定位技术调研

1、定位技术方案调研、定位方法目前定位常用的定位方法，从原理上主要分为七种：邻近探测法、质心定位法、多边定位法、三角定位法、极点法、指纹定位法和航位推算法。邻近探测法(Proximity Detection)邻近探测法，又称为CoO(Cell of Origin) 法或Cell-ID(Cell Identification)法，通过一些有范围限制的物理信号的接收，从而判断移动设备是否出现在某一个发射点附近。该方法的定位精度取决于发射点的布设密度和信号覆盖范围。该方法虽然只能提供大概的定位信息，但其布设成本低、易于搭建，适合于一些对定位精度要求不高的应用，例如自动识别系统用于公司的员工签到。1.2

2、质心定位法(Centroid Determination)质心定位法是根据移动设备可接收信号范围内所有已知的信标(beacon)位置，计算其质心坐标作为移动设备的坐标。相应地，也可以根据接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication, RSSI)设置对应的信标的权重，得到加权质心作为移动设备的坐标。该方法算法易于理解，计算量小，定位精度取决于信标的布设密度。多边定位法(Multilateration)该方法是通过测量待测目标到已知参考点之间的距离，从而确定待测目标的位置。基于多边定位的定位系统可以采用多种距离估计方法，比较常见的距离估计法有基于信号到达

3、时间(Time Of Arrival, TOA) ，基于信号到达时间差(Time Difference Of Arrival, TDOA) ,基于增强观测时间差 (Enhanced Observed Time Difference, E-OTD),基于往返时间(Round Trip Time, RTT) ,基于接收信号强度指示。三角定位法 (Triangulation)三角定位法，也可称为到达角测量法(Arrival Of Angle, AOA)。该方法是在获取待测目标相对两个已知参考点的角度后结合两参考点间的距离信息可以确定唯一的三角形，即可确定待测目标的位置。到达角信息，亦即信号到达的角度

4、，可以通过定向天线获取。同时基于摄像头的定位系统也可实现基于AOA的定位。极点法 (Polar Point Method )极点法通过测量相对某一已知参考点的距离和角度从而确定待测点的位置。该方法仅需已知一个参考点的位置坐标，因此使用非常方便，已经在大地测量中得到广泛应用，多个待测目标的位置可以仅从一个全站仪的简单建立得到指纹定位法(Fingerprinting指纹定位采集的标准量是射频信号，但指纹定位法也可采用声音信号、光信号或其他无线信号实现。指纹 定位通常包括两个阶段：第一阶段，离线校准阶段，通过实际采集或计算分析建立指纹地图。具体地，选 择场景中的多个位置点采集多个基站发出的信号的强度

5、并加入到指纹数据库中。第二阶段，定位阶段，通 过将实际实时接收到的信号于指纹数据库中的信号特征参数进行对比找到最好的匹配参数，其对应的位置 坐标即认为是待测目标的位置坐标。指纹定位的优势是几乎不需要参考测量点，定位精度相对较高，但缺 点是前期离线建立指纹库的工作量巨大，同时很难自适应于环境变化较大的场景。二、主流定位技术根据不同定位方法，衍生出了多种定位技术，下面将对主流的室内定位技术进行简要介绍。视觉定位视觉定位系统可以分为两类，一类是通过移动的传感器(如摄像头)采集图像确定该传感器的位置，另一 类是固定位置的传感器确定图像中待测目标的位置。根据参考点选择不同又可以分为参考三维建筑模型、图像

6、、 预部署目标、投影目标、他传感器和无参考。参考3D建筑模型和图像分别是以已有建筑结构数据库和预先标定图像进行比对。而为提高鲁棒性，参考预部署目标使用布置好的特定图像标志(如二维码)作为参考点；投影目 标则是在参考预部署目标的基础上在室内环境投影参考点。参考其他传感器则可以融合其他传感器数据以提高精度、覆盖范围或鲁棒性。Hile和Borriello 使用照相手机比对图像和楼层平面图，达到了30cm的定位精度。Sj?使用一个低分辨率相机基于参考图像实现SLAM(Simultaneous LocalizationAnd Mapping)算法，达到了亚米级的定位精度。Mulloni使用条形码作为参考

7、点标记，实现了厘米到分米级的定位精度。Tilch和Mautz使用一个移动相机和激光仪作投影，定位精度可达到亚毫米级。LiuT.使用一个6自由度惯性测量单元 (Inertial Measurement Unit, IMU) 和两个激光扫描器获取位置，平均定位精度达到行走距离的1%红外线定位红外线是一种波长在无线电波和可见光波之间的电磁波。基于红外线的定位系统可以主要分为两类：有源 信标、红外成像。有源信标是在室内放置若干红外接收机，同时待测物携带一个装有红外发射机的电子标签。该标签周期发 送该待测物的ID,接收机接收到信号后将数据发送到数据库进行定位。该方法具有代表性的是AT&T实验室和

8、剑桥在1992年联合发布的Active Badge系统。该系统可以达到6米的平均定位精度。红外成像则是通过传感器采集环境中自然红外辐射生成图像实现检测行人或其他待测目标。2011年德国Ambiplex提供基于自然环境热辐射的""定位系统，基于AOA确定热源的位置，可实现10m范围内20cm至30cm的定位精度。极点定位该系统通过仪器测量到达角或者到达时间进行定位，仪器通常有激光跟踪仪、全站仪和经纬仪。全站仪的 可覆盖范围通常为 2km到10km,但其设备高成本、大体积以及对可视距的要求使其不适用于在室内定位中推广。NikonMetrology 2011年发布的 iGPS(i

9、ndoor Global Positioning System)实现了基于激光的室内工业级高精度三维定位。其原理与GP必同，包括不少于两个固定位置的发射器发射扇形激光束和参考红外脉冲，基于TDOAM理实现对接收机的定位。NikonMetrology 宣称该系统可实现在布设4至8个发射器的1200平方米的典型测试环境中实现的三维定位精度。但其造价十分昂贵，可用于工业级定位需求，不适合于大众市场研究和推广。超声波定位超声波定位主要采用反射式测距法，通过多边定位等方法确定物体位置，系统由一个主测距器和若干接收 器组成，主测距仪可放置在待测目标上，接收器固定于室内环境中。定位时，向接收器发射同频率的信

10、号，接收 器接收后又反射传输给主测距器，根据回波和发射波的时间差计算出距离，从而确定位置。Ward于1997年建立的ActiveBat是超声定位的先驱，通过大量部署接收设备(720个标签)，达到3cm的定位精度。超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，且超声波频率 受多普勒效应和温度影响，同时也需要大量基础硬件设施，成本较高。WLAN定位基于标准的无线局域网已在人们的生活场所大量部署，使用WLANW号定位的优势在于不需要部署额外设备，定位成本低，信号覆盖范围大，适用性强，利于普及推广。基于RSSI的指纹定位法是目前主流的WLANt位方法，定位精度取决于校准

11、点的密度，从2m到10m不等。同时基于TOA测距的定位方法由于多径效应和时钟分辨率低定位效果较差，而基于RSSI测距的定位方法由于信号衰减与距离的关系在不同环境和设备条件下都有改变，定位结果也不理想。RFID定位射频识别(RFID)是一种操控简易，适用于自动控制领域的技术，它利用电感和电磁耦合的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。RFID定位系统通常由电子标签、射频读写器以及计算机数据库构组成。最常应用的定位方法是邻近检测法。利用RSSI实现多边定位算法也可一定程度上实现范围估计。根据电子标签是否有源可以分为有源 RFID和无源 RFID。有源RFID有源RFID的电子标签包含电池，因此信号

12、传输范围相比于无源RFID更大，达到30米以上。同时可以实现基于RSSI测量的指纹定位。Seco使用高斯过程描述 RSSI在室内的传播结合指纹定位的方法，在1600平方米的实验环境中采用 71个RFID标签实现50%t位误差。无源RFID无源RFID系统只依赖电感耦合，因此没有电池。相比有源 RFID,体积更小，耐用性更高，成本更低。无源RFID定位系统多使用邻近探测法实现定位。超宽带定位超宽带定位系统通常包括UWEgj收器、参考标签和其他标签。超宽带技术通过发送纳秒级及其以下的超窄脉冲来传输数据，可以获得GH旗的数据带宽，发射功率较低，无载波。因为其高带宽，理论上基于TOA或TDOA方法实现

13、厘米级的定位。Ubisense是发布于2011年采用TDOAF口 AOA的室内定位系统，定位精度可达 15cm,测距范围达到50m。但UW朦统较高的系统建设成本阻碍了其普及推广。惯性导航惯性导航系统(Inertial Navigation System, INS)广泛应用于制导武器、舰艇、火箭、飞机和车辆等的导航与跟踪，其核心组件IMU,由三个正交的单轴加速度计和三个正交的陀螺仪组成。随着微机电技术的发展，传感器尺寸变小，成本降低，同时加入磁力计，被广泛应用于行人导航。惯性导航基于航位推算方法实现，因此随着时间会产生累积误差，其定位精度取决于传感器质量和传感器安放位置。绑在脚上的惯性导航可采用

14、零速校正限制漂移实现定位误差小于行走距离的1%而安放在其他位置则定位误差常常大于 1%随着智能手机的普及和微机电器件的发展，基于智能手机的惯性导航成为研究热点。地磁定位现代建筑物基本都具有钢筋混凝土结构，这些建筑物墙体内部的金属结构会对室内的地磁场产生很大影响，而室内的电气设备也会对磁场产生影响。同时室内磁场具有较强的稳定性。故室内地磁场是一种可运用于室内定 位导航的有效信息源。地磁定位，是指利用地磁场特征的特异性获取位置信息的技术方案。定位方法主要采用指 纹定位的方法。由于原有磁场信息，故成本相比其他定位技术更低，但仍需要人工建立数据库。IndoorAtlas 的地磁定位方案是其中代表，定位

15、精度已能达到12米。伪卫星卫星是一种基于地面的能传播类似GNSS言号的发生器，最简单的组成是GNSS言号发生器和发射装置。采用与GNSS言号体制不同的伪卫星，可避免对正常卫星信号的干扰，可达到厘米级定位精度，但设备复杂，成本 很高。Locata在2010年发布的系统可实现 50平方千米内2厘米的定位精度。蓝牙和ZigBee定位蓝牙和ZigBee技术类似，有部分重合频段，且两者定位技术均基于短距离低功耗通信协议：ZigBee是基于标准的低功耗局域网协议；目前蓝牙定位主要使用蓝牙规范，是基于低功耗蓝牙技术（Bluetooth LowEnergy, BLE）两者都具有近距离、低功耗、低成本的特点。Z

16、igBee （蓝牙）的定位均通过在室内环境中布置静态参考点（蓝牙beacon）,可以实现基于邻近探测法、质心法 48、多边定位和指纹定位的定位系统。定位精度主要取决于基础 设施的部署密度。2016年发布的蓝牙协议支持BLE Direction Finding 的Angle of Arrival（AoA）和Angle ofDeparture （AoD）参数估计，这些参数将为1m以内的室内定位提供技术支撑。蜂窝网络定位蜂窝网络技术是一种成熟的通信技术，主要用于对移动手机的定位。蜂窝网络通过检测移动台和多个基站 之间传播信号的特征参数（RSSI,传播时间或时间差， 入射角等），可采用邻近探测法、AO

17、ATOA和OTDOAObservedTime Difference Of Arrival,观测到达时间差）实现定位，可作为普适化的定位方案。目前 Cell-ID 加上RTT解决方案精度为 20-60m。采用智能天线 MIMO+TDOA/AO技术，精度可以达到5-10m。未来的5G网络具有大带宽、 多天线、密集组网等优势，可以实现1m以内的定位精度。融合定位融合定位是指融合多种定位技术、多传感器的信息进行综合定位，以达到优势互补，提高定位精度、鲁棒 性，降低定位成本。定位技术的选择则主要视场景需求而定，多为绝对定位技术与相对定位技术的结合，如浙江 大学郭伟龙实现了地磁与惯导结合的室内定位系统，平

18、稳步行时90碇位误差小于；上海交通大学钱久超将惯导定位与地图结合实现手机端的室内定位，正常持握手机姿态下 95%误差为；同时也有很多研究将 WiFi与惯导结合取得了较好的效果。针对行人复杂的运动行为，提出了运动识别辅助的行人定位方法，提高了室内定位的鲁棒性。协同定位协同定位是指在一个定位场景中存在已知节点和未知节点，未知节点之间可以进行信息交互，也可以相互 之间进行测距、测向或邻近探测，并且可以利用过去时刻的定位信息，从而实现对未知节点当前时刻的定位。协 同定位的具体方式可根据具体定位技术调整，目标在于通过节点之间的协同合作提升单个节点及整个系统的定位性能。协同定位在多机器人定位、无线网络定位

19、、水下自主航行器及卫星定位等研究中正受到越来越多的关注。对无线传感网络关于协同定位的研究进行了综述。意大利都灵理工大学的R. Garello 团队进行了协同定位对卫星定位终端辅助捕获的研究，并比较了几种常见的定位算法的性能。群智感知群智感知是将普通用户的移动设备作为基本感知单元，通过网络通讯形成群智感知网络，从而实现感知任 务分发与感知数据收集，完成大规模、复杂的社会感知任务。在计算机科学领域，与群智感知相关的概念有：群 体计算(Crowd computing)、社群感知(Social sensing) 、众包(Crowdsourcing) 等等。三、技术对比7E位技术通用定位方法定位精度覆蛊

20、范围优点缺点视觉图像处理、场景分析mm-dm1m-10m环境依赖性低成本较图,稳定性较低红外线图像处理、邻近探测cm-m1m-5m定位精度较高可视距传播、传输距离短、成本高、受光线干绕PolarSystems直接测量um-mm2km-10km定位精度极高造价昂贵超声波多边定位cm2m-10m精度局，结构简单多径效应、受环境温度影响，信号衰减明显WLAN指纹定位m20m-50m成本低，精度较局受环境干扰，指纹采集工作量大RFID邻近探测，指纹定位dm-m1m-50m精度局，体积小，成本低距离短，无源标签无通信能力超宽带多边定位cm-m1m-50m穿透力强，精度局成本高惯性导航航位推算1%10m-

21、100m不依赖外部环境存在累计误差地磁定位指纹定位1m-5m1m-30m不依赖额外设备，成本低需要前期米集，稳定性差Zigbee邻近探测，质心法、dm-m1m-50m成本低，功耗低稳定性差，受环境干绕Bluetooth邻近探测，质心法、多边定位2m-10m1m-20m功耗低，设备体积小，易部署传输距离短，稳定性差蜂窝网络邻近探测、OTDOAmKm覆盖范围广，小需额外设备定位效果依赖基站密度伪卫星载波相位测距Cm10m-1km精度局，覆盖范围广成本高从对比数据来看，Polar系统、超宽带技术和伪卫星技术定位精度高，覆盖范围较广, 适用于机器人室外定位场景，如果能和惯性导航等技术融合进行定位，效果更佳。四、主要供应商1 .邦鼓思RIK和RIK-DUAL室外定位方案高精度定位解决方案，利用GNSS-RTK术