室内定位技术研究

室内定位技术研究
室内定位技术研究

西北工业大学

先进测试控制技术导论大作业室内定位系统的研究

姓名:XXX

班级:XXXXXXXX

学号:XXXXXXXXXX

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摘要

目前,人们对室内定位与导航的需求越来越大,如在展厅、图书馆、仓库、超市等室内环境中,用户希望持有可移动设备能够自由定位并导航,虽然室外定位技术发展越来越完善,但是室内定位仍在起步阶段。本文研究了室内定位系统的背景和国内外发展状况,阐述了室内定位系统的相关概念和原理,列述了室内定位所用到的一些定位算法、定位结构和模型。同时,在几种定位算法的基础上罗列了几种室内定位技术,包括:超声波技术、红外技术、频射技术、WIFI与蓝牙技术、ZigBee与超宽带技术等等。并通过比较分析了解了每种技术的相应优缺点。

关键词:室内定位、定位算法、定位技术

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目录

摘要 (2)

第一章绪论 (5)

1.1 课题背景及研究意义 (5)

1.2 研究现状及其趋势 (5)

1.3 国内外的研究现状 (6)

第二章室内定位系统基本概念与原理 (7)

2.1 定位算法 (7)

2.2 室内定位系统的结构与模型 (8)

第三章室内定位系统 (11)

3.1 超声波技术 (11)

3.2 红外技术 (11)

3.3 蓝牙技术 (12)

3.4 射频技术 (12)

3.5 WIFI技术与蓝牙技术 (13)

3.6 Zigbee与超宽带技术 (13)

第四章结束语 (14)

参考文献 (16)

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第一章绪论

1.1 课题背景及研究意义

卫星定位导航系统的产生及发展,让人们拥有了在广阔的室外空间中以前所未有的可靠性、精度获取事物地理位置属性的技术方法,已经基本上解决了在室外空间中进行准确定位的问题,并且已经在军事、资源、交通、农牧渔业、环境、测绘等领域以及人们日常的生活中得到了非常广泛的应用。

然而,虽然定位技术性能、精度都很高,但是其信号遇到障碍物衰减,无法穿透建筑物进行室内定位导航的局限性也日渐凸显,它在室内工作效果并不理想。社会经济的飞速发展及人们生活水平的提高,使得我们对室内的定位导航需求越来越大,比如在博物馆、超市、机场等场所消费者需要快速了解自身所处位置,并到达目的地在矿井、火灾现场,为警察等工作人员提供精确的导航与定位。为了解决室内这一特殊环境定位的问题,必须研究专门的定位方法。与已经非常成熟的室外卫星定位导航系统相比,室内定位技术还处于刚起步阶段,但是却具有很大的应用空间。室内定位的应用领域主要包括导航和工程测量、位置服务和监控以及智能空间。

伴随着人类对室内定位需求的增大,科学技术也在高速发展,总结、分析、研究当前的室内定位技术有利于室内定位技术广泛应用于人们的生产和生活之中。

1.2 研究现状及其趋势

室内定位技术应用的区域是封闭或半封闭空间,室内不止是通常所说的一般建筑物内部,它还包括地下矿井、密集的高层建筑区、树林等。室内环境相比户外要复杂的多,根据不同的环境、应用和需求,用于室内定位的技术主要有:激光、红外、蓝牙、射频、无线电、超声波、计算机视觉、磁场等。其中,有些技术经过开发利用,形成了比较系统的定位服务解决方案或成形的商业产品,但仍有许多技术尚在研究试验中。如使用磁场压力感应的智能地板的研制试验,这种方法需依赖特定的设备,成本昂贵实用性低。

进行室内定位的主要测距方法有到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA), RSS技术[等。这些方法都能在定位系统中计算有效的距离,其中到达时间、到达时间差、到达角度技术都能提高定位精度,但是由于室内环境复杂可能会影响其定位精度。

美国高通公司(QUALCOMM)及其子公司Snap Track在GPS定位技术的基础上,提出了A-GPS解决方案。结合CDMA网实现了移动终在室内外端准确的定位。由于A-GPS是基于CDMA 网络,需要使用手机作为载体,所以可能需要用户使用特制的手机设备。一般用户很难接受为了不频繁使用的位技术更换手机,并且这种特制的手机相对一般手机耗电量会增加,所以A-GP技术目前没有得到广泛推广。

近几年来一种基于WIFI的室内定位技术进入到大家的视野中,各大媒体争先报道,有的

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甚至称WIFI将是室内定位的最佳选择。目前WIFI技术在现代生活中己经被广泛使用,无论是在政府公共场所还是咖啡厅等休闲场所都有非常广泛的WIFI热点部署,人们可以随时随地跟各大运营商的无线网络像CMCC进行连接。而且在移动终端方面,移动终端可以直接由智能手机替代,只需要开发一个APP就可以。由于智能手机的大量普及,这方面的成本也几乎可以忽略不计。WIFI进行室内定位的主要思想是充分利用现有的无线网络建立能提供目标室内定位的服务。虽然主流的室内定位技术还有ZigBee, RFID、红外线、蓝牙,磁场甚至灯光都可以定位,不过这些新兴室内定位技术还是有各自的限制,其主要原因是必须个别部署它们专属的定位网络系统,这样会耗费非常大的建设成本。

目前,室内定位技术还处于起步阶段,首先需要解决的是系统开发问题。虽然国外一些公司和研究机构已在这一领域开展数年的研究,设计出许多系统,如RADAR, AT&T, Active Bat,Cricket等,并且有些已投入商业应用,受成本、定位精度、可靠性以及易用性等方面影响,室内定位技术尚未广泛用于人们的生产生活当中,室内定位系统仍然存在大量需要解决的问题。

1.3国内外的研究现状

近年来在WIFI室内定位技术上己经出现了很多具有代表性的研究成果,较为典型的是RADAR系统、Eorus系统、Nibble系统与Weyes等室内定位系统。

1.3.1RADAR系统

RADAR定位系统是微软公司在2000年提出来的,这个系统是基于RSSI的室内定位方案。它的硬件是基于802.11协议的。RADAR定位系统定位算法主要分为两个阶段:第一个阶段,离线建库阶段,就是在实时定位前,在目标区域内大量采集样本,建立起地理位置和信号强度的关系映射表;第二个阶段,在线定位阶段,也就是实时定位阶段,移动终端把接收到的无线接入点的RSSI信号值,通过己有的RSSI与地理位置映射数据库相比较,查找出最有可能的结果,完成定位。RADAR定位系统的优点在于它的平台比较成熟,无需开发一个新的应用平台。它的缺陷是:室内环境一旦改变,那么原有的射频数据库就会失效,数据库必须随着时间的推移定期更新。

1.3.2Eorus系统

Eorus定位系统同样选用RSSI作为参考点的指纹数据,与RADAR定位系统不同的是其使用概率模型来创建信号数据库。Eorus系统在收集参考点上的的RSSI数据时,并不像RADAR 系统中那样把接收到的信号取其中值或均值,而是通过大量的数据构建成每个基站的接收RSSI值在指纹参考点上的概率分布,并利用生成的概率分布来建立位置指纹数据库。在实时定位阶段中,为减少计算量、提高定位算法的速度,Eorus系统提出了一种位置指纹数据库分类的方法。由于单个基站的覆盖范围有限,在实际定位过程中,没有必要在整个数据库当中进行匹配搜索,而只需要在定位时,缩小搜索范围,只搜索相对应的区域,从而提高定位算法的速率与实时性。

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1.3.3Nibble系统

Nibble定位系统跟上面的两个系统的最大不同点在于其采用信噪比(SNR)作为信号样本,并用接收信号的信噪比值来建立参考点的位置指纹数据库。开发Nibble定位系统的人认为信号的SNR比RSSI能更好的提取出位置特征信息。跟上面的Eorus系统一样,Nibble系统也使用概率模型来建立位置指纹数据库,但与Eorus不同的是Nibble定位系统使用贝叶斯网络来创建SNR的概率分布图与参考点的位置指纹数据库。Nibble系统把较大的一个区域(比如整个房间)当成一个点来进行定位,所以比较适用于对定位精度要求不高的环境中。

第二章室内定位系统基本概念与原理

2.1定位算法

目前的定位算法,从原理上来说,大体上可以分为3种:邻近信息法、场景分析法以及几何特征法。

2.1.1邻近信息法

利用信号作用的有限范围,可以确定待测点是否在某个参考点的附近。但只能提供大概的定位信息,能满足某些应用的要求。例如利用手机基站定位,可以确定来电归属地,但精度也只能确定在某一地区。

2.1.2 场景分析法

对于指定位置的可测量特征定位。比如测量接收信号的强度,与实现测量的、存在数据库的该位置的信号强度作对比。理想的场景分析法可以利用视频识别,看到某一景物就能确定位置,但这需要庞大的信息知识库做支撑。

2.1.3几何特征法

几何特征法是利用几何原理进行定位的算法,是目前应用最广泛的定位算法,通常需要多个点和边作为已知条件进行计算定位,具体又分为以下几种。

(1)三边定位法:在平面上,三边定位法就是测量待测点到3个不在同一直线上的参考点的距离。根据估计的三边距离,再结合参考点的位置,待测点的位置就在3个圆的交点上。

(2)三角定位法:利用了这样一个事实:在一个三角形中,如果已知一条边的长度和两个角的大小,那么可以确定第3个点的位置,且该点是三角形另外两条边的交点。

(3)双曲线定位法:形成双曲线的几何原理是:到两个固定点距离差为常数的动点轨迹,是以这两个固定点为焦点的双曲线。由3个不在一条直线上的参考点可以确定两条双曲线,两条双曲线的交点就是待测点。

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2.2室内定位系统的结构与模型

2.2.1结构原理

目前的定位技术多要借助辅助节点进行定位,通过不同的测距方式,计算出待测节点相对于辅助节点的位置,然后与数据库中事先收集的数据进行比对,从而确定当前位置,如图4所示。

图4室内定位结构原理图

首先在室内环境设置固定位置的辅助节点,这些节点的位置已知,

有的位置信息是直接存在

节点中,如RFID的标签,有的是存在电脑终端的数据库中,如红外线、超声波等。

然后测量待测节点到辅助节点的距离,从而确定相对位置。使用某种方式进行测距通常需要一对发射和接收设备,按照发射机和接收机的位置大体可以分为两种:发射机位于被测节点,接收机位于辅助节点,例如红外线,超声波和RFID ;另一种是发射机位于辅助节点,接收机位于被测节点,例如WiFi、超宽带、ZigBee和蓝牙。

最后分析计算位置,利用计算机终端的数据库进行匹配,从而得出具体位置。具体流程如图5所示,除了用到之前已知的辅助节点位置和计算得出的距离外,还需要一定的模型来提高精度。

图5室内定位流程图

2.2.2模型分析

随着人们对定位精度要求的不断提高,测距后利用几何定位已不能满足要求,因此目前的室内定位方法都使用计算模型,具有更高精度和可靠性。目前比较成熟的模型包括传播模型和指纹模型,这两种模型在WiFi定位技术上应用广泛。

(1)传播模型。依靠分析信号传播过程中的特性来推算传播距离。常用的特性包括:RSSI ( ReceivedSignal Strength Indication),AOA (Angel of Arrival),TOA(Time of Arrival)。由于所有参数难以在同一模型内考虑,所以精度有限。传播模型得益于已知无线电信号的传播和AP接入点的位置。但不能很好地处理信号的不确定性。RSSI的数值不是常数,即使发送和接收双方都不移动,也可能出现严重的振荡。这是由信道的快速衰落和无线信号传输环境的迅速变化造成的。另外,一般使用的简单的、便宜的无线信号收发器通常没有经过校准,在不同的设备上即使相同的信号强度也可能导致不同的RSSI值。

(2)指纹模型。是一种基于学习的模型,运用模式匹配的技术,根据所在位置的测量值跟已经观测到的所有位置的测量值作比较,然后根据匹配情况确定位置。可以将信号的不确定性考虑在内,在定位效果方面令人满意。主要缺点是需要大量的工作量去给一个给定的环境建立定位模型并进行校准。而且环境改变之后,之前建立的模型将不再适用,需要修改。

WiFi室内定位技术需要多个WiFi接入点。第一步是构建指纹地图,按照<指纹,地点>的形式在不同位置收集数据,并写入指纹地图的数据库。其中指纹可以包括信号强度、方向以及接入点的MAC地址等信息。第二步是定位,被测物体上安装WiFi信号接收器,在某一位置接收到信号之后,用当前位置的指纹信息到指纹地图库中匹配,即可得出所在位置。2.2.3技术对比

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在精度、定位方法、实例和优缺点等方面对当前比较成熟的几种室内定位技术进行对比,从宏观上掌握室内定位技术领域发展的方向和目前研究的瓶颈问题。

通过表1的对比可以看出,目前的室内定位技术发展主要存在以下几个共性问题需要解决:

(1)精度问题。目前大部分定位技术的精度还不高,约在几米之内,这个精度在室内环境来说较大,要提高精度就必须提高抗干扰能力、解决信号衰减、多径效应、视距传播和信号震荡校准等传统问题。

(2)降低能耗和成本问题。目前大部分的定位技术都需要在环境中安装辅助节点用于测距、返回位置信息等,要提高精度,就必须安装大量的辅助节点,这大幅增加了成本和能耗。有些技术本身功率大,能耗高,有的技术需要大量的人力物力去收集指纹信息,完善指纹地图,此外利用RSSI测距还需要周期性的人为校准等,这些都在实用性方面大幅制约了技术的发展。通过构建指纹地图来提高WiFi定位的精度,其中利用移动设备使用位置的历史来完善指纹地图,降低了人工搜集指纹的工作量。利用多层建筑中各楼层结构的相似性,提出了一种算法来减轻收集指纹的工作量。提供了一种基于FM调频的自校准机制,克服了RSSI 测距时电磁波震荡产生的误差。

(3)通用标准化问题。各种定位技术都有优缺点,未来室内定位的发展趋势必然是多种技术的融合,取长补短。而体系结构的标准化问题、各种技术的无缝整合问题都大大制约了这样的发展趋势。此外,室内定位和室外定位的结合也是大势所趋,同样需要涉及到标准化问题。所以通用标准化的完善有助于促进室内定位技术的发展。目前的定位技术还没有一个统一的权威标准出台,无疑限制了多技术融合的发展。

(4)未知环境的定位问题。目前的大多数定位技术都是基于熟悉环境的,环境中预先安装了大量传感器、标签等辅助基础设施,但是实际应用场景并不都是熟悉环境,比如地震、火灾、反恐等紧急事件的处理问题,往往没有条件安装辅助基础设施。所以基于未知环境的室内定位技术有着巨大的应用需求。提出了一种基于未知环境的定位技术,利用房间外不同位置的定向天线进行定位,取得了一定突破。此外处理如上提出的紧急事件时,还要求定位系统部署简单,反应快,精度高。

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(5)安全隐私问题。个人的实时位置属于个人隐私的一部分,涉及到安全问题,目前的定位技术都会将被测物体的位置信息返回到主机进行计算或者到数据库中进行匹配,但主机或数据库会留底,这样就留下了一定的安全隐患。文献[[15]提出的基于RFID的室内指导和监控系统目的在于保护使用者隐私,不打扰使用者日常生活。

第三章室内定位系统

基于定位算法而衍生出来的室内定位技术有:超声波、红外线、蓝牙、射频、Wi-Fi, Zigbee、超宽带等技术。

3.1 超声波技术

超声波室内定位技术目前大多采用反射式测距法,其工作原理:超声波定位系统由固定安装在室内的若干参考节点和被定位的移动端组成。移动端向室内的参考节点发射超声波信号,参考节点接收到移动端发射的超声波信号后发射超声波信号作为响应,移动端根据发射超声波到收到参考节点响应回波的时间差计算与参考节点之间的距离,当移动端同时接收到3个或3个以上且不在同一直线上参考节点发射的回波后,通过常用于GPS定位系统中的三角定位等算法计算出移动端当前的位置信息。

目前,比较流行的基于超声波室内定位的技术还有下面两种:

一种为将超声波与射频技术结合进行定位。由于射频信号传输速率接近光速,远高于射频速率,那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号,利用时间差的方法测距。这种技术成本低,功耗小,精度高。

另一种为多超声波定位技术。该技术采用全局定位,可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器,将待定位空间分区,由超声波传感器测距形成坐标,总体把握数据,抗干扰性强,精度高,而且可以解决机器人迷路问题。

超声波不受可视距离限制,能够在介质中远距离传播,且超声波发射的方向容易控制,定位精度可达到厘米级、精度较高、误差较小。目前超声波测距在工业中得到广泛应用,但在定位系统中通常需要其他技术如无线电辅助定位,增加硬件基础设施成本。

3.2红外技术

红外线是一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。典型红外线室内定位系统:首先在室内安装固定的光学传感器,由红外线(Infrared IR)发射器发射特定的红外线,光学传感器接收红外线进行定位。

如果将红外线与超声波技术相结合也可方便地实现定位功能。用红外线触发定位信号使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波,应用TOA基本算法,通过计时器测距定位。一方面降低了功耗,另一方面避免了超声波反射式定位技术传输距离短的缺陷。使得红外技术

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与超声波技术优势互补。

红外线室内定位技术定位精度在5-10m,精度相对较高,但是由于红外线无法穿透建筑内的障碍物仅能在可视的直线距离内传播,使得红外线传输距离短,且当红外发射器被遮挡物覆盖时工作就会发生异常;红外线不仅受室内布局影响,荧光灯等室内光线也会干扰红外射线,影响定位精度;在硬件设施上,红外定位技术需要在每个房间内安装光学传感器等接收天线设备,成本较高。

总之,红外线适合在短距离内传播,受室内布局及灯光环境影响较大,整体定位效果具有一定的局限性。

3.3蓝牙技术

蓝牙室内定位的工作原理:蓝牙是一种无线传输技术,它具有传播距离短、功耗低、支持点到点及点到多点无线互联等特点。利用蓝牙技术的这些特点,在室内安装适当的蓝牙局域网接入点,配置多用户的网络连接模式,并且保证通过蓝牙技术连接起的微微网(Pico net)主设备为室内安装的蓝牙局域网接入点,可根据测量被定位的从设备信号强度,获取被定位用户的位置信息,从而达到蓝牙技术在室内定位的目的。

利用蓝牙技术进行室内定位,设备体积小容易集成在手机等便携设备中,且不受可是距离影响。但是蓝牙设备昂贵,且易受噪声信号、复杂的空间环境干扰系统的稳定性较差。

3.4射频技术

3.4.1RFID技术原理

射频识别(RFID)技术是一种操控简易,适用于自动控制领域的技术,它利用了电感和电磁祸合或雷达反射的传输特性,实现对被识别物体的自动识别。射频(RF)是具有一定波长的电磁波,它的频率描述为:kHz, MHz, GHz,范围从低频到微波不一。

3.4.2 RFID室内定位系统的基本结构

该系统通常由电子标签、射频读写器、中间件以及计算机数据库组成,结构如图2所示。射频标签和读写器是通过由天线架起的空间电磁波的传输通道进行数据交换的。在定位系统应用中,将射频读写器放置在待测移动物体上,射频电子标签嵌入到操作环境中。电子标签上存储有位置识别的信息,读写器则通过有线或无线形式连接到信息数据库。

3.4.3RFID室内定位技术典型系统LANDMARK

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图7 RFID室内定位系统结构

LANDMARK系统是应用RFID的典型的室内定位系统。该系统通过参考标签和待定标签的信号强度RSSI的分析计算,利用“最近邻居”算法和经验公式计算出带定位标签的坐标。

LANDMARK系统定位精度:平均1m。

缺陷:LANDMARK系统有几方面缺陷,首先,系统定位精度由参考标签的位置决定,参考标签的位置会影响定位;第二,系统为了提高定位精度需要增加参考标签的密度,然而密度较高会产生较大的干扰,影响信号强度;第三,因为要通过公式计算欧几里德公式得到参考标签和待定标签的距离,所以计算量较大。

3.5 WIFI技术与蓝牙技术

Wi-Fi定位是目前比较流行的,适用于家用或者办公室短距离内的无线局域网络技术。其定位原理是是根据定位目标与各Wi-Fi接入点的距离来判断目标的位置,也可以根据事先合成的信号强度图来判定,其定位精确度大约在1 m-20m。目前,我国很多城市都拥有或者是正在建造Wi-Fi网络,系统成本较低,这是Wi-Fi技术的一大优势,其缺点是功耗高,接收和发射器的覆盖区域小,受其他信号干扰影响定位精度。

蓝牙技术与Wi-Fi技术同属于家用或者办公室内短距离、低功耗的无线技术,通过无线局域网络(WLAN)获取信息,实现复杂的大范围定位、监测。其工作频段是全球通用的2400-2483.SMHzISM。蓝牙技术通常是结合RSSI方法使用,在室内安装蓝牙接入点配置基于用户的网络模式,与蓝牙信标建立连接,利用RSSI进行距离测量,得住定位目标的位置。蓝牙技术实现定位的设备体积小便于携带,容易集成到手机等便携设备中。它的缺点是:受可视距离影响传播距离短,受其他信号干扰影响定位精度。

3.6Zigbee与超宽带技术

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Zigbee 技术是根据接收机收到的信号强度,参照信号在传播过程中的衰减模型,根据信号的损耗计算出接收机与信号发射点之间的距离,它也是结合RSSI 方法实现对定位目标位置的判定。

超宽带技术是近年来新兴的一项无线技术,目前,包括美国,日本,加拿大等在内的国家都在研究这项技术,在无线室内定位领域具有良好的前景。

UWB 技术是一种传输速率高(最高可达1000Mbps 以上),发射功率较低,穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术,无载波。正是这些优点,使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。

超宽带室内定位技术常采用TDOA 演示测距定位算法,就是通过信号到达的时间差,通过双曲线交叉来定位的超宽带系统包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。而超宽带室内定位系统(如图5所示)则包括UWB 接收器、UWB 参考标签和主动UWB 标签。定位过程中由UWB 接收器接收标签发射的UWB 信号,通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰,得到含有效信息的信号,再通过中央处理单元进行测距定位计算分析。

图4 UWB 室内定位结构图

基于超宽带技术的室内定位系统典型实例为:Ubisense ,其定位方法为三边定位,定位精度为:lOcm ,缺陷:造价较高。

Zigbee 和超宽带技术都是新兴通信技术,Zigbee 代指IEEE 802.15.4协议,是一种短距离、低功耗的无线网络技术。利用Zigbee 和超宽带技术进行室内定位,定位精度高,尤其是超宽带具有强穿透力,系统复杂度低,常常用于军事、机器人运动等领域,但是由于这两门技术都是刚刚兴起、成熟度低、系统成本高及受用户使用习惯等因素影响尚未广泛投入商业应用。

除上述的室内定位技术,此外还有基于计算机视觉、图像分析、磁场(地磁采样)、位置指纹以及光跟踪定位技术等。目前,很多技术还处于研究试验阶段,未投入广泛应用。

第四章结束语

室内定位技术是当前热门研究领域,有着广泛的应用前景,由此可有以几种措施:

(1

)提出新的定位方法。当前的定位术都是建立在邻近信息、场景分析和几何特征三

种定位方法之上的,假如可以提出新的定位方法,那必然是一篇全新的领域,对室内定位技术起到巨大的推动作用。

(2)使用新的无线介质。目前的定位技术都是建立在传统无线介质之上的,各有优缺点。假如能提出一种新的无线介质,可以克服之前的缺点,则会大幅促进室内定位技术的发展。目前除了介绍的几种技术之外,还有FM,雷达、GSM等,则使用了DECT电话网络定位,此外,磁场、视觉定位技术也处于研究阶段。

(3)多技术融合。鉴于目前的主流技术各有优缺点,各技术的融合将是取长补短的有力方法。但面临的问题有通用标准化的问题,各技术无缝连接的问题,以及技术融合后的功耗问题等。

(4)现有技术优化。主要是针对目前技术存在的缺点进行优化。从之前的对比可以看出,目前技术的主要缺点集中在精度低、作用距离短、易受干扰、功耗大、依赖辅助设施、造价高等方面,针对某一技术的某一缺点进行优化改进,将大幅提高该技术的实用性。

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参考文献

[1]几种常见的室内定位技术的探讨by汪苑、林锦园,南京工业大学,江苏南京,21000;

[2]室内定位技术与应用综述by赵锐、钟榜、朱祖礼、马乐、姚金飞,军事交通学院基础部,天津300161;军事交通学院研究生管理大队,天津300161;

[3]基于WLAN的室内定位技术研究by张明华,上海交通大学;

[4]室内定位系统研究by刘君,安徽大学;

[5]基于WLAN的室内定位技术研究by颜俊杰,华南理工大学;

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基于arduino的无线传感器网络室内定位方法的研究大学论文

摘要 无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Network)是近年来迅速发展并受到普遍重视的新型网络技术,它的出现和发展给人类的生活和生产的各个领域带来了深远的影响。无线传感器网络节点定位技术是无线传感器网络应用研究的基础。目前,已有多种定位技术被应用于室内定位中,尤其是基于接收信号强度(RSSI,Received Signal Strength Indication)的定位技术以其低功耗、低成本、易于实现等优点,得到了无线传感器网络研究学者们的青睐。 本文重点研究了基于RSSI的室内定位的关键技术,主要包括定位模型分析和定位算法设计。首先,为了获得较为精确的定位,根据RSSI测距原理和无线信号传播衰减模型在设定的室内环境进行多次实验,通过计算及均值处理等方法反复调整以获得标准的定位模型参数,得到高精度的等效距离。接着,根据三边定位算法原理简化定位算法,建立更为简单的定位模型,采用双边定位得到两个可能的定位点,再利用RSSI测距原理对两个定位点进行择优选择确定定位点。最后,在Arduino开发平台上对参考节点与未知节点这两类iDuino节点的室内定位模型进行了软件开发设计和程序开发。在设定的室内环境部署iDuino节点,搭建实验定位模型,并实现了定位。 关键词:无线传感器网络,节点,室内定位,RSSI,Arduino

ABSTRACT Wireless sensor network (WSN) is developed rapidly and universally emphasized as a new network technology in recent years, the advent and development of WSN have had a profound and lasting impact on the life and all areas of production of human beings. Wireless nodes localization technology is the basis in the application and studies of wireless sensor network. There are a variety of positioning technology have been used in indoor location at present, especially the based on RSSI (received signal strength) positioning technology gets a great preference from many scholars of studies of wireless sensor network with the advantages of low power consumption, low cost and easy to realize. This paper mainly studies the key technology of indoor positioning based on RSSI, which mainly includes the positioning model analysis and positioning algorithm design. First, in order to obtain more accurate positioning, we perform several experiments according to the RSSI ranging principle and wireless signal propagation attenuation model in the setting of indoor environment, and get accurate positioning model parameters and equivalent distance by the methods of calculation and mean processing. Then, we simplify Trilateral Localization Algorithm to Bilateral Location Algorithm and establish a simpler positioning model, with which we can get two nodes of possible location, and determine the better node according to the RSSI ranging principle. At last, we make software designing and programming of these nodes that are anchor nodes and nodes of unknown on the Arduino development platform. Combined with the indoor environment we selected, we deploy the iDuino nodes and then build location model, with which we implement the location. KEY WORDS:Wireless Sensor Network,Nodes,Indoor Location,RSSI,Arduino

室内定位技术的发展现状及前景分析

室内定位技术的发展现状及前景分析 摘要:从室内定位的角度出发,以GPS定位技术作为比较,分析了我国北斗系统定位技术的发展现状及前景。介绍了GPS系统和北斗系统现有的多种定位方式与解算算法,并总结出北斗系统的优势。北斗卫星导航系统正式提供服务以来.,地基增强系统的建设在我国陆续展开,多个地区的地基增强系统已经建立完成,借助于地基增强系统能够实现更好的室内定位,达到优于厘米级的高精度服务。分析了现有的室内定位技术、存在的问题以及近期的研究热点。 关键词:GPS;北斗系统;地基增强系统;室内定位 引言现如今,GPS定位技术已经应用到生活的各个领域,作为国内正在发展的北斗系统,也需要进一步提高定位精度,尤其是在室内环境的精确定位。 一.北斗简介 北斗,即北斗卫星导航系统,是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。主要目的是位全球用户提供高质量的定位、导航、授时服务,并能向有更高要求的授权用户提供进一步服务,军用与民用目的兼具。中国的北斗导航系统和美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称为全球四大卫星导航系统。 二.GPS和北斗的定位方式 2.1 GPS定位方式 GPS定位是结合了GPS技术、无线通信技术、图像处理技术及GIS技术的定位技术,主要可实现如下功能:1.跟踪定位2.轨迹回放3.报警(报告) 4.地图制作功能5.里程统计GPS 定位的方法是多种多样的,用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。 (1)根据定位所采用的观测值 伪距GPS定位,伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值,所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距,也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单,对定位条件的要求低,不存在整周模糊度的问题,可以非常容易地实现实时定位;其缺点是观测值精度低,C/A 码伪距观测值的精度一般为3米,而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右,从而导致定位成果精度低,另外,若采用精度较高的P码伪距观测值,还存在AS的问题。 载波相位GPS定位,载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值,即L1、L2或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高,一般优于2个毫米;其缺点是数据处理过程复杂,存在整周模糊度的问题。 (2)根据定位的模式 绝对GPS定位,绝对定位又称为单点定位,这是一种采用一台接收机进行定位的模式,它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单,可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。 相对GPS定位,相对定位又称为差分定位,这种定位模式采用两台以上的接收机,同时对一组相同的卫星进行观测,以确定接收机天线间的相互位置关系。 2.2 北斗定位方式 北斗定位方式分单点定位和相对(差分)定位。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。相对(差分)定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

室内定位技术汇总教学内容

室内定位技术调研 随着数据业务和多媒体业务的快速增加,人们对定位与导航的需求日益增大,尤其在复杂的室内环境,如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中,常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制,GPS和北斗导航定位系统在室内都很难定位,原因是定位系统星座发射的微波信号过于微弱,并且频率很高,即要沿着直线传播,且难以穿过墙壁,所以在室内就收不到信号了。只有在室外,天空中没有什么阻挡时可以接受。 图1 室内定位的方式 因此,专家学者提出了许多室内定位技术解决方案,如A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术,以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。这些室内定位技术从总体上可归纳为几类,即GNSS技术(如伪卫星等),无线定位技术(无线通信信号、射频无线标签、超声波、光跟踪、无线传感器定位技

术等),其它定位技术(计算机视觉、航位推算等),以及GNSS和无线定位组合的定位技术(A-GPS或A-GNSS)。除了以上提及的定位技术,还有基于计算机视觉、光跟踪定位、基于图像分析、磁场以及信标定位等。此外,还有基于图像分析的定位技术、信标定位、三角定位等。目前很多技术还处于研究试验阶段,如基于磁场压力感应进行定位的技术。如图1所示,能够满足米级定位精度的定位技术,从规模上推广角度来看由易到难,依次为 Wi-Fi、LED、RFID、ZiBee、超声波、蓝牙、计算机视觉、激光、超宽带等。实现室内定位技术上可以采取以下一种或多种混合:北斗定位、基站定位、wifi定位、IP定位、RFID/二维码等标签识别定位、蓝牙定位、声波定位、场景识别定位. Wi-Fi定位 Wi-Fi定位相比于北斗、GPS、基站定位方式的优势在于室内定位精度高。由于Wi-Fi热点廉价、布设容易,很容易通过增加Wi-Fi热点来提高室内定位精度。若用于LBS,Wi-Fi定位可作为一定室内区域(如博物馆内部、校园内各建筑内部)的定位手段,而在室外仍用北斗定位等方式。当前比较流行的Wi-Fi 定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式,易于安装,需要很少基站,能采用相同的底层无线网络结构,系统总精度高。Wi-Fi绘图的精确度大约在1米至20米的范围内,总体而言,它比蜂窝网络三角测量定位方法更精确。但是,如果定位的测算仅仅依赖于哪个Wi-Fi的接入点最近,而不是依赖于合成的信号强度图,那么在楼层定位上很容易出错。目前,它应用于小范围的室内定位,成本较低。但无论是用于室内还是室外定位,Wi-Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域,而且很容易受到其他信号的干扰,从而影响其精度,定位器的能耗也较高。利用 Wi-Fi 可以覆盖一个十万平米的商场,费用几十万元,在这个商场中不仅可以做到米级的定位,还可以满足上网需求(在商场中用户的需求中,上网的需求远远大于室内定位导航的需求)。Wi-Fi 定位并不是不能做亚米级乃至分米级的定位,英国的研究机构就用 Wi-Fi 技术来探测墙后恐怖分子的肢体活动,当然这个成本目前也不是大众消费市场所能负担的。Wi-Fi需要60~140m配置基站继续覆盖。

基于RSSI测距的室内定位技术

基于RSSI测距的室内定位技术 2012-08-14 12:19:45 摘要搭建了基于ZigBee技术的室内定位实验平台,以实验室楼道为室内场景进行了接收信号强度(RSSI)测距和定位实验研究。首先对测距实验采集到的数据使用线性回归分析拟合出当前环境的具体测距模型,并对信标和未知节点进行软件开发,实现了基于RSSI的定位算法。经过定位实验精度评估,文中算法的平均定位误差为2.3 m,满足大多室内场景要求。 关键词室内定位;无线传感器网络;RSSI测距;线性回归分析 随着现代通信、网络、全球定位系统(Global PositionSystem,GPS)、普适计算、分布式信息处理等技术的迅速发展,位置感知计算和基于位置的服务(Location Based Setvices,LBS)在实际应用中越来越重要。GPS是目前应用最广泛和成功的定位技术。由于微波易被浓密树林、建筑物、金属遮盖物等吸收,因此GPS 只适合在户外使用,在室内场合,由于信道环境复杂、微波信号衰减厉害、测量误差大,GPS并不适用。近年来基于低成本、低功耗、白组织的无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)定位技术得到了科研人员的重视和研究,具有广泛地应用前景。根据定位过程中是否实际测量节点间的距离,可将定位算法分为基于测距(Range-based)的定位和距离无关(range-free)的定位。基于测距的定位先由未知节点硬件接收外部信标节点发射的无线信号并记录下TOA(Time of Arrival)、AOA(Angle of Arrival)、TDOA(Time Difference of Arrival)、RSSI(Received Signal strength Indicator)等测距度量值,然后将测距度量值转为未知节点到信标节点的距离或方位,然后再采用相关算法如三边测量法、三角测量法、极大似然估计法等来计算未知节点的位置。由于RSSI检测设备和机制简单,硬件成本低,实现简单,可通过多次测量平均获得较准确的信号强度值,降低多径和遮蔽效应影响,因此基于RSSI测距的定位技术成为近年来室内定位研究的热点。 1 RSSI测距原理 无线信号传输中普遍采用的理论模型为渐变模型(Shadowing Model)。 式中,p(d)表示距离发射机为d时接收端接收到的信号强度,即RSSI值;p(d0)表示距离发射机为d0时接收端接收到的信号功率;d0为参考距离;n是路径损耗(Pass Loss)指数,通常是由实际测量得到,障碍物越多,n值越大,从而接收到的平均能量下降的速度会随着距离的增加而变得越来越快:X是一个以dBm为单位,平均值为0的高斯随机变量,反映了当距离一定时,接收到的能量的变化。 实际应用中一般采用简化的渐变模型 为便于表达和计算,通常取d0为1 m。于是可得 [p(d)]dBm=A-10nlg(d) (3) 把[p(d)dBm写成RSSI的形式得到 RSSI=A-10nlg(d) (4) 其中,A为无线收发节点相距1 m时接收节点接收到的无线信号强度RSSI值。式(4)就是RSSI测距的经典模型,给出了RSSI和d的函数关系,所以已知接收机接收到的RSSI值就可以算出它和发射机之间的距离。A和n都是经验值,和具体使用的硬件节点和无线信号传播的环境密切相关,因此在不同的实际环境下A 和n参数不同,其测距模型不同。

室内定位应用及解决方案详解

室内定位应用及解决方案详解 一、什么是室内定位?如何实现室内位置定位? 在室内环境无法使用卫星定位时,使用室内定位技术作为卫星定位的辅助定位,解决卫星信号到达地面时较弱、不能穿透建筑物的问题。最终定位物体当前所处的位置。 室内定位是指在室内环境中实现位置定位,主要采用无线通讯、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系,从而实现人员、物体等在 室内空间中的位置监控。 二、做室内定位比较好的公司有哪些? 近几年做室内定位的创业公司比较多,怎么选择做室内定位比较好的公司?要看该企业是否能够做到满足室内定位用户需求,同时优化成本也是至关重要的一个方面。 例如恒高科技提出从方案设计、安装、运维三方面来优化产品成本投入。 1.方案设计 方案设计的目标是针对不同应用场景设计产品,降低成本投入。能想象到,水电站、化工厂中的室内定位技术部署方式和博物馆、自动驾驶中的部署方式一 定有区别,如果设计方案不适合所应用场景,必然将影响研发、生产等一系列环节,增加时间或人才投入,进而增加成本投入。 当然,并不是说不同应用场景的部署方式一定不同。对于做室内定位服务方案的企业来说,要做的便是归纳用户实际需要,找到共性之后将用户需求分门别类,从而快速完成方案设计。

谈到用户需求的分类方法,按照定位制式可分为两类:跟踪定位(被动定位)和导航定位(主动定位);按照TDOA定位方法也可分两类:下行TDOA和上行TDOA 两者在定位标签容量、定位动态、定位标签功耗、定位基站功耗方面各有优势,如下图所示。 下IfTPOA与上行TPOA定位方法对比 宦位标签容量 F 行TDOA>上行eoA 定位动态下行TPOA<上行TPOA 定位标签功耗下行丁DOA>上行TPOA 方仿总站功择T 行丁DQA卜irTDHA 以上四种方式自由组合,即能应用在不同场景之中。例如建筑工地、火电厂、水电站、化工厂等通常需要跟踪、导航定位兼得,上/下行TDOA兼得;监狱、港口码头、养老院/疗养院等只需跟踪室内定位与上行TDOA而机器人、无人机、自动驾驶汽车、景区导航等只需导航室内定位与下行TDO A总的来说,方案设 计必须依据应用场景与用户需求来定,不可改变。 2.安装

无线室内定位技术和系统的最新进展

Hindawi Publishing Corporation Journal of Computer Networks and Communications Volume2013,Article ID185138,12pages https://www.360docs.net/doc/7f400445.html,/10.1155/2013/185138 Review Article Recent Advances in Wireless Indoor Localization Techniques and System Zahid Farid,Rosdiadee Nordin,and Mahamod Ismail School of Electrical,Electronics&System Engineering,University Kebangsaan Malaysia(UKM),43600Bangi, Selangor,Malaysia Correspondence should be addressed to Zahid Farid;zahidf9@https://www.360docs.net/doc/7f400445.html, Received17May2013;Accepted17August2013 Academic Editor:Rui Zhang Copyright?2013Zahid Farid et al.This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use,distribution,and reproduction in any medium,provided the original work is properly cited. The advances in localization based technologies and the increasing importance of ubiquitous computing and context-dependent information have led to a growing business interest in location-based applications and services.Today,most application requirements are locating or real-time tracking of physical belongings inside buildings accurately;thus,the demand for indoor localization services has become a key prerequisite in some markets.Moreover,indoor localization technologies address the inadequacy of global positioning system inside a closed environment,like buildings.Based on this,though,this paper aims to provide the reader with a review of the recent advances in wireless indoor localization techniques and system to deliver a better understanding of state-of-the-art technologies and motivate new research efforts in this promising field.For this purpose,existing wireless localization position system and location estimation schemes are reviewed,as we also compare the related techniques and systems along with a conclusion and future trends. 1.Introduction Location based services(LBSs)[1]are a significant permissive technology and becoming a vital part of life.In this era, especially in wireless communication networks,LBS broadly exists from the short-range communication to the long-range telecommunication networks.LBS refers to the applications that depend on a user’s location to provide services in various categories including navigation,tracking,healthcare,and billing.However,its demand is increasing with new ideas with the advances in the mobile phone market.The core of the LBSs is positioning technologies to find the motion activity of the mobile client.After detection,we pass these statistics to the mobile client on the move at the right time and the right location.So,the positioning technologies have a major influence on the performance,reliability,and privacy of LBSs, systems,and applications[2]. The basic components of LBS are software application (provided by the provider),communication network(mobile network),a content provider,a positioning device,and the end user’s mobile device.There are several ways to find the location of a mobile client indoors and outdoors.The most popular technology outdoors is global positioning system (GPS)[1].Location finding refers to a process of obtaining location information of a mobile client(MC)with respect to a set of reference positions within a predefined space. In the literature,many terms are used for location finding like position location,geolocation,location sensing,or local-ization[3].Position system is a system arranged in such a way to find or estimate the location of an object.The aims of this paper are to provide the reader with fingerprinting based wireless indoor localization techniques and systems for indoor applications.The authors hope that this paper will benefit researchers working in this field,users,and developers in terms of using these systems and will help them identify the potential research shortcoming and future application products in this emerging area. 1.1.Indoor versus Outdoor Positioning.Positioning system can be categorized depending on the target environment as either indoor,outdoor,or mixed type.For localization in an outdoor environment,global navigation satellite systems (GNSS)such as GPS have been used in a wide range

七大室内定位技术PK

七大室内定位技术P K Document serial number【LGGKGB-LGG98YT-LGGT8CB-LGUT-

七大室内定位技术PK 随着LBS和O2O搅得火热,定位技术近年来也备受关注且发展迅速。虽然室外定位技术已经非常成熟并开始被广泛使用,但是作为定位技术的末端,室内定位技术发展一直相对缓慢。而随着现代人类生活越来越多的时间都处在室内,室内定位技术的前景也非常广阔。 但虽然作为LBS最后一米的室内定位饱受关注,但技术的不够成熟依然是不争的事实。不同于GPS,AGPS等室外定位系统,室内定位系统依然没有形成一个有力的组织来制定统一的技术规范,现行的技术手段都是在各个企业各自定义的私有协议和方案下发展,也致使各种室内定位技术相映生辉。 下面我们就从精确度,穿透性,抗干扰性,布局复杂程度,成本5个方面全方位来比较一下市面上流行的几种室内定位手段。 红外线定位技术 精确度:★★★★☆ 穿透性:☆☆☆☆☆ 抗干扰性:☆☆☆☆☆ 布局复杂程度★★★★★ 成本:★★☆☆☆ 红外线室内定位有两种,第一种是被定位目标使用红外线IR标识作为移动点,发射调制的红外射线,通过安装在室内的光学传感器接收进行定位;第二种是通过多对发射器和接收器织红外线网覆盖待测空间,直接对运动目标进行定位。 红外线的技术已经非常成熟,用于室内定位精度相对较高,但是由于红外线只能视距传播,穿透性极差(可以参考家里的电视遥控器),当标识被遮挡时就无法正常工作,也极易受灯光、烟雾等环境因素影响明显。加上红外线的传输距离不长,使其在布局上,无论哪种方式,都需要在每个遮挡背后、甚至转角都安装接收端,布局复杂,使得成本提升,而定位效果有限。 红外线室内定位技术比较适用于实验室对简单物体的轨迹精确定位记录以 及室内自走机器人的位置定位。 超声波室内定位技术 精确度:★★★★★ 穿透性:★☆☆☆☆ 抗干扰性:★★★☆☆

室内定位惯性导航

室内定位惯性导航 2016-08-10 joy 室内定位最新资讯 随着移动通信技术的快速发展与智能手机的日益普及,越来越多基于位置信息的服务进入了实际生活和生产。被广泛应用的全球定位系统(GPS)及蜂窝网定位等技术能在室外环境下实现较高精度的定位,但在室内常常面临无线信号衰减、定位精度下降等问题。为满足人们对于室内定位的需求,出现了众多室内定位技术。这些技术各有特点,应用环境也不相同。 上海北寻信息科技有限公司等研发的惯性室内定位技术是惯性导航原理在室内环境中的应用,具有惯性导航固有的自主性强、环境适应性好、易于实现三维定位等优点,是实现无GPS及其它无线网络环境下室内定位的良好选择。 1. 定位算法结构 基于惯性测量的室内定位主要有步行航位推测(Pedestrian Dead Reckoning)与捷联惯性导航(Strap-down Inertial Navigation)两种方式可应用 于手持平台。 2. 静止检测算法 零速度修正算法需要检测设备速度为零的状态,并将此状态下传感器加速度数据积分得到的速度值作为扩展型卡尔曼滤波器速度误差的测量值,用以估计速度误差,因此准确判断设备静止是保证系统良好运行的重要基础。 在n t 时刻,加速度与角速度的模值分别为: 在tn时刻附近选取一时间窗tnm~tn+m,期间加速度模值的方差为: 3. 定位算法的完整流程 采用捷联惯性室内定位算法,从MEMS 传感器采集数据到获取位置信息主要包括下面五个步骤: (1)初始对准,确定定位起始点,并通过重力在设备坐标系的投影确定设备初始滚转角与俯仰角,同时使用磁阻传感器确定初始偏航角; (2)扩展型卡尔曼滤波器更新开始,通过将滤波器状态向量中的对应项分别与加速度计与陀螺仪输出的加速度与角速度向量相加,对加速度与角速度进行补偿; (3)使用补偿后的陀螺仪三轴角速度计算设备姿态角,再使用姿态角计算相对应的旋转矩阵,该矩阵作为扩展型卡尔曼滤波器的输入量参与滤波器更新;(4)将旋转矩阵与补偿后的加速度向量相乘,将加速度从设备坐标系转换到地理坐标系; (5)对转换坐标系后的加速度进行积分,得到地理坐标系下的速度,再对该速度进行积分得到地理坐标系下的位移,即为相对初始点的位置信息;当静止检测算法检测到静止状态时,触发卡尔曼滤波器的测量过程(即零速度修正过程),将滤波器输出的速度误差最优估计与积分所得的速度相加,获得修正后的速度;再使用速度误差的最优估计计算位移的估计误差,并与修正后的速度积分所得的位移相加,获得修正之后的位移。

七大室内定位技术PK

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七大室内定位技术PK 随着LBS和O2O搅得火热,定位技术近年来也备受关注且发展迅速。虽然室外定位技术已经非常成熟并开始被广泛使用,但是作为定位技术的末端,室内定位技术发展一直相对缓慢。而随着现代人类生活越来越多的时间都处在室内,室内定位技术的前景也非常广阔。 但虽然作为LBS最后一米的室内定位饱受关注,但技术的不够成熟依然是不争的事实。不同于GPS,AGPS等室外定位系统,室内定位系统依然没有形成一个有力的组织来制定统一的技术规范,现行的技术手段都是在各个企业各自定义的私有协议和方案下发展,也致使各种室内定位技术相映生辉。 下面我们就从精确度,穿透性,抗干扰性,布局复杂程度,成本5个方面全方位来比较一下市面上流行的几种室内定位手段。 红外线定位技术

超声波室内定位系统是基于超声波测距系统而开发,由若干个应答器和主测距器组成:主测距器放置在被测物体上,向位置固定的应答器发射同无线电信号,应答器在收到信号后向主测距器发射超声波信号,利用反射式测距法和三角定位等算法确定物体的位置。 超声波室内定位整体精度很高,达到了厘米级,结构相对简单,有一定的穿透性而且超声波本身具有很强的抗干扰能力,但是超声波在空气中的衰减较大,不适用于大型场合,加上反射测距时受多径效应和非视距传播影响很大,造成需要精确分析计算的底层硬件设施投资,成本太高。 超声波定位技术在数码笔上已经被广泛利用,而海上探矿也用到了此类技术,室内定位技术还主要用于无人车间的物品定位。 射频识别(RFID)室内定位技术 精确度:★★★★★ 穿透性:★★★☆☆ 抗干扰性:★★☆☆☆ 布局复杂程度★★☆☆☆ 成本:★★☆☆☆ 射频识别室内定位技术利用射频方式,固定天线把无线电信号调成电磁场,附着于物品的标签进过磁场后感应电流生成把数据传送出去,以多对双向通信交换数据以达到识别和三角定位的目的。(感应门禁卡和商场防盗系统用的就是这种技术) 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。 射频识别室内定位已经被仓库、工厂、商场广泛使用在货物、商品流转定位上。

室内定位技术发展与应用研究

第 40卷第6期 测绘与空间地理信息 V 〇L40,N 〇.62017 年 6 月 GEOMATICS & SPATIAL INFORMATION TECHNOLOGY Jim.,2017 室内定位技术发展与应用研究 周源,刘禹鑫,林富明 (国家测绘地理信息局黑龙江基础地理信息中心,黑龙江哈尔滨150081) 摘 要 :目前,全球卫星导航系统是获取室外环境位置信息最常用的技术手段,但由于卫星信号易被遮挡,并不 适用于室内或者高楼林立的复杂场合,因此,室内定位技术作为室外定位的有力补充迅速发展。本文通过介绍 目前主流室内定位方式及关键技术,结合室内定位技术的研究现状,深入挖掘了室内定位技术的潜在价值及广 阔前景,并提出具体创新应用方向,力求构建深层面的智慧位置平台。 关键词:室内定位;WI - F I ;定位数据;关键技术;应用前景;位置服务中图分类号:P 236 文献标识码:A 文章编号:1672 -5867(2017)06 -0054 -04 Research on the Development and Application of Indoor Positioning Technology ZHOU Yuan , LIU Yu -xin , LIN Fu - ming (Heilongjiang Geomatics Center of NASMG, Harbin 150081, China) Abstract : At present , the Global Navigation Satellite System (GNSS ) is the most commonly used technical means accessing to outdoor environment location information , but the satellite signal is easily blocked and does not apply to the complex situations , such as indoor or high - rise buildings , so as the powerful supplement of outdoor positioning , indoor positioning technology is rapidly developing . Through the introduction of the method and key technology of current mainstream indoor positioning and combined with the research status of indoor positioning technology , the paper deeply digs the potential value and broad prospects of the indoor positioning technolo -gy , puts forward the specific innovation application , and strives to build the Smart Location Platform .Key words : indoor positioning ; WI - FI ; location data ; key technology ; application prospect ; LBS 〇引言 随着人类社会的进步,人们越来越关注自身的精确 位置信息,以及兴趣点的定位与导航。GNSS 提供了有效 的室外定位手段,成为很多人的必备工具。但是卫星导 航也有它的不足:在高楼林立的城市区域以及大型场馆 的室内环境,卫星定位的精度会大幅降低,甚至无法定 位。随着人们对精准性和速度的要求越来越高,对室内 定位的需求也十分迫切,定位与位置服务“最后一公里”问题日益突出,室内定位凸显了其作用与价值。 常规的室内定位技术手段是:通过在室内有效布置 基站,用户凭借手机等工具在基站中产生包括距离和信 号强度等指纹特征,再根据多个基站的指纹交叉确定用 户的位置。目前,已经投入应用的基站类型包括Wi - Fi 、 收稿日期=2016 -08 -29 基金项目=2016年国家基础测绘科技计划项目测绘新技术系统开发与示范应用子课题室内外高精度无缝定位技术研究与智慧位置 示范系统构建(2016 KJ 0102)资助 作者简介:周源(1981 -),男,吉林省吉林市人,工程师,硕士 ,2007年毕业于东北林业大学森林经理学专业,主要从事地理信息系 统研发、位置服务应用研究工作。 蓝牙、室内LED 灯、有源RFID 、UW B 等多种方式。此外, 有研究机构正积极开展基于多媒体的室内定位技术研 究,并获得初步成果。完善的室内定位技术,将是整合Wi -Fi 、蓝牙等基站数据的解算,配合手机或平板设备的陀 螺仪、摄像头、麦克风等自身硬件姿态参数,得出最终用 户位置,通过多种途径,实现室内条件下的精准定位。 1室内定位及应用关键技术 1.1主要室内定位方法 目前,室内定位技术百花齐放,除主流的Wi - Fi 、蓝 牙定位技术,还有红外线定位技术、超声波室内定位技 术、射频识别(RFID )室内定位技术、ZigBee 室内定位技 术、超宽带室内定位技术[1]。另外,基于计算机视觉、图 像、磁场以及信标等定位方式也已处于开发研究试验阶

室内定位技术及应用

室内定位技术及应用 一、定位技术和应用分类 1.定位技术 如下图所示,目前在用的定位技术主要分为三种: 1)基于卫星网络的定位 包括GPS、伽利略、GLONASS和我国的北斗定位。 2)射频网络定位 包括运行商基站位置定位、蓝牙定位、红外定位、WIFI热点定位等。 3)基于传感器网络的定位 包括基于惯性传感器的定位、利用磁场定位、LIFI可见光通信定位、激光定位等 2.定位技术的应用 分两类: 1)室外应用 主要是用于导航、智慧物流等室外作业,活动范围广泛,便于接收卫星信号的领域。 2)室内应用 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。 包括作为室外定位技术的位置信息补盲(例如人员进入室内后的轨迹定位)、室内作业人员(甚至机器人、无人导引车等)位置跟踪与导向、室内关键物品固定位置的监控、轨道列车的导航和定位(包括信息服务等)。

二、室外定位 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 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。 空间部分是由24 颗工作卫星组成,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的定位通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。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:

室内定位技术研究

西北工业大学 先进测试控制技术导论大作业室内定位系统的研究 姓名:XXX 班级:XXXXXXXX 学号:XXXXXXXXXX 1

摘要 目前,人们对室内定位与导航的需求越来越大,如在展厅、图书馆、仓库、超市等室内环境中,用户希望持有可移动设备能够自由定位并导航,虽然室外定位技术发展越来越完善,但是室内定位仍在起步阶段。本文研究了室内定位系统的背景和国内外发展状况,阐述了室内定位系统的相关概念和原理,列述了室内定位所用到的一些定位算法、定位结构和模型。同时,在几种定位算法的基础上罗列了几种室内定位技术,包括:超声波技术、红外技术、频射技术、WIFI与蓝牙技术、ZigBee与超宽带技术等等。并通过比较分析了解了每种技术的相应优缺点。 关键词:室内定位、定位算法、定位技术 2

目录 摘要 (2) 第一章绪论 (5) 1.1 课题背景及研究意义 (5) 1.2 研究现状及其趋势 (5) 1.3 国内外的研究现状 (6) 第二章室内定位系统基本概念与原理 (7) 2.1 定位算法 (7) 2.2 室内定位系统的结构与模型 (8) 第三章室内定位系统 (11) 3.1 超声波技术 (11) 3.2 红外技术 (11) 3.3 蓝牙技术 (12) 3.4 射频技术 (12) 3.5 WIFI技术与蓝牙技术 (13) 3.6 Zigbee与超宽带技术 (13) 第四章结束语 (14) 参考文献 (16) 3

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第一章绪论 1.1 课题背景及研究意义 卫星定位导航系统的产生及发展,让人们拥有了在广阔的室外空间中以前所未有的可靠性、精度获取事物地理位置属性的技术方法,已经基本上解决了在室外空间中进行准确定位的问题,并且已经在军事、资源、交通、农牧渔业、环境、测绘等领域以及人们日常的生活中得到了非常广泛的应用。 然而,虽然定位技术性能、精度都很高,但是其信号遇到障碍物衰减,无法穿透建筑物进行室内定位导航的局限性也日渐凸显,它在室内工作效果并不理想。社会经济的飞速发展及人们生活水平的提高,使得我们对室内的定位导航需求越来越大,比如在博物馆、超市、机场等场所消费者需要快速了解自身所处位置,并到达目的地在矿井、火灾现场,为警察等工作人员提供精确的导航与定位。为了解决室内这一特殊环境定位的问题,必须研究专门的定位方法。与已经非常成熟的室外卫星定位导航系统相比,室内定位技术还处于刚起步阶段,但是却具有很大的应用空间。室内定位的应用领域主要包括导航和工程测量、位置服务和监控以及智能空间。 伴随着人类对室内定位需求的增大,科学技术也在高速发展,总结、分析、研究当前的室内定位技术有利于室内定位技术广泛应用于人们的生产和生活之中。 1.2 研究现状及其趋势 室内定位技术应用的区域是封闭或半封闭空间,室内不止是通常所说的一般建筑物内部,它还包括地下矿井、密集的高层建筑区、树林等。室内环境相比户外要复杂的多,根据不同的环境、应用和需求,用于室内定位的技术主要有:激光、红外、蓝牙、射频、无线电、超声波、计算机视觉、磁场等。其中,有些技术经过开发利用,形成了比较系统的定位服务解决方案或成形的商业产品,但仍有许多技术尚在研究试验中。如使用磁场压力感应的智能地板的研制试验,这种方法需依赖特定的设备,成本昂贵实用性低。 进行室内定位的主要测距方法有到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA), RSS技术[等。这些方法都能在定位系统中计算有效的距离,其中到达时间、到达时间差、到达角度技术都能提高定位精度,但是由于室内环境复杂可能会影响其定位精度。 美国高通公司(QUALCOMM)及其子公司Snap Track在GPS定位技术的基础上,提出了A-GPS解决方案。结合CDMA网实现了移动终在室内外端准确的定位。由于A-GPS是基于CDMA 网络,需要使用手机作为载体,所以可能需要用户使用特制的手机设备。一般用户很难接受为了不频繁使用的位技术更换手机,并且这种特制的手机相对一般手机耗电量会增加,所以A-GP技术目前没有得到广泛推广。 近几年来一种基于WIFI的室内定位技术进入到大家的视野中,各大媒体争先报道,有的 5

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