1.1 室內定位技術的發展現狀

隨著物聯網技術的迅猛發展和移動智能設備（例如手機、計算機和可穿戴設備）的廣泛使用，基于位置服務（Location Based Service,LBS）的應用越來越廣泛，各行各業對人員和設備的跟蹤定位有著越來越多的需求。目前針對室外場景的LBS已經很成熟，全球定位系統（Global Positioning System,GPS）已經廣泛應用在飛機、車輛和手持設備中，可為飛機、車輛和行人提供有效的LBS[1]，并成為各種移動設備使用最多的應用之一。近年來，LBS相關技術和產業正向室內發展，以提供無所不在的基于室內位置的服務（Indoor Location Based Service,ILBS），其主要推動力是ILBS帶來的巨大應用和商業潛能如圖1-1所示。許多公司包括操作系統（Operating System,OS）提供商、服務提供商、設備和芯片提供商都在竟相角逐這個市場[2]。

ILBS可以支持許多應用場景，并且正在改變移動設備的傳統使用模式。例如，在大型購物中心、火車站、機場、停車場、博物館等，用戶可以通過ILBS獲取定位信息快速找到入口、出口、洗手間、熱點服務區域等，不會為在大型室內建筑物內迷失方向而煩惱。結合其他實際應用需求，用戶還可以通過ILBS獲取展品和商品宣傳廣告等信息[1]。例如，在醫院場景下，通過為病人佩戴一個生理監測定位裝置，醫護人員能夠實時監測病人生理狀態指標，一旦生理指標參數出現異常，數據監測中心工作人員可及時做出反應，趕往病人所在區域進行診治[3]。通過在醫療設備和移動式病床上安裝定位監測裝置，監測中心可實時跟蹤醫療設備和病床動態，減少搜尋時間，有效提高設備病床的使用流轉率和員工的工作效率[4]。

在未來，想象這樣的場景：當我們到會議室開會，智能電話會自動開啟靜音模式；逛商場看到一件感興趣的商品卻仍在猶豫是否購買時，拍下照片并自動給照片打上位置標簽，等下次決定要買時，智能移動設備會幫助我們導航到該商品的位置。這些都會給我們日常生活和工作，甚至在緊急情況下帶來便利[2]。總之，隨著各種無線通信定位技術的持續發展，ILBS商業模式將在各行各業具有十分廣闊的發展前景和商業應用價值。

1.1.1 室內定位技術的特點和技術指標

1．室內定位技術的特點

室內定位系統（Indoor Positioning System,IPS）是一種以確定室內用戶空間位置為目標而構成的相互關聯的集合體或裝置，可以為用戶提供人性化和個性化的ILBS。

目前的大部分IPS均需要借助定位錨點進行定位。定位錨點是已知位置坐標的收發信號裝置，通過各種定位測距估計算法，計算出用戶設備（User Equipment，UE）相對于定位錨點的位置，從而實現坐標定位。IPS的通用系統架構如圖1-2所示。

根據發射機和接收機位置的不同，IPS可分為主動導航定位系統和被動監視定位系統兩類[5]。

主動導航定位系統是發射機位于定位錨點，而接收機位于待測節點，其基本原理為定位錨點主動發送與位置相關的ID信息，用戶設備接收到ID信息后，查詢計算機終端的數據庫獲取定位錨點的坐標，然后根據多個ID信息的特征參數采用相應的定位算法進行精確定位。目前采用該結構的IPS技術有Wi-Fi、超寬帶（Ultra Wideband,UWB）、ZigBee和藍牙等。

被動監視定位系統的設計思路與主動導航定位正好相反，它是將發射機置于待測節點，而將接收機置于定位錨點，其基本原理為待測節點向周圍發送信號，被多個定位錨點所接收，多個定位錨點可以估計信號源的距離、角度和到達時間等參數，然后再通過多邊或多角定位算法來確定信號源的位置。目前采用該結構的IPS技術有紅外線、射頻識別（Radio Frequency Identification,RFID）標簽和超聲波等。

和室外定位技術相比，室內定位技術具有以下不同的特點。

首先，與室外環境相比，室內環境由于存在各種各樣的反射體，例如墻壁、設備和人，射頻信號會通過反射體形成多徑傳播，從而導致較為嚴重的多徑干擾和延遲問題。同時，反射體和障礙物導致信號的高衰減和散射現象，從而影響定位精度。不過，室內環境也存在一些有利于定位的特點，例如，小覆蓋區域使得信號更加容易控制，信號在室內環境下移動速度緩慢使得定位信號的動態變化較小等[6]。

其次，室內信號可能存在較多干擾源。這是由于室內環境是相對封閉的，聲音、光線、溫度等干擾源都會對定位設備的傳感器造成一定的影響，特別是聲音和光線，會在室內進行多次反射，使得干擾情況更加復雜[5]。

此外，在多層建筑和未知環境中的定位往往較為困難。室內定位不僅要考慮二維平面的位置，在多層建筑中還要考慮樓層的三維位置，甚至包括地上和地下部分。目前大部分室內定位技術都是基于對室內環境了解的基礎上進行設計，但在實際應用中，往往未必能夠得到有效的環境信息，或者由于某種原因導致定位基礎設施遭到了破壞等，這些因素都能給室內定位系統的性能帶來不利的影響。如何減少對環境的依賴性是室內定位技術領域的難題之一[5]。

2．室內定位技術的性能指標

通常，IPS會根據定位準確度、精確度、成本、可擴展性、安全性等方面的要求，采用滿足特定需求的定位算法。有一些應用需要用到低成本的IPS，例如商場超市的導航導購等；而其他一些應用則可能需要用到高精度的IPS，例如室內工業機器人導航、醫療設備跟蹤等。在本節中，我們將介紹幾種主流的評價IPS性能的技術指標。

（1）準確度

準確度是指在一定實驗條件下多次測定的平均值與真值相符合的程度，常用來表示系統誤差的大小[7]。通常IPS采用位置誤差（Location Error, LE）作為準確度最為直觀的評價指標，LE可表示為

其中，（x, y）表示待測節點（用戶設備）的真實坐標，而（,）表示IPS通過定位算法估計的用戶設備的坐標位置。從式（1-1）可看出，LE實際上是估計坐標和真實坐標的歐氏距離。

為了提高系統的準確度，通常可采用多次測量的方法來抑制系統噪聲的干擾。通常使用關于位置的均方根誤差（Root Mean Square Error,RMSE）作為準確度的評價指標。LE的RMSE可表示為

其中，（，）表示第i次估算出的用戶設備坐標值，n表示測量總次數。

對于一些經典的室內定位模型，如果已知系統噪聲功率的概率分布函數或概率密度函數，則可通過分析系統模型的定位誤差的均方誤差（Mean Square Error,MSE）的下界（如克拉美羅下界），作為精確度的一種度量評估方法。

（2）精確度

精確度是指多次重復測定同一個量時各測定值之間彼此相符合的程度，它表示測定過程中隨機誤差的大小[7]。定位準確度僅考慮了真實位置與估計位置之間的偏差，而定位精確度關注的是在一個定位區域內多次測試的定位誤差的分布情況，反映的是IPS的整體工作情況和頑健性。通常可采用定位誤差的累積分布函數（Cumulative Distribution Function,CDF）來表征定位精確度[8]。LE的CDF可表示為

其中，E表示關于LE的隨機變量，e表示LE的某一個數值，P（E≤e）表示隨機變量E取值小于數值e的概率。

（3）復雜度

IPS的復雜度可分為硬件復雜度、軟件復雜度和操作復雜度。對于定位算法而言，強調的是軟件復雜度，也就是定位算法的計算復雜度。如果定位算法的計算是放在中央服務器上執行的，由于服務器超強的處理能力和充足的電源供應，位置將很快計算出來。如果算法是在移動終端上執行的，由于大部分移動終端缺乏超強的處理能力和大容量電池，算法復雜度對定位的影響顯而易見。因此，在互聯網終端應用不斷普及的背景下，系統設計者更傾向于低復雜度的定位算法。通常，我們很難推導出一個關于復雜度的通用分析計算公式，但是計算IPS的定位時間是可行的，通常可使用定位速率作為表征復雜度的重要技術指標。定位速率的兩倍稱為位置滯后，其表示一個移動終端移動到一個新的位置所需要的延遲時間[8]。

（4）可擴展性

在現實情況下，一套定位系統被研發出來后，有可能在不同的室內場景下使用，例如購物中心、展館、博物館、圖書館和醫院等。另外，根據場景的差異性，系統在一定的區域范圍內和給定的定位時間內所能支持的定位對象的數量有可能受限。而IPS的可擴展性意味著當室內地理場景發生更改，以及用戶數量發生變化（特別是在增長）時，系統仍可保證正常的定位功能。用戶規模表示在單位地理區域和單位時間周期內的用戶數量[6]，它是評價可擴展性的一個關鍵指標。

（5）成本

一套IPS的成本依賴很多因素。重要的因素包括經濟費用、時間、空間、重量和能耗等。時間因素主要與安裝部署和維護機制有關。移動終端往往具有緊湊的空間和重量限制。而定位錨點部署密度也是需要考慮的一種時間和空間成本。能耗因素則是系統的重要成本因素，對于終端用戶而言甚至可能是最重要的因素之一。一些移動單元（如電子物品監視標簽和被動式RFID標簽等）是完全能量被動的，這些單元僅對外部磁場有反應，因此具有無限的能量壽命。而其他移動終端（裝配有可充電電池的設備）如果不充電，只有若干個小時的能量壽命[8]。

1.1.2 常見的室內定位技術

目前，常見的室內定位技術包括紅外線（IR）、超聲波、RFID、Wi-Fi、藍牙、ZigBee、UWB、慣性導航定位等。基于這些基本技術的系統實現方案得到了大量研究者的長期關注。一般來說，可以利用單個技術或者幾種技術的融合，來達到總體性能和復雜度的折中。下面簡單介紹上述幾種技術方案的優缺點以及使用這些技術的典型實現系統。

（1）紅外線定位

劍橋大學和AT&T實驗室聯合開發的活動徽章系統是紅外線定位技術的經典應用[9]。該系統在移動定位目標上帶有紅外發射器，周期性地發射唯一身份標志信號。同時，在室內布置大量光學傳感器作為定位錨點。定位錨點通過有線或者無線方式連接到控制中心，當移動定位目標進入相應定位區域并且被該區域的定位錨點識別后，控制中心就可以確定移動終端的當前位置。該系統是一種被動監視定位系統。紅外線室內定位精度相對較高，但是無法穿透障礙物，僅在直線可視距離內傳播，有效距離較短，受室內布局和燈光影響較大，定位成本較高，在實際應用上存在一定的局限性。

（2）超聲波定位

超聲波室內定位系統基于超聲波測距原理，由主測距器和若干個應答器組成。主測距器放置在移動定位目標上，應答器安裝在定位錨點上，主測距器向位置固定的應答器發送無線射頻信號，應答器在收到信號后向主測距器發射超聲波信號，利用反射式測距和三角定位等算法確定物體的位置[9]。Active Bat是超聲波定位系統的先驅，通過密集部署大量的超聲波接收設備，達到3cm的定位精度[11]。Sonitor室內定位系統是一個能夠進行商業應用的超聲波定位解決方案，已經應用在若干大型醫院用于跟蹤病人和醫療設備，精度一般為房間級[12]。超聲波定位能在非可視距離下傳播，定位精度較高且誤差較小，但是超聲波信號傳輸衰減嚴重，定位有效范圍有限，設備成本較高，只適用于特定環境下的室內定位。

（3）RFID定位

RFID定位技術通常采用“鄰近信息”的思想，通過觸發不同位置的RFID感知器或讀寫器（定位錨點）進行定位，定位精度取決于定位錨點的分布密度，一般定位精度較低，能滿足一定的應用需求。其優點是響應迅速，同時由于其非接觸和非視距的特性，這種技術有很好的用戶體驗[13]。結合半有源RFID標簽，采用低頻激活器激活RFID發送標識信息，同時在不同的定位錨點位置部署RFID讀寫器，每個讀寫器都有自己的設備編號，人員佩戴的電子標簽會被不同位置的讀寫器檢測，從而實現定位目的。

（4）Wi-Fi定位

由于Wi-Fi路由設備被廣泛使用，基于Wi-Fi的定位方案部署起來成本低廉，不需要額外添加很多硬件設備[13]。目前，主流的Wi-Fi定位技術分為兩種：一種是基于至少3個無線接入點（Access Point,AP）的無線接收信號強度（Received Signal Strength,RSS），通過多邊定位或多角定位算法估計移動終端的位置；另一種是通過服務器將室內環境中的AP信號強度記錄至數據庫作為每一個AP的指紋，定位時將接收到的信號強度經由數據對比和一定的估算后得出位置信息，如最早使用這種方案的微軟公司所提出的Radar系統[14]。Wi-Fi定位可以在廣泛的應用領域內實現復雜的大尺度定位、監測和追蹤任務，總體精度比較高，但是用于室內定位的精度只能達到幾米左右，無法做到精準定位。由于Wi-Fi路由器和移動終端的普及，定位系統可以與其他客戶共享網絡，硬件成本很低。

（5）藍牙和ZigBee定位

藍牙和ZigBee定位技術類似，有部分重合頻段，且兩者定位技術均基于短距離低功耗通信協議。目前藍牙定位主要使用藍牙4.0以上的規范，該規范基于低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy,BLE）技術研發，而ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，兩者都具有近距離、低功耗、低成本的特點[15]。藍牙和ZigBee的定位精度主要取決于基礎設施的部署密度，一般均需要在室內環境中布置大量的定位錨點，通過采用鄰近探測法、質心法[17]、多邊定位法和指紋定位法[18]實現移動終端的定位。藍牙室內定位技術最大的優點是設備體積小、距離短、功耗低，容易集成在手機等移動設備中。只要設備的藍牙功能開啟，就能夠對其進行定位。藍牙傳輸不受視距的影響，低功耗模式下的傳輸距離可以達到10m以上。但對于復雜的空間環境，藍牙系統的穩定性較差，受噪聲信號干擾大。

（6）UWB定位

UWB技術通過發送納秒級或納秒級以下的超窄脈沖來傳輸數據，可以獲得GHz量級的數據帶寬。在室內定位方面，UWB技術受到了高度的重視和廣泛深入的研究。由于UWB具有很強的時間分辨率，定位算法主要采用到達時間（Time of Arrival, TOA）或到達時間差（Time Difference of Arrival,TDOA）準則來實現。Ubisense公司推出的TDOA和到達角度（Angle of Arrival,AOA）相結合的室內定位系統，測距范圍達到50～100m，精度達到15cm[19]。Zebra公司推出的Dart UWB系統，精度達到30cm，測距范圍達到100m[20]。從定位精度、安全性、抗干擾、功耗等技術角度來分析，UWB無疑是最理想的工業定位技術之一。然而，UWB難以實現大范圍的室內覆蓋，系統建設成本遠高于RFID和藍牙定位等技術，限制了該技術的推廣和普及。

（7）慣性導航定位

慣性導航定位是一種純客戶端技術，主要利用移動終端慣性傳感器采集運動數據，通常采用加速度傳感器、陀螺儀等測量物體的速度、方向、加速度等信息，基于航位推測算法，經過各種濾波運算得到移動目標的位置信息[21]。隨著運動時間的增加，慣性導航定位的誤差也在不斷累積，這時需要外界更高精度的定位信息源對其進行校準。因此目前慣性導航一般和其他指紋定位技術（Wi-Fi和藍牙等）融合在一起，每過一段時間通過Wi-Fi和藍牙定位錨點請求當前室內位置，以此來對產生的誤差進行修正[24]。慣性導航的定位精度通常取決于傳感器質量和安裝的位置，綁在用戶腳部的慣性導航可采用零速校正限制漂移，有效地對累積誤差進行修正，系統定位精度可得到提升[25]。目前該技術商用已比較成熟，在掃地機器人等產品中得到了較廣泛的應用。

從以上常見室內定位技術的特點可知，目前的室內定位技術發展主要存在以下幾個共性問題。

（1）精度問題

目前大部分商用定位技術的精度還不高，約在幾米之內，這個精度對室內環境來說存在一定的不足。要提高精度就必須提高抗干擾能力，解決信號衰減和散射、多徑效應和信號校準等傳統問題[5]。

（2）部署成本和能耗問題

目前大部分的定位技術都需要在環境中安裝輔助節點（定位錨點）用于測距、測角和返回位置信息等。要提高精度，就必須安裝大量的輔助節點，大幅增加了成本和能耗。有些技術本身功率大、能耗高；有的技術需要大量的人力、物力去收集指紋信息，完善指紋地圖；此外許多系統還需要周期性地人為校準等[5]，這些都在實用性方面制約了當前IPS技術的發展。

此外，各種基于射頻通信的IPS，由于受到室內反射、衍射和散射的嚴重影響，接收機跟蹤射頻（Radio Frequency,RF）信號具有相當的難度和挑戰性，導致定位系統設備和算法復雜度普遍較高。因此，截至當前，“最后一米”的定位問題始終是室內定位技術領域的一個熱門話題，具有較大的挑戰性。