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物聯網有哪些定位技術!定位正在從室外走向室內
作者:兴智科技 发布时间:2020-04-21 09:45:21
     定位技術我们并不陌生,从航海、航天、航空、测绘、军事、自然灾害预防等“高大上”领域,到日常生活中的人员搜寻、位置查找、交通管理、车辆导航与路线规划等等,各种定位技術都有广泛应用,也让我们越来越无处遁形。
總體來說,定位可以按照使用場景的不同劃分爲室內定位和室外定位兩大類,場景不同,需求也就不同,采用的定位技術也不盡相同。
①成熟的室外定位技術
衛星定位和基站定位
目前应用于室外定位的主流技术主要有衛星定位和基站定位两种。
1.衛星定位
衛星定位即是通過接收衛星提供的經緯度坐標信號來進行定位,衛星定位系統主要有:美國全球定位系(GPS)、俄羅斯格洛納斯(GLONASS)、歐洲伽利略(GALILEO)系統、中國北鬥衛星導航系統,其中GPS系統是現階段應用最爲廣泛、技術最爲成熟的衛星定位技術。
GPS全球衛星定位系統由三部分組成:空間部分、地面控制部分、用戶設備部分。


● 空間部分是由24 顆工作衛星組成,它們均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆),衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛星,並能保持良好定位解算精度的幾何圖象;
● 控制部分主要由監測站、主控站、備用主控站、信息注入站構成,主要負責GPS衛星陣的管理控制;
● 用戶設備部分主要是GPS接收機,主要功能是接收GPS衛星發射的信號,獲得定位信息和觀測量,經數據處理實現定位。 
GPS的定位原理說白了就是通過四顆已知位置的衛星來確定GPS接收器的位置。
要達到這一目的,衛星的位置可以根據星載時鍾所記錄的時間在衛星星曆中查出。而用戶到衛星的距離則通過紀錄衛星信號傳播到用戶所經曆的時間,再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的幹擾,這一距離並不是用戶與衛星之間的真實距離,而是僞距)。
當GPS衛星正常工作時,會不斷地用1和0二進制碼元組成的僞隨機碼(簡稱僞碼)發射導航電文。導航電文包括衛星星曆、工作狀況、時鍾改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。然而,由于用戶接受機使用的時鍾與衛星星載時鍾不可能總是同步,所以除了用戶的三維坐標x、y、z外,還要引進一個變量 t 即衛星與接收機之間的時間差作爲未知數,然後用4個方程將這4個未知數解出來。所以如果想知道接收機所處的位置,至少要能接收到4個衛星的信號。如下圖所示: 


 圖:GPS定位原理
衛星定位雖然精度高、覆蓋廣,但其成本昂貴、功耗大,並不適合于所有用戶。
2.基站定位
基站定位一般应用于手机用户,手机基站定位服务又叫做移动位置服务(LBS,Location Based Service),它是通过电信移动运营商的网络(如GSM网)获取移动终端用户的位置信息。 


手機等移動設備在插入sim卡開機以後,會主動搜索周圍的基站信息,與基站建立聯系,而且在可以搜索到信號的區域,手機能搜索到的基站不止一個,只不過遠近程度不同,再進行通信時會選取距離最近、信號最強的基站作爲通信基站。其余的基站並不是沒有用處了,當你的位置發生移動時,不同基站的信號強度會發生變化,如果基站A的信號不如基站B了,手機爲了防止突然間中斷鏈接,會先和基站B進行通信,協調好通信方式之後就會從A切換到B。這也就是爲什麽同樣是待機一天,你在火車上比在家裏耗電要多的原因,手機需要不停的搜索、連接基站。 
基站定位的原理也很簡單:我們知道,距離基站越遠,信號越差,根據手機收到的信號強度可以大致估計距離基站的遠近,當手機同時搜索到至少三個基站的信號時(現在的網絡覆蓋這是很輕松的一件事情),大致可以估計出距離基站的遠近;基站在移動網絡中是唯一確定的,其地理位置也是唯一的,也就可以得到三個基站(三個點)距離手機的距離,根據三點定位原理,只需要以基站爲圓心,距離爲半徑多次畫圓即可,這些圓的交點就是手機的位置。

圖:基站“三點定位”原理
由于基站定位時,信號很容易受到幹擾,所以先天就決定了它定位的不准確性,精度大約在150米左右,基本無法開車導航。定位條件是必須在有基站信號的位置,手機處于sim卡注冊狀態(飛行模式下開wifi和拔出sim卡都不行),而且必須收到3個基站的信號,無論是否在室內。但是,定位速度超快,一旦有信號就可以定位,目前主要用途是沒有GPS且沒有wifi的情況下快速大體了解下你的位置。
表:兩種室外定位技術的對比
定位技術 GPS定位 LBS定位
原理 衛星定位 基站定位
精度 精度高(5-10m) 精度較低(市區20-200m;郊區1000-2000m)
耗電量 很大,需要手機爲GPS模塊提供高壓供電 基站采集數據即可,不消耗手機電量
優點 室外定位精度高;
   覆盖广
定位速度超快;
   不受天气、高楼、位置等等的影响;
   功耗低
缺點 1.GPS系統的天線必須在室外並且能看到大面積天空,否則無法定位,受天氣和位置影響很大;
 2.比較耗電;
 3.成本較高
1.定位條件是必須在有基站信號的位置,手機處于sim卡注冊狀態),且必須收到3個基站的信號;
 2.定位精度低


②定位技術从室外走向室内
需求很旺盛,挑戰也很多
GPS和基站定位技術基本满足了用户在室外场景中对位置服务的需求。然而,人的一生当中有80%的时间是在室内度过的,个人用户、服务机器人、新型物联网设备等大量的定位需求也发生在室内;而室内场景受到建筑物的遮挡,GNSS信号快速衰减,甚至完全拒止,无法满足室内场景中导航定位的需要。
近年來,位置服務的相關技術和産業正從室外向室內發展,以提供無所不在的基于位置的服務,其主要推動力是室內位置服務所能帶來的巨大的應用和商業潛能。許多公司包括OS提供商、服務提供商,設備和芯片提供商都在競爭這個市場。




1.室內定位應用
室內定位即通過技術手段獲知人們在室內所處的實時位置或者行動軌迹。基于這些信息能夠實現多種應用。
● 大型商场中的商户能够通过室内定位技術获知哪些地方人流量最大,客人们通常会选择哪些行动路线等,从而更科学地布置柜台或者选择举办促销活动的地点。
● 客人也可以利用室内定位技術更方便地找到所需购买物品的摆放区域,并获得前往该处的最佳路线。
● 家长不用再担心孩子在商场中走失,通过室内定位技術可以实时定位孩子的位置。
● 公司的管理者则可以运用室内定位技術实时获知室内的人员状况,从而更好地优化空调的使用等,达到节能减排的目的,还能够有效提高安全保卫的水平。
● 通过部署室内定位技術,电信运营商能够更好地找到室内覆盖的“盲点”和“热点”区域,更好地在室内为用户提供通信服务。
2.室內定位面臨的挑戰
和室外定位相比,室内定位面临很多独特的挑战, 比如说室内的环境动态性很强,可以说是多种多样,不同的大厦会有不同的室内布局;室内的环境更加精细,由此也需要更高的精度来分辨不同的特征。
那么实用的室内定位解決方案都需要满足那些要求呢?主要包括以下几个方面:精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性和响应时间。  
精度:對精度的要求不同的應用差別很大,比如在超市或倉庫找一個特定的商品可能需要1米甚至更低的精度,如果在購物中心尋找一個特定的品牌或餐館,5-10米的精度就能滿足要求。  
覆盖范围:覆盖范围主要是指一个技术和解決方案可以在多大的范围内提供满足精度的覆盖。有些技术需要相应或专用的基础设施支撑并结合相应的定位终端使用,这样它的覆盖就只是布局了相应技术的环境范围。 
可靠性:前面提到室内环境动态性很强,会经常发生改变,比如商场的设置和隔断会经常发生变化。另一方面,定位所依赖的基础设施也会经常发生变化。举个例子,一些大型的会议,参展商会架设自己的WiFi 热点, 这些设施会动态变化位置,甚至有时开有时关,如果定位技術是基于WiFi的,可靠的系统应该不会受到这些因素的影响。 
成本和複雜度:成本和複雜度指標涵蓋兩個方面。一個是定位終端的成本,是不是可以用終端已有的硬件而不添加新的硬件。另一方面是布局和維護的成本及其複雜度,包括布局與維護定位所需要的設施和采集相關的數據庫。 
功耗:定位所産生的功耗是一個很重要的指標尤其對使用電池的移動設備,如果功耗大很快使設備沒電了,就限制了用戶的使用。有調查表明,電池消耗過快是很多用戶不開啓定位功能的一個主要因素。所以,如果要實現隨時隨地的位置感知,必須降低定位所增加的設備額外功耗。 
可擴展性:可擴展性指一個解覺方案擴展到更大的覆蓋範圍使用的能力,和方便地移植到不同的環境和應用的能力。 
響應時間:系統給出一個位置更新所需的時間是響應時間,不同的應用需求不同,比如移動用戶和導航應用需要快的位置更新。
③蓬勃发展的室外定位技術
WiFi、藍牙、RFID、紅外等等各有特殊
室內定位的技術分支多樣,下圖是各種室內定位方案的對比圖:

目前室內定位常用的定位方法,從原理上主要分爲七種:鄰近探測法、質心定位法、多邊定位法、三角定位法、極點法、指紋定位法和航位推算法。


定位原理 描述 特點
臨近探測法 通過一些有範圍限制的物理信號的接收,從而判斷移動設備是否出現在某一個發射點附近。 該方法雖然只能提供大概的定位信息,但其布設成本低、易于搭建,適合于一些對定位精度要求不高的應用,例如自動識別系統用于公司的員工簽到。
質心定位法 根據移動設備可接收信號範圍內所有已知的信標(beacon)位置,計算其質心坐標作爲移動設備的坐標。 該方法易于理解,計算量小,定位精度取決于信標的布設密度。
多邊定位法 通過測量待測目標到已知參考點之間的距離,從而確定待測目標的位置。 精度高、應用廣。
三角定位法 該方法是在獲取待測目標相對2個已知參考點的角度後結合兩參考點間的距離信息可以確定唯一的三角形,即可確定待測目標的位置。 精度高、應用廣。
極點法 通過測量相對某一已知參考點的距離和角度從而確定待測點的位置。 該方法僅需已知一個參考點的位置坐標,因此使用非常方便,已經在大地測量中得到廣泛應用。
指紋定位法 在定位空間中建立指紋數據庫,通過將實際信息與數據庫中的參數進行對比來實現定位。 指纹定位的优势是几乎不需要参考测量点,定位精度相对较高;但缺點是前期离线建立指纹库的工作量巨大,同时很难自适应于环境变化较大的场景。
航位推算法 是在已知上一位置的基礎上,通過計算或已知的運動速度和時間計算得到當前的位置。 數據穩定,無依賴,但該方法存在累積誤差,定位精度隨著時間增加而惡化。
不同的室內定位方法選擇不同的觀測量,通過不同的觀測量提取算法所需要的信息。下表對主要的觀測量進行簡要的介紹。
觀測量 簡介
RSSI測量 它是通過計算信號的傳播損耗,可以使用理論或者經驗模型來將傳播損耗轉化爲距離,也可以用于指紋定位建立指紋庫。
TOA測量 該方法主要測量信號在基站和移動台之間的單程傳播時間或來回傳播時間。前者要求基站與移動台間的時鍾同步。
TDOA測量 該方法同樣是測量信號到達時間,但使用到達時間差進行定位計算,可利用雙曲線交點確定移動台位置,故可以避免對基站和移動台的精確同步。
AOA測量 該方法是指接收機通過天線陣列測出電磁波的入射角度,包括測量基站信號到移動台的角度或者移動台信號到達基站的角度。每種方式均會産生從基站到移動台的方向線。2個基站可以得到2條方向線,其交點即爲移動台位置。因此,AOA方法只需要2個基站即可確定移動台位置。
方向和距離 获取方向和距離多用于航位推算定位,采用自包含传感器记录载体的物理信息,计算得到方向和距離,从而在已知上一位置的基础上计算得到当前的位置。
根据上面介绍的定位原理和觀測量,衍生出了多种室内定位技術,下面将对主流的室内定位技術进行简要介绍。
1.WiFi定位技術
目前WiFi是相对成熟且应用较多的技术,这几年有不少公司投入到了这个领域。WiFi室内定位技術主要有两种。
WiFi定位一般采用“近鄰法”判斷,即最靠近哪個熱點或基站,即認爲處在什麽位置,如附近有多個信源,則可以通過交叉定位(三角定位),提高定位精度。


由于WiFi已普及,因此不需要再鋪設專門的設備用于定位。用戶在使用智能手機時開啓過Wi-Fi、移動蜂窩網絡,就可能成爲數據源。該技術具有便于擴展、可自動更新數據、成本低的優勢,因此最先實現了規模化。
不過,WiFi熱點受到周圍環境的影響會比較大,精度較低。爲了做得准一點有公司就做了WiFi指紋采集,事先記錄巨量的確定位置點的信號強度,通過用新加入的設備的信號強度對比擁有巨量數據的數據庫,來確定位置。


由于采集工作需要大量的人員來進行,並且要定期進行維護,技術難以擴展,很少有公司能把國內的這麽多商場定期的更新指紋數據。
WiFi定位可以實現複雜的大範圍定位,但精度只能達到2米左右,無法做到精准定位。因此適用于對人或者車的定位導航,可以于醫療機構、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導航的場合。
2.FRID定位技術
RFID定位的基本原理是,通过一组固定的阅读器读取目标RFID标签的特征信息(如身份ID、接收信号强度等),同样可以采用近邻法、多邊定位法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。
这种技术作用距离短,一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且传输范围很大,成本较低。同时由于其非接触和非视距等優點,可望成为优选的室内定位技術。
目前,射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。優點是标识的体积比较小,造价比较低,但是作用距离近,不具有通信能力,而且不便于整合到其他系统之中,无法做到精准定位,布设读卡器和天线需要有大量的工程实践经验难度大。
3.红外定位技術
紅外線是一種波長在無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外定位主要有兩種具體實現方法,一種是將定位對象附上一個會發射紅外線的電子標簽,通過室內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容易實現較高精度,可實現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、燈光等幹擾,造成定位精度和准確度下降。
該技術目前主要用于軍事上對飛行器、坦克、導彈等紅外輻射源的被動定位,此外也用于室內自走機器人的位置定位。


另一種紅外定位的方法是紅外織網,即通過多對發射器和接收器織成的紅外線網覆蓋待測空間,直接對運動目標進行定位。
這種方式的優勢在于不需要定位對象攜帶任何終端或標簽,隱蔽性強,常用于安防領域。劣勢在于要實現精度較高的定位需要部署大量紅外接收和發射器,成本非常高,因此只有高等級的安防才會采用此技術。
4.超声波定位技術
超聲波定位目前大多數采用反射式測距法。系統由一個主測距器和若幹個電子標簽組成,主測距器可放置于移動機器人本體上,各個電子標簽放置于室內空間的固定位置。
定位過程如下:先由上位機發送同頻率的信號給各個電子標簽,電子標簽接收到後又反射傳輸給主測距器,從而可以確定各個電子標簽到主測距器之間的距離,並得到定位坐標。


目前,比较流行的基于超声波室内定位的技术还有两种:一种为将超声波与射频技术结合进行定位。由于射频信号传输速率接近光速,远高于射频速率,那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号,利用时间差的方法测距。这种技术成本低,功耗小,精度高。另一种为多超声波定位技術。该技术采用全局定位,可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器,将待定位空间分区,由超声波传感器测距形成坐标,总体把握数据,抗干扰性强,精度高,而且可以解决机器人迷路问题。
超聲波定位精度可達厘米級,精度比較高。缺陷是超聲波在傳輸過程中衰減明顯從而影響其定位有效範圍。
5.蓝牙定位技術
蓝牙定位基于RSSI(Received Signal Strength Indication,信号场强指示)定位原理。根据定位端的不同,蓝牙定位方式分为网络侧定位和终端侧定位。
網絡側定位系統由終端(手機等帶低功耗藍牙的終端)、藍牙beacon節點,藍牙網關,無線局域網及後端數據服務器構成。其具體定位過程是:


1)首先在區域內鋪設beacon和藍牙網關。
2)當終端進入beacon信號覆蓋範圍,終端就能感應到beacon的廣播信號,然後測算出在某beacon下的RSSI值通過藍牙網關經過wifi網絡傳送到後端數據服務器,通過服務器內置的定位算法測算出終端的具體位置。
終端側定位系統由終端設備(如嵌入SDK軟件包的手機)和beacon組成。其具體定位原理是:
1)首先在區域內鋪設藍牙信標
2)beacon不斷的向周圍廣播信號和數據包
3)當終端設備進入beacon信號覆蓋的範圍,測出其在不同基站下的RSSI值,然後再通過手機內置的定位算法測算出具體位置。
終端側定位一般用于室內定位導航,精准位置營銷等用戶終端;而網絡側定位主要用于人員跟蹤定位,資産定位及客流分析等情境之中。藍牙定位的優勢在于實現簡單,定位精度和藍牙信標的鋪設密度及發射功率有密切關系。並且非常省電,可通過深度睡眠、免連接、協議簡單等方式達到省電目的。
6.慣性導航技術
這是一種純客戶端的技術,主要利用終端慣性傳感器采集的運動數據,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,經過各種運算得到物體的位置信息。
随着行走时间增加,惯性导航定位的误差也在不断累积。需要外界更高精度的数据源对其进行校准。所以现在惯性导航一般和WiFi指纹结合在一起, 每过一段时间通过WiFi请求室内位置,以此来对MEMS产生的误差进行修正。该技术目前的商用得也比较成熟,在扫地机器人中得到广泛应用。
7.超宽带(UWB)定位技術
超寬帶技術是近年來新興一項全新的、與傳統通信技術有極大差異的通信無線新技術。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微秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據,從而具有3.1~10.6GHz量級的帶寬。目前,包括美國,日本,加拿大等在內的國家都在研究這項技術,在無線室內定位領域具有良好的前景。
UWB技术是一种传输速率高,发射功率较低,穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术,无载波。正是这些優點,使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。
超宽带(UWB)定位技術利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点,与新加入的盲节点进行通讯,并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。


超宽带可用于室内精确定位,例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比,具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等優點。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航,且能提供十分精确的定位精度。根据不同公司使用的技术手段或算法不同,精度可保持在0.1 m~0.5 m。
8.LED可见光定位技術
可見光是一個新興領域,通過對每個LED燈進行編碼,將ID調制在燈光上,燈會不斷發射自己的ID,通過利用手機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據庫中確定對應的位置信息,完成定位。


根據燈光到達的角度進一步細化定位的結果,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設施,終端數量的擴大對性能沒有任何的影響,並且可以達到一個非常高的精度,該技術被高通公司所看好。
目前,可見光技術在北美有很多商場已經在部署。用戶下載應用後,到達商場裏的某一個貨架,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。
 9.地磁定位技術
地球可視爲一個磁偶極,其中一極位在地理北極附近,另一極位在地理南極附近。地磁場包括基本磁場和變化磁場兩個部分。基本磁場是地磁場的主要部分,起源于地球內部,比較穩定,屬于靜磁場部分。變化磁場包括地磁場的各種短期變化,主要起源于地球內部,相對比較微弱。
现代建筑的钢筋混凝土结构会在局部范围内对地磁产生扰乱,指南针可能也会因此受到影响。原则上来说,非均匀的磁场环境会因其路径不同产生不同的磁场观测结果。而这种被称为 IndoorAtlas的定位技術,正是利用地磁在室内的这种变化进行室内导航,并且导航精度已经可以达到 0.1 米到 2 米。
不過使用這種技術進行導航的過程還是稍顯麻煩。你需要先將室內樓層平面圖上傳到 IndoorAtlas 提供的地圖雲中,然後你需要使用其移動客戶端實地記錄目標地點不同方位的地磁場。記錄的地磁數據都會被客戶端上傳至雲端,這樣其它人才能利用已記錄過的地磁進行精確室內導航。
百度于2014年战略投资了地磁定位技術开发商IndoorAtlas,并于2015年6月宣布在自己的地图应用中使用其地磁定位技術,将该技术与Wi-Fi热点地图、惯性导航技术联合使用。精度高, 宣传商业应用中,可以达到米级定位标准,但磁信号容易受到环境中不断变化的电、磁信号源干扰,定位结果不稳定,精度会受影响。
10.視覺定位
視覺定位系統可以分爲兩類,一類是通過移動的傳感器(如攝像頭)采集圖像確定該傳感器的位置,另一類是固定位置的傳感器確定圖像中待測目標的位置。根據參考點選擇不同又可以分爲參考三維建築模型、圖像、預部署目標、投影目標、參考其他傳感器和無參考。
參考3D建築模型和圖像分別是以已有建築結構數據庫和預先標定圖像進行比對。而爲了提高魯棒性,參考預部署目標使用布置好的特定圖像標志(如二維碼)作爲參考點;投影目標則是在參考預部署目標的基礎上在室內環境投影參考點。參考其他傳感器則可以融合其他傳感器數據以提高精度、覆蓋範圍或魯棒性。

 除了以上提及的,目前来看定位技術的种类有几十甚至上百种,而每种定位技術都有自己的优缺點和适合的应用场景,没有绝对的胜负之分。根据不用的需求因地制宜的部署解決方案,方为上策~