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物联网定位技术从室外走向室内超全解析!

近年来,位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展,以提供无所不在的基于位置的服务。目前应用于室外定位的主流技术主要有卫星定位和基站定位两种。室内定位即通过技术手段获知人们在室内所处的实时位置或者行动轨迹。

 早在15世纪,当人类开始探索海洋的时候,定位技术也随之催生。当时的定位方法十分粗糙,就是是运用航海图和星象图以确定自己的位置。

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随着社会的进步和科技的发展,定位技术在技术手段、定位精度、可用性等方面均取得质的飞越,并且逐步从航海、航天、航空、测绘、军事、自然灾害预防等“高大上”的领域逐步渗透社会生活的方方面面,成为人们日常中不可或缺的重要应用——比如人员搜寻、位置查找、交通管理、车辆导航与路线规划等等……

 

总体来说,定位可以按照使用场景的不同划分为室内定位室外定位两大类,因为场景不同,需求也就不同,所以分别采用的定位技术也不尽相同。

 

成熟的室外定位技术

 

目前应用于室外定位的主流技术主要有卫星定位和基站定位两种。

 

1.卫星定位

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卫星定位即是通过接收卫星提供的经纬度坐标信号来进行定位,卫星定位系统主要有:美国全球定位系(GPS)、俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)、欧洲伽利略(GALILEO)系统、中国北斗卫星导航系统,其中GPS系统是现阶段应用最为广泛、技术最为成熟的卫星定位技术。

 

GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分、地面控制部分、用户设备部分。图片4.png

 

空间部分是由24 颗工作卫星组成,它们均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗),卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象;

控制部分主要由监测站、主控站、备用主控站、信息注入站构成,主要负责GPS卫星阵的管理控制;

用户设备部分主要是GPS接收机,主要功能是接收GPS卫星发射的信号,获得定位信息和观测量,经数据处理实现定位。

 

GPS的定位原理说白了就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。

 

要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距)。

 

当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个变量 t 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。如下图所示:

 

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卫星定位虽然精度高、覆盖广,但其成本昂贵、功耗大,并不适合于所有用户。

 

2.基站定位

 

 

基站定位一般应用于手机用户,手机基站定位服务又叫做移动位置服务(LBS,Location Based Service),它是通过电信移动运营商的网络(如GSM网)获取移动终端用户的位置信息。

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手机等移动设备在插入sim卡开机以后,会主动搜索周围的基站信息,与基站建立联系,而且在可以搜索到信号的区域,手机能搜索到的基站不止一个,只不过远近程度不同,再进行通信时会选取距离最近、信号最强的基站作为通信基站。其余的基站并不是没有用处了,当你的位置发生移动时,不同基站的信号强度会发生变化,如果基站A的信号不如基站B了,手机为了防止突然间中断链接,会先和基站B进行通信,协调好通信方式之后就会从A切换到B。这也就是为什么同样是待机一天,你在火车上比在家里耗电要多的原因,手机需要不停的搜索、连接基站。

 

基站定位的原理也很简单:我们知道,距离基站越远,信号越差,根据手机收到的信号强度可以大致估计距离基站的远近,当手机同时搜索到至少三个基站的信号时(现在的网络覆盖这是很轻松的一件事情),大致可以估计出距离基站的远近;基站在移动网络中是唯一确定的,其地理位置也是唯一的,也就可以得到三个基站(三个点)距离手机的距离,根据三点定位原理,只需要以基站为圆心,距离为半径多次画圆即可,这些圆的交点就是手机的位置。

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由于基站定位时,信号很容易受到干扰,所以先天就决定了它定位的不准确性,精度大约在150米左右,基本无法开车导航。定位条件是必须在有基站信号的位置,手机处于sim卡注册状态(飞行模式下开wifi和拔出sim卡都不行),而且必须收到3个基站的信号,无论是否在室内。但是,定位速度超快,一旦有信号就可以定位,目前主要用途是没有GPS且没有wifi的情况下快速大体了解下你的位置。


 定位技术

GPS定位

LBS定位

原理

卫星定位

基站定位

精度

精度高(5-10m)

精度较低(市区20-200m;郊区1000-2000m)

耗电量

很大,需要手机为GPS模块提供高压供电

基站采集数据即可,不消耗手机电量

优点

室外定位精度高;
   覆盖广

定位速度超快;
   不受天气、高楼、位置等等的影响;
   功耗低

缺点

1.GPS系统的天线必须在室外并且能看到大面积天空,否则无法定位,受天气和位置影响很大;
 2.比较耗电;
 3.成本较高

1.定位条件是必须在有基站信号的位置,手机处于sim卡注册状态),且必须收到3个基站的信号;
 2.定位精度低

定位技术从室外走向室内

 

GPS和基站定位技术基本满足了用户在室外场景中对位置服务的需求。然而,人的一生当中有80%的时间是在室内度过的,个人用户、服务机器人、新型物联网设备等大量的定位需求也发生在室内;而室内场景受到建筑物的遮挡,GNSS信号快速衰减,甚至完全拒止,无法满足室内场景中导航定位的需要。

 

近年来,位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展,以提供无所不在的基于位置的服务,其主要推动力是室内位置服务所能带来的巨大的应用和商业潜能。许多公司包括OS提供商、服务提供商,设备和芯片提供商都在竞争这个市场。

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1.室内定位应用

 

室内定位即通过技术手段获知人们在室内所处的实时位置或者行动轨迹。基于这些信息能够实现多种应用。

 

大型商场中的商户能够通过室内定位技术获知哪些地方人流量最大,客人们通常会选择哪些行动路线等,从而更科学地布置柜台或者选择举办促销活动的地点。

 

客人也可以利用室内定位技术更方便地找到所需购买物品的摆放区域,并获得前往该处的最佳路线。

家长不用再担心孩子在商场中走失,通过室内定位技术可以实时定位孩子的位置。

公司的管理者则可以运用室内定位技术实时获知室内的人员状况,从而更好地优化空调的使用等,达到节能减排的目的,还能够有效提高安全保卫的水平。

通过部署室内定位技术,电信运营商能够更好地找到室内覆盖的“盲点”和“热点”区域,更好地在室内为用户提供通信服务。

2.室内定位面临的挑战

 

和室外定位相比,室内定位面临很多独特的挑战, 比如说室内的环境动态性很强,可以说是多种多样,不同的大厦会有不同的室内布局;室内的环境更加精细,由此也需要更高的精度来分辨不同的特征。

 

那么实用的室内定位解决方案都需要满足那些要求呢?主要包括以下几个方面:精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性和响应时间。

  

精度:对精度的要求不同的应用差别很大,比如在超市或仓库找一个特定的商品可能需要1米甚至更低的精度,如果在购物中心寻找一个特定的品牌或餐馆,5-10米的精度就能满足要求。

  

覆盖范围:覆盖范围主要是指一个技术和解决方案可以在多大的范围内提供满足精度的覆盖。有些技术需要相应或专用的基础设施支撑并结合相应的定位终端使用,这样它的覆盖就只是布局了相应技术的环境范围。

  

可靠性:前面提到室内环境动态性很强,会经常发生改变,比如商场的设置和隔断会经常发生变化。另一方面,定位所依赖的基础设施也会经常发生变化。举个例子,一些大型的会议,参展商会架设自己的WiFi 热点, 这些设施会动态变化位置,甚至有时开有时关,如果定位技术是基于WiFi的,可靠的系统应该不会受到这些因素的影响。

  

成本和复杂度:成本和复杂度指标涵盖两个方面。一个是定位终端的成本,是不是可以用终端已有的硬件而不添加新的硬件。另一方面是布局和维护的成本及其复杂度,包括布局与维护定位所需要的设施和采集相关的数据库。

  

功耗:定位所产生的功耗是一个很重要的指标尤其对使用电池的移动设备,如果功耗大很快使设备没电了,就限制了用户的使用。有调查表明,电池消耗过快是很多用户不开启定位功能的一个主要因素。所以,如果要实现随时随地的位置感知,必须降低定位所增加的设备额外功耗。

  

可扩展性:可扩展性指一个解觉方案扩展到更大的覆盖范围使用的能力,和方便地移植到不同的环境和应用的能力。

  

响应时间:系统给出一个位置更新所需的时间是响应时间,不同的应用需求不同,比如移动用户和导航应用需要快的位置更新。

 

 蓬勃发展的室内定位技术

 

室内定位的技术分支多样,下图是各种室内定位方案的对比图:图片9.png

 

目前室内定位常用的定位方法,从原理上主要分为七种:邻近探测法、质心定位法、多边定位法、三角定位法、极点法、指纹定位法和航位推算法。

 

定位原理

描述

特点

临近探测法

通过一些有范围限制的物理信号的接收,从而判

断移动设备是否出现在某一个发射点附近。

该方法虽然只能提供大概的定位信息,但其布设成本低、易

于搭建,适合于一些对定位精度要求不高的应用,

例如自动识别系统用于公司的员工签到。

质心定位法

根据移动设备可接收信号范围内所有已知的

信标(beacon)位置,计算其质心坐标作为移动设备的坐标。

该方法易于理解,计算量小,定位精度取决于信标

的布设密度。

多边定位法

通过测量待测目标到已知参考点之间的距离,

从而确定待测目标的位置。

精度高、应用广。

三角定位法

该方法是在获取待测目标相对2个已知参考点的

角度后结合两参考点间的距离信息可以确定唯一

三角形,即可确定待测目标的位置。

精度高、应用广。

极点法

通过测量相对某一已知参考点的距离和角度从而确定

待测点的位置。

该方法仅需已知一个参考点的位置坐标,因此使用非常

方便,已经在大地测量中得到广泛应用。

指纹定位法

在定位空间中建立指纹数据库,通过将实际信息与

数据库中的参数进行对比来实现定位。

指纹定位的优势是几乎不需要参考测量点,定位精度相对较高;

但缺点是前期离线建立指纹库的工作量巨大,同时很难自适应

于环境变化较大的场景。

航位推算法

是在已知上一位置的基础上,通过计算或已知的

运动速度和时间计算得到当前的位置。

数据稳定,无依赖,但该方法存在累积误差,定位精度随着时间

增加而恶化。

 


不同的室内定位方法选择不同的观测量,通过不同的观测量提取算法所需要的信息。下表对主要的观测量进行简要的介绍。

 

观测量

简介

RSSI测量

它是通过计算信号的传播损耗,可以使用理论或者经验模型来将传播损耗转化为距离,也可以用于指纹定位建立指纹库。

TOA测量

该方法主要测量信号在基站和移动台之间的单程传播时间或来回传播时间。前者要求基站与移动台间的时钟同步。

TDOA测量

该方法同样是测量信号到达时间,但使用到达时间差进行定位计算,可利用双曲线交点确定移动台位置,故可以避免对基站和移动台的精确同步。

AOA测量

该方法是指接收机通过天线阵列测出电磁波的入射角度,包括测量基站信号到移动台的角度或者移动台信号到达基站的角度。每种方式均会产生从基站到移动台的方向线。2个基站可以得到2条方向线,其交点即为移动台位置。因此,AOA方法只需要2个基站即可确定移动台位置。

方向和距离

获取方向和距离多用于航位推算定位,采用自包含传感器记录载体的物理信息,计算得到方向和距离,从而在已知上一位置的基础上计算得到当前的位置。

 

根据上面介绍的定位原理和观测量,衍生出了多种室内定位技术,下面将对主流的室内定位技术进行简要介绍。

 

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