室內定位

室內定位是指在室內環境中實現位置定位，主要採用無線通訊、基站定位、慣導定位、動作捕捉 ^[1-3]  等多種技術集成形成一套室內位置定位體系，從而實現人員、物體等在室內空間中的位置監控 ^[4]  。

除通訊網絡的蜂窩定位技術外，常見的室內無線定位技術還有：Wi-Fi、藍牙、紅外線、超寬帶、RFID、ZigBee、動作捕捉 ^[5]  和超聲波。

通過無線接入點（包括無線路由器）組成的無線局域網絡(WLAN)，可以實現複雜環境中的定位、監測和追蹤任務。它以網絡節點（無線接入點）的位置信息為基礎和前提，採用經驗測試和信號傳播模型相結合的方式，對已接入的移動設備進行位置定位，最高精確度大約在1米至20米之間。如果定位測算僅基於當前連接的Wi-Fi接入點，而不是參照周邊Wi-Fi的信號強度合成圖，則Wi-Fi定位就很容易存在誤差（例如：定位樓層錯誤）。

另外，Wi-Fi接入點通常都只能覆蓋半徑90米左右的區域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。

藍牙通訊是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，在室內安裝適當的藍牙局域網接入點後，將網絡配置成基於多用户的基礎網絡連接模式，並保證藍牙局域網接入點始終是這個微網絡的主設備。這樣通過檢測信號強度就可以獲得用户的位置信息。

藍牙定位主要應用於小範圍定位，例如：單層大廳或倉庫。對於持有集成了藍牙功能移動終端設備，只要設備的藍牙功能開啓，藍牙室內定位系統就能夠對其進行位置判斷。

不過，對於複雜的空間環境，藍牙定位系統的穩定性稍差，受噪聲信號干擾大。

紅外線技術室內定位是通過安裝在室內的光學傳感器，接收各移動設備（紅外線IR標識）發射調製的紅外射線進行定位，具有相對較高的室內定位精度。

但是，由於光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播，容易受其他燈光干擾，並且紅外線的傳輸距離較短，使其室內定位的效果很差。當移動設備放置在口袋裏或者被牆壁遮擋時，就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，導致總體造價較高。

超寬帶技術與傳統通信技術的定位方法有較大差異，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納秒級以下的極窄脈衝來傳輸數據，可用於室內精確定位，例如：戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。

超寬帶系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統複雜度低、能夠提高精確定位精度等優點，通常用於室內移動物體的定位跟蹤或導航。

RFID定位技術利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數據，實現移動設備識別和定位的目的。它可以在幾毫秒內得到釐米級定位精度的信息，且傳輸範圍大、成本較低；不過，由於以下問題未能解決，以RFID定位技術的適用範圍受到侷限。

1． RFID不便於整合到移動設備之中

2． 作用距離短（一般最長為幾十米）

3． 用户的安全隱私保護

4． 國際標準化

ZigBee是一種短距離、低速率的無線網絡技術。它介於RFID和藍牙之間，可以通過傳感器之間的相互協調通信進行設備的位置定位。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以ZigBee最顯著的技術特點是它的低功耗和低成本。

超聲波定位主要採用反射式測距（發射超聲波並接收由被測物產生的回波後，根據回波與發射波的時間差計算出兩者之間的距離），並通過三角定位等算法確定物體的位置。

超聲波定位整體定位精度較高、系統結構簡單，但容易受多徑效應和非視距傳播的影響，降低定位精度；同時，它還需要大量的底層硬件設施投資，總體成本較高 ^[6]  。

NOKOV動作捕捉系統屬於視覺定位，通過排布在空間中的動作捕捉鏡頭對室內空間的捕捉區域進行覆蓋，並對捕捉目標上放置的反光標誌點（Marker）進行三維空間位置的精確捕捉，通過處理和運算後，系統可得到反光標誌點的三維空間座標(X，Y，Z)；也可對目標物進行剛體設置，通過專業分析軟件對數據進一步處理和運算，可得到目標物體精確位置及姿態等， ^{[2]  [5]  [7]}  適用於科研領域。 ^{[1]  [8-10]} 

2022年3月20日，中國目前規模最大的室內空間導航定位系統——地鐵北斗定位系統在北京地鐵首都機場線開工建設。在地鐵裏面在採用室內外相結合的方式，在室外的暴露空間使用北斗，還有北斗的增強技術來實現高精度的定位，在室內通過和5G融合的這種定位基站和技術的部署，來實現室內定位信號的播發，然後使得用户來接收到導航定位的信號，實現高精度的定位。 ^[12] 

室內定位技術主要分基站定位、動作捕捉和慣導定位三種服務商。基站定位服務商主要有：谷歌、諾基亞、TI、蘋果、高德、百度等採用WIFI定位；慣導定位服務商主要有：美國的NAVISEER，龍旗瑞譜科技，上海消防研究所。商用技術基本採用WIFI,RFID等無線通訊基站方案，針對應急救援主要採用慣性導航等技術方案，因為應急救援面對的場所應該都是災害性的，基站無線通訊都屬於癱瘓狀態，還有就是社會成本過高，所以只能採用慣性導航技術，它無需任何額外的基礎設施或網絡，以無線方式實時輸出人員的行走距離與方向信息，可以實現在各種複雜環境中人員的準確定位，為保證人員的生命安全提供有效的保證 ^[4]  。

針對有高精度室內定位需求的科研項目，主要採用NOKOV度量動作捕捉定位技術方案，動作捕捉系統除了可以簡化被測目標建模和模型驗證的過程，還能作為更高數量級精度的真值為其他研究提供參考標準。

谷歌手機地圖6.0版的時候已經在一些地區加入了室內導航功能，此方案主要依靠GPS（室內一般也能搜索到2～3顆衞星）、wifi信號、手機基站以及根據一些“盲點”（室內無GPS、wifi或基站信號的地方）的具體位置完成室內的定位。此方案的精度還不是很滿意，所以谷歌後來又發佈了一個叫“Google Maps Floor Plan Marker”的手機應用，號召用户按照一定的步驟來提高室內導航的精度。

谷歌一直在努力解決兩個問題：獲取更多的建築平面圖；提高室內導航的精度。建築平面圖是室內導航的基礎，就如同GPS車用導航需要電子導航地圖一樣。谷歌想通過“眾包”的方式解決數據源的問題，就是鼓勵用户上傳建築平面圖。另外，用户在使用谷歌的室內導航時，谷歌會收集一些GPS、wifi、基站等信息，通過服務器進行處理分析之後為用户提供更準確的定位服務。

諾基亞採用的是HAIP技術，不過諾基亞正在努力使它成為藍牙協議的一部分，這樣只要你的設備帶有藍牙模塊，就能夠使用這種技術進行定位。當然，僅有一個藍牙模塊還不能完成定位，還需要在室內安裝一種定位發射台，通過這兩者之間的通信完成定位。這種發射台可以覆蓋100m×100m的範圍，定位精度在30cm～100cm，據説這種發射台還有成本低、功耗低等特點，一台或多台都能完成定位。

博通公司研製了一種用於室內定位的新芯片（BCM4752），具備三維定位功能（即你所在位置的高度也算出來）。這種芯片可以通過wifi、藍牙或NFC等技術來提供室內定位系統支持。更強大的是，該芯片可以結合其它傳感器，例如手機裏的陀螺儀、加速度傳感器、方位傳感器等，將你位置的變化實時計算出來，甚至做到沒有死角。博通公司的如意算盤是將這種芯片內置到智能手機裏。

IndoorAtlas是一家專注於室內導航解決方案的公司，剛成立不久。IndoorAtlas的方案基於地球磁場，依據是每一個具體位置的磁場信息都不一樣。不過使用這種技術進行導航比較麻煩，首先用户需要上傳建築平面圖，然後還需要你拿着移動設備繞室內一圈，記錄下各個位置的地磁信號特徵，這些信息需要上傳到IndoorAtlas的服務器。最後，你需要使用IndoorAtlas提供的工具包開發一個應用才能使用定位功能（IndoorAtlas的開發工具包可以在線申請，不過筆者申請了兩次都沒結果）。

跟IndoorAtlas不同的是，Qubulus公司根據無線電信號（Radio Signature）來定位。每一個位置的無線電信號數量、頻度、強度等也是不同的，Qubulus根據這些差異計算出你的具體位置。使用Qubulus的方案，你同樣需要收集室內的無線電信號。Qubulus也提供了開發工具包，很容易申請下來。開發工具包裏有一個例子，可以使用Eclipse直接編譯通過。

杜克大學則藉助現實生活中路標（landmarks）的思想，正在開發一個叫做UnLoc的應用。此應用通過感知wifi、3G信號死角，以及一些運動特徵，如電梯、樓梯等，並根據這些位置已知的路標來計算你的位置。當你移動的時候，就根據其他感應器（ 陀螺儀、加速度傳感器、方位傳感器等）來跟蹤你的位置。這一過程精度會逐漸降低，但當你到達下一個路標時，位置就會被校準。

NOKOV方案

NOKOV定位方案捕捉粘貼在被測目標上的反光標誌點，通過處理計算出標誌點的三維空間座標。 ^[3] 

一．室內定位技術的前景

1.未來是移動互聯的時代

2.移動服務最後一米的機會

人平均80%的時間在室內，80%移動電話使用和數據連接在室內使用。

二．室內定位的需求

1.公共安全及應急響應

在緊急情況下，每一個人都想被救援人員精確定位到，大到建築物的位置，甚至是樓層或者房間號。

2.定位導覽

（1）這建築物內有什麼東西。

（2）我辦公室的周圍是誰。

（3）我車放在地下停車場什麼位置。

（4）超市裏的牛奶在什麼位置。

（5）大型商場裏面最近的餐館在哪裏。

（6）怎麼去那裏。

3.社交需求

實現名片交換、微博推送、類似微信進行交友互動等等。

4.市場推廣需求

在百貨商場裏為客户提供導購服務。手機會告訴你，提供導購服務，附近有哪些商品在打折。

在旅遊景區、展館、機場、實現定位導覽，進行展品介紹等。機場，可以精確引導用户辦手續、指示衞生間位置等等。

5.有價值數據的大數據方式應用 ^[11] 

RFID定位的基本原理是，通過一組固定的閲讀器讀取目標RFID標籤的特徵信息（如身份ID、接收信號強度等），同樣可以採用近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方法確定標籤所在位置。