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室内定位

在室内环境无法使用卫星定位时,使用室内定位技术作为卫星定位的辅助定位,解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题。最终定位物体当前所处的位置。

 

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定义

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室内定位是指在室内环境中实现位置定位,主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系,从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控

定位技术

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除通讯网络的蜂窝定位技术外,常见的室内无线定位技术还有:Wi-Fi蓝牙红外线、超宽带RFIDZigBee和超声波。
l Wi-Fi技术
通过无线接入点(包括无线路由器)组成的无线局域网络(WLAN),可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务。它以网络节点(无线接入点)的位置信息为基础和前提,采用经验测试和信号传播模型相结合的方式,对已接入的移动设备进行位置定位,最高精确度大约在1米至20米之间。如果定位测算仅基于当前连接的Wi-Fi接入点,而不是参照周边Wi-Fi的信号强度合成图,则Wi-Fi定位就很容易存在误差(例如:定位楼层错误)。
另外,Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域,而且很容易受到其他信号的干扰,从而影响其精度,定位器的能耗也较高。
l 蓝牙技术
蓝牙通讯是一种短距离低功耗的无线传输技术,在室内安装适当的蓝牙局域网接入点后,将网络配置成基于多用户的基础网络连接模式,并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微网络的主设备。这样通过检测信号强度就可以获得用户的位置信息。
蓝牙定位主要应用于小范围定位,例如:单层大厅或仓库。对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备,只要设备的蓝牙功能开启,蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。
不过,对于复杂的空间环境,蓝牙定位系统的稳定性稍差,受噪声信号干扰大。
l 红外线技术
红外线技术室内定位是通过安装在室内的光学传感器,接收各移动设备(红外线IR标识)发射调制的红外射线进行定位,具有相对较高的室内定位精度。
但是,由于光线不能穿过障碍物,使得红外射线仅能视距传播,容易受其他灯光干扰,并且红外线的传输距离较短,使其室内定位的效果很差。当移动设备放置在口袋里或者被墙壁遮挡时,就不能正常工作,需要在每个房间、走廊安装接收天线,导致总体造价较高。
l 超宽带技术
超宽带技术与传统通信技术的定位方法有较大差异,它不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据,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、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能够提高精确定位精度等优点,通常用于室内移动物体的定位跟踪或导航
l RFID技术
RFID定位技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据,实现移动设备识别和定位的目的。它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且传输范围大、成本较低;不过,由于以下问题未能解决,以RFID定位技术的适用范围受到局限。
1. RFID不便于整合到移动设备之中
2. 作用距离短(一般最长为几十米)
3. 用户的安全隐私保护
4. 国际标准化
l ZigBee技术
ZigBee是一种短距离、低速率的无线网络技术。它介于RFID和蓝牙之间,可以通过传感器之间的相互协调通信进行设备的位置定位。这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。
l 超声波技术
超声波定位主要采用反射式测距(发射超声波并接收由被测物产生的回波后,根据回波与发射波的时间差计算出两者之间的距离),并通过三角定位等算法确定物体的位置。
超声波定位整体定位精度较高、系统结构简单,但容易受多径效应和非视距传播的影响,降低定位精度;同时,它还需要大量的底层硬件设施投资,总体成本较高。

服务商

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室内定位技术主要分基站定位和惯导定位两种服务商。基站定位服务商主要有:谷歌、诺基亚、TI、苹果、高德、百度等采用WIFI定位;惯导定位服务商主要有:美国的NAVISEER,龙旗瑞谱科技,上海消防研究所。目前商用技术基本采用WIFI,RFID等无线通讯基站方案,针对应急救援主要采用惯性导航等技术方案,因为应急救援面对的场所应该都是灾害性的,基站无[1-3]  线通讯都属于瘫痪状态,还有就是社会成本过高,所以只能采用惯性导航技术,它无需任何额外的基础设施或网络,以无线方式实时输出人员的行走距离与方向信息,可以实现在各种复杂环境中人员的准确定位,为保证人员的生命安全提供有效的保证。

技术方案

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目前我们已经能够看到一些室内定位技术的应用介绍了。据我所知的有谷歌、诺基亚、博通、IndoorAtals、Qubulus、杜克大学这几个方案。下面笔者就把它们整理一下,欢迎大家在此基础上进行指正、补充。
谷歌方案
谷歌手机地图6.0版的时候已经在一些地区加入了室内导航功能,此方案主要依靠GPS(室内一般也能搜索到2~3颗卫星)、wifi信号、手机基站以及根据一些“盲点”(室内无GPS、wifi或基站信号的地方)的具体位置完成室内的定位。目前此方案的精度还不是很满意,所以谷歌后来又发布了一个叫“Google Maps Floor Plan Marker”的手机应用,号召用户按照一定的步骤来提高室内导航的精度。
谷歌一直在努力解决两个问题:获取更多的建筑平面图;提高室内导航的精度。建筑平面图是室内导航的基础,就如同GPS车用导航需要电子导航地图一样。谷歌目前想通过“众包”的方式解决数据源的问题,就是鼓励用户上传建筑平面图。另外,用户在使用谷歌的室内导航时,谷歌会收集一些GPS、wifi、基站等信息,通过服务器进行处理分析之后为用户提供更准确的定位服务。
诺基亚方案
诺基亚采用的是HAIP技术,具体是什么笔者也没能查到更多的资料,不过诺基亚正在努力使它成为蓝牙协议的一部分,这样只要你的设备带有蓝牙模块,就能够使用这种技术进行定位。当然,仅有一个蓝牙模块还不能完成定位,还需要在室内安装一种定位发射台,通过这两者之间的通信完成定位。这种发射台可以覆盖100m×100m的范围,定位精度在30cm~100cm,据说这种发射台还有成本低、功耗低等特点,一台或多台都能完成定位。
博通方案
博通公司研制了一种用于室内定位的新芯片(BCM4752),具备三维定位功能(即你所在位置的高度也算出来)。这种芯片可以通过wifi、蓝牙或NFC等技术来提供室内定位系统支持。更强大的是,该芯片可以结合其它传感器,例如手机里的陀螺仪加速度传感器、方位传感器等,将你位置的变化实时计算出来,甚至做到没有死角。博通公司的如意算盘是将这种芯片内置到智能手机里。
IndoorAtlas方案
IndoorAtlas是一家专注于室内导航解决方案的公司,刚成立不久。IndoorAtlas的方案基于地球磁场,依据是每一个具体位置的磁场信息都不一样。不过使用这种技术进行导航比较麻烦,首先用户需要上传建筑平面图,然后还需要你拿着移动设备绕室内一圈,记录下各个位置的地磁信号特征,这些信息需要上传到IndoorAtlas的服务器。最后,你需要使用IndoorAtlas提供的工具包开发一个应用才能使用定位功能(IndoorAtlas的开发工具包可以在线申请,不过笔者申请了两次都没结果)。
Qubulus方案
跟IndoorAtlas不同的是,Qubulus公司根据无线电信号(Radio Signature)来定位。每一个位置的无线电信号数量、频度、强度等也是不同的,Qubulus根据这些差异计算出你的具体位置。使用Qubulus的方案,你同样需要收集室内的无线电信号。Qubulus也提供了开发工具包,很容易申请下来。开发工具包里有一个例子,可以使用Eclipse直接编译通过。
杜克大学方案
杜克大学则借助现实生活中路标(landmarks)的思想,正在开发一个叫做UnLoc的应用。此应用通过感知wifi、3G信号死角,以及一些运动特征,如电梯、楼梯等,并根据这些位置已知的路标来计算你的位置。当你移动的时候,就根据其他感应器( 陀螺仪、加速度传感器、方位传感器等)来跟踪你的位置。这一过程精度会逐渐降低,但当你到达下一个路标时,位置就会被校准。
智慧图方案
北京智慧图科技有限责任公司通过检测Wi-Fi、蓝牙节点(iBeacon)的信号强度进行定位,目前智慧图定位产品包括终端侧定位与网络侧定位两种[4]  。终端侧定位通过手机检测无线网络信号,进行手机自主定位导航,在手机app中提供了部分室内场馆(机场及商业广场)的室内位置服务功能(定位、导航、POI搜索、优惠查询等)。网络侧定位由Wi-Fi的无线AP检测移动设备的信号,进行定位,主要应用于建筑内的客流数据统计分析,该模式主要为大型商业广场、店铺、公共文化建筑提供服务。

前景分析

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一.室内定位技术的前景
1.未来是移动互联的时代
2.移动服务最后一米的机会
人平均80%的时间在室内,80%移动电话使用和数据连接在室内使用。
二.室内定位的需求
1.公共安全及应急响应
在紧急情况下,每一个人都想被救援人员精确定位到,大到建筑物的位置,甚至是楼层或者房间号。
2.定位导览
(1)这建筑物内有什么东西。
(2)我办公室的周围是谁。
(3)我车放在地下停车场什么位置。
(4)超市里的牛奶在什么位置。
(5)大型商场里面最近的餐馆在哪里。
(6)怎么去那里。
3.社交需求
实现名片交换、微博推送、类似微信进行交友互动等等。
4.市场推广需求
在百货商场里为客户提供导购服务。手机会告诉你,提供导购服务,附近有哪些商品在打折。
在旅游景区、展馆、机场、实现定位导览,进行展品介绍等。机场,可以精确引导用户办手续、指示卫生间位置等等。
5.有价值数据的大数据方式应用

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