隨著數據業務和多媒體業務的快速增加,人們對定位與導航的需求日益增大,尤其在復雜的室內環境,如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環境中,常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及復雜室內環境等條件的限制,比較完善的定位技術目前還無法很好地利用。室內定位技術從總體上可歸納為幾類,即GNSS 技術(如偽衛星等),無線定位技術(無線通信信號、射頻無線標簽、超聲波、光跟蹤、無線傳感器定位技術等),其它定位技術(計算機視覺、航位推算等),以及GNSS 和無線定位組合的定位技術(A-GPS 或A-GNSS)。

一、室內 GPS 定位技術

GPS 是目前應用最為廣泛的定位技術。當GPS 接收機在室內工作時,由于信號受建筑物的影響而大大衰減,定位精度也很低,要想達到室外一樣直接從衛星廣播中提取導航數據和時間信息是不可能的。為了得到較高的信號靈敏度,就需要延長在每個碼延遲上的停留時間,A-GPS 技術為這個問題的解決提供了可能性。室內GPS 技術采用大量的相關器并行地搜索可能的延遲碼,同時也有助于實現快速定位。利用 GPS 進行定位的優勢是衛星有效覆蓋范圍大,且定位導航信號免費。缺點是定位信號到達地面時較弱,不能穿透建筑物,而且定位器終端的成本較高。

二、室內無線定位技術

紅外線室內定位技術

紅外線室內定位技術定位的原理是,紅外線 IR 標識發射調制的紅外射線,通過安裝在室內的光學傳感器接收進行定位。雖然紅外線具有相對較高的室內定位精度,但是由于光線不能穿過障礙物,使得紅外射線僅能視距傳播。直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點使其室內定位的效果很差。當標識放在口袋里或者有墻壁及其他遮擋時就不能正常工作,需要在每個房間、走廊安裝接收天線,造價較高。因此,紅外線只適合短距離傳播,而且容易被熒光燈或者房間內的燈光干擾,在精確定位上有局限性。

超聲波定位技術

超聲波測距主要采用反射式測距法,通過三角定位等算法確定物體的位置,即發射超聲波并接收由被測物產生的回波,根據回波與發射波的時間差計算出待測距離,有的則采用單向測距法。超聲波定位系統可由若干個應答器和一個主測距器組成,主測距器放置在被測物體上,在微機指令信號的作用下向位置固定的應答器發射同頻率的無線電信號,應答器在收到無線電信號后同時向主測距器發射超聲波信號,得到主測距器與各個應答器之間的距離。當同時有3 個或3 個以上不在同一直線上的應答器做出回應時,可以根據相關計算確定出被測物體所在的二維坐標系下的位置。超聲波定位整體定位精度較高,結構簡單,但超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大,同時需要大量的底層硬件設施投資,成本太高。

藍牙技術

藍牙技術通過測量信號強度進行定位。這是一種短距離低功耗的無線傳輸技術,在室內安裝適當的藍牙局域網接入點,把網絡配置成基于多用戶的基礎網絡連接模式,并保證藍牙局域網接入點始終是這個微微網(piconet)的主設備,就可以獲得用戶的位置信息。藍牙技術主要應用于小范圍定位,例如單層大廳或倉庫。藍牙室內定位技術最大的優點是設備體積小、易于集成在 PDA、PC 以及手機中,因此很容易推廣普及。理論上,對于持有集成了藍牙功能移動終端設備的用戶,只要設備的藍牙功能開啟,藍牙室內定位系統就能夠對其進行位置判斷。采用該技術作室內短距離定位時容易發現設備且信號傳輸不受視距的影響。其不足在于藍牙器件和設備的價格比較昂貴,而且對于復雜的空間環境,藍牙系統的穩定性稍差,受噪聲信號干擾大。

射頻識別技術

射頻識別技術利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數據以達到識別和定位的目的。這種技術作用距離短,一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內得到厘米級定位精度的信息,且傳輸范圍很大,成本較低。同時由于其非接觸和非視距等優點,可望成為優選的室內定位技術。目前,射頻識別研究的熱點和難點在于理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標準化等問題。優點是標識的體積比較小,造價比較低,但是作用距離近,不具有通信能力,而且不便于整合到其他系統之中。

超寬帶技術

超寬帶技術是一種全新的、與傳統通信技術有極大差異的通信新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波,而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據,從而具有GHz 量級的帶寬。超寬帶可用于室內精確定位,例如戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。超寬帶系統與傳統的窄帶系統相比,具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統復雜度低、能提供精確定位精度等優點。因此,超寬帶技術可以應用于室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航,且能提供十分精確的定位精度。

Wi-Fi 技術

無線局域網絡(WLAN)是一種全新的信息獲取平臺,可以在廣泛的應用領域內實現復雜的大范圍定位、監測和追蹤任務,而網絡節點自身定位是大多數應用的基礎和前提。當前比較流行的Wi-Fi 定位是無線局域網絡系列標準之IEEE802.11 的一種定位解決方案。該系統采用經驗測試和信號傳播模型相結合的方式,易于安裝,需要很少基站,能采用相同的底層無線網絡結構,系統總精度高。總體而言,它比蜂窩網絡三角測量定位方法更精確。但是,如果定位的測算僅僅依賴于哪個Wi-Fi 的接入點最近,而不是依賴于合成的信號強度圖,那么在樓層定位上很容易出錯。目前,它應用于小范圍的室內定位,成本較低。但無論是用于室內還是室外定位,Wi-Fi收發器都只能覆蓋半徑90 米以內的區域,而且很容易受到其他信號的干擾,從而影響其精度,定位器的能耗也較高。

ZigBee 技術

ZigBee 是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術,它介于射頻識別和藍牙之間,也可以用于室內定位。它有自己的無線電標準,在數千個微小的傳感器之間相互協調通信以實現定位。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器,所以它們的通信效率非常高。ZigBee 最顯著的技術特點是它的低功耗和低成本。

除了以上提及的定位技術,目前很多技術還處于研究試驗階段,如基于磁場壓力感應進行定位的技術。不管是 GPS 定位技術還是利用無線傳感器網絡或其他定位手段進行定位都有其局限性。未來室內定位技術的趨勢是衛星導航技術與無線定位技術相結合,將GPS 定位技術與無線定位技術有機結合,發揮各自的優長,則既可以提供較好的精度和響應速度,又可以覆蓋較廣的范圍,實現無縫的、精確的定位。