室内定位技术研究进展

室内定位技术研究进展室内定位技术包括：AGPS、红外线、超声波、UWB、WaveLAN、RFID、视觉等。1、AGPS（辅助全球定位技术）a)基本原理：使用GPS芯片和移动电话网络来实现定位，定位中端首先将本身的基站地址通过网络传输到AGPS定位服务器，AGPS定位服务器根据该终端的概略位置传输与该位置相关的GPS辅助信息估算该终端的位置，最后AGPS服务器将该手机的位置通过网络传输到定位终端或应用平台，AGPS系统如下图1：图1b）算法及精度：文献[1][2]；用诺基亚E72测试在大楼内实测精度为30m(49.44%有效)，60m（97.99%有效）。[1]张鹏,骆晓亮.一种终端定位方法和一种基站.H04W64/00(2009.01)I,201110030091,2012-08-01.[2]谢翔,荆昊,郭际明.室内环境下手机GPS定位精度研究.测绘通报,2012,8(2):95−97.2、红外线定位技术a)基本原理：Activebadges是Cambridge大学AT&T实验室开发的第一个室内定位传感系统，每个人身上携带一个微型的红外发射器，该发射器每10-15秒钟发射一个独特的身份信息代码，覆盖在建筑物内的红外接收站网络将会接收到这些红外发射器发出的信号而进行定位。b）算法和精度：文献[3]通过使用多对红外发射器和红外接收器交叉组成的探测信号网来覆盖待测空间，探测距离为30m，定位精度可达0.05m；文献[4]基于最小二乘法原理的极小化误差法，探测距离20km，精度为10m。[3]宁静.采用红外织网的室内定位技术.激光与红外,2011,7(41):775−777.[4]侯娜,黄道君.红外无源定位技术研究.电子对抗技术,2002,17(4):12−14.c)缺陷：红外线虽然有较高的定位精度，但由于光线不能穿过障碍物，使得红外线仅能视距传播，只能直线视距且传输距离较短。需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价高，红外线只适合短距离传播。3、超声波定位技术a)基本原理：CambridgeAT&T实验室在ActiveBadges系统基础上开发了Activebats超声波定位技术,该技术能够提供更好更精确的室内定位服务.人员或物品携带或附属一个“bats”的超声波标签,这些标签向安装在天花板上的超声波接收器定期发出超声波信号,定位系统产生基本的位置和导向信息,如图2所示.使用超声波定位技术的问题是需要在天花板上安装大量的超声波接收器以及这些接收器的安装位置也需要精确地计算。图2为了解决Activebat定位系统需要安装大量周密部署接收器装置的问题,MIT开发了最早的可轻松随意部署的定位系统Cricket.它由散布在建筑物内位置固定的锚节点和需要定位的人或物体携带的未知节点(称为Listener)组成锚节点随机地同时发射RF和超声波信号，超声波信号中包含该锚节点的位置和ID，未知节点使用TDOA技术测量其与锚节点的距离,当它能够获得3个以上锚节点距离时(即使用三边测量法提供物理定位)。物理空间互联网络的分布式物体定位系统DistributedObjectLocatingSystemforPhysicalspaceInternetworking(Dolphin).b）算法和精度：文献[5]在一个10m的室内环境精度可达1-2cm，文献[6]基于超声波技术和射频技术,引入节能机制,改进Cricket室内定位系统的信道分配策略,当信标和接收机距离为0-6m时,精度为1.2m.。文献[7]和[8]介绍了Dolpin系统由分布式的无线传感结点组成,这些结点发射和接收RF和超声波信号,采用分布式定位算法,Dolpin技术降低了物体定位的系统配置,在3m*3m的空间可以达到2cm的精度.[5]PriyanthaNB.Thecricketindoorlocationsystem[PhDThesis].MassachusettsInstituteofTechnology,2005.[6]刘君,吴建国,褚曦丹,朱丽进,李炜.Cricket室内定位系统的研究与改进.计算机技术与发展,2011,5(21):207−209.[7]FukujuY,MinamiM,MorikawaH,AoyamaTD.Anautonomousindoorpositioningsysteminubiquitouscomputingenvironment,inProcoftheIEEEWorkshoponSoftwareTechnologiesforFutureEmbeddedSystems,2003[8]MinamiM,FukujuY,HirasawaK,YokoyamaS,MizumachiM,MorikawaH,AoyamaT.Dolphin:Apracticalapproachforimplementingafullydistributedindoorultrasonicpositioningsystem,Ubicomp,2004.347−365.4、RSSI定位技术a)基本原理：ReceivedSignalStrengthInformation(RSSI)接收信号强度信息技术是使用RF信号来估算发送和接收设备间的距离，被测物体的位置是根据接收到的RF信息强度来利用三角测量或三边测量技术计算的,在测量之前需要建立参考位置信息数据库,待测的RSSI数据需要和经验测试数据相对比来找到最匹配的结果。由于RSSI数据会受到室内墙壁或障碍物的多径反射折射影响,所以在实际应用中应充分考虑到。采用RF信号定位的系统有WaveLAN,UltraWideBand,RFID.b）算法和精度：文献[9]报道了一个利用WaveLAN无线网络技术开发的室内跟踪系统,该系统利用网卡接收到的信号强度和有效的信噪比,根据室内无线信号传播的经验数据或者数学算法通过三角法计算出物体平面的位置.这个定位技术方法优势是部属灵活方便,只需要极少的无线基站,但是被跟踪定位的物体必须配置一个WaveLAN网卡模块,而且在多层建筑物内使用会收到信号的穿透干扰影响,系统的定位精度在3m左右.文献[10]报道基于空间相关性滤波和迭代最小余差剔除NLoS的ToA定位算法,其定位精度小于1m.[9]BahlP,PadmanabhanVN.UserLocationandTrackinginanIn-BuildingRadioNetwork,MicrosoftResearchTechnicalReport:MSR-TR-99-12,February1999.[10]LuoHY,LiuSJ,LiuXM.NLoSMitigationinToALocalizationBasedonSpatialCorrelationFilterandIterativeMinimumResidual,ChinaCommunication(中国通信英文版),2012,4(9):14−16.超宽带(UltraWideBand,UWB)技术,是一种无线载波通信技术,广泛应用于定位技术中,UWB定位原理按照测量参数不同,可分为基于接收信号强度法(Signal-Strength,SS)、基于接收信号时间法(TimeofArrival,TOA)和基于接收信号角度法(AngleofArrival,AOA),UWB定位系统由传感器组、定位标签、服务器等组成,系统连接如图3所示。文献[11]报道超宽带脉冲(IR-UWB)信号具有的高达纳秒级别的时间分辨能力,结合基于到达时间(TOA,timeofarrival)的测距算法在理论上可获得厘米级别的定位精度.文献[12]提出利用NLOS距离误差信息对TOA测距结果修正可以提高定位精度,试验证明精度可达5-45厘米.图3[11]GEZICIS,POORHV.Positionestimationviaultra-widebandsignals.IEEEProceedings,2009,97(2):386−403.[12]Gab-HoeKim,Jong-SungKim,Ki-SangHong.Vision-basedSimultaneousLocalizationandmappingwithTwoCameras,RSJIntconferenceonintelligentrobotsandsystems2009:3401−3406.RFID(RadioFrequencyIdentification)是一种非接触式无线射频识别技术,也称为电子标签,其成本低,通信协议简单、灵活,被广泛应用在物品、人员、车辆等的识别跟踪和定位上.比较典型的有SPOTON和LAND-MARC系统，LAND-MARC系统是一种基于有源射频识别技术、以位置固定的参考标签为辅助校验定位基准的二维动态定位识别系统,整个系统包括RFID读写器、RFID待定位标签和参考标签,如图4所示，基本算法是基于间接测量和近邻算法的原理,利用经验公式来估算待定标签的坐标位置。文献[13]提出改进的LAND-MARC算法,定位精度可达0.03-1.85m之间。SpotON是基于信号强度分析,发展了一种聚合算法对三维空间进行定位,SpotON系统中硬件标签成网络状分布,无需中央控制单元,通过检测到标签的信号强弱值来换算表示标签之间的物理距离。文献[14]提出一种基于SpotON的室内3D定位感知系统，测量精度达1m3。[13]顾嘉,钱钰博,孙厚芳,王婧.工装室内定位技术研究,北京理工大学学报,2010,9(30):1057−1059.[14]HightowerJ,WantR,BorrielloG.SpotON:Anindoor3DlocationsensingtechnologybasedonRFsignalstrength,UWCSE00-02-02,:35−36.图4RFID区域和点式定位:在一些实际应用中,对于定位精度要求不高的区域定位,则采用简单的RFID阅读器定位方法,每个RFID阅读器都有一定的接收距离,合理部署RFID阅读器,通过软件组合逻辑判断定位标签在哪个阅读器读取范围之内,该定位精度取决于阅读器读写距离以及阅读器安装的密度,一般实际应用精度在10米左右,如图5所示.如果要在此基础上实现某些特定区域或轨迹的精确定位,则可以增加低频RFID(125K)唤醒器和带低频唤醒的RFID标签,由于125K低频电磁波基本不受环境影响(除了金属),而且识别距离可稳定控制在1-3m范围,其精度小于1m。图55、计算机可视化系统a)基本原理：文献[18]提出一种利用多摄像头来定位人员的可视化系统,系统采用两套立体彩色摄像头来定位房间内的多个人员活动。立体图像用来定位员，彩色图像用来辨别身份。该系统的缺点是需要在室内每个角落安装多个摄像头，所以造价昂贵。b）算法和精度：文献[15]系统的定位精度可达10cm；文献[16]报道了动平台下双目视觉定位标定算法定位精度控制在毫米范围内。[15]KrummJ,HarrisS,MeyersB,BrumittB,HaleM,ShaferS.MulticameraMulti-persontrackingeasyliving.3rdIEEEInternationalWorkshoponVisualSurveillance,Dublin,Ireland,2000:1−8.[16]钱真,彭秀艳,贾书丽,刘海波.动平台下双目视觉定位标定算法研究.计算机仿真,2012,10(29):293−297.总结：总体概述室内定位技术发展有两个方向：广域室内定位技术和局域室内定位技术。广域室内定位技术的代表是北邮的TC-OFDM、澳大利亚的Locata和美国高通公司的方案，这些都是承载到广域网上实现广域覆盖的；局域室内定位技术的代表是Wi-Fi、蓝牙、ZIG