浅析室内定位原理及应用

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本文摘自《移动通信》2013年5期。作者：张凡 陈典铖 杨杰

【摘 要】介绍了无线定位技术的分类以及无线定位的基本原理，并重点分析了基于红外线、超声波、WLAN、RFID和UWB的定位方案及其主要误差来源与对策，最后还对室内定位相关技术的应用场景进行了分析与探讨。
　　【关键词】无线定位 室内定位 定位精度 应用场景
　　1 引言
　　随着近年来移动互联网的迅速发展，数据和多媒体业务快速增加，人们对于室内定位的需求日益增加。城市生活中，实现低成本且高精度的室内定位，具有越来越重要的现实意义：在超级商场，通过获得消费者个人位置信息和目标商品位置信息，可以进行路线指引，实现智能导购；在突发灾难现场，通过室内定位，可以引导救援人员快速解救被困人员；在医院，对于病人、医生及医疗设备的定位监管，有利于实现效率提升，挽救更多生命。
　　当前，室内定位技术可归纳为AGPS[1]定位、无线定位及视觉传感器定位三大类，其中无线定位因其所需设备体积小而易于集成在手机、PDA和PC中，以及铺设成本较低等优点，在室内定位中得到广泛应用。
　　2 无线定位原理
　　无线定位方法就是利用信标节点间信号的到达时间、到达时间差、到达信号角度、和到达信号强度信息确定位置坐标的方法。
　　2.1 到达时间法
　　到达时间法（TOA，Time of Arrival）定位的原理是：测量待定位节点（x0，y0）与已知至少3个信标节点（xi，yi）之间的信号到达时间ti，再乘以信号速度v，计算出待定位节点与各信标节点之间的距离Ri，分别以信标节点（xi，yi）为圆心，Ri为半径做圆，各圆的交点为待定位节点（x0，y0）的坐标。
　　根据几何原理得到方程组式（1）：
　　（1）
　　求解方程组（1），得待定位节点的坐标位置（x0，y0）。对于TOA定位方法，影响精度的主要因素是时钟同步误差和ti的测量误差。如果信标节点与待定位节点无法做到精确的时钟同步，则所测得的信号到达时间会有时间误差，导致Ri存在偏差，使三个圆无法交汇，或交汇处不是一点而是一片区域，造成定位误差。
　　2.2 到达时间差法
　　由于TOA定位方法中信标节点与待定位节点间时间同步要求非常严格，需要增加硬件成本，因此采用到达时间差法（TDOA，Time Difference of Arrival）定位方法。TDOA定位方法不要求严格的时间同步，相对简化了定位系统，应用更加广泛。
　　TDOA法通常有两种实现方式。一种是发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据已知的这两种信号的传播速度以及两种信号的到达时间差，计算待定位节点和信标节点之间的距离，通过计算待定位节点和至少3个信标节点之间的距离，用三圆相交法确定待定节点的坐标位置。
　　另一种实现方式，由待定位节点（x0，y0）向两个信标节点（x1，y1）、（x2，y2）同时发射信号，由于待定位节点与两个信标节点之间的距离不同，通过已知信号的传播速度v和两个信标节点接收到信号时间差Δt相乘，可确定待定位节点在以两个信标节点为焦点、距离差为vΔt的双曲线上。
　　通过测量至少三个信标节点之间的信号到达时间差，构成一组关于待定位节点坐标的双曲线方程组，求解该双曲线方程组可得到移动台的估计位置。
　　（2）
　　式中，Δt21、Δt31为待定位节点信号到达两信标节点的时间差，由于该方程组是非线性的，要取得最优解，需采用相应的非线性方程算法，目前解算该定位方程组的算法有三类，分别是最小二乘估计法（LES）、具有解析解的算法（Fang氏[2]、Chan氏[3]、Friedlander等）和递归算法（Taylor级数展开法[4]）等。
　　2.3 到达角度法
　　到达角度法（AOA，Angle of Arrival）定位原理是：待定位节点向信标节点发射信号，通过信标节点测定信号到达的角度，解算出待定位节点的坐标。在二维空间中，测得两个信号到达信标节点的到达角度AOA，信标节点根据各测得的AOA直线方向取其交点，解出待定位节点的坐标。
　　假设信标节点（x1，y1）、（x2，y2）测得待定位节点信号到达角度分别为θ1、θ2，则：
　　（3）
　　求解方程组（3）得到待定位节点位置（x0，y0）。AOA法定位精度受天线测角精度影响，增加信标节点布点密度或使用天线阵列可提高定位精度。
　　2.4 信号强度法
　　信号强度法（RSSI，Received Signal Strength Indication）定位原理为：通过检测信号接收端接收功率Pt，通过传播损耗模型，计算节点间的距离d，根据三边定位方法，解出信标节点的位置坐标。
　　室内信号传播具有复杂性，不能用理想传播模型计算出精确的距离。因此，系统设计经常使用以下简化路径损耗模型：
　　（4）
　　式中，Pt为发射信号功率，K为一个依赖于天线特性和平均信道损耗的常系数，d0为天线远场的参考距离，γ为路径损耗指数。选择合适的K、d0、γ近似拟合室内传播模型，即可计算出精确距离。
　　3 室内定位系统比较
　　基于上述无线定位方法的具体实现，定位系统根据不同无线信号的特点，采用不同的系统布置。下面对一些典型的室内无线定位系统进行简要介绍。
　　3.1 基于红外线的定位系统
　　红外线室内定位系统主要由三个部分组成：待定位标签、固定位置的传感器和定位服务器。待定位标签具有红外线发射能力，每15秒钟发射带有唯一标示号的红外线信号。定位服务器通过传感器收集数据，采用近似法估计用户位置。区域内所有标签的定位结果通过定位服务器数据接口在应用程序上显示。红外线室内定位系统原理如图1所示：

由于红外线很容易受直射日光和荧光灯干扰，系统的稳定性有待增强。同时，受到红外线穿透性差的影响，标签传播有效范围只在数米之内，系统精度一般为房间大小的级别。基于红外线的室内定位系统主要有Active Badge[5]，Active Badge被认为是第一个室内标记感测（Badge Sensing）原型系统。
　　3.2 基于超声波的定位系统
　　基于超声波定位的系统，利用超声波和射频信号的TDOA测量两点间距离，再用三边定位方法计算节点位置。该系统主要由两部分构成：待定位接收机和已知位置信标节点。信标节点被固定在建筑物上，每个信标节点拥有唯一的识别码。当接收机处于系统覆盖区域内，向附近的信标节点发出定位请求，信标节点则反馈一个超声波脉冲以及带自身位置信息的射频信号。接收机根据两种信号的TDOA计算出与该信标节点间的距离。通过测量接收机与至少3个以上信标节点的距离，根据三边定位方法计算出用户位置。超声波室内定位系统的原理如图2所示：
　　各信标之间的射频信号和超声波脉冲容易发生叠加混淆，接收机可能会将来自不同信标的射频信号和超声波脉冲进行错误匹配，引起距离计算错误。为此，超声波室内定位系统采取信号发射延迟机制，即信标节点在发射前先监听一段时间T，若期间没有接收到其他信标节点的信号，才开始尝试发射。时间T的大小由超声波信号最大传播时延确定，以避免出现异常状态。基于超声波的室内定位系统主要有Cricket[6]和Active Bat[7]。
　　3.3 基于WLAN的定位系统
　　WLAN无线局域网技术从20世纪末开始发展，现应用最广泛的是IEEE 802.11系列技术标准。WLAN具有部署方便、高速的特点，目前在笔记本电脑、手机等通信设备上得到广泛应用。
　　基于WLAN的室内定位系统主要包括三个部分：终端无线网卡、位置固定的WLAN热点和定位平台。系统采用基于信号强度的指纹定位技术。在系统实施上分为离线建库和实时定位两个阶段。
　　离线建库阶段，在WLAN信号覆盖范围区域确定采样点，形成较为均匀分布的采样点网格，并在每个采样点主动扫描区域内各WLAN信道上的热点信号，通过接收信号协议帧中的MAC地址来辨识不同热点，并记录其信号强度值。每个采样点处测得的全部可见热点的信号强度值、MAC地址及采样点坐标等信息作为一条记录保存到数据库中，采样点所对应的数据库信息被称为位置指纹。离线建库阶段原理如图3所示。实时定位阶段，通过终端无线网卡实时测量可见的WLAN热点信号强度信息，与位置指纹数据库中所记录的数据进行比较，取信号相似度最大的采样点位置作为定位结果。
　　基于WLAN的室内定位系统主要有微软设计院的Balh等人设计提出的RADAR[8]室内定位系统。
　　3.4 基于RFID的定位系统
　　RFID射频识别技术分为有源和无源两大类，考虑到续航时间问题，现一般采用无源RFID。按工作频率主要分为低频、高频和超高频三类。
　　基于RFID的室内定位系统采用基于信号强度分析法，检测待定位标签和读卡器之间的信号强度，再由已知标签和读卡器之间的信号强度，解算待定位标签的位置。系统主要由三部分组成：RFID标签、读卡器以及标签和读卡器之间的微型天线。读卡器发射固定频率信号，标签获得能量并上电复位。休眠状态的标签被激活，并将识别码信息调制至载波经卡内天线发射，供读卡器识别。该系统的原理如图4所示：
　　图4 RFID室内定位系统组成示意图
　　系统采用已知位置的参考标签作为定位系统的参考点。系统还包括一个由读卡器和参考标签组成的传感器网络和用于用户设备与Internet间通信的无线网络。定位的结果通过API在监视界面上显示。
　　其中，读卡器的工作范围是40米，如果增加天线，覆盖范围可达300米。当待定位标签处于检测范围内，读卡器读取待定位标签和参考标签的识别码信息和信号强度信息。通过信号强度与距离的关系，采用KNN算法，确定待定位标签位置。基于RFID的室内定位系统的典型代表是LANDMARC[9]和SpotOn[10]室内定位系统。
　　3.5 基于UWB的定位系统
　　UWB（Ultra-Wide-Band）超宽带技术是一种不用载波，而利用纳秒至皮秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的无线通信技术。使用3.1GHz～10.6GHz的频段及低于41dB的发射功率。与Bluetooth和WLAN等带宽相对较窄的传统无线通信技术不同，UWB在超宽频带上发送一系列非常窄的低功率脉冲，数据速率可达数十到数百Mbps。UWB室内定位技术具有抗干扰性强、发射功率低、可全数字化实现、保密性好等优点，特别适合应用在室内定位技术中，因此，UWB技术近年来成为无线定位技术中的研究热点。
　　UWB室内定位系统采用TDOA和AOA混合定位方法进行高精度定位。一个UWB室内定位系统包括三个部分：（1）活动标签：该标签由电池供电工作，且带有数据存储器，能够发射带识别码的UWB信号进行定位；（2）传感器：作为位置固定的信标节点接收并计算从标签发射出来的信号；（3）软件平台：能够获取、分析所有位置信息并传输信息给用户。UWB室内定位系统原理见图5。
　　在该系统中，标签发射UWB脉冲信号，天线阵列根据信号到达的时间差和到达角度计算出标签的精确位置。传感器按照蜂窝单元组织形式布置。每个定位单元中，主传感器配合其他传感器工作，并负责与标签进行通信。可以根据覆盖范围大小添加传感器。通过单元组合，定位系统可做到大面积区域覆盖。标签与传感器间支持双向射频通信，允许动态改变标签数据更新率，使交互式应用成为可能。传感器通过以太网或无线局域网将标签位置发送到定位引擎。定位引擎对数据进行整合，在定位软件平台上实现可视化处理。
　　每个传感器独立测定UWB信号到达方向角AOA；而到达时间差TDOA则由一对传感器测定。目前，单个传感器就能较为准确地测得标签位置，两个传感器能够测出精准的3D位置信息。如果两个传感器通过时间同步线连接起来，采用TDOA和AOA混合定位方式，3D定位精度便可达到15cm。基于UWB的室内定位系统有Ubisense 7000[11]和Zebra公司生产的Dart UWB室内定位系统。

4 总结
　　本文以室内无线定位技术为研究对象，简单介绍了室内定位技术的产生、研究意义和发展现状，并结合几种典型的室内定位系统，较为全面地进行了分析和归纳。表1从多个角度比较了以上各定位系统的性能。
　　从表1可以看出，各类室内无线定位系统在成本、计算量、精度和适用范围上存在着较大的差别。因此，室内无线定位技术的应用需要针对不同场合，根据节点规模、部署成本及定位精度等要求进行设计和选择。同时，室内定位技术研究逐渐向多元互补的方向发展，通过不同的理论、策略和网络拓扑进行相互配合，取长补短，使解决方案达到最优。总而言之，具有低成本、低复杂性、高精度、普适性等特点的室内无线定位技术还有待进一步深入研究。
　　参考文献：
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