室内外无缝定位方案研究

李冀 肖岩 马琳琳 袁子伦 许连杰

摘   要：随着无线通信技术、卫星导航技术的发展，基于位置的服务已成为现代社会生活、生产的重要组成部分。文章首先介绍了室内外无缝定位技术的应用背景、发展方向以及面临的主要难点。其次，介绍了目前主要的无缝切换准则，以及各种准则衍生出的各种切换方案。最后，指出了室内外无缝定位技术亟待解决的问题，以及下一步相关研究的突破口。

关键词：无线通信技术;卫星导航技术;室内外无缝定位;切换准则;切换方案

当前的四大卫星导航系统已可以满足室外环境定位需求，并日渐成熟。然而，在超市、医院、图书馆、火车站、地下停车场、机场大厅、地下室等室内环境或高大建筑密集的街区，卫星信号严重衰减，即卫星导航系统欠缺室内定位能力，不能满足公共需求，存在“最后一公里”瓶颈[1]。因此，需要一种室内外无缝定位方案来满足大众需求。当前的方案主要是融合两种或两种以上的定位方法，以保证用户在任意地点都能接收到定位信号，同时，在任意场景下可以实现定位方法间的无缝连接和平滑过渡，最终实现高可用、高精度的室内外无缝定位。

1    应用前景

室内外无缝定位技术，是卫星导航、室内定位（Indoor Positioning System，IPS）和基于移动位置服务（Location Based Service，LBS）等领域的交叉融合与创新，随着移动互联网的普及、物联网应用的兴起，已经逐渐成为市场的刚需，应用场景非常广阔，市场空间将达到数百亿美元。

1.1  军用物资定位监控

针对兵器库、军用设施、军事机密文件的精准调度，采用室内外融合定位技術，可以对军品的进库、包装、运输、仓储、移动进行全天候、全方位精准定位和实时监控，从而建立起强大的信息库和轨迹链，随时知晓物品的所在位置，促进作战管理、分析水准的提升和军品精准调度。

1.2  安保反恐

针对目前机场、火车站的恐怖袭击事件，建立一个覆盖室内外的精准定位系统进行全方位、实时、动态定位监控，还可以和视频联动，将旅客、行李、车辆、环境、安检人员等要素全部纳入系统进行统一管理和分析，提供实时的数据和预警，实现安保人员定位、可疑行李跟踪、视频监控联动、自动警戒报警、车辆精准调度，以最快的速度发现或处理可疑目标，保证乘客安全。

1.3  智能工厂管理

智能工厂管理要求对物料、生产、检测、装配、运输、仓储、发运等环节实现智能化控制。如智能化的动车检修基地物流调度通常要求完成各机车各部分的解体、检修、装配自动化，生产线间及自动化立体仓库中物料的输送、分类、发运、出入库等工作，实现物料的自动输送、检测、监测、合流、分流、翻转、旋转、升降等功能，同时，对基地内的运输车和叉车实现精准定位（亚米级精度）、动态路径规划、自主导航，形成闭环的厂区智能化物流系统。

2    无缝定位的难点

室内外无缝定位技术由于其环境的特殊性，存在以下技术难点：（1）难以靠单一的定位技术实现无缝定位，因为各种定位信号特点不同，无法同时覆盖不同定位场景。（2）在不同的区域覆盖不同的信号，是否应该采用不同方式进行连接定位，比如需要解决室内外连接区域的无缝连接问题。（3）定位信号在非视距（Non-Line of Sight，NLOS）的情况下传播受限，如何针对这种情况设计运动模型，或是进行误差纠正。（4）不同定位技术联合定位时，时间和地图坐标系的转换及统一问题。

3    室内外无缝定位方案

室内外无缝定位根据卫星信号、无线定位信号的覆盖情况可以分为：室外区域、室内定位区域以及室内外交界区域。室外区域采用卫星定位技术;室内区域采用无线定位技术，例如WiFi、蓝牙、超宽带等[2]，可以根据具体的定位要求选择不同的定位技术;室内外交界区域则是室内外无缝定位需要解决的关键区域。根据在室内外交界区域处理方法的不同，室内外无缝定位方案可以分为两类：（1）切换，根据切换条件切换为室内定位或者室外定位，只输出一个子系统的解算结果。（2）融合：当存在两个子系统同时工作时，不去判断室内还是室外，而是通过融合算法将两个子系统的结果进行融合，作为一个综合结果输出。

3.1  室内外无缝定位之切换

基于切换的室内外无缝定位方案的关键是如何正确区分定位对象所处的区域是室内还是室外，尤其是在室内外交界区域实现低延时、高准确度的切换。定位切换是定位过程中定位模式随着定位对象的移动、卫星数据或无线接入点的改变而不断重新选择的过程，在很大程度上影响定位精度和定位结果的可用性。切换次数少、切换时延低、切换频率小是实际应用中切换策略的一个基本原则。在组合定位系统中，可采用最小负荷、最大可用性、最大定位精度作为主要的切换准则。

在切换方案中，反复切换（即乒乓效应）会造成运算量的浪费，降低用户体验，尤其是当定位场景变化，需要地图变化时，乒乓效应可能会造成地图的反复变换，严重影响用户的正常使用。在算法中引入一个驻留时间计数器，切换触发时开始计数，触发条件持续满足则执行切换。

切换过程包括3个步骤：切换触发、切换判决、切换执行。对切换过程进行简述：假设定位对象由室外区域向室内区域移动，当到达边界区域（外）时，即满足设定的触发条件，触发切换计数器开始计数，触发条件持续满足时，进行切换判决，当满足计数阈值且触发边界区域（内）时，则执行切换，由室外切换到室外，若满足计数阈值但未触发边界区域（内），则判决超时，重新进行区域判决。由室内到室外移动时，切换方案类似，不再叙述。若由室内外交界区域开始移动则可省略切换触发，直接使用切换计数器技术，然后判断是在触发边界区域（外）还是边界区域（内）进行定位切换。

基于切换的室内外无缝定位方案中常用的切换参数包括：光照强度、地磁、信号强度、距离、卫星数量及水平精度因子（Horizontal Dilution of Precision，HDOP）值等。

（1）光照强度：利用光敏传感器获得当前时刻的光照强度，室内光强明显低于室外光强。一般来说，室外环境的光照强度超过2 000 lux，室内光强一般不超过300 lux，大量的实验表明可以选择500 lux作为划分室内、室外环境的阈值。限制：光敏传感器不能被遮盖。

（2）地磁：利用地磁传感器获得当前位置的地磁信息，室内磁场变化较大，比室外磁场变化剧烈。缺点：容易受影响。

（3）信号强度：由于无线信号传输的特点为信号强度随着距离的增大而衰减，由此可将信号强度衰减转化为信号传播距离。通过距离推断当前位置和室内外交界区域的关系。缺点：受环境影响大，不稳定。

（4）卫星数量及HDOP值：通过卫星数量和HDOP值来判断全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）[3]信號是否可用。具体判断方法：①GNSS接收信号是否有效。②卫星数量及HDOP是否满足条件：卫星数量≥4，HDOP<3。缺点：搜星存在延时。

3.2  室内外无缝定位之融合

在室内外交界区域，同时存在两种定位数据，两种数据的精度由于受到环境影响，定位精度都有所降低，而融合滤波器可以很好地处理多种数据都存在的情况，通过两种数据的相互补充，能提高总体的定位精度。

对于室内外无缝定位系统而言，室外使用卫星定位方法，室内使用无线定位方法（如蓝牙、超宽带等）。但在室内外交界的复杂环境下，无线信号会由于非视距误差导致定位精度下降，故利用Kalman滤波器来消除NLOS误差，并使用粒子滤波器对室外定位数据和室内定位数据进行融合，提高室内外交界区域的定位精度。数据融合层处理不同数据的融合，滤波器算法在此层实现，同时，由于不同的定位子系统有各自的坐标系，因此，在此层还需要进行坐标系的转换。

3.3  室内外无缝定位方案存在的问题

单一的定位技术很难覆盖室内外无缝空间，也不能保证定位的连续性和准确性，为了解决室内外无缝定位，提出了组合定位技术。在现有的无缝定位研究方面，目前还没有较好的解决方案。有些仅是沿用组合定位技术，将多种技术简单联立。因此，目前无缝定位仍有很多亟待解决和改进的问题，通过对无缝定位技术的研究，保持并提髙组合定位的精度，提高用户的使用观感非常重要。

4    结语

室内外无缝定位技术是在室内定位技术基础上发展起来的，是一个新兴且较为宽泛的课题。在室外，GNSS已经基本满足人们对位置服务的需求，室内定位技术的应用也日益广泛，将两种系统的优缺点互补，从而促进室内外无缝定位的研究与发展。下一步的研究工作可以从以下几个方面进行。（1）当前的切换算法考虑的因素不多，切换次数虽然得到了降低，但仍有改进空间，需要深入学习、研究通信领域的垂直切换算法，应用到无缝定位的场景中。（2）增加融合信息，把各种定位技术融合到一个系统已经成为一种趋势，充分利用各种定位技术的优点，能提高室内外无缝定位结果的可靠性和稳定性，为公众提供更好的位置服务。

[参考文献]

[1]孙子砚.大型场馆室内外无缝定位技术研究[D].北京：北京邮电大学，2012.

[2]刘振耀.基于UWB/GNSS/MIMU的室内外无缝定位技术研究[D].郑州：解放军信息工程大学，2017.

[3]蔡劲，蔡成林.GNSS/地磁组合的室内外无缝定位平滑过渡方法[J].测绘通报，2018（3），30-34.