几种室内定位技术的原理及应用探讨

李会成 徐丽丽 车国伟

摘 要：考虑到GNSS卫星定位技术对于遮挡区域的定位精度差或者无法定位的因素，本文详细探讨和分析了几类室内定位技术的原理，定位精度及其应用领域。经过对比分析得到，未来室内定位技术的发展趋势将是以伪卫星，iGPS 和UWB 为代表的定位技术。

关键词：室内定位；伪卫星；iGPS；UWB定位

Abstract: Considering the GNSS satellite positioning technology poor positioning accuracy or the location factors in the blocking areas, this paper discusses and analyzes several kinds of indoor positioning technology principle, positioning accuracy and its application. By comparison and analysis, the future indoor positioning technology development trend will be the positioning technology as the representative of pseudo satellite, iGPS and UWB.

Key words: indoor positioning; pseudo satellite; iGPS; UWB positioning

中图分类号：U443文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

1、绪论

全球定位系统作为一种室外定位技术，已经在车辆导航，物流配送，灾害应急，军事打击等领域得到了广泛的应用。为了获得最佳的卫星信号，该系统要求接收器存在于开阔的地带，以得到较高的定位精度。对于室内，矿井，茂密树林环境下的定位，基于GNSS定位技术的应用得到了极大的限制。目前，室内定位技术具有以下几种实现方式：基于GNSS信号的室内转发定位，伪卫星定位，室内GPS定位，室内无线定位（包括WiFi定位，蓝牙定位，RFID定位等）。这几类定位方式具有不同的定位原理和定位精度，其应用领域也各不相同。

本文探讨和总结了当前几类主要的室内定位技术的原理，定位精度及其应用领域，以期能够获取当前室内定位技术的发展趋势。

2、定位原理

2.1 基于GNSS的室内转发定位

通过正常的GNSS卫星信号接收天线接收没有遮挡的卫星信号，该卫星信号经过降噪、放大后，直接通过安装在室内的信号转发器转发，从而把室外真实的 GNSS 卫星信号“引入”到室内，完成室内 GNSS信号的覆盖。

基于这种方法的室内定位不能获得室内 GNSS 接收机的真实位置，主要原因是因为卫星信号在转发过程中的时间延迟和 GNSS 卫星接收天线可见卫星的物理参数与实际位置接收到 GNSS 卫星的物理参数不一致造成。

鉴于信号转发使得 GNSS 接收机不可以准确测定其实际位置的事实，该种方法可以用于对 GNSS 接收机的信号干扰[1,2]，这种干扰也就是我们常说的“转发式干扰”,因其容易实现且干扰能力好，常被用于战时需要。

2.2 伪卫星定位

伪卫星通常布设于局部区域地面或空中平台上，可以发射某种定位信号，行使卫星功能，主要由接收机、发射机和天线等部分组成。伪卫星具有抗干扰能力强、灵活组网、可靠性高、经济性好等特点，可有效解决卫星导航系统的几何图形不佳，冗余度差以及由于卫星损坏或遮挡所造成的卫星数目不足等问题。特别当卫星导航系统由于某种原因暂时不能使用时，伪卫星可完成局部范围内的独立组网，替代卫星导航系统进行工作[3,4]。

2.3 室内GPS定位

目前,iGPS 系统所能达到的技术指标为:单个发射器的信号覆盖范围为2m~55m;随着发射器的增多，可视空间范围可以无线扩展。测角精度优于 1.0″;水平测量覆盖范围为±180 度；垂直测量覆盖范围为±20 度;信号发射时发射器的旋转速度为 40～55Hz，不同发射器的旋转频率差小于 0.1Hz，预热时间为 15分钟。因测量精度与发射器的安装误差，发射器和位置传感器的制造工艺均有关系，一般来说，空间测量精度:在 30 米范围内，按照 1 倍中误差的不确定度可达到 0.12mm；按照 2 倍中误差的不确定度可达到 0.25mm；按照 3 倍中误差的不确定度可以达到 0.37mm。

2.4 WiFi定位

WIFI 定位系统主要包括:WIFI 基站和带有 WIFI 模块的手机或者 PDA 等其它终端。在定位测量方法上，按照所取参数的不同可分为基于接收信号强度的测量法(RSSI，Received Signal Strength Indication)、基于达到角度的测量法(AOA，Angle of Arrival)、基于到达时间的测量法(TOA，Time of Arrival)和基于到达时间差的测量法(TDOA，Time Difference of Arrival)。 WIFI 定位需要的设备模块包括：WIFI 网络，定位标签和定位管理软件等三大部分。WIFI 网络除了具备定位功能外，还肩负着通讯功能。WIFI 具有覆盖范围广、有效距离长、传输速度快、可靠性高等特点。

2.5 蓝牙定位

蓝牙作为一种短距离、低功耗无线通信技术，在各领域中得到广泛应用，如手机、PDA 等设备都已具备了蓝牙模块。构建一个蓝牙定位网络，就能对持有蓝牙设备的用户实现定位追踪，提供特定的基于位置的服务。蓝牙技术中主要利用信号强度 RSSI 实现室内高精度定位。基于 RSSI 指纹标定的定位方法定位精度较高，但需要耗费大量人力采集标定数据，限制了该方法的推广应用。

2.6 ZigBee定位

ZigBee 技术和 RFID 技术在 2004 年被列为当今世界发展最快, 市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。今后一个时期, 将是 Zigbee 技术广泛应用的时期。Zigbee 技术主要是针对工业、家庭自动化, 遥测遥控, 汽车自动化、农业自动化和医疗护理等, 例如灯光自动化控制、传感器的无线数据采集和监控、油田、电力、矿山和物流管理等应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位[8]。

2.7 RFID定位

基本的 RFID 系统通常由 3 部分组成：RFID 标签，RFID 读写器，和 RFID 应用软件。RFID 标签，依据标签供电方式的不同，可以分为有源电子标签(Active tag)和无源电子标签(Passive tag)。无源标签(Passive Tag)本身不会自主发出包含资料电波，由读写器(Reader)发出电波产生讯号，RFID 标签的天线接收到磁场的产生感应电流，然后送出储存在晶片(Chip)中的资讯给读写器(Reader)接收判读；有源标签(Active Tag)中除了有晶片(Chip)和天线(Antenna)之外，又增加了电源(battery-supported)，可以不断主动发出资料讯号，给与读写器(Reader)接受。

2.8 超宽带（UWB）定位

UWB 超宽带无线通信技术，是一种不用载波，而采用时间间隔极短(>lns)的脉冲进行通信的方式，也称作脉冲无线电(Impulse Radio)、时域(Time Domain)或无载波(Carrier Free)通信。这种技术最初被作为军用雷达技术开发，早期主要用于雷达技术领域。UWB 技术用于以下三个方面:①Imaging systems(地质勘探及可穿透障碍物的传感器等);②Vehicle Radar System(汽车防冲撞传感器等);③Communication and Measurement systems(家电设备及便携终端之间的无线数据通信等)。与蓝牙(Bluetooth)和无线局域网(WLAN)等带宽相对较窄的无线系统不同，超宽带通信技术不利用余弦波进行载波调制，而是通过发送纳秒级的脉冲传输数据，而且信号传输时的功耗只有 uW。UWB 在保证高数据速率传输的同时解决了移动终端的功耗问题，因此被认为是 WIFI 技术的最具竞争性的技术[9]。

3、应用领域

考虑到上述室内定位技术的原理和定位特点等因素，不同的定位技术适应于不同的条件。下表总结了各类室内定位技术的特定和应用领域。从表中可以看出，除了室内GPS定位技术，伪卫星定位技术和UWB技术具有较高的定位精度，其他定位技术往往只是作为一种辅助精度手段或者用于GPS信号的干扰。

表1 室内定位技术特点及应用领域

4、总结

考虑到GNSS卫星定位技术对于遮挡区域的定位精度差或者无法定位的因素，本文详细探讨和分析了基于GNSS信号转发，伪卫星定位，室内GPS定位，WiFi定位，UWB定位等技术的原理，定位精度及其应用领域。从这些定位技术的精度可以看出，未来室内定位技术的发展趋势将是以伪卫星，iGPS 和UWB 为代表的定位技术。因此，对于这类技术的研究将为遮挡区域的高精度定位提高可靠的解决方案。

参考文献

[1] 徐彬,霍立平;转发式干扰对GPS定位精度的影响[J],航空兵器,2007年第3期;p30-33.

[2] 刘建永,陆云,王源,等;转发式 GPS 干扰技术及其计算机模拟[J],武器装备自动化,2004年第 23卷第 6期;p6-7.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。