室内定位技术综述

2023-02-13

定位技术按使用场景可以分为室外定位和室内定位两种方式, 在室外环境下, 全球定位系统 (GPS) 、北斗定位系统 (BDS) 等全球导航卫星系统已经可以近乎完美的提供位置信息, 极大方便了人们的出行。而在室内, 由于建筑物的遮挡、楼层密度较大等特点无法正常工作[2]。当前室内定位技术发展较快, 目前, 学者们提出了红外线、超声波、超宽带、2.4G等室内定位技术。本文总结了目前国内外各种主流室内定位技术的最新进展, 并对其原理进行了论述, 最后讨论室内定位技术应用存在的问题和发展前景, 为相关从业者提供了参考。

一、基于红外线的定位方法

红外线是一种波长在无线电波和可见光之间的电磁波。红外定位分为两种方式, 第一种红外线定位系统一般包括红外发射器和红外接收器两部分, 红外发射器附着在待测物体上, 红外接收器位置固定, 通过测量两者之间的距离和角度计算待测物体的位置坐标。另一种是通过红外织网, 待测空间由发射器和接收器织成的红外网络覆盖, 实现对待测目标的定位[3]。

使用红外线系统进行室内定位, 优势在于定位精度较高, 系统成本低。缺点在于定位过程中会有较多的盲点, 另外红外线定位技术功耗较大且常常会受到室内物体的阻隔, 易受热源、灯光等干扰, 实用性价差。红外定位精度在5~10米。

二、基于超声波的定位方法

超声波是频率高于20KHZ的声波, 同普通的声波一样可以在固态、液态、气态三种介质中进行传播[4]。

超声波目前主流采用发射式测距法, 根据发射超声波到电子标签响应回波的时间差计算与电子标签之间的距离。系统由一个主测距器和若干电子标签组成, 主测距器放置于移动物体上, 电子标签根据室内布局分布于固定位置。超声波定位能在非可视距离下传播, 定位精度较高且误差较小, 但是超声波信号传输衰减严重, 定位有效范围有限, 需要铺设大量硬件设备, 系统成本很高。故仅适用于特定环境下室内定位[5]。

三、基于超宽带的室内定位技术

超宽带技术是近年来新兴的一项无线技术, 它通过对具有很陡上升和下降时间的冲击脉冲进行直接调制解调, 使信号具有GHz量级的贷款。超宽带定位技术具有很高的时间和空间分辨率, 通过时间信息利用到达时间差法可以获得距离信息, 通过角度信息利用三角定位等几何方法可获得待测物体的位置信息。该技术发射功率低、穿透力强, 无载波。基于以上优点, 使用超宽带在室内定位可达到厘米级精度。较高的系统建设成本使得其难以实现大范围铺设, 从而限制了超宽带定位技术的应用[6]。

四、基于2.4G定位技术

2.4G频段的定位方式主要包括Wi Fi、Zig Bee和蓝牙。三种无线技术比较见表1。

Wi Fi定位技术近年来快速发展, 主要是由于城市的基础建设日趋完备, 超市、商场、公园等很多公共场所都铺设有Wi Fi。2012年, 谷歌把Wi Fi室内定位和室内地图引入谷歌地图, 目前已经覆盖大量欧美国家公共区域。目前, 大多数Wi Fi定位系统都采用基于RSSI值 (信号强度值) 的位置指纹识别技术。Wi Fi定位精度可以达到米级, 成本较低, 实用性强[7]。

Zig Bee技术的主要特点包括:可靠性高, 采用碰撞避免机制, 同时为了保证传输数据的可靠性, 建立了完整的应答通信协议;具有安全保密性, Zig Bee定位的优点在于低功耗, 自组网, 低成本, 保密性较好。其定位一般采用三点定位方式。

Zig Bee定位精度在5~10米, 但信息传输速度较慢。

蓝牙定位技术也是采用基于RSSI值定位。根据定位终端不同, 蓝牙定位方式可分为网络侧定位和终端侧定位。

网络侧定位由定位标签, 路由节点, 网关, 局域网和后台服务器组成。定位过程如下:在定位区域铺设好路由节点和网关后, 当定位标签进入信号覆盖范围, 其接收到路由节点广播信号, 经过计算将RSSI值 (信号强度值) 经网关传送至后台服务器, 后台服务器通过计算获得定位标签坐标。

终端侧定位由移动定位终端, 蓝牙基站组成。定位过程如下:在定位区域铺设好蓝牙基站, 当移动定位终端进入基站覆盖范围时, 测量其与不同基站的RSSI值, 在通过移动定位终端内置算法计算具体坐标。蓝牙定位功耗和成本较低, 但由于信号传输距离较近, 仅有30米, 故使用范围受到一定的限制。