10種室內(nèi)定位技術(shù)原理深度解析

------ 【導(dǎo)讀】------

人類為了不讓自己迷失在茫茫大自然中，先后發(fā)明羅盤、指南針等工具，衛(wèi)星定位的問世，解決了“我在哪里”的問題。在高度城市化的今天，室內(nèi)空間越來越龐大復(fù)雜。人類戰(zhàn)勝了大自然，卻在自己構(gòu)筑的鋼筋水泥中迷了路。

東晉高僧法顯西行求法乘船回國時寫道：大海彌漫無邊，不識東西，唯望日、月、星宿而進(jìn)。大意就是說，大海遼闊無邊，分不清東西南北，只能看星星，盼月亮來進(jìn)行定位。

1

起源

人類為了不讓自己迷失在茫茫大自然中，先后發(fā)明羅盤、指南針等工具，衛(wèi)星定位的問世，解決了“我在哪里”的問題。在高度城市化的今天，室內(nèi)空間越來越龐大復(fù)雜。人類戰(zhàn)勝了大自然，卻在自己構(gòu)筑的鋼筋水泥中迷了路。

在醫(yī)院，即使有樓層分布圖以及引導(dǎo)標(biāo)志，但看病的大部分時間仍然會浪費在尋找科室上。在停車場，找不著停車位而四處亂轉(zhuǎn)的人也比比皆是。

在越來越迫切的需求下，近年室內(nèi)定位引起了高度的關(guān)注。

室內(nèi)定位顧名思義就是在室內(nèi)環(huán)境中實現(xiàn)定位。其意義，諾基亞在多年前闡述他們?yōu)槭裁匆鍪覂?nèi)定位時，把問題說得很明白了。

數(shù)據(jù)來源：諾基亞

衛(wèi)星無法在室內(nèi)定位，人們大部分的時間又在室內(nèi)度過，而相關(guān)服務(wù)并未普及，可以說室內(nèi)定位隱藏著巨大商機(jī)。

商業(yè)應(yīng)用中，根據(jù)不同的應(yīng)用場景，室內(nèi)定位技術(shù)又分消費級和工業(yè)級。

消費市場應(yīng)用有：商場導(dǎo)購、停車場反向?qū)ぼ?、家人防走散等。對定位精度要求不高?m的精度已經(jīng)可以滿足大多數(shù)應(yīng)用，不過它要求系統(tǒng)兼容現(xiàn)已普及的移動智能終端。

企業(yè)市場應(yīng)用有：人流監(jiān)控和分析、智能制造、緊急救援和人員資產(chǎn)管理等。工業(yè)級技術(shù)的定位精度要求更高，要區(qū)分操作對象、人群中的個人等，與專用標(biāo)簽和傳感器配套使用，一般不考慮與現(xiàn)有智能終端的兼容性。

2

技術(shù)門派

與室外衛(wèi)星定位一統(tǒng)天下的情況不一樣，室內(nèi)定位各種技術(shù)呈現(xiàn)出百花齊放的場景。

室內(nèi)定位百花齊放

室內(nèi)定位的商業(yè)價值跟精度成正比。當(dāng)精度是3-5米的時候，能判定你是站在7-11便利店門口還是杰克瓊斯門口。當(dāng)精度是1米的時候，則能判定你是站在可口可樂的貨架前還是杜蕾斯的貨架前。

目前，室內(nèi)定位常用的定位方法，從原理上來說，主要分為：鄰近探測法、質(zhì)心法、極點法、多邊定位法、指紋法和航位推算法。

主要室內(nèi)定位方法對比

各種原理各有優(yōu)劣，在不同應(yīng)用場景、不同預(yù)算要求下，也可將不同的原理組合使用。主流技術(shù)有以下幾種：

WiFi定位技術(shù)

目前WiFi是相對成熟且應(yīng)用較多的技術(shù)，這幾年有不少公司投入到了這個領(lǐng)域。WiFi室內(nèi)定位技術(shù)主要有兩種。

WiFi定位一般采用“近鄰法”判斷，即最靠近哪個熱點或基站，即認(rèn)為處在什么位置，如附近有多個信源，則可以通過交叉定位（三邊定位），提高定位精度。

由于WiFi已普及，因此不需要再鋪設(shè)專門的設(shè)備用于定位。用戶在使用智能手機(jī)時開啟過Wi-Fi、移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，就可能成為數(shù)據(jù)源。該技術(shù)具有便于擴(kuò)展、可自動更新數(shù)據(jù)、成本低的優(yōu)勢，因此最先實現(xiàn)了規(guī)?；?。

不過，WiFi熱點受到周圍環(huán)境的影響會比較大，精度較低。為了做得準(zhǔn)一點有公司就做了WiFi指紋采集，事先記錄巨量的確定位置點的信號強(qiáng)度，通過用新加入的設(shè)備的信號強(qiáng)度對比擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，來確定位置。

由于采集工作需要大量的人員來進(jìn)行，并且要定期進(jìn)行維護(hù)，技術(shù)難以擴(kuò)展，很少有公司能把國內(nèi)的這么多商場定期的更新指紋數(shù)據(jù)。

WiFi定位可以實現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位，但精度只能達(dá)到2米左右，無法做到精準(zhǔn)定位。因此適用于對人或者車的定位導(dǎo)航，可以于醫(yī)療機(jī)構(gòu)、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導(dǎo)航的場合。

代表公司有：WIFISLAM、Sensewhere、圖聚智能

另，地磁定位技術(shù)是利用室內(nèi)不同位置的地磁場差異，來確定室內(nèi)位置。與WiFi指紋類似，故不再作介紹。

慣性導(dǎo)航技術(shù)

這是一種純客戶端的技術(shù)，主要利用終端慣性傳感器采集的運動數(shù)據(jù)，如加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等信息，基于航位推測法，經(jīng)過各種運算得到物體的位置信息。

隨著行走時間增加，慣性導(dǎo)航定位的誤差也在不斷累積。需要外界更高精度的數(shù)據(jù)源對其進(jìn)行校準(zhǔn)。所以現(xiàn)在慣性導(dǎo)航一般和WiFi指紋結(jié)合在一起， 每過一段時間通過WiFi請求室內(nèi)位置，以此來對MEMS產(chǎn)生的誤差進(jìn)行修正。該技術(shù)目前的商用得也比較成熟，在掃地機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。

藍(lán)牙信標(biāo)技術(shù)

藍(lán)牙信標(biāo)技術(shù)目前部署的也比較多，也是相對比較成熟的技術(shù)。藍(lán)牙跟WiFi的區(qū)別不是太大，精度會比WiFi稍微高一點。

該技術(shù)最先由諾基亞最先發(fā)起，但影響不大。2013年，蘋果發(fā)布了基于藍(lán)牙4.0低功耗協(xié)議（BLE）的iBeacon協(xié)議，主要針對零售業(yè)應(yīng)用，引起廣泛關(guān)注。

iBeacon藍(lán)牙信標(biāo)技術(shù)的正常運作，需要藍(lán)牙信標(biāo)硬件、智能終端上的應(yīng)用、云端上的應(yīng)用后臺協(xié)同工作。

信標(biāo)通過藍(lán)牙向周圍廣播自身的ID，終端上的應(yīng)用在獲得附近信標(biāo)的ID后會采取相應(yīng)行動，如從云端后臺拉取此ID對應(yīng)的位置信息、營銷資訊等。終端可以測量其所在處的接收信號強(qiáng)度，以此估算與信標(biāo)間的距離。因此，只要終端附近有三個或以上信標(biāo)，就可以用三邊定位方法計算出終端的位置。

在蘋果強(qiáng)大的號召力影響下，大量創(chuàng)業(yè)公司爭先恐后涌入iBeacon應(yīng)用的開發(fā)和推廣。目前主要問題在于beacon電池更換，如果一個廠家部署了幾萬個beacon裝置，一年之后或者電池耗盡之后的電池更換工作量是很繁重的。

代表公司：Estimote、尋息電子

另，ZigBee技術(shù)和藍(lán)牙類似，故不再作介紹。

RFID技術(shù)

RFID定位的基本原理是，通過一組固定的閱讀器讀取目標(biāo)RFID標(biāo)簽的特征信息（如身份ID、接收信號強(qiáng)度等），同樣可以采用近鄰法、多邊定位法、接收信號強(qiáng)度等方法確定標(biāo)簽所在位置。

射頻識別室內(nèi)定位技術(shù)作用距離很近，但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且由于電磁場非視距等優(yōu)點，傳輸范圍很大，而且標(biāo)識的體積比較小，造價比較低。但其不具有通信能力，抗干擾能力較差，不便于整合到其他系統(tǒng)之中，且用戶的安全隱私保障和國際標(biāo)準(zhǔn)化都不夠完善。

目前有大量成熟的商用定位方案基于RFID技術(shù)，廣泛應(yīng)用于緊急救援、資產(chǎn)管理、人員追蹤等領(lǐng)域。

紅外技術(shù)

紅外定位主要有兩種具體實現(xiàn)方法，一種是將定位對象附上一個會發(fā)射紅外線的電子標(biāo)簽，通過室內(nèi)安放的多個紅外傳感器測量信號源的距離或角度，從而計算出對象所在的位置。

這種方法在空曠的室內(nèi)容易實現(xiàn)較高精度，可實現(xiàn)對紅外輻射源的被動定位，但紅外很容易被障礙物遮擋，傳輸距離也不長，因此需要大量密集部署傳感器，造成較高的硬件和施工成本。此外紅外易受熱源、燈光等干擾，造成定位精度和準(zhǔn)確度下降。

該技術(shù)目前主要用于軍事上對飛行器、坦克、導(dǎo)彈等紅外輻射源的被動定位，此外也用于室內(nèi)自走機(jī)器人的位置定位。

另一種紅外定位的方法是紅外織網(wǎng)，即通過多對發(fā)射器和接收器織成的紅外線網(wǎng)覆蓋待測空間，直接對運動目標(biāo)進(jìn)行定位。

這種方式的優(yōu)勢在于不需要定位對象攜帶任何終端或標(biāo)簽，隱蔽性強(qiáng)，常用于安防領(lǐng)域。劣勢在于要實現(xiàn)精度較高的定位需要部署大量紅外接收和發(fā)射器，成本非常高，因此只有高等級的安防才會采用此技術(shù)。

超聲波技術(shù)

超聲波定位主要采用反射式測距法，通過多邊定位等方法確定物體位置，系統(tǒng)由一個主測距器和若干接收器組成，主測距儀可放置在待測目標(biāo)上，接收器固定于室內(nèi)環(huán)境中。定位時，向接收器發(fā)射同頻率的信號，接收器接收后又反射傳輸給主測距器，根據(jù)回波和發(fā)射波的時間差計算出距離，從而確定位置。

超聲波定位整體定位精度較高，結(jié)構(gòu)簡單，但超聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，且超聲波頻率受多普勒效應(yīng)和溫度影響，同時也需要大量基礎(chǔ)硬件設(shè)施，成本較高。

代表公司：Shopkick

超寬帶技術(shù)

超寬帶（UWB）定位技術(shù)利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點和橋節(jié)點，與新加入的盲節(jié)點進(jìn)行通訊，并利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置。

從技術(shù)上看，無論是從定位精度、安全性、抗干擾、功耗等角度來分析，UWB無疑是最理想的工業(yè)定位技術(shù)之一。

UWB其他幾種技術(shù)的綜合比較：

不過UWB的劣勢也很突出，一方面難以實現(xiàn)大范圍室內(nèi)覆蓋，另一方面系統(tǒng)建設(shè)成本遠(yuǎn)高于RFID、藍(lán)牙信標(biāo)等技術(shù)，這也限制了該技術(shù)的推廣和普及。

代表公司：Ubisense、中海達(dá)子公司聯(lián)睿電子、清華系公司清研訊科。

LED可見光技術(shù)

可見光是一個新興領(lǐng)域，通過對每個LED燈進(jìn)行編碼，將ID調(diào)制在燈光上，燈會不斷發(fā)射自己的ID，通過利用手機(jī)的前置攝像頭來識別這些編碼。利用所獲取的識別信息在地圖數(shù)據(jù)庫中確定對應(yīng)的位置信息，完成定位。

根據(jù)燈光到達(dá)的角度進(jìn)一步細(xì)化定位的結(jié)果，高通公司做到了厘米級定位精度。由于不需要額外部署基礎(chǔ)設(shè)施，終端數(shù)量的擴(kuò)大對性能沒有任何的影響，并且可以達(dá)到一個非常高的精度，該技術(shù)被高通公司所看好。

目前，可見光技術(shù)在北美有很多商場已經(jīng)在部署。用戶下載應(yīng)用后，到達(dá)商場里的某一個貨架，通過檢測貨架周圍的燈光即可知曉具體位置，商家在通過這樣的方法向消費者推動商品的折扣等信息。

代表企業(yè)：華策光通信

3

技術(shù)融合是趨勢

室內(nèi)定位技術(shù)處在不斷的發(fā)展中，是當(dāng)前熱門研究領(lǐng)域，有著良好的應(yīng)用前景。不過，當(dāng)前還缺乏特別大規(guī)模的商用案例。行業(yè)主要存在以下難點：

1. 室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜

室內(nèi)環(huán)境布局復(fù)雜多變，障礙物很多，包括家具、房間和行人等。同時室內(nèi)環(huán)境干擾源多，燈光、溫度、聲音等干擾源都會對定位造成一定影響。

各技術(shù)綜合比較

2. 缺乏統(tǒng)一的規(guī)范

室內(nèi)定位技術(shù)眾多，各種技術(shù)都有自己的局限性，彼此間又在一定程度上存在互相競爭。市場相對混亂，極大地影響了室內(nèi)定位行業(yè)的發(fā)展。如室外定位衛(wèi)星定位成為事實上的標(biāo)準(zhǔn)，目前沒有其他技術(shù)可以和衛(wèi)星定位進(jìn)行競爭。

3. 精度與成本難以兼顧

目前的高精度室內(nèi)定位技術(shù)均需要比較昂貴的額外輔助設(shè)備或前期大量的人工處理，這些都大大制約了技術(shù)的推廣普及。低成本的定位技術(shù)則在定位精度上需要提高。在提供高精度定位的基礎(chǔ)上降低成本也是室內(nèi)定位的一個方向。

天下大勢，分久必合，合久必分。目前，室內(nèi)定位技術(shù)實在太多，已嚴(yán)重阻礙行業(yè)發(fā)展，未來的趨勢一定是多種技術(shù)融合使用，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，以面對復(fù)雜環(huán)境。其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技術(shù)越容易普及。