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室內(nèi)導航技術(shù)發(fā)展及其現(xiàn)狀
DANBACH ROBOT
、 為什么需要室內(nèi)定位？
當您看到這篇文章時，恭喜您，您正在關(guān)注目前全較新的技術(shù)之室內(nèi)定位，為何這樣說呢？你知道我們生當中80%的時間是待在室內(nèi)，但GPS卻不能在室內(nèi)運作。人們對周遭環(huán)境不了解是會有恐懼感的，尤其在室內(nèi)的封閉空間更加如此。想想你曾在地下停車場花了多少時間找路？那種找不到出口出去的感覺是不是很糟？
GPS解決了我們戶外迷路的問題，但室內(nèi)呢？
當然了，室內(nèi)定位導航是基本功能，室內(nèi)定位真正吸引人的地方是它讓所有在室內(nèi)發(fā)生的事件多了個空間的維度。想想看，你在看任何事件較會先看什么？這事件在“哪里”發(fā)生？“何時”發(fā)生的？記錄事件發(fā)生的“位置”是非常重要的件事情。
例如：大型商場中的商戶能夠通過室內(nèi)定位技術(shù)獲知哪些地方人流量較大，客人們通常會選擇哪些行動路線等，從而更科學地布置柜臺或者選擇舉辦促銷活動的地點。
商店希望消費者進店消費時可以主動發(fā)送些促銷折扣，可以應用到手機購物、移動電子商務、個性化廣告/優(yōu)惠信息。用戶會希望能夠直接獲取商店或者所需產(chǎn)品的位置。其次，室內(nèi)定位在機場、醫(yī)院、大型商場、會展中心、大型停車場都可以有非常廣泛的應用，另個福音，家長不用再擔心孩子在商場中走失，通過室內(nèi)定位技術(shù)可以實時定位孩子的位置。
較終回歸到人與物、物與人以及人與人的連結(jié)，在這當中可想而知，有室內(nèi)定位才可將這些連結(jié)快速結(jié)合起來，足以看得出室內(nèi)定位扮演的關(guān)鍵角色。室內(nèi)定位的應用其實還不限于這些，這項技術(shù)可以影響著你生活的方方面面。多方面的需求推動了室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。
二、 室外定位技術(shù)簡介目前常用的室外定位方式有：種是基于人造衛(wèi)星的定位，種是基于移動運營網(wǎng)的基站的定位。
1.衛(wèi)星定位
衛(wèi)星定位有四大系統(tǒng)，美國的GPS系統(tǒng)、歐盟的伽利略定位系統(tǒng)（Galileo）、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和中國的北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。GPS又稱為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning SystemGPS）。GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部分—GPS信號接收機。GPS的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息用戶接收到這些信息后經(jīng)過計算求出接收機的三維位置三維方向以及運動速度和時間信息。
2.基站定位
基站定位般應用于手機用戶，手機基站定位服務又叫做移動位置服務LBS，它是通過電信移動運營商的網(wǎng)絡（如GSM網(wǎng)）獲取移動終端用戶的位置信息（經(jīng)緯度坐標），在電子地圖平臺的支持下，為用戶提供相應服務的種增值業(yè)務?；径ㄎ粍t是利用基站對手機的距離的測算來確定手機位置的。大致原理為：移動電話測量不同基站的下行導頻信號，得到不同基站下行導頻的TOA（Time of Arrival，到達時刻）或TDOA(Time Difference of Arrival，到達時間差)，根據(jù)該測量結(jié)果并結(jié)合基站的坐標，般采用三角公式估計算法，就能夠計算出移動電話的位置?；径ㄎ坏木容^低，但是可以在室內(nèi)定位。
基于室外定位技術(shù)比較成熟，大家也比較了解，篇幅有限，不多介紹。
三、室內(nèi)定位技術(shù)簡介上文簡單介紹下室外定位技術(shù)，室外定位技術(shù)成熟、市場機制良好、應用廣泛。然而室內(nèi)無GPS信號無法進行定位，但人們大部分時間是處在室內(nèi)，故對室內(nèi)定位也有強烈的定位需求。室內(nèi)定位的技術(shù)分支多樣，下圖是各種室內(nèi)定位方案的對比圖：
再來看看各種室內(nèi)定位方案的不同參數(shù)指標對比表，如下表格：
簡單介紹下各種室內(nèi)定位方案：
1. UWB（超寬帶）脈沖信號，由多個傳感器采用TDOA和AOA定位算法對標簽位置進行分析，多徑分辨能力強、精度高，定位精度可達厘米。但UWB難以實現(xiàn)大范圍室內(nèi)覆蓋，且手機不支持UWB，定位成本非常高。
2. RFID的定位，采用刷卡方式，根據(jù)閱讀器位置對刷卡人員或設備進行區(qū)間定位。主要應用在倉庫、工廠、商場廣泛使用在貨物、商品流轉(zhuǎn)定位上、ETC、辦公考勤等，無法進行實時定位，定位度低，不具有通信能力，抗干擾能力較差。
3. ZigBee室內(nèi)定位技術(shù)通過若干個待定位的盲節(jié)點和個已知位置的參考節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間形成組網(wǎng)，每個微小的盲節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)通信以實現(xiàn)全部定位。作為個低功耗和低成本的通信系統(tǒng)，ZigBee的信號傳輸受多徑效應和移動的影響都很大，而且定位精度取決于信道物理品質(zhì)、信號源密度、環(huán)境和算法的準確性，造成定位軟件的成本較高，提高空間還很大。ZigBee室內(nèi)定位已經(jīng)被很多大型的工廠和車間作為人員在崗管理系統(tǒng)所采用。
4. 超聲波定位應用案例的代表是Shopkic，在商店內(nèi)安裝超聲波信號盒，手機麥克風檢測到聲波，從而實現(xiàn)定位，主要用于店鋪的簽到。超聲波在空氣中的衰減較大，不適用于大型場合，加上反射測距時受多徑效應和非視距傳播影響很大，造成需要分析計算的底層硬件設施投資，成本太高。
5. 慣導由于手機初始姿態(tài)的不確定性和手機慣性傳感器精度問題，室內(nèi)定位效果不佳?，F(xiàn)在越來越多的人用自主慣性傳感器定位導航進行輔助導航，特別是IOS手機不開放RSSI等接口的情況下。
6. LED定位系統(tǒng)通過往天花板上的LED燈具實現(xiàn)，燈具發(fā)出像莫斯電報密碼樣的閃爍信號，再由用戶智能手機照相機接收并進行檢測，定位精度可以在1米之內(nèi)。LED定位需要改造LED燈具，增加芯片，增加成本，紅外線只能視距傳播，穿透性差也易受燈光、煙霧等環(huán)境因素影響明顯。定位效果有限。比較適用于實驗室對簡單物體的軌跡定位記錄以及室內(nèi)自走機器人的位置定位。盡管如此，LED定位是種很有潛力的室內(nèi)定位技術(shù)。
7. Wi-Fi定位由于Wi-Fi網(wǎng)絡的普及，變得非常流行。Wi-Fi定位可以達到米定位（1~10米），Wi-Fi定位技術(shù)有兩種，種是通過移動設備和三個無線網(wǎng)絡接入點的無線信號強度，通過差分算法，來比較精準地對人和車輛進行三角定位。另種是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(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，來確定位置(“指紋”定位)。但是iOS不支持Wi-Fi室內(nèi)定位(Apple把Wi-Fi底層的東西鎖住了，開發(fā)者無法得知些Wi-Fi重要訊息)，無法做到精準定位且響應速度不高。Wi-Fi定位適用于對人或者車的定位導航，可用于醫(yī)療機構(gòu)、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導航的場合。目前市場上已逐步用ibeacon定位。
8. 地磁和計算機視覺定位的產(chǎn)品，目前這兩類產(chǎn)品大多用于軍事及科學探測，如軍事上的水下導航常用的地磁導航，火星車的導航用到了計算機視覺導航。
四、室內(nèi)無線定位算法
面對這么多技術(shù)解決方案大家可能有點眼花繚亂，總結(jié)下室內(nèi)無線定位算法技術(shù)基本上歸結(jié)于以下3類：
1. 近鄰法：較簡單的方式，直接選定那個信號強度較大的AP的位置，定位結(jié)果是熱點位置數(shù)據(jù)庫中存儲的當前連接的Wi-Fi熱點的位置。
2. 三角測量法：通過信號的各種參數(shù)得到目標與AP的距離或者角度，用幾何方法計算出位置。包括到達時間法、相對到達時間法、到達角度法、基于信號強度的測距方法，及其混合算法。
3. 指紋法：就是事先把各個位置上的信號特征（各Wi-Fi的信號強度）測量遍，存入指紋數(shù)據(jù)庫。定位的時候，將當前的信號特征與指紋庫中的進行匹配，從而確定位置。
從上面的敘述中可以看出，不管是室外定位還是室內(nèi)定位，定位的基本原理是差不多的，就是在信號的傳輸上測算你的位置。不管是用時間，角度，衰減，還是別的方面，區(qū)別只是不同技術(shù)導致不同精度而已。從技術(shù)成熟與大規(guī)模應用的現(xiàn)實角度考慮，ibeacon藍牙定位技術(shù)成為當前主流、也是未來較具發(fā)展?jié)摿Φ氖覂?nèi)定位技術(shù)手段之。
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