室内定位技术研究

室内定位技术研究

摘要：近年来，随着科技的进步和发展，人们对室内定位的需求越来越多，各种室内定位技术蓬勃发展起来。本文对现有的几种室内定位技术的工作原理进行了阐述，每种技术选取了一个典型系统进行研究，包括其系统结构、定位原理、定位精度，阐述了各个定位技术的优缺点和局限性，最后对各定位技术进行了对比，分析了各个定位技术的应用场景，并指出需要根据不同的使用环境选择不同的定位技术。

关键词：室内定位；定位技术；定位方法

中图分类号：TP391.41 文献标识码：A DOI：

10.3969/j.issn.1003-6970.2016.04.003

0 引言

随着美国全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GlobalOrbiting Navigation Satellite System，GLONASS）、我国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite svstem，BDS）以及欧盟伽利略卫星定位系统（GalileoSatellite Navigation System，GALILEO）的蓬勃发展，室外定位技术已经非常成熟，人们可以很容易地在室外进行路线导航、地址定位，精度非常高。然而，上述四种定位系统采用的是

卫星定位技术，在室内卫星信号受到屋顶以及其他障碍物的遮挡，无法进行定位，因此需要发展其他的室内定位技术。室内定位的应用非常广泛。在医院，需要对某些特殊病人进行实时定位，以确保其安全；在商场或超市，如果能对小孩进行定位，就不用再担心走丢；在展览馆，对参观者进行定位，可以做到讲解的有的放矢；在发生火灾或其他突发事件时，还可以对被困者进行定位以实施有效救援。

本文针对目前已有的室内定位技术进行了研究，每种技术选取一种典型系统进行分析，阐述了该系统的定位原理，分析了已有室内定位技术的优缺点，对已有室内定位技术进行了对比，提出要根据不同的使用环境选择不同的定位技术。

1 已有室内定位技术介绍

室内定位是指在室内环境中进行位置定位，从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。目前的室内定位技术主要有基于红外线的室内定位技术、基于超声波的室内定位技术、基于超宽带（Ultra-wideband，UWB）的室内定位技术、基于射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）的室内定位技术、基于无线局域网（Wireless Local AreaNetwork，WLAN）的室内定位技术和基于蓝牙的室内定位技术。

1.1 基于红外线的室内定位技术

红外线是波长介于微波和可见光之间的电磁波，具有可

见光的特征，即沿直线传播，会被障碍物遮挡。基于红外线的室内定位技术一般包括两种组件：红外线发射器和光学接收器。

典型的基于红外线的室内定位系统是Roy等人在1992年提出的Active Badge系统。该系统设计了一种特殊的标签，周期性地发射红外线信号，待定位者携带这种标签，其发射的周期性的信号会被室内布置的光学接收器传感网络

接收到，传感器将这些信息发送给中央控制器进行数据处理，就可以得到待定位者的位置信息。

该系统的定位精度取决于光学接收器的分布密度，在权衡成本和定位精度的要求后，该系统每隔6米设置―个光学接收器。但是，由于红外线可以通过反射被传感器捕捉到，因此该定位系统不能判断待定位者的方向信息。出于对标签能量供应的考虑，系统每隔15秒发射一次红外线，然而在15秒的时间内物品的位置可以发生很大变化，做不到实时定位，因此该系统只适用于位置变化很缓慢的情况。另外，系统要求能定位在同一位置的多个待定位者，因此，设置持续时间为0.1秒的红外线可以有效降低两个红外线可能发生干扰的概率。

1.2 基于WLAN的室内定位技术

WLAN是在有线局域网的基础上发展而来的。在无线局域网中，终端设备通过电磁波进行数据传输，不再需要固定

的连接方式，网络非常灵活便捷。WLAN系统的基本结构如图1所示。智能手机、笔记本电脑等移动终端通过电磁波与无线接入点进行通信，无线接入点通过有线方式接入到以太网中，从而实现各个网络设备之间的信息传输。

基于WLAN技术的典型室内定位系统是微软公司在2000年提出的RADAR系统。RADAR系统中，在特定的位置布置无线接入点，待定位者携带可以接收无线信号的设备进行定位。由于室内环境复杂，无线信号受到多径、反射、障碍的干扰，其信号强度的传播模型很难建立。针对这一问题，RADAR系统采用了基于RSSI（Received SignalStrength Indication，接收信号强度）的指纹定位法，即在待定位区域内选取一系列的参考节点，收集待定位者在每一个参考节点接收到的所有无线接入点的信号强度，并存储在数据库中。当待定位者进入WLAN覆盖区域时，根据其接收到的所有基站的信号强度，与数据库中的数据进行对比，就可以得到待定位者的位置。这种方法可以有效解决室内无线信号因为多径、反射、障碍而产生的噪声干扰问题。RADAR系统的定位精度可以达到2-3米。

RADAR系统也存在缺陷。当待定位区域的环境改变导致无线信号的传播路径发生改变时，各参考节点的信号强度就会发生改变，只能重新进行测量建立新的信号强度数据库，定位系统才不会失效。

1.3 基于蓝牙的室内定位技术

蓝牙是一种基于短波特高频的无线通信技术，可以用来在短距离设备之间传递数据。蓝牙4.0是蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）于2010年推出的新规范，大大降低了使用蓝牙进行通信的功耗，提高了传播速度和通信距离。

文献提出了一种基于蓝牙4.0技术的室内定位系统，其基本原理如图2所示。在室内特定位置安装蓝牙信号发射器，每隔一定时间发射一次信号，待定位者携带可以接收蓝牙信号的设备，当接收器接收到不同发射器的信号后，通过接收到的信号强度以及相应的算法就可以计算出待定位者的位置。系统的定位精度可以达到2-4米。 1.4 基于RFID 的室内定位技术

RFID采用电磁波进行数据传输。RFID技术主要包括两种组件，标签（tag）和阅读器（Reader）。标签内存储着一定的信息，阅读器可以读取标签内的信息，也可以向标签内写入信息。它们是通过内置于阅读器中的天线发射的电磁波来进行通信的，因此RFID技术具有非接触、非视距的特点。RFID标签体积小、制作成本低、使用寿命长，因此在室内定位方面得到了广泛应用。

最经典的基于RFID技术的定位系统为LANDMARC系统，其原理如图3所示。在待定位区域内设置位置已知的阅读器和参考标签，系统对阅读器检测到的待定位标签与参考