室內定位技術現狀及前景如何

室內定位的應用場景

1、精準室內導航

在復雜室內環境下實現基于移動智能終端的實時導航，精度一般在1-5米，可實現跨樓層路線導引，讓路癡在室內室外都能隨心自如。主要應用于大型商超為客戶提供智能導購，醫院為病患提供電子導醫，智慧園區為訪客提供智能引導等服務。

2、人員/物品實時定位

可對人員、物資、設備等目標進行精準定位，精度一般分為厘米級定位、米級精度的定位，主要應用于人員定位看護，物資定位管理。常見場景有訪客定位管理、倉儲設備定位管理等。

3、歷史軌跡查詢

可隨時查看人員、物品在某個時間段內的移動軌跡，便于實現人員崗位巡查、人員行為分析、物資調度安排等。主要應用于事件歷史追溯、養老院老人智能看護等。

4、虛擬地理圍欄

通過系統在關鍵區域設置虛擬圍欄，一旦人員、物資、設備，未經授權進入或離開某區域，立即預警，保障安全。主要應用于人員防走失、崗位管理、物資管控等。

5、位置數據收集

可在數萬人的大型會展中實現全時段位置信息收集，全面收集人群行為軌跡，查看在某展位停留時間、觀覽數據，提供精準營銷數據，為客戶回訪和針對性營銷提供保障，提升展會客戶轉化率。

6、互動營銷

對于大型商超、景區、會展等場景，可以通過互動消息的推送實現線上線下互動營銷，比如微信“搖一搖周邊”、景區智能導覽等大多是基于此服務。

7、系統聯動

可以與定位現場的聲光報警系統、視頻監控系統進行聯動，實現預警的同時觸發警鈴或是現場視頻畫面，便于高效決策。

室內定位技術現狀

室內定位從最初開始，基本上都是采用無線電（即RSS，ReceivedSignalStrength原理），紅外線，超聲波這幾種傳播介質作為定位方案的實現載體。在這樣的情況之下也有各個高校，各大公司研制出了許多種室內定位方案，如MITOxygen項目開發的Cricket系統，Cricket定位系統基于超聲波和射頻信號的到達時間差來實現定位，還有諾基亞采用的HAIP技術，該技術需要在室內安裝一種定位發射臺，藍牙模塊與之通信，通過這兩者之間的通信完成定位，以及由微軟開發的RADAR系統，該系統是最早的基于WiFi網絡的定位系統，它采用射頻指紋匹配方法，即從指紋庫中查找最接近的幾個鄰居，取它們坐標的平均作為定位目標的坐標估計數據。

然而目前這幾種主流的室內定位方式似乎只要在成本上盡如人意了，性能方面便會出現欠缺，只要在性能方面盡如人意了，成本方面便會難以承受。而現在已經有部分公司在突破傳統，研制出開創性的新技術，而科研方面的相關人員，尤其是我國的相關科研人員，卻大多數還停留在主流傳統方向上，這些人員之中，應該有一部分人，在有條件的情況下，進行開創性的室內定位新技術的研究工作，從而更加合理，有效地利用科研資源。

室內定位面臨難題

1.室內空間復雜的信道環境與空間拓撲關系

對視頻信號來講，信號發射器和接收機間通視是定位的基礎。任何遮擋會導致信號強度的迅速衰減或直接阻擋信號的傳播。GNSS信號無法穿越厚厚的建筑墻面是一個典型的例子。衛星導航信號從2萬多千米的高空，穿越大氣層后傳到地面，已經很微弱，再加上墻壁或玻璃的遮擋，能進入室內的GNSS信號只能通過高靈敏度接收機接收，其定位精度在幾十米或者更差。

由于室內空間復雜的拓撲關系，室內空間內部信號遮擋是室內定位常遇到的問題，大大限制了很多室外定位技術在室內普及的可能性，也把有效定位范圍限制在很小的范圍內，給實現室內定位廣域覆蓋帶來極大的困難。此外，復雜的拓撲空間也導致復雜信號傳播環境。大量的反射信號也直接影響到測量精度，從而導致較大的定位誤差。復雜的空間拓撲關系從定位精度和可用性兩個方面給室內定位帶來諸多約束。

定位場景信號場的時空變化問題。除了復雜的空間拓撲關系外，室內幾何環境和信號環境的時空變化也是維持定位系統的高可持續性的最大障礙（如Wi-Fi基站的增減，室內電器和家具的布設變化，貨架貨物變化，展覽場館的布設變化等）。如何感知和認知室內幾何環境和信號環境的時空變化，提高對定位環境的自學習、自適應能力，實現定位指紋庫（包括Wi-Fi指紋庫，地磁指紋庫等）、圖像特征庫、地標信息庫自動更新，是室內定位領域還沒解決的科學問題。

2.異源異構的定位源

基于智能手機的室內定位源主要包括3大類：衛星定位，短距離射頻信號和傳感器。衛星定位包括GPS、北斗、Galileo和GLONASS；短距離射頻信號包括Wi-Fi和藍牙；傳感器包括加速度計、磁力計、陀螺儀、氣壓計、光強度傳感器、麥克風、揚聲器和相機。個別智能手機還包括深度相機，除了衛星定位接收機以外，所有傳感器和射頻信號都不是為定位用途而設置的，手機商在選擇這些傳感器和射頻信號時首要考慮的性能不是定位。衛星定位、短距離射頻信號和傳感器的信號機制和工作原理是完全不同的。他們測量的物理量和測量方法也不一樣，測量精度也因源而異。為了得到最優的定位結果，通常需要融合這些異源異構的定位驗。在融合這些異源異構的定位源時，面臨以下問題：

（1）信號測量值同步問題。

由于不同定位源的測量過程是獨立工作的，不同測量值的采樣時間是不一樣的。如果位置計算在同一個手機上，可以把所有定位源的觀測值都統一到同一時間系統（如手機時間），通過內差等方法把異源觀測量歸算到同一觀測歷元上。如果位置計算在云端服務器上，所有參與定位的手機都必須統一到同一時間基準，比如說網絡時。不同手機的異源觀測值也必須歸算到同一觀測歷元。前面所述方法只適用于用戶在低速運動狀態下（運動速度小于2m/s）。在高速運動情況下，要考慮更高精度的時間同步方法。

（2）信號采樣頻率不一致。

比如Wi-Fi信號的采樣頻率為1/3Hz，而加速度計的采樣頻率可以達到180Hz。各種定位源的不同采樣頻率，要求定位算法具備不同歷元處理不同數據組合的能力，包括數據掉包情形。室內定位的位置更新率應該大于等于1Hz才能滿足大多數位置服務的需求，尤其是跟人流動線相關的應用。

（3）信號測量精度差異問題。

低成本傳感器容易受環境因素干擾，影響信號測量精度，如運動傳感器的測量精度就很差，不能直接用于慣性導航，但可以用于步頻探測。有些定位源如藍牙天線陣列、視覺定位、音頻定位等方法可以在局部范圍內提供高精度距離、角度或坐標測量值。由于受布設成本的限制，這些高精度測量值不能廣域覆蓋。這就要求定位算法有足夠的靈活性，融合不同觀測精度的定位源，讓有限的高精度測量值發揮最大的作用。

（4）不同定位終端測量偏差問題。

由于不同定位終端（如手機）硬件上的差異，它們對同一定位源的測量值是存在偏差的。比如不同手機對同一Wi-Fi基站的信號強度（RSSI）測量值是有偏差的，這種偏差雖然不很大，但足以影響定位精度。不同手機的相機參數也不一樣，在定位時必須考慮定位終端硬件上的差異，通過定標的方法，消除它們定位的影響。這點對高精度定位（優于1m）尤為重要。

3.移動終端上有限的計算資源

移動終端的計算資源主要體現在3個方面：有限的計算能力、有限的供電能力和有限的存儲能力。隨著智能手機的計算性能越來越高，一些復雜的定位算法如視覺定位，粒子濾波等都慢慢出現在室內定位的視野里。由于智能手機是一個多功能的終端，定位功能只能占據小部分的CPU處理時間以保證其他主流功能如打電話、微信、拍照等正常工作。從節能的角度看，不管手機的計算性能有多高，都不可以讓智能手機處于連續高速運算狀態，否則手機電池很快就耗盡。除此之外，智能手機上的存儲能力也有限，不足以運行復雜的定位算法如圖像處理和復雜的深度學習算法。

室內定位技術發展趨勢

（1）基于低功耗藍牙BLE的定位技術會被越來越廣泛應用。藍牙室內定位已發展一段時間，但過去并未受重視，隨著蘋果公司提出的iBeacon技術，BLE定位受到相當大的關注。目前基于該技術的信息推送應用在零售業已經獲得相當大的響應，預期未來BLE室內定位技術會更多結合信息推送、移動支付等應用，或被實踐在日常生活上提供個性化服務。

（2）多種技術結合的混合定位方法，以滿足各種室內環境和應用場景的需求，并彌補單一技術的局限。越來越多的解決方案已經將9軸或12軸慣性傳感器技術和其它技術如基于WiFi的定位技術融合到一起，并且這已經成為趨勢。Google、Broadcom、CSR都提供多種技術融合的混合解決方案。未來會有更多的解決方案是完整的傳感器/WiFi/BLE的混合解決方案以滿足多種需求。

（3）室內地圖和室內定位數據庫會迅速發展，相關技術趨于成熟，以保證快速擴展的能力和定位性能的可靠性與一致性。這里的挑戰包括地圖和數據庫的擴展性，快速有效地產生和維護數據庫的技術，比如通過眾包的方法。

（4）基于位置的應用和服務會更多利用附近的感應和發現。相對定位而言，附近的發現會更簡單因為它并不需要計算精確位置，而只是發現附近的設備就能提供相應的服務。這種技術對于室內和連續無處不在的定位而言有很大影響，并可以作為很好的補充，尤其是針對精確定位不容易實現的場景。相關的技術有BT/BLE、LTEDirect、WiFiDirect、NFC等。

（5）采用專用的定位引擎來處理定位、運動檢測、傳感器數據分析、信息融合和地理圍欄等。通過用專用的處理器來處理運動，情境和定位，可以降低對應用處理器的喚醒，以優化和降低功耗，達到隨時隨地都知道所處位置的目標。

（6）低功耗優化，降低定位功能對移動設備帶來的額外功耗以實現隨時隨地的精準定位。包括使用專用的定位處理引擎以盡量少喚醒應用處理器，結合運動檢測和行為模式的檢測來降低功耗，通過多種定位技術的融合選擇最省電同時滿足精度的技術，并關閉或使高功耗的定位技術處于休眠模式，以降低高功耗傳感器的使用等。