室内无线定位技术研究

孟岘达

摘要：近年来，我国的室内无线定位技术有了很大进展。我们离不开定位技术，无线定位技术使得我们的生活更加便捷。我们知道，移动通信服务人均80%的时间在室内完成，80%移动电话使用和数据连接在室内使用，所以讨论的是室内的无线定位技术。本文首先分析了室内无线定位技术，其次探讨了解决思路和具体方法，最后就室内空间定位技术发展展望进行研究，以供参考。

关键词：室内定位；无线通信技术；定位准确度

引言

随着现代社会的不断进步，物联网技术、智能移动终端技术、移动计算技术也飞速发展。现如今，大型建筑日益增多，室内则是群众活动的主要场所。此外，当今的公共安全、人员管理及监护、物流配送、智慧城市建设等领域也需要精准的室内外定位信息。随着当今社会对室内定位服务需求的日益强烈，需要实现广泛、不间断且高效的室内空间定位，满足与日俱增的室内定位服务应用需求。

1室内无线定位技术

1.1Wi-Fi室内定位技术

现在市场上Wi-Fi的定位技术还是比较流行的，有不少公司在致力于研究基于Wi-Fi的是室内定位技术。很多公司都积极投身到该领域。比较常见的Wi-Fi定位技术主要分为两种。一种是通过获取周围三个基站的信号强度来解算出人或者物体的坐标，这种定位方式又称为三角定位方式。另一种定位方式是事先获取每个地点的信号强度，将其记录在自己数据库中，等到有待测目标出现时，拿获得到的信号强度信息去和数据库中的信息比对，从而获取到位置信息。这种定位方式称为“指纹”定位。使用Wi-Fi定位技术，可以实现大范围的定位，但是定位精度并不高。一般可以达到2m左右，在一些要求定位精度比较高的场合，Wi-Fi定位就不适用了。

1.2蓝牙定位技术

根据不同功率等级的蓝牙设备的信号覆盖范围不同这一特性，蓝牙定位研究中引入了范围检测思想（也称Cell-ID思想）。基于范围检测的方法的定位精度只能达到“房间级”，无法满足室内定位更高精度的需求，文献开始探索利用蓝牙RSSI（ReceivedSignalStrengthIndicator，接收信号强度）来提高蓝牙定位精度。这种方法是根据蓝牙信号传播的空间关系来确定蓝牙设备的位置坐标。蓝牙高精度定位技术根据被定位终端的上下行模式不同，分为AoA到达角法和AoD（AngleofDeparture）出发角法。但是，无论是AoA还是AoD，其角度检测的基本原理都是相同的。通过天线阵列获取信号在不同阵元上的相位差，然后通过信号角度估计算法获得来波方向信息。

1.3超声波定位技术

目前，比较常用的基于超声波的室内空间定位大概有两种：一种为将超声波技术与射频识别技术结合进行定位，这种技术成本不高，能耗较低，定位精准；另一种为多超声波的空间定位技术，该技术的抗干扰能力强，定位精度高。超声波定位技术的精度可达厘米级别，相对其他室内定位技术而言，精度较高；但超声波在信号传输过程中的衰减情况较为明显，因而会影响超声波定位的覆盖范围，且超声波定位易受环境干扰。综上，超声波定位技术适用于定位精度要求高、数据传输距离短、环境相对简单的应用场景中。

1.4UWB融合算法

UWB各算法均能实现定位,但都存在不同程度的局限性:TOA算法对时钟同步要求较高,且误差大;TDOA算法的场景布置难度较小,但信号发散会导致定位精度降低;AOA算法布局复杂,且成本较高。因此将不同UWB算法配合使用或者与其他定位方式相结合,成为提升定位精度和规避算法缺点的新尝试。射频识别技术(RFID)作为一款诞生较早的无线通信技术,早已在定位领域被应用多年,其通过无线信号自动识别并感知贴附在被测物体上的射频标签,并读写相关数据,由此实现定位功能,且成本更低,但定位精度低于UWB技术。徐哲超和冯晔针对UWB非视距(Non-lineofSight,NLOS)环境下定位效果欠佳的特点,设计了一种基于TOA和AOA融合的定位方法,该方法能将获取到的非视距信号识别出并过滤掉,识别正确率达到98%,从而处理更加准确的视距信号以获得被测点坐标,提高UWB定位精度。经过仿真结果对比,发现该算法在NLOS信号较多时,定位精度优于最小二乘算法、加权最小二乘算法和基于特征矢量的FINE算法。

2解决思路和具体方法

首先需要在待定位的房间中三个角落放置3个定位基站并将其作为已知的坐标记录下来。将需要定位的标签放在房间里，标签会按照一定的频率不断发送脉冲信号。安装在房间里三个角落的基站会不停的与之通信并测量距离。通过测量出来的距离就可以定位到标签的位置。如果系统上电后，初始化与自检一切正常，则通过判断拨码开关的信号来选择自动变焦或者手动变焦模式，等待开始指令。如果系统上电自检判断出现故障，则需要判断故障类型，根据故障类型来选择故障处理方案，判断是否需要进入维修模式，等待专业人员检修；若为低警类型需要系统自动解决故障，不需要进入维修模式；若为高优先级报警，则需要进入维修模式，停止输出电机控制信号，将电机刹车，显示报警代码，将拨码开关、按键锁定，等待工作人员检修；若在变焦工作过程中，突发紧急情况，为生产需要焊接电极筒或添加电极糊固体，装置被移出工作环境，则首先将停电机控制信号，电机刹车进入锁定状态，进入紧急模式，防止人员误触。

3室内空间定位技术发展展望

（1）室内定位技术的普适化。目前的室内定位技术普适性不足，在解决室内外空间的融合实现无缝定位以及未知环境中的定位时仍存在一些问题。但随着人工智能、计算机视觉、物联网以及５Ｇ通信网络等技术的发展作为技术支撑，广域普适化的室内定位技术必将出现，以满足不同室内环境、不同行业、不同应用场景的应用需求。（2）室内定位技术的优化更新。针对当前室内空间定位技术所存在的缺点进行优化也是一个重要发展方向。可以针对各技术的定位精度、覆盖范围、抗干扰性、功耗、定位成本等实际问题进行优化改善，从而提升该技术的实用性。当前的室内空间定位技术大部分都是建立在邻近信息、场景分析和几何特征三种基础定位方法的基础之上。寻找新型定位源，并引入人工智能、神经网络等相关算法，从而形成创新性的室内定位算法也是未来的一个重要发展方向。（3）多源混合定位技术的发展。鉴于当前单一室内空间定位技术各自的特性，将多个室内空间定位技术进行融合，从而实现优势互补是当今的一个重要发展方向。现如今，该发展方向仍面临着一些问题亟待解决，如各技术数据模型和通信标准的统一化，各技术之间的融合衔接以及多技术融合后的成本、功耗、响应时间等问题。

结语

综上所述，基于UWB的定位系统，在实时性、精度以及穿透能力等各个方面，都要优于其他的无线定位技术，在对室内定位要求越来越高的情况下UWB技术完全能够胜任，可以预测该技术势必会在室内定位中有着良好的表现。但是，该技术目前还处于发展过程的初级阶段，一些定位算法还需要改进以满足日益增长的商业化需求。支持这些算法的芯片还比较少，商业化进程缓慢，大大影响了UWB定位技术的应用和推广。

参考文献

［1］陈如明.UWB技术的发展前景及其频率规划［J］.移动通信，2009，33（9）：71-74

［2］高晔方，李腊元，丁蕙，等.一种基于UWB技术的网络节点定位算法［J］.计算机工程与应用，2006（22）：125-129

［3］杨晓非，刘银碧，代睿.UWB技术及前景探讨［J］.数据通信，2003（4）：14-16