摘要：人类生活和生产对位置信息需求日益迫切，相对室外，复杂的室内环境，多样的应用需求，对室内定位技术提出了不同要求。本文研究归纳了典型的室内定位技术，介绍了室内定位技术不同发展方向，分析了它们基本方法和特点，提出了向着融合发展的展望。
关键字：室内定位 导航 无线定位
1 引言
随着无线通信和互联网技术的发展，人类日常生产、生活日益离不开各种信息的保障。在众多的信息中，以位置和时间为主的定位信息是信息的重要组成部分，发挥着基础性的作用。伴随人类的诞生，各种定位技术就不断演进，产生了以卫星定位导航技术为代表的定位技术，可以在全球的范围内提供精确的定位导航服务，提供可以满足绝大多数应用需求的位置和时间信息。但是在室内这个人类活动的主要场所，基于室外的定位导航技术的应用受到诸多限制。为了满足室内人群和活动对位置信息的需求，更加便利人类在室内的生活和生产活动，研究和开发适用于室内定位的技术称为迫切要求。
2 常用室内定位技术
2.1 WiFi室内定位技术
WiFi在家庭、酒店、咖啡店、机场和商场等大小型建筑中已经广泛应用，合理复用WiFi无线信号所携带的信息，可以实现移动接入端的室内定位。WiFi技术成为一种极具吸引力定位技术。WiFi系统由安装在室内某位置的若干固定接入点（Access Point，AP）组成，AP的位置通常可以被网络管理员知晓。移动终端，例如笔记本电脑、手机和有WiFi功能的摄像机等移动设备可以通过这些AP与其他设备或互联网进行通信。利用典型无线射频定位算法，如TOA、TDOA、AOA、RSSI算法，对射频信号的传播时间、传播方向、信号强度分布等信息进行测量，可以实现移动设备的室内定位。
相比空旷的室外环境，室内空间相对局促，单个WiFi接入点覆盖范围小，要实现广泛的室内覆盖，需要较多的接入设备。WiFi技术基础功能是实现网络的接入，保障信息通信。技术本身并不是针对室内无线定位设计。因此，要提供更高精度的室内定位性能，通常会对WiFi设备提出更高的性能要求，考虑到接入设备的庞大数目，WiFi室内定位系统的建设成本将要显著增加。
2.2 基于RFID的室内定位技术
无线射频识别即射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID），是一种非接触式的射频通信技术。在RFID系统中，当标签进入读写器产生的电磁场后，它可以接收读写器的射频信号，射频标签根据射频信号产生感应电流，进而获得的能量，借助感生的能量辐射出存储在芯片上的信息，实现射频标签和读写器之间的无线通信。部分射频标签具备自主电源，可以主动向读写器端发射信号。在射频标签和读写器实现通信后，虽然可以利用TOA、TDOA等无线定位技术实现定位，但RFID定位技术使用更广泛的是基于接近度或位置指纹的方法。在基于接近度定位的方法中，RFID标签的范围决定了定位的精度；在位置指纹方法中，可以RSSI测量值来确定相对位置。
在系统部署中，既有电子标签部署在移动终端上，读写器固定部署的，也有电子标签固定部署，读写器移动部署的。电子标签的成本低廉，读写器的成本相对较高。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆RFID技术的定位最大误差距离约为2米，而一般情况下的定位误差距离约为1米。
2.3 室内惯性定位技术
室内惯性导航技术和室外已经广泛使用的惯性导航技术的基本原理是一样的，都是利用惯性测量仪器对惯性信息进行测量，进而计算出被测目标的位置、姿态等信息。随着技术和制造工艺的发展，惯性测量仪器尺寸明显缩小、重量显著减轻，可以被个人携带，基于行人航位推算的定位技术（Pedestrian Dead Reckoning，PDR）在室内导航中得以应用。PDR定位方法则利用行人行走时的运动生理学特性，通过探测人体步行时走步数量、身体姿态，实时估算步长与航向，该方法能运用于行人的定位导航。作为惯性导航技术，PDR技术是自主导航技术，对外界信号依赖小，同时可以提供行人步行姿态等更丰富的运动信息。
3 其他室内定位技术
3.1 声学室内定位技术
声学定位导航技术通常利用的超声波作为信息传递的媒介，基于超声波测距技术实现室内定位导航。超声波定位导航系统有主动和被动两种定位方法。在主动测距方法中，移动端首先主动发出请求信号，这个请求信号多以无线射频信号的形式发出。固定端接收到请求信号后，向移动端发出超声波的定位信号。移动端可以利用信号传递时间差等信息来推算与固定站的相对位置，进而实现定位。在被动方式中，移动端不主动发出请求信号，而是被动接收固定端的超生定位信号，从信号中实现时间等信息的提取，实现定位。超声波室内定位技术定位精度高，结构相对简单，超声波可以实现非视距传输，不易被遮挡。但是，超声波在空气中的衰减较大，测距距离短，受反射、散射、多径效应影响大。
3.2 红外线室内定位技术
红外线技术室内定位导航技术是通过安装在室内的传感器，接收各移动设备发射调制的红外射线进行定位，具有相对较高的室内定位精度。但是。室内的广泛分布的照明灯具、热源等能够产生红外线，容易造成干扰。红外线在大气中传输衰减大，传输距离较短，限制工作范围和定位精度。红外线视距传输，易受障碍物阻挡，当移动设备放置在口袋中或者被墙壁遮挡时，就不能够正常工作。为了避免遮挡，需要在房间、走廊等室内环境多角度部署天线等探测设备，造成大规模部署成本较高。
3.3 超宽带室内定位技术
超宽带室内定位导航技术（Ultra Wide Band，UWB）是使用GHz频段的电磁波作为测距媒介的室内无线定位导航技术。它测距的原理和WiFi基本一致，采用基于相对位置测量或者信号指纹特征的方法，UWB技术特点在于使用较高的工作频率。较高的频率使它可以发送纳秒级的宽带窄脉冲实现数据传输，获得更高的测距精度。同时，较高的频率使得超宽带定位技术具有穿透力强、抗多径效果好的特点、提高了系统安全性高、减低了系统的复杂度。宽带窄脉冲通信，可以使信号传输拥有更高的带宽，不易受到环境噪音的干扰。
4 结束语
综上所述，伴随着无线通信技术和精密测量、制造工艺的提升，新的室内定位方法不断涌现，越来越多的实用系统被应用到室内定位领域。本文对室内定位技术与应用进行了归纳和研究。与室外定位技术相比，室内定位精度要求高，工作环境复杂多变，定位系统应用场景多样。虽然可以借鉴室外定位技术的经验与方法，但是要满足室内定位应用要求，定位技术和理论还要完善和创新。用户对定位的要求通常不会区分室内和室外，因此，定位技术也会向着融合的方向发展。在用户方面，给用户提供统一、透明的体验；在技术方面，多种技术互相融合、各取所长，提供更好的定位性能。
论文作者:荆涛
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第22期
论文发表时间:2020/4/29
标签：室内论文; 技术论文; 信号论文; 射频论文; 信息论文; 位置论文; 较高论文; 《科学与技术》2019年第22期论文;