室內導航定位技術研究綜述及發(fā)展前景

黃 博

(桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004)

前 言

當前，以北斗、GPS為代表的衛(wèi)星導航系統(tǒng)無論從民用領域還是軍用領域都已經能滿足人們對于室外導航的不同需求，但是在室內導航方面人們同樣用著巨大的應用需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，室內高精度定位的應用價值都刪除日益凸顯。但是現(xiàn)在通用的室內導航技術在數(shù)據(jù)精度方面卻無法滿足這樣的應用需要。特別是在一些比較復雜的室內環(huán)境中，譬如大型地下室、商場、車間等這樣的問題更為突出。所以在室內復雜環(huán)境中，如何提高導航定位的實時性、精確性是一個急需解決的技術難題，針對這樣的問題，國內外的不少學者都進行了大量的研究。首先對當前室內定位主要的應用技術傳感器和射頻等研究現(xiàn)狀進行了性能分析，然后對于室內導航技術的發(fā)展前景進行了展望。

1 室內定位分類

室內定位分類體系最早由HIGHTOWER J,BORROELLO G于2001年提出，分類的依據(jù)包括定位目標類型、定位輻射范圍、定位需求精度、定位采用的信號等，另外定位的絕對性與相對性以及定位的主動性與被動性也是需要考慮的因素。定位分類有助于挖掘其應用價值。陳崟崟等按照所采用的不同的方法來做分類[1]。婁路等認為定位信號獲取路徑的不同來進行分類[2]。鄧中亮等將傳輸信號的差別來作為分類的依據(jù)[3]。室內定位技術的各種分類方法促進了領域基礎理論的細化研究，對行業(yè)整體發(fā)展有積極意義。

2 室內定位研究進展

目前，目前常用的室內定位技術主要是基于傳感器和基于網(wǎng)線信號兩種類型，每種類型又可分出幾種不同的實現(xiàn)方法，并具有各自的特點。

2.1 基于傳感器的室內定位技術

2.1.1 紅外線定位

紅外線定位系統(tǒng)的主要元件包括裝有紅外發(fā)射器的移動站與基站。在具體應用層面，Ac-tiveBadge系統(tǒng)是劍橋大學AT<實驗室根據(jù)紅外線技術研制的，在室內場景中可實現(xiàn)的6m定位精度。質量輕，容易攜帶是紅外線發(fā)射器的優(yōu)點，但是也存在紅外線穿透力弱的缺點，尤其碰到墻壁時，紅外線就只能提供房間級別的定位信息傳遞，在狹小室內，紅外線傳播距離有限，加之其他光照干擾或路徑限制，空間區(qū)域容易產生盲區(qū)，進而導致定位效果變差。所以，從實用性思考，紅外線定位技術可以與其他定位設備融合使用，充分發(fā)揮紅外線LED室內導航導航的優(yōu)勢功能[4]。

2.1.2 慣性導航定位

慣導系統(tǒng)確定位置首先由加速度計、陀螺儀等傳感器采集相關數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)融合算法推導出目標的具體位置。但是慣導系統(tǒng)有一個缺點是數(shù)據(jù)誤差會隨時間積累，許多科研團隊都在研究如何抵消這一負面影響，有的研究團隊通過微機電技術，將各種運動傳感器與智能手機平臺相結合來進行行人航機推算。當前領域內，進一步實現(xiàn)PDR與地磁、無線保真高度融合匹配是一個討論熱烈的研究課題[5]。還有的團隊提出將無線局域網(wǎng)絡定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與慣性導航系統(tǒng)組成誤差補償機制，用于矯正累計誤差。

2.1.3 超聲波定位

超聲波定位主要利用的是聲波反射產生的時間差來推算發(fā)射位置與反射面之間的距離，根據(jù)這一原理研究人員研制出了Active Bat系統(tǒng)，在科學測試中Active Bat系統(tǒng)定位精度最高可以達到3厘米，這微小的數(shù)據(jù)相對智能智聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有重要影響。此后，研究人員在Active Bat系統(tǒng)基礎上改造研制出Cricket室內定位系統(tǒng)，改變了有線網(wǎng)絡技術，無需再特定位置固定大量發(fā)射及接受網(wǎng)站，而是基于超聲波傳輸時間與射頻控制信號，完成三維、多維定位。當然，從成本上來說，超聲波定位對硬件要求更高，因此需要花費更多資金投入。

2.1.4 視覺定位

視覺定位通過前置攝像頭來捕捉周邊環(huán)境特征，根據(jù)大量圖片數(shù)據(jù)以智能算法來分析目標的三維空間位置。已經成熟的技術中，具有代表性的技術：一種是利用了便攜式移動設備，當多組單目攝像頭進行定位時能夠具備更高的精度；一種基于圖像密度匹配性和運動恢復原理，采用相機交會來實現(xiàn)醫(yī)院室內定位。借助高性能照相機，獲取像素極高的圖像數(shù)據(jù)，讓分析精度增加，進而提高了定位準確性，不過室內環(huán)境是非常多變的，定位系統(tǒng)要持續(xù)保持高精度也是不現(xiàn)實的。在改進方面，一些學者正嘗試用引入視覺傳感器的方法完善這一技術[6]。

2.2 基于無線信號的室內定位技術

2.2.1 WiFi定位

就目前而言，常用的WiFi室內定位技術包括2種：一種是根據(jù)接收信號的強度變化來指示距離變化，當然信號衰減與空間距離變化不一定成線性關系，會受到如物體遮擋、空氣濕度等的外部因素干擾，所以定位精度是受限的；另一種是基于RSSI位置指紋法的定位技術，這一方法屬于目前使用最為廣泛的WiFi定位類型[7]。另外，還有一些相同原理的產品，如美國的WiFi SLAM以及我國的“翼周邊”系統(tǒng)，它們精度較好但是組成系統(tǒng)的輔助設施非常多，因此后期的維護與前期支撐設備的布設需要花費很多成本，不利于大規(guī)模推廣[8]。

2.2.2 藍牙和紫蜂定位

這種定位擁有能耗低，空間距離短、適用場合范圍廣等特點，不過這兩種定位方法也存在穩(wěn)定性比較差、容易被外界環(huán)境干擾的劣勢。藍牙定位依托接收到的信號強度場來進行空間距離計算，典型如國產“尋鹿”微定位系統(tǒng)與iBeacon系統(tǒng)，iBeacon由蘋果公司所開發(fā)，在很大程度上滿足了低功耗、較高精度這一用戶需求。當前，以藍牙技術為基礎的諸多定位系統(tǒng)多利用了指紋定位原理，包括改進的方案。而隨著藍牙5.0協(xié)議在2016年的發(fā)布，使得這類高精度定位獲得了更好的通信技術保障。紫峰定位技術利用鄰近探測法對不同盲點間的通信進行探測，然后采用模糊聚類算法進行定位分析，從而獲得米級精確度的定位結果[9]。

2.2.3 蜂窩網(wǎng)絡定位

智能手機的定位主要依靠蜂窩網(wǎng)檢測傳播信號的特征參數(shù)來實現(xiàn)，這種定位方法的主要類型分為鄰近探測法、信號傳遞時間差探測定位。便于構建普適化較強的室內定位方案是這種定位技術的主要優(yōu)點，但它同樣存在自身的缺點，由于受系統(tǒng)設計影響以及時間同步精度存在差異，使得定位精度往往偏低，如：愛立信公司常使用的OTDOA定位，這種定位方法的精度只有50m。若使用多天線MIMO+TDOA定位技術，其精度也只能達到5～10m。隨著通信技術的進步，在5G通信網(wǎng)絡逐步普及的情況下，其精度有望獲得提升[10]。

2.2.4 射頻識別定位

射頻識別技術通過對不同的射頻信號識別來獲取對應目標位置，該技術既具有較長距離的輻射范圍、能夠繞過部分阻礙物傳遞信號的優(yōu)點，又具有攜帶方便、定位精度高等技術特長，但射頻識別技術對信號強度非常敏感，當信號不穩(wěn)定時，定位精度也會降低。目前以Spoton系統(tǒng)為代表的射頻識別系統(tǒng)存在硬件組成較為復雜并且計算量較大的問題，為解決之一問題而采取的技術手段是改進算法，未來隨著智能算法的不斷改進，相信這一技術也會不斷改進[11]。

2.2.5 超寬帶定位

超寬帶定位最早在僅在美國空軍中應用，美國聯(lián)邦政府于2002年通過提案開始在民用領域使用。超寬帶定位系統(tǒng)結構較為簡單、建造成本也不高、并且具有能耗低、可靠性高、通道容量大等諸多優(yōu)勢，其定位精度可以達到厘米級。超寬帶能夠實現(xiàn)通信與定位的一體化，在復雜的室內環(huán)境中比其他無線通信定位技術更有優(yōu)勢。在硬件開發(fā)方面，專業(yè)級的Driver2和Aether5芯片實現(xiàn)了體積小型化，綜合能耗低等性能。Ubisense公司開發(fā)的超寬帶實時定位系統(tǒng)通過不斷提升硬件系統(tǒng)性能實現(xiàn)了5.8～7.2GHz的工作頻段，通過使用多邊定位法和三角定位法使得其室內定位精度能夠達到15cm[12]。

2.3 地磁定位

典型如地磁定位技術利用高精度的地磁探測儀器對周邊地磁變化進行分析，由于不同區(qū)域地磁強度不同進而進行室內定位，這一原理與WiFi相似，不過在有限面積內地磁的變化是非常有限的，因此這對探測器的要求便很高，加之同一地點的地磁并不是恒定的，所以這一定位系統(tǒng)存在較大的誤差。國外有科學團隊借助高精度探測設備構建出的定位系統(tǒng)能夠在低磁環(huán)境穩(wěn)點區(qū)域實現(xiàn)精度接近1米的定位。地磁定位的優(yōu)勢在于在室內布置系統(tǒng)比較便捷，其系統(tǒng)可以與其他定位方法融合使用，構成多信息定位模型，因而具有較好的研究前景[13]。

2.4 類腦導航

生物可以在沒有傳感器的情況下做到高精度的導航定位與建圖。這主要依靠的是大腦中的導航細胞。導航細胞包括頭朝向細胞、網(wǎng)格細胞和位置細胞，每種導航細胞具有各自的功能。生物憑借頭朝向細胞可以按照正確的方向行進，生物在行進過程中得到的信息會傳輸?shù)骄W(wǎng)格細胞，由其處理后得到相對位置，相對位置信息再傳輸給位置細胞來確定絕對位置。具體來說就是頭朝向細胞獲取的是生物的運動信息，網(wǎng)格細胞獲取的是生物的相對位置信息，位置細胞獲取的是生物的絕對位置信息。最后根據(jù)這些信息進行編碼形成對環(huán)境空間的記憶。

由上述過程可以看出，大腦導航過程可以通過深度學習等技術進行建模，以實現(xiàn)對環(huán)境的類腦導航定位對于類腦導航進行建模，孫瑤潔提出了一種以連續(xù)吸引子神經網(wǎng)絡來實現(xiàn)的方法[14]。利用這種方法建模時，頭朝向細胞能獲得最優(yōu)角度，網(wǎng)格細胞通過最優(yōu)角度信息得到相對位置信息，最后位置細胞得到最優(yōu)的絕對位置信息。當出現(xiàn)熟悉場景時位置細胞會被激活，調用其存儲的位置信息進行回環(huán)校準，較小導航數(shù)據(jù)誤差。

3 室內定位技術的不足及未來展望

3.1 室內導航定位面臨的困境

近年來，室內導航定位技術的研究成果不斷涌現(xiàn)，在諸多領域獲得了很好的應用，然而依然存在一些困難需要進一步攻克。

3.1.1 穩(wěn)態(tài)性不足

室內環(huán)境是復雜多變的，例如一些大型商業(yè)綜合體中，室內隔間多且物體多雜，這就導致信號干擾源增多，特別是一些金屬材質的大體積物件，發(fā)生移動都可能對定位信號產生影響。這也給室內定位系統(tǒng)的自適應能力提出了更高的要求，即必須在復雜環(huán)境中能連續(xù)提供穩(wěn)定的導航信號，實現(xiàn)能夠長時間穩(wěn)定導航的需求。

3.1.2 成本高

隨著用戶對精度要求不斷提高，室內定位系統(tǒng)的配套設施也變的愈加龐大，對于相關設備的精密性要求也越來越高，這些設備必然會增加系統(tǒng)的建設與運營成本，加之大量的人力物力資源消耗，使得系統(tǒng)的應用難以大范圍推廣。此外，復雜的系統(tǒng)結構也對維護工作帶來較高要求，尤其是專業(yè)維護維修技術人才的需求將會進一步增大，所以需要對成本進行最優(yōu)化處理，以低成本得到較高的定位效果。

3.1.3 可擴展性低

不同定位技術應用于不同場合所取得的效果是有差異的，因此很多時候定位系統(tǒng)都是特事特定，一旦環(huán)境發(fā)生變化時，這一定位系統(tǒng)的精度很可能就會下降，難以滿足用戶的導航定位需求，進而降低了系統(tǒng)應用的可擴展性。

3.1.4 能耗大

大量的室內定位系統(tǒng)配套有通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)分析、信號探測等諸多設備，這些設備必然會消耗大量的電能，這同樣會增加系統(tǒng)的使用成本。因此如何降低室內定位系統(tǒng)的能耗也是一大研究課題。

3.2 室內導航定位未來趨勢

隨著移動通信網(wǎng)絡技術、計算機技術、人工智能的進步，室內導航定位技術的涌現(xiàn)，使得導航定位技術擁有了更多的可選擇性，其理論研究、試驗深度不斷增加，面對這些問題，將從以下幾個方面來探討該領域未來的發(fā)展方向。

3.2.1 優(yōu)化多信息融合算法

多信息融合可以有效提高室內定位精度，且能提升系統(tǒng)整體的普適性，研究新算法有利于提高多信息處理效率，提高導航定位的實時性，通過集成不斷縮小定位系統(tǒng)的建造成本，讓其商用價值獲得提升，進而拓展應用市場。同時還要加大對于融合算法的研究，不斷提高算法的性能和算法的魯棒性，使其能夠滿足越來越高的使用需求。

3.2.2 降低功耗

未來硬件設備性能將進一步提高，使定位系統(tǒng)整體的功耗降低，達到降低成本、提升應用價值、拓展市場的目的。隨著芯片技術、新材料技術的發(fā)展，儲能系統(tǒng)性能將進一步提升，一些理論層面的研究成果必然會轉化為實用，例如隨著人工智能技術的進步，數(shù)據(jù)處理器將具備更多的功能，可以通過分析數(shù)據(jù)判斷定位需求量，進而調節(jié)子系統(tǒng)功耗水平，蘋果公司的iBeacon就是因其藍牙開啟后的低功耗性能而被大眾所接受。

3.2.3 創(chuàng)新定位方法

傳統(tǒng)的室內定位技術得到的數(shù)據(jù)精度一般只有2～5m左右，所以如何提高導航數(shù)據(jù)精度是一個重要的研究方向。此外，更好的對視覺、音頻信號和射頻信號進行利用，引入模糊神經網(wǎng)絡、粒子群算法等智能算法來簡化數(shù)據(jù)處理過程，提升處理器運行速度，也是提高定位精度，系統(tǒng)魯棒性的重要途徑。

3.2.5 5G網(wǎng)絡室內定位

5G時代已然來臨，全球都在不遺余力的推進通信網(wǎng)絡5G化進程，而在此關口，我國的5G技術處于領頭羊位置，相關專利數(shù)量世界第一。5G對于室內定位技術的革新具有重要促進作用，隨著未來更加密集的5G組網(wǎng)建設，室內定位的數(shù)據(jù)獲取支撐將更加穩(wěn)固，因此，未來一個重要的探索方向是室內定位與5G通信技術的結合。

4 結語

綜上所述，室內導航定位技術在軍事、地質勘探、社會安全、民用等諸多領域都有極高的應用價值，在可以預見的未來，這一技術必將成為另一個經濟增長極。本文結合近年來大量學者的研究成果對室內導航定位技術的進展進行了綜述，分析了當前傳感器定位、慣性導航、視覺識別、超聲波定位等主流技術的理論基礎以及一些成果。同時，對技術發(fā)展動向進行了探討，希望對行業(yè)進步有所借鑒。