室内定位技术研究

1、西北工业大学先进测试控制技术导论大作业室内定位系统的研究姓名：XXX班级:XXXXXXXX学号：XXXXXXXXXX摘要目前，人们对室内定位与导航的需求越来越大，如在展厅、图书馆、仓库、超市等室内环境中，用户希望持有可移动设备能够自由定位并导航，虽然室外定位技术发展越来越完善，但是室内定位仍在起步阶段。本文研究了室内定位系统的背景和国内外发展状况，阐述了室内定位系统的相关概念和原理，列述了室内定位所用到的一些定位算法、定位结构和模型。同时，在几种定位算法的基础上罗列了几种室内定位技术，包括：超声波技术、红外技术、频射技术、WIFI与蓝牙技术、ZigBee与超宽带技术等等。并通过比较分析了解了每

2、种技术的相应优缺点。关键词：室内定位、定位算法、定位技术目录摘要2第一章绪论51.1 课题背景及研究意义51.2 研究现状及其趋势51.3 国内外的研究现状6第二章室内定位系统基本概念与原理72.1 定位算法72.2 室内定位系统的结构与模型8第三章室内定位系统113.1 超声波技术113.2 红外技术113.3 蓝牙技术123.4 射频技术123.5 WIFI技术与蓝牙技术133.6 Zigbee与超宽带技术13第四章结束语14参考文献16第一章绪论1.1 课题背景及研究意义卫星定位导航系统的产生及发展，让人们拥有了在广阔的室外空间中以前所未有的可靠性、精度获取事物地理位置属性的技术方法，已

3、经基本上解决了在室外空间中进行准确定位的问题，并且已经在军事、资源、交通、农牧渔业、环境、测绘等领域以及人们日常的生活中得到了非常广泛的应用。然而，虽然定位技术性能、精度都很高，但是其信号遇到障碍物衰减，无法穿透建筑物进行室内定位导航的局限性也日渐凸显，它在室内工作效果并不理想。社会经济的飞速发展及人们生活水平的提高，使得我们对室内的定位导航需求越来越大，比如在博物馆、超市、机场等场所消费者需要快速了解自身所处位置，并到达目的地在矿井、火灾现场，为警察等工作人员提供精确的导航与定位。为了解决室内这一特殊环境定位的问题，必须研究专门的定位方法。与已经非常成熟的室外卫星定位导航系统相比，室内定位技

4、术还处于刚起步阶段，但是却具有很大的应用空间。室内定位的应用领域主要包括导航和工程测量、位置服务和监控以及智能空间。伴随着人类对室内定位需求的增大，科学技术也在高速发展，总结、分析、研究当前的室内定位技术有利于室内定位技术广泛应用于人们的生产和生活之中。1.2 研究现状及其趋势室内定位技术应用的区域是封闭或半封闭空间，室内不止是通常所说的一般建筑物内部，它还包括地下矿井、密集的高层建筑区、树林等。室内环境相比户外要复杂的多，根据不同的环境、应用和需求，用于室内定位的技术主要有：激光、红外、蓝牙、射频、无线电、超声波、计算机视觉、磁场等。其中，有些技术经过开发利用，形成了比较系统的定位服务解决方

5、案或成形的商业产品，但仍有许多技术尚在研究试验中。如使用磁场压力感应的智能地板的研制试验，这种方法需依赖特定的设备，成本昂贵实用性低。进行室内定位的主要测距方法有到达时间（TOA）、到达时间差（TDOA）、到达角度（AOA）,RSS技术等。这些方法都能在定位系统中计算有效的距离，其中到达时间、到达时间差、到达角度技术都能提高定位精度，但是由于室内环境复杂可能会影响其定位精度。美国高通公司（QUALCOM飕其子公司SnapTrack在GPS定位技术的基础上，提出了A-GPS解决方案。结合CDMA0实现了移动终在室内外端准确的定位。由于A-GPS是基于CDMA网络，需要使用手机作为载体，所以可能需

6、要用户使用特制的手机设备。一般用户很难接受为了不频繁使用的位技术更换手机，并且这种特制的手机相对一般手机耗电量会增加，所以A-GP技术目前没有得到广泛推广。近几年来一种基于WIFI的室内定位技术进入到大家的视野中，各大媒体争先报道，有的甚至称WIFI将是室内定位的最佳选择。目前WIFI技术在现代生活中己经被广泛使用，无论是在政府公共场所还是咖啡厅等休闲场所都有非常广泛的WIFI热点部署，人们可以随时随地跟各大运营商的无线网络像CMC赳行连接。而且在移动终端方面，移动终端可以直接由智能手机替代，只需要开发一个APP就可以。由于智能手机的大量普及，这方面的成本也几乎可以忽略不计。WIFI进行室内定

7、位的主要思想是充分利用现有的无线网络建立能提供目标室内定位的服务。虽然主流的室内定位技术还有ZigBee,RFID、红外线、蓝牙，磁场甚至灯光都可以定位，不过这些新兴室内定位技术还是有各自的限制，其主要原因是必须个别部署它们专属的定位网络系统，这样会耗费非常大的建设成本。目前，室内定位技术还处于起步阶段，首先需要解决的是系统开发问题。虽然国外一些公司和研究机构已在这一领域开展数年的研究，设计出许多系统，如RADAR,AT&T,ActiveBat,Cricket等，并且有些已投入商业应用，受成本、定位精度、可靠性以及易用性等方面影响，室内定位技术尚未广泛用于人们的生产生活当中，室内定位系

8、统仍然存在大量需要解决的问题。1.3 国内外的研究现状近年来在WIFI室内定位技术上己经出现了很多具有代表性的研究成果，较为典型的是RADAR系统、Eorus系统、Nibble系统与Weyes等室内定位系统。1.3.1 RADARS统RADAR定位系统是微软公司在2000年提出来的，这个系统是基于RSS的室内定位方案。它的硬件是基于802.11协议的。RADAR定位系统定位算法主要分为两个阶段：第一个阶段，离线建库阶段，就是在实时定位前，在目标区域内大量采集样本，建立起地理位置和信号强度的关系映射表；第二个阶段，在线定位阶段，也就是实时定位阶段，移动终端把接收到的无线接入点的RSS信号值，通过

9、己有的RSSI与地理位置映射数据库相比较，查找出最有可能的结果，完成定位。RADAR定位系统的优点在于它的平台比较成熟，无需开发一个新的应用平台。它的缺陷是：室内环境一旦改变，那么原有的射频数据库就会失效，数据库必须随着时间的推移定期更新。1.3.2 Eorus系统Eorus定位系统同样选用RSSI作为参考点的指纹数据，与RADAR定位系统不同的是其使用概率模型来创建信号数据库。Eorus系统在收集参考点上的的RSS数据时，并不像RADAR系统中那样把接收到的信号取其中值或均值，而是通过大量的数据构建成每个基站的接收RSS值在指纹参考点上的概率分布，并利用生成的概率分布来建立位置指纹数据库。在

10、实时定位阶段中，为减少计算量、提高定位算法的速度，Eorus系统提出了一种位置指纹数据库分类的方法。由于单个基站的覆盖范围有限，在实际定位过程中，没有必要在整个数据库当中进行匹配搜索，而只需要在定位时，缩小搜索范围，只搜索相对应的区域，从而提高定位算法的速率与实时性。1.3.3 Nibble系统Nibble定位系统跟上面的两个系统的最大不同点在于其采用信噪比(SNR)乍为信号样本，并用接收信号的信噪比值来建立参考点的位置指纹数据库。开发Nibble定位系统的人认为信号的SNR比RSS能更好的提取出位置特征信息。跟上面的Eorus系统一样，Nibble系统也使用概率模型来建立位置指纹数据库，但与

11、Eorus不同白是Nibble定位系统使用贝叶斯网络来创建SNR的概率分布图与参考点的位置指纹数据库。Nibble系统把较大的一个区域(比如整个房间)当成一个点来进行定位，所以比较适用于对定位精度要求不高的环境中。第二章室内定位系统基本概念与原理2.1 定位算法目前的定位算法，从原理上来说，大体上可以分为3种：邻近信息法、场景分析法以及几何特征法。2.1.1 邻近信息法利用信号作用的有限范围，可以确定待测点是否在某个参考点的附近。但只能提供大概的定位信息，能满足某些应用的要求。例如利用手机基站定位，可以确定来电归属地，但精度也只能确定在某一地区。2.1.2 场景分析法对于指定位置的可测量特征定

12、位。比如测量接收信号的强度，与实现测量的、存在数据库的该位置的信号强度作对比。理想的场景分析法可以利用视频识别，看到某一景物就能确定位置，但这需要庞大的信息知识库做支撑。2.1.3 几何特征法几何特征法是利用几何原理进行定位的算法，是目前应用最广泛的定位算法，通常需要多个点和边作为已知条件进行计算定位，具体又分为以下几种。(1)三边定位法：在平面上，三边定位法就是测量待测点到3个不在同一直线上的参考点的距离。根据估计的三边距离，再结合参考点的位置，待测点的位置就在3个圆的交点上。(2)三角定位法：利用了这样一个事实：在一个三角形中，如果已知一条边的长度和两个角的大小，那么可以确定第3个点的位置

13、，且该点是三角形另外两条边的交点。(3)双曲线定位法：形成双曲线的几何原理是：到两个固定点距离差为常数的动点轨迹，是以这两个固定点为焦点的双曲线。由3个不在一条直线上的参考点可以确定两条双曲线，两条双曲线的交点就是待测点。图1三边定位图3以山找定位2.2 室内定位系统的结构与模型2.2.1 结构原理目前的定位技术多要借助辅助节点进行定位，通过不同的测距方式，计算出待测节点相对于辅助节点的位置，然后与数据库中事先收集的数据进行比对，从而确定当前位置，如图所示。图4室内定位结构原理图首先在室内环境设置固定位置的辅助节点，这些节点的位置已知，有的位置信息是直接存在节点中，如RFID的标签，有的是存在

14、电脑终端的数据库中，如红外线、超声波等。然后测量待测节点到辅助节点的距离，从而确定相对位置。使用某种方式进行测距通常需要一对发射和接收设备，按照发射机和接收机的位置大体可以分为两种：发射机位于被测节点，接收机位于辅助节点，例如红外线，超声波和RFID;另一种是发射机位于辅助节点，接收机位于被测节点，例如WiFi、超宽带、ZigBee和蓝牙。最后分析计算位置，利用计算机终端的数据库进行匹配，从而得出具体位置。具体流程如图5所示，除了用到之前已知的辅助节点位置和计算得出的距离外，还需要一定的模型来提高精度。蓝牙超南波邻近信息场笈放据库红外线不f-Fi分析JL何的征查可匹配传感器RFID超宽带石一等

15、图5室内定位流程图2.2.2 模型分析随着人们对定位精度要求的不断提高，测距后利用几何定位已不能满足要求，因此目前的室内定位方法都使用计算模型，具有更高精度和可靠性。目前比较成熟的模型包括传播模型和指纹模型，这两种模型在WiFi定位技术上应用广泛。(1)传播模型。依靠分析信号传播过程中的特性来推算传播距离。常用的特性包括：RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication),AOA(AngelofArrival),TOA(TimeofArrival)。由于所有参数难以在同一模型内考虑，所以精度有限。传播模型得益于已知无线电信号的传播和AP接入点的位置。但不能很好地处理信

16、号的不确定性。RSSI的数值不是常数，即使发送和接收双方都不移动，也可能出现严重的振荡。这是由信道的快速衰落和无线信号传输环境的迅速变化造成的。另外，一般使用的简单的、便宜的无线信号收发器通常没有经过校准，在不同的设备上即使相同的信号强度也可能导致不同的RSS值。(2)指纹模型。是一种基于学习的模型，运用模式匹配的技术，根据所在位置的测量值跟已经观测到的所有位置的测量值作比较，然后根据匹配情况确定位置。可以将信号的不确定性考虑在内，在定位效果方面令人满意。主要缺点是需要大量的工作量去给一个给定的环境建立定位模型并进行校准。而且环境改变之后，之前建立的模型将不再适用，需要修改。WiFi室内定位技

17、术需要多个WiFi接入点。第一步是构建指纹地图，按照指纹，地点的形式在不同位置收集数据，并写入指纹地图的数据库。其中指纹可以包括信号强度、方向以及接入点的MAC地址等信息。第二步是定位，被测物体上安装WiFi信号接收器，在某一位置接收到信号之后，用当前位置的指纹信息到指纹地图库中匹配，即可得出所在位置。2.2.3 技术对比在精度、定位方法、实例和优缺点等方面对当前比较成熟的几种室内定位技术进行对比,从宏观上掌握室内定位技术领域发展的方向和目前研究的瓶颈问题。埼度定黑r法式利优点红外5-lQm颦近茴息.Vbi8山博随荏不能!MB即脸诲曲而.巾援尢场克干推趣声诚1-1。小三:i定位L12lliil

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19、精度问题。目前大部分定位技术的精度还不高，约在几米之内，这个精度在室内环境来说较大，要提高精度就必须提高抗干扰能力、解决信号衰减、多径效应、视距传播和信号震荡校准等传统问题。(2)降低能耗和成本问题。目前大部分的定位技术都需要在环境中安装辅助节点用于测距、返回位置信息等，要提高精度，就必须安装大量的辅助节点，这大幅增加了成本和能耗。有些技术本身功率大，能耗高，有的技术需要大量的人力物力去收集指纹信息，完善指纹地图，此外利用RSSI测距还需要周期性的人为校准等，这些都在实用性方面大幅制约了技术的发展。通过构建指纹地图来提高WiFi定位的精度，其中利用移动设备使用位置的历史来完善指纹地图，降低了人

20、工搜集指纹的工作量。利用多层建筑中各楼层结构的相似性，提出了一种算法来减轻收集指纹的工作量。提供了一种基于FM调频的自校准机制，克服了RSSI测距时电磁波震荡产生的误差。(3)通用标准化问题。各种定位技术都有优缺点，未来室内定位的发展趋势必然是多种技术的融合，取长补短。而体系结构的标准化问题、各种技术的无缝整合问题都大大制约了这样的发展趋势。此外，室内定位和室外定位的结合也是大势所趋，同样需要涉及到标准化问题。所以通用标准化的完善有助于促进室内定位技术的发展。目前的定位技术还没有一个统一的权威标准出台，无疑限制了多技术融合的发展。(4)未知环境的定位问题。目前的大多数定位技术都是基于熟悉环境的

21、，环境中预先安装了大量传感器、标签等辅助基础设施，但是实际应用场景并不都是熟悉环境，比如地震、火灾、反恐等紧急事件的处理问题，往往没有条件安装辅助基础设施。所以基于未知环境的室内定位技术有着巨大的应用需求。提出了一种基于未知环境的定位技术，利用房间外不同位置的定向天线进行定位，取得了一定突破。此外处理如上提出的紧急事件时，还要求定位系统部署简单，反应快，精度高。(5)安全隐私问题。个人的实时位置属于个人隐私的一部分，涉及到安全问题，目前的定位技术都会将被测物体的位置信息返回到主机进行计算或者到数据库中进行匹配，但主机或数据库会留底，这样就留下了一定的安全隐患。文献15提出的基于RFID的室内指

22、导和监控系统目的在于保护使用者隐私，不打扰使用者日常生活。第三章室内定位系统基于定位算法而衍生出来的室内定位技术有：超声波、红外线、蓝牙、射频、Wi-Fi,Zigbee、超宽带等技术。3.1 超声波技术超声波室内定位技术目前大多采用反射式测距法，其工作原理：超声波定位系统由固定安装在室内的若干参考节点和被定位的移动端组成。移动端向室内的参考节点发射超声波信号，参考节点接收到移动端发射的超声波信号后发射超声波信号作为响应，移动端根据发射超声波到收到参考节点响应回波的时间差计算与参考节点之间的距离，当移动端同时接收到3个或3个以上且不在同一直线上参考节点发射的回波后，通过常用于GPS1位系统中的三

23、角定位等算法计算出移动端当前的位置信息。目前，比较流行的基于超声波室内定位的技术还有下面两种：一种为将超声波与射频技术结合进行定位。由于射频信号传输速率接近光速，远高于射频速率，那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号，利用时间差的方法测距。这种技术成本低，功耗小，精度高。另一种为多超声波定位技术。该技术采用全局定位，可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器，将待定位空间分区，由超声波传感器测距形成坐标，总体把握数据，抗干扰性强，精度高，而且可以解决机器人迷路问题。超声波不受可视距离限制，能够在介质中远距离传播，且超声波发射的方向容易控制，定位精度可达到厘米级、精度较高、

24、误差较小。目前超声波测距在工业中得到广泛应用，但在定位系统中通常需要其他技术如无线电辅助定位，增加硬件基础设施成本。3.2 红外技术红外线是一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。典型红外线室内定位系统：首先在室内安装固定的光学传感器，由红外线(InfraredIR)发射器发射特定的红外线，光学传感器接收红外线进行定位。如果将红外线与超声波技术相结合也可方便地实现定位功能。用红外线触发定位信号使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波，应用TOA基本算法，通过计时器测距定位。一方面降低了功耗，另一方面避免了超声波反射式定位技术传输距离短的缺陷。使得红外技术与超声波技术优势互补。红外线室内定位

25、技术定位精度在5-10m,精度相对较高，但是由于红外线无法穿透建筑内的障碍物仅能在可视的直线距离内传播，使得红外线传输距离短，且当红外发射器被遮挡物覆盖时工作就会发生异常；红外线不仅受室内布局影响，荧光灯等室内光线也会干扰红外射线，影响定位精度；在硬件设施上，红外定位技术需要在每个房间内安装光学传感器等接收天线设备，成本较高。总之，红外线适合在短距离内传播，受室内布局及灯光环境影响较大，整体定位效果具有一定的局限性。3.3 蓝牙技术蓝牙室内定位的工作原理：蓝牙是一种无线传输技术，它具有传播距离短、功耗低、支持点到点及点到多点无线互联等特点。利用蓝牙技术的这些特点，在室内安装适当的蓝牙局域网接入

26、点，配置多用户的网络连接模式，并且保证通过蓝牙技术连接起的微微网（Piconet）主设备为室内安装的蓝牙局域网接入点，可根据测量被定位的从设备信号强度，获取被定位用户的位置信息，从而达到蓝牙技术在室内定位的目的。利用蓝牙技术进行室内定位，设备体积小容易集成在手机等便携设备中，且不受可是距离影响。但是蓝牙设备昂贵，且易受噪声信号、复杂的空间环境干扰系统的稳定性较差。3.4 射频技术3.4.1 RFID技术原理射频识别（RFID股术是一种操控简易，适用于自动控制领域的技术，它利用了电感和电磁祸合或雷达反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别。射频（RF磔具有一定波长的电磁波，它的频率描述为：kH

27、z,MHz,GHz,范围从低频到微波不一。3.4.2 RFID室内定位系统的基本结构该系统通常由电子标签、射频读写器、中间件以及计算机数据库组成，结构如图2所示。射频标签和读写器是通过由天线架起的空间电磁波的传输通道进行数据交换的。在定位系统应用中，将射频读写器放置在待测移动物体上，射频电子标签嵌入到操作环境中。电子标签上存储有位置识别的信息，读写器则通过有线或无线形式连接到信息数据库。3.4.3 RFID室内定位技术典型系统LANDMARK射却除短接收激活信号,反射标识倍,也图7RFID室内定位系统结构LANDMARK系统是应用RFID的典型的室内定位系统。该系统通过参考标签和待定标签的信号

28、强度RSSI的分析计算，利用“最近邻居”算法和经验公式计算出带定位标签的坐标。LANDMARK系统定位精度：平土11m。缺陷：LANDMARK系统有几方面缺陷，首先，系统定位精度由参考标签的位置决定，参考标签的位置会影响定位；第二，系统为了提高定位精度需要增加参考标签的密度，然而密度较高会产生较大的干扰，影响信号强度；第三，因为要通过公式计算欧几里德公式得到参考标签和待定标签的距离，所以计算量较大。3.5 WIFI技术与蓝牙技术Wi-Fi定位是目前比较流行的，适用于家用或者办公室短距离内的无线局域网络技术。其定位原理是是根据定位目标与各Wi-Fi接入点的距离来判断目标的位置，也可以根据事先合成

29、的信号强度图来判定，其定位精确度大约在1m-20s目前，我国很多城市都拥有或者是正在建造Wi-Fi网络，系统成本较低，这是Wi-Fi技术的一大优势，其缺点是功耗高，接收和发射器的覆盖区域小，受其他信号干扰影响定位精度。蓝牙技术与Wi-Fi技术同属于家用或者办公室内短距离、低功耗的无线技术，通过无线局域网络（WLAN）获取信息，实现复杂的大范围定位、监测。其工作频段是全球通用的2400-2483.SMHzISM。蓝牙技术通常是结合RSSI方法使用，在室内安装蓝牙接入点配置基于用户的网络模式，与蓝牙信标建立连接，利用RSSI进行距离测量，得住定位目标的位置。蓝牙技术实现定位的设备体积小便于携带，容

30、易集成到手机等便携设备中。它的缺点是：受可视距离影响传播距离短，受其他信号干扰影响定位精度。3.6 Zigbee与超宽带技术Zigbee技术是根据接收机收到的信号强度，参照信号在传播过程中的衰减模型，根据信号的损耗计算出接收机与信号发射点之间的距离，它也是结合RSSI方法实现对定位目标位置的判定。超宽带技术是近年来新兴的一项无线技术，目前，包括美国，日本，加拿大等在内的国家都在研究这项技术，在无线室内定位领域具有良好的前景。UW眼术是一种传输速率高（最高可达1000Mbps以上），发射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术，无载波。正是这些优点，使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。超宽带室内定位技术常采用TDOA寅示测距定位算法，就是通过信号到达的时间差，通过双曲线交叉来定位的超宽带系统包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。而超宽带室内定位系统（如图5所示）则包括UW蓑收器、UW考标签和主动UW拆签。定位过程中由UW卷收器接收标签发射的UWB言号，通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰，得到含有