室內(nèi)定位技術(shù)現(xiàn)狀與展趨勢(shì)

1、室內(nèi)定位技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)隨著更多新型移動(dòng)設(shè)備比如手機(jī)、平板電腦、可穿戴設(shè)備等，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的性能飛速增長(zhǎng)和基于位置感知的應(yīng)用的激增，位置感知發(fā)揮了越來越重要的作用。在室內(nèi)和室外的環(huán)境下，連續(xù)地可靠地提供位置信息可以為用戶帶來更好的用戶體驗(yàn)。室外定位和基于位置的服務(wù)已經(jīng)成熟，基于GPS和地圖的位置服務(wù)被廣泛應(yīng)用，并成為各種移動(dòng)設(shè)備被使用最多的應(yīng)用之一。近年來，位置服務(wù)的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)正向室內(nèi)發(fā)展以提供無所不在的基于位置的服務(wù)，其主要推動(dòng)力是室內(nèi)位置服務(wù)所能帶來的巨大的應(yīng)用和商業(yè)潛能。許多公司包括OS提供商、服務(wù)提供商，設(shè)備和芯片提供商都在競(jìng)爭(zhēng)這個(gè)市場(chǎng)。室內(nèi)位置感知可以支持許多應(yīng)用場(chǎng)景，并且正在改

2、變移動(dòng)設(shè)備的傳統(tǒng)使用模式。舉一些應(yīng)用的例子，用戶可以尋找特定的餐館或在商店里尋找某個(gè)商品，從附近商場(chǎng)里的商戶得到優(yōu)惠信息，在辦公室里找到同事，在機(jī)場(chǎng)或火車站找登機(jī)口/站臺(tái)或其它設(shè)施，在博物館里更有效地了解展品信息和觀看展覽，醫(yī)院確定醫(yī)護(hù)人員或醫(yī)療設(shè)備的位置，消防員在起火大廈里的定位等等。想像這樣的場(chǎng)景，當(dāng)我們到會(huì)議室開會(huì)，手機(jī)會(huì)自動(dòng)開啟靜音模式，我們逛商場(chǎng)看到一件感興趣的商品可是還在猶豫時(shí)，拍下照片并自動(dòng)給照片打上位置標(biāo)簽，等下次決定要買時(shí)手機(jī)幫我們導(dǎo)航到該商品的位置。這些都會(huì)給我們?nèi)粘５纳詈凸ぷ?，以及在緊急情況下帶來方便。室內(nèi)定位面臨很多獨(dú)特的挑戰(zhàn)，比如說室內(nèi)的環(huán)境動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)可以說是多種多

3、樣，不同的大廈會(huì)有不同的室內(nèi)布局;室內(nèi)的環(huán)境更加精細(xì)，由此也需要更高的精度來分辨不同的特征。室內(nèi)環(huán)境的這些獨(dú)特特征使得現(xiàn)有的很多解決方案是對(duì)特定的環(huán)境和應(yīng)用有針對(duì)性的解決方案，如果移植到其他環(huán)境和應(yīng)用會(huì)受到不同的局限。那么實(shí)用的室內(nèi)定位解決方案都需要滿足那些要求呢?主要包括以下幾個(gè)方面：精度、覆蓋范圍、可靠性、成本、功耗、可擴(kuò)展性和響應(yīng)時(shí)間。精度：對(duì)精度的要求不同的應(yīng)用差別很大，比如在超市或倉庫找一個(gè)特定的商品可能需要1米甚至更低的精度，如果在購(gòu)物中心尋找一個(gè)特定的品牌或餐館，5-10米的精度就能滿足要求。覆蓋范圍：覆蓋范圍主要是指一個(gè)技術(shù)和解決方案可以在多大的范圍內(nèi)提供滿足精度的覆蓋。有些技

4、術(shù)需要相應(yīng)或?qū)Ｓ玫幕A(chǔ)設(shè)施支撐并結(jié)合相應(yīng)的定位終端使用，這樣它的覆蓋就只是布局了相應(yīng)技術(shù)的環(huán)境范圍。可靠性：前面提到室內(nèi)環(huán)境動(dòng)態(tài)性很強(qiáng)，會(huì)經(jīng)常發(fā)生改變，比如商場(chǎng)的設(shè)置和隔斷會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。另一方面，定位所依賴的基礎(chǔ)設(shè)施也會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。舉個(gè)例子，一些大型的會(huì)議，參展商會(huì)架設(shè)自己的WiFi熱點(diǎn)，這些設(shè)施會(huì)動(dòng)態(tài)變化位置，甚至有時(shí)開有時(shí)關(guān)，如果定位技術(shù)是基于WiFi的，可靠的系統(tǒng)應(yīng)該不會(huì)受到這些因素的影響。成本和復(fù)雜度：成本和復(fù)雜度指標(biāo)涵蓋兩個(gè)方面。一個(gè)是定位終端的成本，是不是可以用終端已有的硬件而不添加新的硬件。另一方面是布局和維護(hù)的成本及其復(fù)雜度，包括布局與維護(hù)定位所需要的設(shè)施和采集相關(guān)的數(shù)據(jù)庫

5、。功耗：定位所產(chǎn)生的功耗是一個(gè)很重要的指標(biāo)尤其對(duì)使用電池的移動(dòng)設(shè)備，如果功耗大很快使設(shè)備沒電了，就限制了用戶的使用。有調(diào)查表明，電池消耗過快是很多用戶不開啟定位功能的一個(gè)主要因素。所以，如果要實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的位置感知，必須降低定位所增加的設(shè)備額外功耗?？蓴U(kuò)展性：可擴(kuò)展性指一個(gè)解覺方案擴(kuò)展到更大的覆蓋范圍使用的能力，和方便地移植到不同的環(huán)境和應(yīng)用的能力。響應(yīng)時(shí)間：系統(tǒng)給出一個(gè)位置更新所需的時(shí)間是響應(yīng)時(shí)間，不同的應(yīng)用需求不同，比如移動(dòng)用戶和導(dǎo)航應(yīng)用需要快的位置更新。綜合前面闡述的需求，可以總結(jié)出以下室內(nèi)定位技術(shù)所面臨的挑戰(zhàn)，如果室內(nèi)定位技術(shù)要廣泛使用，這些技術(shù)挑戰(zhàn)需要很好的解決。首先，精度和可靠性，

6、現(xiàn)有的單一定位技術(shù)很難滿足不同的精度和環(huán)境動(dòng)態(tài)特性所帶來的可靠性要求。其次，從提高覆蓋的角度，現(xiàn)有的技術(shù)基本上都依賴定位數(shù)據(jù)庫，而數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)生大多依賴人工的現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，這樣帶來的布局和維護(hù)成本很高。最后一點(diǎn)，從用戶體驗(yàn)的角度，要求所采用的定位技術(shù)功耗低，不增加額外成本。室內(nèi)定位技術(shù)已經(jīng)有了很多發(fā)展，提出了各種解決方案。這些解決方案各存在不同的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有各種局限，從而使單一的技術(shù)不能滿足以上所提出的這些挑戰(zhàn)。當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是采取多種技術(shù)的融合，以達(dá)到充分發(fā)揮單一技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并相互彌補(bǔ)不足，從而滿足不同的要求所提出的技術(shù)挑戰(zhàn)，達(dá)到最優(yōu)的解決方案。接下來會(huì)介紹現(xiàn)有的不同定位技術(shù)，并分析

7、它們的優(yōu)勢(shì)和局限，最后討論室內(nèi)定位領(lǐng)域的新發(fā)展趨勢(shì)。圖1介紹了現(xiàn)有的一些定位技術(shù)和他們的性能特點(diǎn)。下面對(duì)其中幾種常用于室內(nèi)定位的技術(shù)做出簡(jiǎn)要的介紹?；赪iFi的定位技術(shù)：WiFi芯片在各種手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備上已經(jīng)普遍應(yīng)用，而且其基礎(chǔ)熱點(diǎn)設(shè)施的室內(nèi)覆蓋也非常好，很多需要定位的公共場(chǎng)所如機(jī)場(chǎng)、商場(chǎng)都有覆蓋，所以WiFi用于室內(nèi)定位成為很自然的選擇，很多現(xiàn)有的解決方案都是主要基于WiFi技術(shù)?；赪iFi的定位技術(shù)主要有三種，第一種是基于接收信號(hào)強(qiáng)度的三邊測(cè)量定位(接收信號(hào)強(qiáng)度定位法)，這也是現(xiàn)在業(yè)界應(yīng)用最多的技術(shù)。接收信號(hào)強(qiáng)度定位法是通過信號(hào)強(qiáng)度和已知信號(hào)衰弱模型來估計(jì)參考點(diǎn)與待測(cè)點(diǎn)的距離，根據(jù)多個(gè)

8、參考點(diǎn)距離待測(cè)點(diǎn)的距離值畫出圓，多個(gè)圓的重疊部分就是待測(cè)目標(biāo)的位置。它的優(yōu)點(diǎn)是布局和維護(hù)成本相對(duì)低，只需要采集WiFi熱點(diǎn)的位置數(shù)據(jù)庫，局限是給出的定位精度低，大概能得到1020m的精度，有些情況可能更低。第二種是基于接收信號(hào)強(qiáng)度的指紋定位。該技術(shù)是將測(cè)量到的接收信號(hào)強(qiáng)度與前期測(cè)量的各個(gè)參考點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度特性進(jìn)行比較，選取匹配最好的參考點(diǎn)位置來作為測(cè)量目標(biāo)的位置。現(xiàn)有很多解決方案也是專注在該技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是定位精度高，可以達(dá)到35m的精度，缺點(diǎn)是布局和維護(hù)的成本較高，系統(tǒng)依賴射頻信號(hào)強(qiáng)度的指紋數(shù)據(jù)庫，對(duì)于大規(guī)模的使用，數(shù)據(jù)庫大，產(chǎn)生和維護(hù)成本相對(duì)較高，也在一定程度上造成可移植性差。第三種是基

9、于信號(hào)飛行時(shí)間的測(cè)量，通過測(cè)量無線信號(hào)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的往返飛行時(shí)間，并用該時(shí)間推算節(jié)點(diǎn)間的距離，根據(jù)多個(gè)參考點(diǎn)距離待測(cè)點(diǎn)的距離值畫出圓，多個(gè)圓的重疊部分就是待測(cè)目標(biāo)的位置。它的優(yōu)點(diǎn)是精度高，可以達(dá)到低過1米的精度，其局限是生態(tài)系統(tǒng)還不完備，現(xiàn)有的設(shè)備不支持。現(xiàn)有的WiFi定位技術(shù)都依賴WiFi熱點(diǎn)位置分布數(shù)據(jù)庫或者接收信號(hào)強(qiáng)度指紋數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)定位，所以WiFi定位大范圍在室內(nèi)應(yīng)用要解決的主要問題是可靠地產(chǎn)生和動(dòng)態(tài)維護(hù)數(shù)據(jù)庫，同時(shí)要低復(fù)雜度，這樣才能在大量的建筑中使用?；趹T性傳感器的輔助定位：慣性傳感器如加速度計(jì)、陀螺儀、磁場(chǎng)計(jì)和壓力傳感器已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)設(shè)備上，它們提供9

10、軸或12軸自由度的運(yùn)動(dòng)估算。這些傳感器可以估計(jì)用戶的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)時(shí)地推算用戶的運(yùn)動(dòng)軌跡及高度信息。根據(jù)估算的運(yùn)動(dòng)軌跡，系統(tǒng)可以給出目標(biāo)用戶相對(duì)初始點(diǎn)或參考點(diǎn)的相對(duì)位置。它的優(yōu)點(diǎn)是在相對(duì)短的時(shí)間內(nèi)可以給出準(zhǔn)確的相對(duì)位置估計(jì)，并且位置更新速度快，另外功耗也較低;其缺點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間的估算誤差大，另外有些系統(tǒng)對(duì)用戶會(huì)提出使用限制，比如設(shè)備只能采取特定的指向?；趹T性傳感器的輔助定位已經(jīng)開始被廣泛應(yīng)用。地圖匹配技術(shù)：室內(nèi)地圖技術(shù)也需要迅速發(fā)展，地圖匹配技術(shù)可以幫助定位技術(shù)提高精度，比如通過地圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析來修正慣性傳感器給出的位置推算結(jié)果，可以很好地提高慣性傳感器位置推算的精度。低功耗藍(lán)牙技術(shù)：基于低功耗藍(lán)

11、牙的定位技術(shù)會(huì)變得越來越重要，尤其是對(duì)零售領(lǐng)域的應(yīng)用。該技術(shù)需要布局Beacon網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)Beacon創(chuàng)建一個(gè)信號(hào)區(qū)域，定位精度可以做到區(qū)域定位，也可以通過RSSI與距離的關(guān)系公式計(jì)算出設(shè)備與Beacon之間的距離，另外還可以利用三邊測(cè)量定位、指紋算法等增加定位精度。多個(gè)Beacons，并且拓?fù)浜侠?，能達(dá)到比較好的室內(nèi)定位效果?，F(xiàn)在的局限是需要布局專用的Beacon設(shè)施，其覆蓋范圍不廣，并且很多移動(dòng)用戶不經(jīng)常開啟藍(lán)牙設(shè)備。隨著很多大公司的推動(dòng)，相關(guān)技術(shù)會(huì)有更大的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用空間。主要的室內(nèi)定位技術(shù)和其主要的推動(dòng)者，這里主要是針對(duì)國(guó)外的公司的調(diào)研結(jié)果。室內(nèi)定位已經(jīng)迎來了高速發(fā)展的階段，現(xiàn)在

12、可以看到和預(yù)測(cè)的趨勢(shì)可以總結(jié)以下幾點(diǎn)：(1)基于低功耗藍(lán)牙BLE的定位技術(shù)會(huì)被越來越廣泛應(yīng)用。藍(lán)牙室內(nèi)定位已發(fā)展一段時(shí)間，但過去并未受重視，隨著蘋果公司提出的iBeacon技術(shù)，BLE定位受到相當(dāng)大的關(guān)注。目前基于該技術(shù)的信息推送應(yīng)用在零售業(yè)已經(jīng)獲得相當(dāng)大的響應(yīng)，預(yù)期未來BLE室內(nèi)定位技術(shù)會(huì)更多結(jié)合信息推送、移動(dòng)支付等應(yīng)用，或被實(shí)踐在日常生活上提供個(gè)性化服務(wù)。(2)多種技術(shù)結(jié)合的混合定位方法，以滿足各種室內(nèi)環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景的需求，并彌補(bǔ)單一技術(shù)的局限。越來越多的解決方案已經(jīng)將9軸或12軸慣性傳感器技術(shù)和其它技術(shù)如基于WiFi的定位技術(shù)融合到一起，并且這已經(jīng)成為趨勢(shì)。Google、Broadcom

13、、CSR都提供多種技術(shù)融合的混合解決方案。未來會(huì)有更多的解決方案是完整的傳感器/WiFi/BLE的混合解決方案以滿足多種需求。(3)室內(nèi)地圖和室內(nèi)定位數(shù)據(jù)庫會(huì)迅速發(fā)展，相關(guān)技術(shù)趨于成熟，以保證快速擴(kuò)展的能力和定位性能的可靠性與一致性。這里的挑戰(zhàn)包括地圖和數(shù)據(jù)庫的擴(kuò)展性，快速有效地產(chǎn)生和維護(hù)數(shù)據(jù)庫的技術(shù)，比如通過眾包的方法。(4)基于位置的應(yīng)用和服務(wù)會(huì)更多利用附近的感應(yīng)和發(fā)現(xiàn)。相對(duì)定位而言，附近的發(fā)現(xiàn)會(huì)更簡(jiǎn)單因?yàn)樗⒉恍枰?jì)算精確位置，而只是發(fā)現(xiàn)附近的設(shè)備就能提供相應(yīng)的服務(wù)。這種技術(shù)對(duì)于室內(nèi)和連續(xù)無處不在的定位而言有很大影響，并可以作為很好的補(bǔ)充，尤其是針對(duì)精確定位不容易實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景。相關(guān)的技術(shù)有BT/BLE、LTE Direct、WiFi Direct、NFC等。(5)采用專用的定位引擎來處理定位、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、傳感器數(shù)據(jù)分析、信息融合和地理圍欄等。通過用專用的處理器來處理運(yùn)動(dòng)，情境和定位，可以降低對(duì)應(yīng)用處理器的喚醒，以優(yōu)化和降低功耗，達(dá)到隨時(shí)隨地都知道所處位置的目標(biāo)。(6)低功耗優(yōu)化，降低定位功能對(duì)移動(dòng)設(shè)備帶來的額外功耗以實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的精準(zhǔn)定位。包括使用專用的定位處理引擎