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综述室内定位技术

发布时间 :

2019-11-06

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近年来,位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展,以提供无所不在的基于位置的服务,其主要推动力是室内位置服务所能带来的巨大的应用和商业潜能。许多公司包括OS提供商、服务提供商,设备和芯片提供商都在竞争这个市场。

近年来人员定位在工业领域的发展势头迅猛,云酷科技通过UWB技术与多年来的电厂行业经验,在电厂人员定位服务上更具专业性。为了让广大电力行业人员了解和认识定位技术与定位技术的应用,将进行一系列的专题文章,方便广大可能会接触定位技术或对定位技术有需求的人全方位了解这个超实用工具。

室内定位应用

室内定位即通过技术手段获知人们在室内所处的实时位置或者行动轨迹。基于这些信息能够实现多种应用。

公司的管理者则可以运用室内定位技术实时获知室内的人员状况,从而更好地优化空调的使用等,达到节能减排的目的,还能够有效提高安全保卫的水平。
通过部署室内定位技术,电信运营商能够更好地找到室内覆盖的“盲点”和“热点”区域,更好地在室内为用户提供通信服务。

室内定位面临的挑战

和室外定位相比,室内定位面临很多独特的挑战,比如说室内的环境动态性很强,可以说是多种多样,由此也需要更高的精度来分辨不同的特征。

那么实用的室内定位解决方案都需要满足哪些要求呢?主要包括以下几个方面:精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性和响应时间。
精度:对精度的要求不同的应用差别很大。
覆盖范围:覆盖范围主要是指一个技术和解决方案可以在多大的范围内提供满足精度的覆盖。  
可靠性:前面提到室内环境动态性很强,会经常发生改变。  
成本和复杂度:成本和复杂度指标涵盖两个方面。一个是定位终端的成本。另一方面是布局和维护的成本及其复杂度。  
功耗:定位所产生的功耗是一个很重要的指标尤其对使用电池的移动设备。  
可扩展性:可扩展性指一个解决方案扩展到更大的覆盖范围使用的能力,和方便地移植到不同的环境和应用的能力。  
响应时间:系统给出一个位置更新所需的时间是响应时间,不同的应用需求不同。

蓬勃发展的室内定位技术

室内定位的技术分支多样,下图是各种室内定位方案的对比图:

目前室内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。


定位原理

描述

特点

临近探测法

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。

质心定位法

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。

该方法易于理解,计算量小,定位精度取决于信标的布设密度。

多边定位法

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。

精度高、应用广。

三角定位法

该方法是在获取待测目标相对2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。

精度高、应用广。

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。

指纹定位法

在定位空间中建立指纹数据库,通过将实际信息与数据库中的参数进行对比来实现定位。

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。

航位推算

是在已知上一位置的基础上,通过计算或已知的运动速度和时间计算得到当前的位置。

数据稳定,无依赖,但该方法存在累积误差,定位精度随着时间增加而恶化。

不同的室内定位方法选择不同的观测量,通过不同的观测量提取算法所需要的信息。下表对主要的观测量进行简要的介绍。

观测量

简介

RSSI测量
它是通过计算信号的传播损耗,可以使用理论或者经验模型来将传播损耗转化为距离,也可以用于指纹定位建立指纹库。
TOA测量
该方法主要测量信号在基站和移动台之间的单程传播时间或来回传播时间。前者要求基站与移动台间的时钟同步。
TDOA测量
该方法同样是测量信号到达时间,但使用到达时间差进行定位计算,可利用双曲线交点确定移动台位置,故可以避免对基站和移动台的精确同步。
AOA测量
该方法是指接收机通过天线阵列测出电磁波的入射角度,包括测量基站信号到移动台的角度或者移动台信号到达基站的角度。每种方式均会产生从基站到移动台的方向线。2个基站可以得到2条方向线,其交点即为移动台位置。因此,AOA方法只需要2个基站即可确定移动台位置。
方向和距离
获取方向和距离多用于航位推算定位,采用自包含传感器记录载体的物理信息,计算得到方向和距离,从而在已知上一位置的基础上计算得到当前的位置。


根据上面介绍的定位原理和观测量,衍生出了多种室内定位技术,比较主流的定位技术有WIFI、RFID、UWB、蓝牙、zigbee等。后期小编将为大家带来各类技术的说明与对比,敬请期待。