1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上定位技術(shù)方案調(diào)研一、 定位方法目前定位常用的定位方法，從原理上主要分為七種：鄰近探測法、質(zhì)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。1.1 鄰近探測法 (Proximity Detection)鄰近探測法，又稱為CoO(Cell of Origin)法或Cell-ID(Cell Identification)法，通過一些有范圍限制的物理信號的接收，從而判斷移動設(shè)備是否出現(xiàn)在某一個發(fā)射點附近。該方法的定位精度取決于發(fā)射點的布設(shè)密度和信號覆蓋范圍。該方法雖然只能提供大概的定位信息，但其布設(shè)成本低、易于搭建，適合于一些對定位精度要求不高的應(yīng)用，例如自

2、動識別系統(tǒng)用于公司的員工簽到。1.2 質(zhì)心定位法 (Centroid Determination)質(zhì)心定位法是根據(jù)移動設(shè)備可接收信號范圍內(nèi)所有已知的信標(beacon)位置，計算其質(zhì)心坐標作為移動設(shè)備的坐標。相應(yīng)地，也可以根據(jù)接收信號強度指示(Received Signal Strength Indication, RSSI)設(shè)置對應(yīng)的信標的權(quán)重，得到加權(quán)質(zhì)心作為移動設(shè)備的坐標。該方法算法易于理解，計算量小，定位精度取決于信標的布設(shè)密度。1.3 多邊定位法 (Multilateration)該方法是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。基于多邊定位的定位系統(tǒng)可以采用多

3、種距離估計方法，比較常見的距離估計法有基于信號到達時間(Time Of Arrival, TOA)，基于信號到達時間差(Time Difference Of Arrival, TDOA)，基于增強觀測時間差(Enhanced Observed Time Difference, E-OTD)，基于往返時間(Round Trip Time, RTT)，基于接收信號強度指示。1.4 三角定位法 (Triangulation)三角定位法，也可稱為到達角測量法(Arrival Of Angle, AOA)。該方法是在獲取待測目標相對兩個已知參考點的角度后結(jié)合兩參考點間的距離信息可以確定唯一的三角形，即可

4、確定待測目標的位置。到達角信息，亦即信號到達的角度，可以通過定向天線獲取。同時基于攝像頭的定位系統(tǒng)也可實現(xiàn)基于AOA的定位。1.5 極點法 （Polar Point Method）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(jīng)在大地測量中得到廣泛應(yīng)用，多個待測目標的位置可以僅從一個全站儀的簡單建立得到。1.6 指紋定位法 （Fingerprinting）指紋定位采集的標準量是射頻信號，但指紋定位法也可采用聲音信號、光信號或其他無線信號實現(xiàn)。指紋定位通常包括兩個階段：第一階段，離線校準階段，通過實際采集或計算分析建立指

5、紋地圖。具體地，選擇場景中的多個位置點采集多個基站發(fā)出的信號的強度并加入到指紋數(shù)據(jù)庫中。第二階段，定位階段，通過將實際實時接收到的信號于指紋數(shù)據(jù)庫中的信號特征參數(shù)進行對比找到最好的匹配參數(shù)，其對應(yīng)的位置坐標即認為是待測目標的位置坐標。指紋定位的優(yōu)勢是幾乎不需要參考測量點，定位精度相對較高，但缺點是前期離線建立指紋庫的工作量巨大，同時很難自適應(yīng)于環(huán)境變化較大的場景。二、 主流定位技術(shù)根據(jù)不同定位方法，衍生出了多種定位技術(shù)，下面將對主流的室內(nèi)定位技術(shù)進行簡要介紹。2.1 視覺定位視覺定位系統(tǒng)可以分為兩類，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

6、中待測目標的位置。根據(jù)參考點選擇不同又可以分為參考三維建筑模型、圖像、預部署目標、投影目標、他傳感器和無參考。參考3D建筑模型和圖像分別是以已有建筑結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫和預先標定圖像進行比對。而為提高魯棒性，參考預部署目標使用布置好的特定圖像標志（如二維碼）作為參考點；投影目標則是在參考預部署目標的基礎(chǔ)上在室內(nèi)環(huán)境投影參考點。參考其他傳感器則可以融合其他傳感器數(shù)據(jù)以提高精度、覆蓋范圍或魯棒性。Hile和Borriello使用照相手機比對圖像和樓層平面圖，達到了30cm的定位精度。Sjö使用一個低分辨率相機基于參考圖像實現(xiàn)SLAM(Simultaneous LocalizationAnd Map

7、ping)算法，達到了亞米級的定位精度。Mulloni使用條形碼作為參考點標記，實現(xiàn)了厘米到分米級的定位精度。Tilch和Mautz使用一個移動相機和激光儀作投影，定位精度可達到亞毫米級。LiuT.使用一個6自由度慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)和兩個激光掃描器獲取位置，平均定位精度達到行走距離的1%。2.2 紅外線定位紅外線是一種波長在無線電波和可見光波之間的電磁波。基于紅外線的定位系統(tǒng)可以主要分為兩類：有源信標、紅外成像。有源信標是在室內(nèi)放置若干紅外接收機，同時待測物攜帶一個裝有紅外發(fā)射機的電子標簽。該標簽周期發(fā)送該待測物的ID，接收機接收到信號

8、后將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)庫進行定位。該方法具有代表性的是AT&T實驗室和劍橋在1992年聯(lián)合發(fā)布的Active Badge系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以達到6米的平均定位精度。紅外成像則是通過傳感器采集環(huán)境中自然紅外輻射生成圖像實現(xiàn)檢測行人或其他待測目標。2011年德國Ambiplex提供基于自然環(huán)境熱輻射的“IR.Loc”定位系統(tǒng)，基于AOA確定熱源的位置，可實現(xiàn)10m范圍內(nèi)20cm至30cm的定位精度。2.3 極點定位該系統(tǒng)通過儀器測量到達角或者到達時間進行定位，儀器通常有激光跟蹤儀、全站儀和經(jīng)緯儀。全站儀的可覆蓋范圍通常為2km到10km，但其設(shè)備高成本、大體積以及對可視距的要求使其不適用于在室內(nèi)定

9、位中推廣。NikonMetrology 2011年發(fā)布的iGPS(indoor Global Positioning System)實現(xiàn)了基于激光的室內(nèi)工業(yè)級高精度三維定位。其原理與GPS不同，包括不少于兩個固定位置的發(fā)射器發(fā)射扇形激光束和參考紅外脈沖，基于TDOA原理實現(xiàn)對接收機的定位。NikonMetrology宣稱該系統(tǒng)可實現(xiàn)在布設(shè)4至8個發(fā)射器的1200平方米的典型測試環(huán)境中實現(xiàn)0.2mm的三維定位精度。但其造價十分昂貴，可用于工業(yè)級定位需求，不適合于大眾市場研究和推廣。2.4 超聲波定位超聲波定位主要采用反射式測距法，通過多邊定位等方法確定物體位置，系統(tǒng)由一個主測距器和若干接收器組成

10、，主測距儀可放置在待測目標上，接收器固定于室內(nèi)環(huán)境中。定位時，向接收器發(fā)射同頻率的信號，接收器接收后又反射傳輸給主測距器，根據(jù)回波和發(fā)射波的時間差計算出距離，從而確定位置。Ward于1997年建立的ActiveBat是超聲定位的先驅(qū)，通過大量部署接收設(shè)備(720個標簽)，達到3cm的定位精度。超聲波定位整體定位精度較高，結(jié)構(gòu)簡單，但超聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，且超聲波頻率受多普勒效應(yīng)和溫度影響，同時也需要大量基礎(chǔ)硬件設(shè)施，成本較高。2.5 WLAN定位基于IEEE802.11b標準的無線局域網(wǎng)已在人們的生活場所大量部署，使用WLAN信號定位的優(yōu)勢在于不需要部署額外設(shè)備，定位成本低，信

11、號覆蓋范圍大，適用性強，利于普及推廣。基于RSSI的指紋定位法是目前主流的WLAN定位方法，定位精度取決于校準點的密度，從2m到10m不等。同時基于TOA測距的定位方法由于多徑效應(yīng)和時鐘分辨率低定位效果較差，而基于RSSI測距的定位方法由于信號衰減與距離的關(guān)系在不同環(huán)境和設(shè)備條件下都有改變，定位結(jié)果也不理想。2.6 RFID定位射頻識別(RFID)是一種操控簡易，適用于自動控制領(lǐng)域的技術(shù)，它利用電感和電磁耦合的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。RFID定位系統(tǒng)通常由電子標簽、射頻讀寫器以及計算機數(shù)據(jù)庫構(gòu)組成。最常應(yīng)用的定位方法是鄰近檢測法。利用RSSI實現(xiàn)多邊定位算法也可一定程度上實現(xiàn)范圍

12、估計。根據(jù)電子標簽是否有源可以分為有源RFID和無源RFID。有源RFID有源RFID的電子標簽包含電池，因此信號傳輸范圍相比于無源RFID更大，達到30米以上。同時可以實現(xiàn)基于RSSI測量的指紋定位。Seco使用高斯過程描述RSSI在室內(nèi)的傳播結(jié)合指紋定位的方法，在1600平方米的實驗環(huán)境中采用71個RFID標簽實現(xiàn)50%定位誤差1.5m。無源RFID無源RFID系統(tǒng)只依賴電感耦合，因此沒有電池。相比有源RFID，體積更小，耐用性更高，成本更低。無源RFID定位系統(tǒng)多使用鄰近探測法實現(xiàn)定位。2.7 超寬帶定位超寬帶定位系統(tǒng)通常包括UWB接收器、參考標簽和其他標簽。超寬帶技術(shù)通過發(fā)送納秒級及其

13、以下的超窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，可以獲得GHz級的數(shù)據(jù)帶寬，發(fā)射功率較低，無載波。因為其高帶寬，理論上基于TOA或TDOA方法實現(xiàn)厘米級的定位。Ubisense是發(fā)布于2011年采用TDOA和AOA的室內(nèi)定位系統(tǒng)，定位精度可達15cm，測距范圍達到50m。但UWB系統(tǒng)較高的系統(tǒng)建設(shè)成本阻礙了其普及推廣。2.8 慣性導航慣性導航系統(tǒng)(Inertial Navigation System, INS)廣泛應(yīng)用于制導武器、艦艇、火箭、飛機和車輛等的導航與跟蹤，其核心組件IMU，由三個正交的單軸加速度計和三個正交的陀螺儀組成。隨著微機電技術(shù)的發(fā)展，傳感器尺寸變小，成本降低，同時加入磁力計，被廣泛應(yīng)用于行人導航

14、。慣性導航基于航位推算方法實現(xiàn)，因此隨著時間會產(chǎn)生累積誤差，其定位精度取決于傳感器質(zhì)量和傳感器安放位置。綁在腳上的慣性導航可采用零速校正限制漂移實現(xiàn)定位誤差小于行走距離的1%，而安放在其他位置則定位誤差常常大于1%。隨著智能手機的普及和微機電器件的發(fā)展，基于智能手機的慣性導航成為研究熱點。2.9 地磁定位現(xiàn)代建筑物基本都具有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這些建筑物墻體內(nèi)部的金屬結(jié)構(gòu)會對室內(nèi)的地磁場產(chǎn)生很大影響，而室內(nèi)的電氣設(shè)備也會對磁場產(chǎn)生影響。同時室內(nèi)磁場具有較強的穩(wěn)定性。故室內(nèi)地磁場是一種可運用于室內(nèi)定位導航的有效信息源。地磁定位，是指利用地磁場特征的特異性獲取位置信息的技術(shù)方案。定位方法主要采用指紋定

15、位的方法。由于原有磁場信息，故成本相比其他定位技術(shù)更低，但仍需要人工建立數(shù)據(jù)庫。IndoorAtlas的地磁定位方案是其中代表，定位精度已能達到12米。2.10 偽衛(wèi)星衛(wèi)星是一種基于地面的能傳播類似GNSS信號的發(fā)生器，最簡單的組成是GNSS信號發(fā)生器和發(fā)射裝置。采用與GNSS信號體制不同的偽衛(wèi)星，可避免對正常衛(wèi)星信號的干擾，可達到厘米級定位精度，但設(shè)備復雜，成本很高。Locata在2010年發(fā)布的系統(tǒng)可實現(xiàn)50平方千米內(nèi)2厘米的定位精度。2.11 藍牙和ZigBee定位藍牙和ZigBee技術(shù)類似，有部分重合頻段，且兩者定位技術(shù)均基于短距離低功耗通信協(xié)議：ZigBee是基于IEEE802.15

16、.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議；目前藍牙定位主要使用藍牙4.0規(guī)范，是基于低功耗藍牙技術(shù)(Bluetooth Low Energy, BLE)。兩者都具有近距離、低功耗、低成本的特點。ZigBee（藍牙）的定位均通過在室內(nèi)環(huán)境中布置靜態(tài)參考點(藍牙beacon)，可以實現(xiàn)基于鄰近探測法、質(zhì)心法48、多邊定位和指紋定位的定位系統(tǒng)。定位精度主要取決于基礎(chǔ)設(shè)施的部署密度。2016年發(fā)布的藍牙5.0協(xié)議支持BLE Direction Finding的 Angle of Arrival（AoA）和Angle of Departure（AoD）參數(shù)估計，這些參數(shù)將為1m以內(nèi)的室內(nèi)定位提供技術(shù)支撐。2.12 蜂

17、窩網(wǎng)絡(luò)定位蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種成熟的通信技術(shù)，主要用于對移動手機的定位。蜂窩網(wǎng)絡(luò)通過檢測移動臺和多個基站之間傳播信號的特征參數(shù)（RSSI，傳播時間或時間差，入射角等），可采用鄰近探測法、AOA、TOA和OTDOA (Observed Time Difference Of Arrival, 觀測到達時間差)實現(xiàn)定位，可作為普適化的定位方案。目前Cell-ID加上RTT解決方案精度為20-60m。采用智能天線MIMO+TDOA/AOA技術(shù)，精度可以達到5-10m。未來的5G網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、多天線、密集組網(wǎng)等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)1m以內(nèi)的定位精度。2.13 融合定位融合定位是指融合多種定位技術(shù)、多傳感器的信

18、息進行綜合定位，以達到優(yōu)勢互補，提高定位精度、魯棒性，降低定位成本。定位技術(shù)的選擇則主要視場景需求而定，多為絕對定位技術(shù)與相對定位技術(shù)的結(jié)合，如浙江大學郭偉龍實現(xiàn)了地磁與慣導結(jié)合的室內(nèi)定位系統(tǒng)，平穩(wěn)步行時90%定位誤差小于4.5m；上海交通大學錢久超將慣導定位與地圖結(jié)合實現(xiàn)手機端的室內(nèi)定位，正常持握手機姿態(tài)下95%誤差為0.8m；同時也有很多研究將WiFi與慣導結(jié)合取得了較好的效果。針對行人復雜的運動行為，提出了運動識別輔助的行人定位方法，提高了室內(nèi)定位的魯棒性。2.14 協(xié)同定位協(xié)同定位是指在一個定位場景中存在已知節(jié)點和未知節(jié)點，未知節(jié)點之間可以進行信息交互，也可以相互之間進行測距、測向或鄰

19、近探測，并且可以利用過去時刻的定位信息，從而實現(xiàn)對未知節(jié)點當前時刻的定位。協(xié)同定位的具體方式可根據(jù)具體定位技術(shù)調(diào)整，目標在于通過節(jié)點之間的協(xié)同合作提升單個節(jié)點及整個系統(tǒng)的定位性能。協(xié)同定位在多機器人定位、無線網(wǎng)絡(luò)定位、水下自主航行器及衛(wèi)星定位等研究中正受到越來越多的關(guān)注。對無線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)于協(xié)同定位的研究進行了綜述。意大利都靈理工大學的R. Garello團隊進行了協(xié)同定位對衛(wèi)星定位終端輔助捕獲的研究，并比較了幾種常見的定位算法的性能。2.15 群智感知群智感知是將普通用戶的移動設(shè)備作為基本感知單元，通過網(wǎng)絡(luò)通訊形成群智感知網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)感知任務(wù)分發(fā)與感知數(shù)據(jù)收集，完成大規(guī)模、復雜的社會感知任務(wù)

20、。在計算機科學領(lǐng)域，與群智感知相關(guān)的概念有：群體計算(Crowd computing)、社群感知(Social sensing)、眾包(Crowdsourcing)等等。三、 技術(shù)對比定位技術(shù)通用定位方法定位精度覆蓋范圍優(yōu)點缺點視覺圖像處理、場景分析mm-dm1m-10m環(huán)境依賴性低成本較高，穩(wěn)定性較低紅外線圖像處理、鄰近探測cm-m1m-5m定位精度較高可視距傳播、傳輸距離短、成本高、受光線干繞PolarSystems直接測量um-mm2km-10km定位精度極高造價昂貴超聲波多邊定位cm2m-10m精度高，結(jié)構(gòu)簡單多徑效應(yīng)、受環(huán)境溫度影響，信號衰減明顯WLAN指紋定位m20m-50m成本低

21、，精度較高受環(huán)境干擾，指紋采集工作量大RFID鄰近探測，指紋定位dm-m1m-50m精度高，體積小，成本低距離短，無源標簽無通信能力超寬帶多邊定位cm-m1m-50m穿透力強，精度高成本高慣性導航航位推算1%10m-100m不依賴外部環(huán)境存在累計誤差地磁定位指紋定位1m-5m1m-30m不依賴額外設(shè)備，成本低需要前期采集，穩(wěn)定性差Zigbee鄰近探測，質(zhì)心法、dm-m1m-50m成本低，功耗低穩(wěn)定性差，受環(huán)境干繞Bluetooth鄰近探測，質(zhì)心法、多邊定位2m-10m1m-20m功耗低，設(shè)備體積小，易部署傳輸距離短，穩(wěn)定性差蜂窩網(wǎng)絡(luò)鄰近探測、OTDOAmKm覆蓋范圍廣，不需額外設(shè)備定位效果依賴基站密度偽衛(wèi)星載波相位測距Cm10m-1km精度高，覆蓋范圍廣成本高從對比數(shù)據(jù)來看，Polar系統(tǒng)、超寬帶技術(shù)和偽衛(wèi)星技術(shù)定位精度高，覆蓋范圍較廣，適用于機器人室外定位場景，如果能和慣性導航等技術(shù)融合進行定位，效果更佳。四、 主要供應(yīng)商1 邦鼓思RIK和RIK-DUAL室外定位方案高精度定位解決方案，利用GNSS-RTK 技術(shù)，能夠提供比傳