室内定位技术原理的解析
早在古代,人类为了不让自己迷失在大自然中,先后发明罗盘、指南针等工具,卫星定位的问世,解决了“我在哪里”的问题。在高度城市化的今天,室内空间越来越庞大复杂。人类战胜了大自然,却在自己构筑的钢筋水泥中迷了路。在医院,即使有楼层分布图以及引导标志,但看病的大部分时间仍然会浪费在寻找科室上。在停车场,找不着停车位而四处乱转的人也比比皆是。
在越来越迫切的需求下,近年室内定位引起了高度的关注。室内定位顾名思义就是在室内环境中实现定位。其意义,诺基亚在多年前阐述他们为什么要做室内定位时,把问题说得很明白了。
卫星无法在室内定位,人们大部分的时间又在室内度过,而相关服务并未普及,可以说室内定位隐藏着巨大商机。
商业应用中,根据不同的应用场景,室内定位技术又分消费级和工业级。
消费市场应用有:商场导购、停车场反向寻车、家人防走散等。对定位精度要求不高,1m的精度已经可以满足大多数应用,不过它要求系统兼容现已普及的移动智能终端。
企业市场应用有:人流监控和分析、智能制造、紧急救援和人员资产管理等。工业级技术的定位精度要求更高,要区分操作对象、人群中的个人等,与专用标签和传感器配套使用,一般不考虑与现有智能终端的兼容性。
技术门派
与室外卫星定位一统天下的情况不一样,室内定位各种技术呈现出百花齐放的场景。
室内定位百花齐放
室内定位的商业价值跟精度成正比。当精度是3-5米的时候,能判定你是站在7-11便利店门口还是杰克琼斯门口。当精度是1米的时候,则能判定你是站在可口可乐的货架前还是杜蕾斯的货架前。
目前,室内定位常用的定位方法,从原理上来说,主要分为:邻近探测法、质心法、极点法、多边定位法、指纹法和航位推算法。
主要室内定位方法对比
定位方法 | 描述 | 应用案例 | 特点 |
邻近探测法 | 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。 | 基站定位 | 操作简单,精度不高,依赖参考点分布密度 |
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位置,计算其质心坐标作为移动设备的坐标 | 基站定位 | 精度不高,依赖参考点分布密度 |
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。 | 超声波 | 精度高,应用广 |
极点法 | 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 | 激光扫描 | 测量简单,精度高,应用不广 |
指纹定位 | 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 | 地磁 | 精度高,前期工作大,不适合环境变化区域 |
航位推算法 | 根据预先确定的位置、估计或已知的速度和时间来估计当前的位置 | 惯性导航 | 数据稳定,无依赖,误差随时间积累 |
各种原理各有优劣,在不同应用场景、不同预算要求下,也可将不同的原理组合使用。下面将重点介绍以下几种主流技术:
WiFi定位技术
目前WiFi是相对成熟且应用较多的技术,这几年有不少公司投入到了这个领域。WiFi室内定位技术主要有两种。
WiFi定位一般采用“近邻法”判断,即最靠近哪个热点或基站,即认为处在什么位置,如附近有多个信源,则可以通过交叉定位(三边定位),提高定位精度。
由于WiFi已普及,因此不需要再铺设专门的设备用于定位。用户在使用智能手机时开启过Wi-Fi、移动蜂窝网络,就可能成为数据源。该技术具有便于扩展、可自动更新数据、成本低的优势,因此最先实现了规模化。
不过,WiFi热点受到周围环境的影响会比较大,精度较低。为了做得准一点有公司就做了WiFi指纹采集,事先记录巨量的确定位置点的信号强度,通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库,来确定位置。
由于采集工作需要大量的人员来进行,并且要定期进行维护,技术难以扩展,很少有公司能把国内的这么多商场定期的更新指纹数据。
WiFi定位可以实现复杂的大范围定位,但精度只能达到2米左右,无法做到精准定位。因此适用于对人或者车的定位导航,可以于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。
RFID技术
RFID定位的基本原理是,通过一组固定的阅读器读取目标RFID标签的特征信息(如身份ID、接收信号强度等),同样可以采用近邻法、多边定位法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。
射频识别室内定位技术作用距离很近,但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且由于电磁场非视距等优点,传输范围很大,而且标识的体积比较小,造价比较低。但其不具有通信能力,抗干扰能力较差,不便于整合到其他系统之中,且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。
前有大量成熟的商用定位方案基于RFID技术,广泛应用于紧急救援、资产管理、人员追踪等领域。
超宽带技术
超宽带(UWB)定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点,与新加入的盲节点进行通讯,并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。
从技术上看,无论是从定位精度、安全性、抗干扰、功耗等角度来分析,UWB无疑是最理想的工业定位技术之一。
UWB其他几种技术的综合比较:
不过UWB的劣势也很突出,一方面难以实现大范围室内覆盖,另一方面系统建设成本远高于RFID、蓝牙信标等技术,这也限制了该技术的推广和普及。但是室内定位技术处在不断的发展中,是当前热门研究领域,有着良好的应用前景。
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