早在15世紀,當人類開始探索海洋的時候,定位技術也隨之催生。當時的定位方法十分粗糙,就是是運用航海圖和星象圖,以確定自己的位置。
 

隨著社會的進步和科技的發展,定位技術在技術手段、定位精度、可用性等方面,均取得優質的飛越,並且逐步從航海、航天、航空、測繪、軍事、自然災害預防等「高大上」的領域,逐步滲透社會生活的方方面面,成為人們日常中不可或缺的重要應用——比如人員搜尋、位置找查、交通管理、車輛導航與路線規劃等等……
 
總體來說,定位可以按照使用場景的不同,劃分為室內定位室外定位兩大類,因為場景不同,需求也就不同,所以分別採用的定位技術,也不盡相同。
 
成熟的室外定位技術
目前應用於室外定位的主流技術,主要有衛星定位和基地台定位兩種。
 
1.衛星定位
 

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衛星定位即是透過接收衛星,提供的經緯度坐標信號,來進行定位,衛星定位系統主要有:美國全球定位系(GPS)、俄羅斯格洛納斯(GLONASS)、歐洲伽利略(GALILEO)系統、對岸中國北斗衛星導航系統,其中GPS系統是現階段應用最為廣泛、技術最為成熟的衛星定位技術。
 
GPS全球衛星定位系統由三部分組成:空間部分、地面控制部分、用戶設備部分
 

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空間部分是由24 顆工作衛星組成,它們均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆),衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間,都可觀測到4 顆以上的衛星,並能保持良好定位解算精度的幾何圖象
 
控制部分主要由監測站、主控站、備用主控站、資訊注入站構成,主要負責 GPS 衛星陣的管理控制
 
用戶設備部分主要是GPS接收機,主要功能是接收GPS衛星發射的信號,獲得定位資訊和觀測量,經數據處理實現定位。
 
GPS的定位原理說白了,就是透過四顆已知位置的衛星,來確定GPS接收器的位置。
 
要達到這一目的,衛星的位置可以根據星載時鐘,所記錄的時間,在衛星星歷中查出。而用戶到衛星的距離,則透過記錄衛星信號,傳播到用戶所經歷的時間,再將其乘以光速得到(由於大氣層電離層的干擾,這一距離並不是用戶與衛星之間的真實距離,而是偽距)。
 
當GPS衛星正常工作時,會不斷地用1和0二進制碼元,組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發射導航電文。導航電文包括衛星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等資訊。
 
然而,由於用戶接受機使用的時鐘與衛星星載時鐘,不可能總是同步,所以除了用戶的三維坐標x、y、z外還要引進一個變量 t ,即衛星與接收機之間的時間差作為未知數,然後用4個方程將這4個未知數解出來。
 
所以如果想知道接收機所處的位置,至少要能接收到4個衛星的信號。如下圖所示:
 

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  圖:GPS定位原理
  
衛星定位雖然精度高、覆蓋廣,但其成本昂貴、功耗大,並不適合於所有用戶。
 
2.基地台定位
 

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基地台定位一般應用於手機用戶,手機基地台定位服務又叫做行動位置服務(LBS,Location Based Service),它是透過行動電信商的網路(如GSM網)獲取行動終端用戶的位置資訊。
 
手機等行動設備在插入SIM卡開機以後,會主動搜索周圍的基地台資訊,與基地台建立聯繫,而且在可以搜索到信號的區域,手機能搜索到的基地台不止一個,只不過遠近程度不同,再進行通信時,會選取距離最近、信號最強的基地台,作為通信基地台。
 
其餘的基地台並不是沒有用處了,當你的位置發生移動時,不同基地台的信號強度會發生變化,如果基地台A的信號不如基地台B了,手機為了防止突然間中斷鏈接,會先和基地台B進行通信,協調好通信方式之後,就會從A切換到B。
 
這也就是為什麼同樣是待機一天,你在火車上比在家裡耗電要多的原因,手機需要不停的搜索、連接基地台。
 
基地台定位的原理也很簡單:我們知道,距離基地台越遠,信號越差,根據手機收到的信號強度,可以大致估計距離基地台的遠近,當手機同時搜索到至少三個基地台的信號時(現在的網路覆蓋這是很輕鬆的一件事情),大致可以估計出距離基地台的遠近
 
地台在行動網路中是唯一確定的,其地理位置也是唯一的,也就可以得到三個基地台(三個點)距離手機的距離,根據三點定位原理,只需要以基地台為圓心,距離為半徑多次畫圓即可,這些圓的交點就是手機的位置。
 

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  圖:基地台「三點定位」原理
 
由於基地台定位時,信號很容易受到干擾,所以先天就決定了它定位的不準確性,精度大約在150米左右,基本無法開車導航。
 
定位條件是必須在有基地台信號的位置,手機處於SIM卡註冊狀態(飛行模式下開WiFi和拔出SIM卡都不行),而且必須收到3個基地台的信號,無論是否在室內。但是,定位速度超快,一旦有信號就可以定位,目前主要用途是沒有GPS且沒有WiFi的情況下,快速大體瞭解下你的位置。
 
表:兩種室外定位技術的對比
 
定位技術
GPS定位 LBS定位
原理
衛星定位
基地台定位
精度 精度高(5-10m)
精度較低(市區20-200m;郊區1000-2000m
耗電量
很大,需要手機為GPS模組提供高壓供電
地台採集數據即可,不消耗手機電量
優點
室外定位精度高;
   
覆蓋廣
定位速度超快;
   不受天氣、高樓、位置等等的影響;
   功耗低
缺點
 
1.GPS系統的天線必須在室外並且能看到大面積天空,否則無法定位,受天氣和位置影響很大;
 2.比較耗電;3.成本較高
 
1.定位條件是必須在有基地台信號的位置,手機處於sim卡註冊狀態),且必須收到3個基地台的信號;
2.定位精度低
  
定位技術從室外走向室內
GPS和基地台定位技術,基本滿足了用戶在室外場景中,對位置服務的需求。然而,人的一生當中有80%的時間是在室內度過的,個人用戶、服務機器人、新型物聯網設備等大量的定位需求,也發生在室內而室內場景受到建築物的遮擋,GNSS信號快速衰減,甚至完全拒止,無法滿足室內場景中,導航定位的需要。
 
近年來,位置服務的相關技術和產業,正從室外向室內發展,以提供無所不在的,基於位置的服務,其主要推動力是室內位置服務,所能帶來的巨大的應用和商業潛能。
 
許多公司包括OS提供商、服務提供商,設備和晶片提供商,都在競爭這個市場。
 

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1.室內定位應用
室內定位即透過技術手段,獲知人們在室內所處的即時位置,或者行動軌跡。基於這些資訊能夠實現多種應用。
 
大型商場中的商店,能夠透過室內定位技術,獲知哪些地方人流量最大,客人們通常會選擇哪些行動路線等,從而更科學地佈置櫃台,或者選擇舉辦促銷活動的地點。
 
客人也可以利用室內定位技術,更方便地找到所需購買物品的擺放區域,並獲得前往該處的最佳路線。
 
家長不用再擔心孩子在商場中走失,透過室內定位技術可以即時定位孩子的位置。
 
公司的管理者則可以運用室內定位技術,即時獲知室內的人員狀況,從而更好地優化空調的使用等,達到節能減碳的目的,還能夠有效提高安全保全的水準。
 
透過部署室內定位技術,電信商能夠更好地找到室內覆蓋的「盲點」和「熱點」區域,更好地在室內為用戶,提供通信服務。
 
......
 
2.室內定位面臨的挑戰
和室外定位相比,室內定位面臨很多獨特的挑戰, 比如說室內的環境動態性很強,可以說是多種多樣,不同的大廈會有不同的室內佈局室內的環境更加精細,由此也需要更高的精度來分辨不同的特徵。
 
那麼實用的室內定位解決方案,都需要滿足那些要求呢主要包括以下幾個方面:精度、覆蓋範圍、可靠性、成本、功耗、可擴展性和響應時間。
 
精度:對精度的要求不同的應用差別很大,比如在超市或倉庫,找一個特定的商品,可能需要1米,甚至更低的精度,如果在購物中心尋找一個特定的品牌或餐館,5-10米的精度就能滿足要求。
 
覆蓋範圍:覆蓋範圍主要是指一個技術和解決方案,可以在多大的範圍內,提供滿足精度的覆蓋。有些技術需要相應或專用的基礎設施支撐,並結合相應的定位終端使用,這樣它的覆蓋就只是佈局了相應技術的環境範圍。
 
可靠性:前面提到室內環境動態性很強,會經常發生改變,比如商場的設置和隔斷,會經常發生變化。另一方面,定位所依賴的基礎設施,也會經常發生變化。
 
舉個例子,一些大型的會議,參展商會架設自己的WiFi 熱點, 這些設施會動態變化位置,甚至有時開有時關,如果定位技術是基於WiFi的,可靠的系統應該不會受到這些因素的影響。
 
成本和複雜度:成本和複雜度指標涵蓋兩個方面。一個是定位終端的成本,是不是可以用終端已有的硬體,而不添加新的硬。另一方面是佈局和維護的成本,及其複雜度,包括佈局與維護定位所需要的設施,和採集相關的數據庫。
 
功耗:定位所產生的功耗,是一個很重要的指標。尤其對使用電池的行動設備,如果功耗大很快使設備沒電了,就限制了用戶的使用。有調查顯示,電池消耗過快,是很多用戶不開啓定位功能的一個主要因素。所以,如果要實現隨時隨地的位置感知,必須降低定位所增加的設備額外功耗。
 
可擴展性:可擴展性指一個解決方案,擴展到更大的覆蓋範圍使用的能力,和方便地移植到不同的環境和應用的能力。
 
響應時間:系統給出一個位置更新,所需的時間是響應時間,不同的應用需求不同,比如行動用戶和導航應用,需要快的位置更新。
 
蓬勃發展的室內定位技術
室內定位的技術分支多樣,下圖是各種室內定位方案的對比圖:
 

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目前室內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。
 
定位原理 描述
特點
臨近探測法
透過一些有範圍限制的物理信號的接收,從而判斷行動設備,是否出現在某一個發射點附近。
該方法雖然只能提供大概的定位資訊,但其布設成本低、易於搭建,適合於一些對定位精度要求不高的應用,例如自動辨識系統,用於公司的員工簽到。
質心定位法
根據行動設備可接收信號範圍內,所有已知的信標(beacon)位置,計算其質心座標作為行動設備的座標。
該方法易於理解,計算量小,定位精度取決於信標的布設密度。
多邊定位法
透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。
精度高、應用廣。
三角定位法
該方法是在獲取待測目標相對2個已知參考點的角度後,結合兩參考點間的距離資訊,可以確定唯一的三角形,即可確定待測目標的位置。
精度高、應用廣。
極點法
透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座標,因此使用非常方便,已經在大地測量中得到廣泛應用。
指紋定位法
在定位空間中建立指紋數據庫,通過將實際資訊與數據庫中的參數,進行比對來實現定位。
指紋定位的優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,同時很難自適應於環境變化較大的場景。
航位推算法
是在已知上一位置的基礎上,透過計算或已知的運動速度和時間計算得到當前的位置。
數據穩定,無依賴,但該方法存在累積誤差,定位精度隨著時間增加而惡化。
  
不同的室內定位方法,選擇不同的觀測量,透過不同的觀測量提取算法所需要的資訊。下表對主要的觀測量進行簡要的介紹。
 
觀測量
簡介
RSSI測量
它是透過計算信號的傳播損耗,可以使用理論或者經驗模型,來將傳播損耗轉化為距離,也可以用於指紋定位建立指紋庫。
TOA測量
該方法主要測量信號在基地台和移動台之間的單程傳播時間,或來回傳播時間。前者要求基地台與移動台間的時鐘同步。
TDOA測量
該方法同樣是測量信號到達時間,但使用到達時間差進行定位計算,可利用雙曲線交點,確定移動台位置,故可以避免對基地台和移動台的精確同步。
AOA測量
該方法是指接收機,透過天線陣列測出電磁波的入射角度,包括測量基地台信號到移動台的角度或者移動台信號,到達基地台的角度。每種方式均會產生從基地台到移動台的方向線。2個基地台可以得到2條方向線,其交點即為移動台位置。因此,AOA方法只需要2個基地台即可確定移動台位置。
方向和距離
獲取方向和距離多用於航位推算定位,採用自包含傳感器記錄載體的實體資訊,計算得到方向和距離,從而在已知上一位置的基礎上,計算得到當前的位置。
  
根據上面介紹的定位原理和觀測量,衍生出了多種室內定位技術,下面將對主流的室內定位技術,進行簡要介紹。
 
1.WiFi定位技術
目前WiFi是相對成熟且應用較多的技術,這幾年有不少公司投入到了這個領域。WiFi室內定位技術主要有兩種。
 
WiFi定位一般採用「近鄰法」判斷,即最靠近哪個熱點或基地台,即認為處在什麼位置,如附近有多個信源,則可以透過交叉定位(三角定位),提高定位精度。
 
 
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由於WiFi已普及,因此不需要再鋪設專門的設備用於定位。用戶在使用智慧手機時開啓過WiFi、行動蜂窩網路,就可能成為數據源。該技術具有便於擴展、可自動更新數據、成本低的優勢,因此最先實現了規模化。
 
不過,WiFi熱點受到周圍環境的影響會比較大,精度較低。為了做得準一點,有公司就做了WiFi指紋採集,事先記錄巨量的確定位置點的信號強度,透過用新加入的設備的信號強度,比對擁有巨量數據的數據庫,來確定位置。
 
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由於採集工作,需要大量的人員來進行,並且要定期進行維護,技術難以擴展,很少有公司能把市場上的這麼多商場,定期的更新指紋數據。
 
WiFi定位可以實現複雜的大範圍定位,但精度只能達到2米左右,無法做到精準定位。因此適用於對人或者車的定位導航,可以於醫療機構、主題公園、工廠、商場等,各種需要定位導航的場合。
 
2.RFID定位
RFID定位的基本原理是,透過一組固定的閱讀器,讀取目標RFID標籤的特徵資訊(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。
 
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這種技術作用距離短,一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內,得到釐米級定位精度的資訊,且傳輸範圍很大,成本較低。同時由於其非接觸和非視距等優點,可望成為優選的室內定位技術。
 
目前,射頻辨識研究的熱點和難點,在於理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標準化等問題。
 
優點是標識的體積比較小,造價比較低,但是作用距離近,不具有通信能力,而且不便於整合到其他系統之中,無法做到精準定位,佈設讀卡器和天線,需要有大量的工程實踐經驗難度大。
 
3.紅外線技術
紅外線是一種,波長在無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外線定位主要有兩種具體實現方法,一種是將定位對象,附上一個會發射紅外線的電子標籤,透過室內安放的多個紅外線感測器測量信號源的距離或角度,從而計算出對象所在的位置。
 
這種方法在空曠的室內,容易實現較高精度,可實現對紅外線輻射源的被動定位,但紅外線很容易被障礙物遮擋,傳輸距離也不長,因此需要大量密集部署感測器,造成較高的硬體和施工成本。此外紅外線易受熱源、燈光等干擾,造成定位精度和準確度下降。
 
該技術目前主要用於軍事上對飛行器、坦克、導彈等紅外線輻射源的被動定位,此外也用於室內自走機器人的位置定位。
 
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另一種紅外線定位的方法是紅外線織網,即透過多對發射器和接收器,織成的紅外線網覆蓋待測空間,直接對運動目標進行定位。
 
這種方式的優勢,在於不需要定位對象,攜帶任何終端或標籤,隱蔽性強,常用於安全監控領域。缺點在於要實現精度較高的定位,需要部署大量紅外線接收和發射器,成本非常高,因此只有高等級的安全監控才會採用此技術。
 
4.超音波技術
超音波定位,目前大多數採用反射式測距法。系統由一個主測距器和若干個電子標籤組成,主測距器可放置於移動機器人本體上,各個電子標籤放置於室內空間的固定位置。
 
定位過程如下:先由上位機發送同頻率的信號,給各個電子標籤,電子標籤接收到後,又反射傳輸給主測距器,從而可以確定各個電子標籤,到主測距器之間的距離,並得到定位座標。
 
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目前,比較流行的基於超音波室內定位的技術,還有兩種:一種為將超音波與射頻技術結合進行定位。由於射頻信號傳輸速率接近光速,遠高於射頻速率,那麼可以利用射頻信號先激活電子標籤,而後使其接收超音波信號,利用時間差的方法測距。這種技術成本低,功耗小,精度高。
 
另一種為多超音波定位技術。該技術採用全局定位,可在移動機器人身上4個朝向安裝4個超音波感測器,將待定位空間分區,由超感測器測距形成座標,總體把握數據,抗干擾性強,精度高,而且可以解決機器人迷路問題。
 
超音波定位精度可達釐米級,精度比較高。缺陷是超音波在傳輸過程中衰減明顯,從而影響其定位有效範圍。
 
5.藍牙技術
藍牙定位基於RSSI(Received Signal Strength Indication,信號場強指示)定位原理。根據定位端的不同,藍牙定位方式分為網路側定位和終端側定位。
 
網路側定位系統由終端(手機等頻寬低功耗藍牙的終端)、藍牙beacon節點,藍牙網關(Gateway),無線局域網,及後端數據伺服器構成。其具體定位過程是:
 
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1)首先在區域內鋪設beacon和藍牙Gateway。
 
2)當終端進入beacon信號覆蓋範圍,終端就能感應到beacon的廣播信號,然後測算出在某beacon下的RSSI值,透過藍牙Gateway經過WiFi網路,傳送到後端數據伺服器,透過伺服器內置的定位算法,測算出終端的具體位置。
 
終端側定位系統由終端設備(如嵌入SDK軟體包的手機)和beacon組成。其具體定位原理是:
 
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1)首先在區域內鋪設藍牙信標
 
2)beacon不斷的向周圍廣播信號和數據包
 
3)當終端設備進入beacon信號覆蓋的範圍,測出其在不同基地台下的RSSI值,然後再透過手機內置的定位算法,測算出具體位置。
 
終端側定位一般用於室內定位導航,精準位置行銷等用戶終端而網路側定位主要用於人員跟蹤定位,資產定位及客流分析等情境之中。
 
藍牙定位的優勢在於實現簡單,定位精度和藍牙信標的鋪設密度,及發射功率有密切關係。並且非常省電,可透過深度睡眠、免連接、協議簡單等方式,達到省電目的。
 
6.慣性導航技術
這是一種純客戶端的技術,主要利用終端慣性感測器採集的運動數據,如加速度感測器、陀螺儀等,測量物體的速度、方向、加速度等資訊,基於航位推測法,經過各種運算,得到物體的位置資訊。
 
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隨著行走時間增加,慣性導航定位的誤差,也在不斷累積。需要外界更高精度的數據源,對其進行校準。
 
所以現在慣性導航一般和WiFi指紋結合在一起, 每過一段時間,透過WiFi請求室內位置,以此來對MEMS產生的誤差,進行修正。該技術目前的商用也比較成熟,在掃地機器人中得到廣泛應用。
 
7.超寬頻(UWB)定位技術
超寬頻技術是近年來新興的一項全新、與傳統通信技術,有極大差異的無線通信新技術。
 
它不需要使用傳統通信體制中的載波,而是透過發送和接收具有奈秒或微秒級以下的,極窄脈衝來傳輸數據,從而具有3.1~10.6GHz量級的頻寬。
 
目前,包括美國,日本,加拿大等在內的國家,都在研究這項技術,在無線室內定位領域,具有良好的前景。
 
UWB技術是一種傳輸速率高,發射功率較低,穿透能力較強,並且是基於極窄脈衝的無線技術,無載波。正是這些優點,使它在室內定位領域,得到了較為精確的結果。
 
超寬頻(UWB)定位技術,利用事先佈置好的,已知位置的錨節點和橋節點,與新加入的盲節點進行通訊,並利用三角定位或者「指紋」定位方式,來確定位置。
 
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超寬頻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。
 
超寬頻系統與傳統的窄頻系統相比,具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統複雜度低、能提供精確定位精度等優點。
 
因此,超寬頻技術可以應用於室內靜止或者移動物體,以及人的定位跟蹤與導航,且能提供十分精確的定位精度。根據不同公司使用的技術手段或算法不同,精度可保持在0.1 m~0.5 m。
 
8.LED可見光技術
可見光是一個新興領域,透過對每個LED進行編碼,將ID調制在燈光上,燈會不斷發射自己的ID,透過利用手機的前置攝影機,來辨識這些編碼。利用所獲取的辨識資訊,在地圖數據庫中,確定對應的位置資訊,完成定位。
 
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根據燈光到達的角度,進一步細化定位的結果,高通公司做到了釐米級定位精度。
 
由於不需要額外部署基礎設施,終端數量的擴大,對性能沒有任何的影響,並且可以達到一個非常高的精度,該技術被高通公司所看好。
 
目前,可見光技術在北美、歐洲有很多商場已經在部署。用戶下載應用後,到達商場裡的某一個貨架,透過檢測貨架周圍的燈光,即可知曉具體位置,商家在透過這樣的方法,向消費者推播商品的折扣等資訊。
 
9.地磁定位技術
地球可視為一個磁偶極,其中一極位在地理北極附近,另一極位在地理南極附近。地磁場包括,基本磁場和變化磁場,兩個部分。
 
基本磁場是地磁場的主要部分,起源於地球內部,比較穩定,屬於靜磁場部分。變化磁場包括地磁場的各種短期變化,主要起源於地球內部,相對比較微弱。
 
現代建築的鋼筋混凝土結構,會在局部範圍內對地磁產生干擾,指南針可能也會因此受到影響。原則上來說,非均勻的磁場環境,會因其路徑不同,產生不同的磁場觀測結果。
 
而這種被稱為 Indoor Atlas的定位技術,正是利用地磁在室內的這種變化進行室內導航,並且導航精度已經可以達到 0.1 米到 2 米。
 
不過使用這種技術進行導航的過程,還是稍顯麻煩。你需要先將室內樓層平面圖,上傳到 Indoor Atlas 提供的地圖雲中,然後你需要使用其行動客戶端,實地記錄目標地點不同方位的地磁場。記錄的地磁數據,都會被客戶端上傳至雲端,這樣其他人才能利用已記錄過的地磁,進行精確室內導航。
 
對岸中國的百度,於2014年策略投資了地磁定位技術開發商Indoor Atlas,並於2015年6月宣佈,在自己的地圖應用中,使用其地磁定位技術,將該技術與WiFi熱點地圖、慣性導航技術聯合使用。
 
精度高 宣傳商業應用中,可以達到米級定位標準,但磁信號容易受到環境中不斷變化的電、磁信號源干擾,定位結果不穩定,精度會受影響。
 
10.視覺定位
視覺定位系統可以分為兩類,一類是透過移動的感測器(如攝影機)採集圖像,確定該感測器的位置,另一類是固定位置的感測器,確定圖像中待測目標的位置。根據參考點選擇不同,又可以分為參考三維建築模型、圖像、預部署目標、投影目標、參考其他感測器和無參考。
 
參考3D建築模型和圖像,分別是以已有建築結構數據庫,和預先標定圖像進行比對。而為了提高強健性,參考預部署目標使用佈置好的特定圖像標誌(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上,在室內環境投影參考點。參考其他感測器,則可以融合其他感測器數據,以提高精度、覆蓋範圍或強健性。
 
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除了以上提及的,目前來看定位技術的種類,有幾十甚至上百種,而每種定位技術都有自己的優缺點,和適合的應用場景,沒有絕對的勝負之分。
 
根據不用的需求,因地制宜的部署解決方案,方為上策~
 
Reference: https://3smarket-info.blogspot.com/2018/06/blog-post_39.html

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