常用室内定位方法与技术概述

桑媛

摘 要： 随着信息技术、无线通信技术与物联网技术的日趋成熟，移动设备的室内感知与定位需求也越来越高。为了实现移动设备的室内定位，多种室内定位方法被提出。基于此，本文简要介绍了较为常用的几种室内定位算法，并分析其适用特点与使用环境。

关键词：物联网 室内定位 RSSI TOA RFID

中图分类号：TN929.5  文献标识码：A    文章编号：1003-9082（2020）09-00-01

一、室内定位概述

随着无线通信技术的迅速发展，人们对基于位置信息的服务的需求日益增多，尤其是室内定位服务。当前，常用的GNSS定位只用于户外场景的定位和导航，在室内环境中，由于卫星信号无法穿透建筑物，GNSS难以发挥正常的功效，并且室内环境和户外相比更加复杂，在室内传播时，无线信号可能会产生多径、折射、衍射效应等现象，不利于终端设备对信号的判断。因此，需要室内定位相关的技术进行研究。

室内定位技术的应用场景十分广阔，例如，在大型超市，利用室内定位技术可以提供超市内部的导航，以及基于顾客位置的商品信息的推送服务;在机场、火车站，根据旅客的位置提供导航与查找服务;在地下停车场，利用室内定位技术能够获取到车辆停放的位置和停车场的方位信息等。

在室内定位研究中，如何解决无线电波的各种传播效应，获取目的节点与锚节点之间的距离，同时控制整个定位成本，减少大空间中锚节点数量，使方案切实可行便于实施，是现在室内定位研究进行产业化部署的重点。

二、室内定位算法概述

目前室内定位的实现算法主要依靠信号的传播特性进行定位。

1.基于RSSI的室内定位算法

无线信号在传播的过程中，其强度（RSSI）会随着距离的增加而减少。而RSSI的具体数值可以在接收机端被检测到，若将RSSI数值进行提取，并换算成距离值，即可获得两个无线通信节点之间的距离。

由于RSSI获取简单，成本可控，上述定位方法被广泛研究应用。典型的应用场景为：空间中存在3个已知节点（通常称为锚节点）和1个未知节点（即被定位节点），未知节点定时发送无线定位数据包，锚节点检测到未知节点的接收信号后，根据RSSI的值换算出未知节点与该锚节点的距离。最后结合未知节点与3个锚节点的距离，以获取未知节点在空间中的坐标 。

这种方法被广泛应用于多种通信协议中，包括WLAN协议、ZigBee协议等。符合ZigBee协议标准的芯片CC2431中还集成了一个RSSI定位引擎。然而，基于RSSI的定位算法也存在一定的缺陷：首先，RSSI值随着距离的增加衰减很慢，因此当两个节点之间距离较远的时候，其定位精度很低;其次，由于无线信号的衰减与温度、湿度、信号多径、室内场景等均存在很大的关联，因此RSSI的值受外界环境影响很大。

2.基于TOA/TDOA的室内定位算法

基于TOA的三维定位方法是，通过测量收、发天线间信号的传播时间，在已知信号的传播速度后即可得出距离，进而实现对目标的定位。在室内环境中，通常由于存在NLOS以及多径效应等问题，造成TOA的测量值与真实值之间存在较大偏差，因此为取得较好的定位效果，需要尽量消除NLOS和多径效应对测距产生的影响。

在实际环境中，测量得到的时间信号传播时间一般含有误差，因为存在噪声、时间同步、硬件设备精度的影响，所以定位方程组一般没有唯一解，而是存在无解、多解的情况。在无解的情况下，可以将已有的定位场景地图结合待定位节点的历史信息进行拟合。由于目前的硬件设施精度均比较高，一般很少存在无解的情况，室内定位的精度更大程度上取决于定位方程在多解情况下的处理。建立起一套适用的三维定位算法，对解决定位方程组的多解情况十分必要。

基于TDOA的三维定位与基于TDOA的定位算法有一定的相似之处，一般是根据两种不同传播速度的信号及信号的到达时间差计算节点间的距离，再利用已有的三维算法实现对目标的定位。此类系统适用于室内环境下的高精度目标定位。

基于TDOA的三维定位，利用了在双曲线上的点到两个焦点的距离之差为定值的特性。其定位过程一般有如下三步：第一，测出两个接收天线的信号到达时间差;第二，将时间差转化为距离，代入双曲线方程，并联立双曲线方程组;第三，利用已有算法求解联立方程组的解，完成定位。

3.基于RFID的室内定位算法

基于RFID的室内定位算法是一种广泛应用于对精度要求不高场合的定位算法。其原理如下：锚节点为RFID读卡器，未知节点为RFID卡片。当未知节点进入读卡器读取范围时，其ID信息会被读卡器获取，表示该未知节点已进入该锚节点的范围内，从而获取未知节点的大致范围。

基于RFID的定位算法分为有源RFID定位与无源RFID定位。有源RFID定位中，主要通过未知节点主动发送自身的ID信息，从而使读卡器获取其ID信息，未知節点与锚节点之间的通信距离可通过软件编程进行调整。无源RFID定位中，锚节点主动发送检测信号，当周围有未知节点时，触发其检测天线生成感应电流，进而发送一次本身的ID号，其检测距离主要由锚节点的检测信号功率、天线增益决定。

基于RFID的室内定位算法被广泛应用与井下定位，主要考虑到巷道为一维空间，且距离很长，RFID方案较为适用。对于较大的平面空间（机场、火车站、商场等场景），若使用RFID技术进行室内定位，则需要部署大量锚节点。北京西站火车站便是使用了基于蓝牙技术的RFID室内定位系统，实现精度约为5米×5米的定位精度。

结语

为了实现移动设备的室内定位，多种室内定位方法被提出。基于此，本文简要介绍了较为常用的三种室内定位算法：基于RSSI的室内定位算法、基于TOA/TDOA的室内定位算法和基于RFID的室内定位算法，并分析其适用特点与使用环境。实际的使用场景下，除了三种方法的独立使用，也存在多种定位算法共存、两种以上定位数据融合的情况。而基于机器视觉、基于定位目标（以人为主）的动作估计的定位算法，为室内定位的推广与实践提供了更多的解决方案。

参考文献

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