位原理，根据定位端的不同，其定位方式分为网络侧定位和终端侧定位两种。

网络侧定位系统由终端（手机等带低功耗蓝牙的终端）、蓝牙beacon节点，蓝牙网关，无线局域网及后端数据服务器构成。其具体定位过程如下：

（1）首先在区域内铺设beacon和蓝牙网关；

（2）当终端进入beacon信号覆盖范围后，终端就能感应到beacon的广播信号，在某beacon下的RSSI值通过蓝牙网关经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。其具体定位原理如下：

（1）首先在区域内铺设蓝牙信标；

（2）beacon不断向周围广播信号和数据包；

（3）当终端设备进入beacon信号覆盖范围后，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。蓝牙定位的优势在于实现简单，定位精度与蓝牙信标的铺设密度及发射功率有密切关系。可通过深度睡眠、免连接、协议简单等方式达到省电的目的。

5.6 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、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息，基于航位推测法，经过各种运算得到物体的位置信息。随着行走时间的增加，惯性导航定位的误差也在不断累积，需要外界更高精度的数据源对其进行校准。所以现在惯性导航一般和WiFi指纹结合在一起， 每过一段时间通过WiFi请求室内位置，以此来对MEMS产生的误差进行修正。目前该技术的商用比较成熟，已在扫地机器人中得到应用。

5.7 超宽带定位技术

超宽带（UWB）技术是近年来新兴的一项全新的与传统通信技术有极大差异的无线通信新技术。无需使用传统通信体制中的载波，只通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1～10.6 GHz量级带宽。目前，包括美国、日本、加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的前景。

UWB技术是一种传输速率高、发射功率较低、穿透能力较强且基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使得它在室内定位中能够得到较为精确的结果。

超宽带定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通信，并利用三角定位或“指纹”定位方式来确定位置。

超宽带可用于室内精确定位，如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航。根据不同公司使用的技术手段或算法不同，精度可保持在0.1～0.5 m范围内。

5.8 LED可见光技术

可见光是一个新兴领域，通过对每个LED灯进行编码，将ID调制在灯光上，灯会不断发射自己的ID，可通过手机前置摄像头来识别这些编码。利用所获取的识别信息在地图数据库中确定对应的位置信息，完成定位。

根据灯光到达的角度进一步细化定位结果，目前高通公司已达到了厘米级定位精度。由于无需额外部署基础设施，终端数量的扩大对性能没有任何影响，可达到非常高的精度，该技术被高通公司看好。

目前，北美有很多商场已开始使用可见光技术。用户下载应用，到达商场里某一个货架后，可通过检测货架周围的灯光知晓具体位置，商家通过此种方法向消费者推送商品折扣等信息。

5.9 地磁定位技术

地球可视为一个磁偶极，其中一极位于地理北极附近，另一极位于地理南极附近。地磁场包括基本磁场和变化磁场两部分。基本磁场是地磁场的主要部分，起源于地球内部，比较稳定，属于静磁场。变化磁场包括地磁场的各种短期变化，主要起源于地球内部，相对比较微弱。

现代建筑的钢筋混凝土结构会在局部范围内对地磁产生干扰，指南针也可能因此受到影响。原则上说，非均匀的磁场环境会因其路径不同而产生不同的磁场观测结果。这种被称为IndoorAtlas的定位技术，正是利用了地磁在室内的此种变化进行室内导航，且导航精度已达到0.1～2 m。

但使用地磁定位技术进行导航稍顯麻烦，需要先将室内楼层平面图上传到IndoorAtlas 提供的地图云中，然后使用其移动客户端实地记录目标地点不同方位的地磁场。只有将记录的地磁数据经客户端上传至云端，其他人才能够利用已记录的地磁进行精确的室内导航。

百度于2014年战略投资了地磁定位技术开发商IndoorAtlas，并于2015年6月宣布在自己的地图应用中使用其地磁定位技术，将该技术与WiFi热点地图、惯性导航技术联合使用。在宣传商业应用中，可达到米级定位标准，但磁信号容易受环境中不断变化的电、磁信号源干扰，定位结果不稳定，影响精度。

5.10 视觉定位

视觉定位系统可以分为两类：一类是通过移动的传感器（如摄像头）采集图像确定该传感器的位置；另一类是固定位置的传感器确定图像中待测目标的位置。根据所选参考点的不同又可分为参考三维建筑模型、图像、预部署目标、投影目标、参考其他传感器和无参考等。

参考3D建筑模型和图像分别是将已有建筑结构数据库和预先标定的图像进行比对。而为了提高鲁棒性，参考预部署目标使用布置好的特定图像标志（如二维码）作为参考点；投影目标则在参考预部署目标的基础上在室内环境投影参考点。参考其他传感器则可融合其他传感器数据以提高精度、覆盖范围或鲁棒性。

除了以上提及的，目前定位技术的种类多达几十甚至上百种，而每种定位技术都有自己的优缺点和适合的应用场景，没有绝对的胜负之分。根据不用的需求因地制宜地部署解决方案方为上策。