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室内定位深度分析-不同技术对比与应用趋势介绍.docx
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室内定位深度分析-不同技术对比与应用趋势介绍.docx
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不同技术对比与应用趋势介绍
——室内定位深度分析
室 内 定 位 的 需 求 已 经 体 现 在 人 们 生 活 的 方 方 面 面 ,如 何 实 现 高 精 度 低 成 本
普 适 的 室 内 定 位 已 经 是 定 位 领 域 正 在 解 决 的 问 题 。本 文 介 绍 了 目 前 主 要 的
室 内 定 位 方 法 、 定 位 技 术 、 应 用 场 景 和 发 展 难 点 。 可 供 参 考 。
室 内 定 位 技 术
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 信 、 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 。
随 着 通 信 技 术 和 电 子 制 造 工 艺 的 不 断 发 展 和 普 及 , 室 内 定 位 技 术 层 出 不
穷 , 定 位 精 度 从 几 米 到 几 十 米 都 有 , 并 在 一 些 行 业 中 得 到 了 应 用 。
1 室内定位方法
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 。
1.1 邻 近 探 测 法 (Proximity Detection)
邻 近 探 测 法 , 又 称 为 CoO(Cell of Origin) 法 或 Cell-ID(Cell
Identification)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 的 定 位 精 度 取 决 于 发
射 点 的 布 设 密 度 和 信 号 覆 盖 范 围 。 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 。
1.2 质 心 定 位 法 (Centroid Determination)
质 心 定 位 法 是 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 。 相 应 地 , 也 可 以 根 据 接 收
信 号 强 度 指 示 (Received Signal Strength Indication, RSSI)设 置 对
应 的 信 标 的 权 重 , 得 到 加 权 质 心 作 为 移 动 设 备 的 坐 标 。 该 方 法 算 法 易 于
理 解 , 计 算 量 小 , 定 位 精 度 取 决 于 信 标 的 布 设 密 度 。
1.3 多 边 定 位 法 (Multilateration)
该 方 法 是 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 。 基 于 多 边 定 位 的 定 位 系 统 可 以 采 用 多 种 距 离 估 计 方 法 , 比 较
常 见 的 距 离 估 计 法 有 基 于 信 号 到 达 时 间 (Time Of Arrival, TOA), 基 于
信 号 到 达 时 间 差 (Time Difference Of Arrival, TDOA), 基 于 增 强 观 测
时 间 差 (Enhanced Observed Time Difference, E-OTD), 基 于 往 返 时 间
(Round Trip Time, RTT), 基 于 接 收 信 号 强 度 指 示 。
1.4 三 角 定 位 法 (Triangulation)
三 角 定 位 法 ,也 可 称 为 到 达 角 测 量 法 (Arrival Of Angle, AOA)。 该 方
法 是 在 获 取 待 测 目 标 相 对 两 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 的 三 角 形 , 即 可 确 定 待 测 目 标 的 位 置 。 到 达 角 信 息 ,
亦 即 信 号 到 达 的 角 度 , 可 以 通 过 定 向 天 线 获 取 。 同 时 基 于 摄 像 头 的 定 位
系 统 也 可 实 现 基 于 AOA 的 定 位 。
1.5 极 点 法 ( Polar Point Method)
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 , 多 个 待 测 目 标 的 位 置 可 以 仅 从 一 个 全 站 仪
的 简 单 建 立 得 到 。
1.6 指 纹 定 位 法 ( Fingerprinting)
指 纹 定 位 采 集 的 标 准 量 是 射 频 信 号 , 但 指 纹 定 位 法 也 可 采 用 声 音 信 号 、
光 信 号 或 其 他 无 线 信 号 实 现 。 指 纹 定 位 通 常 包 括 两 个 阶 段 : 第 一 阶 段 ,
离 线 校 准 阶 段 , 通 过 实 际 采 集 或 计 算 分 析 建 立 指 纹 地 图 。 具 体 地 , 选 择
室 内 场 景 中 的 多 个 位 置 点 采 集 多 个 基 站 发 出 的 信 号 的 强 度 并 加 入 到 指 纹
数 据 库 中 。 第 二 阶 段 , 定 位 阶 段 , 通 过 将 实 际 实 时 接 收 到 的 信 号 于 指 纹
数 据 库 中 的 信 号 特 征 参 数 进 行 对 比 找 到 最 好 的 匹 配 参 数 , 其 对 应 的 位 置
坐 标 即 认 为 是 待 测 目 标 的 位 置 坐 标 。 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 。
2、室内定位观测量
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 面 对 主 要 的 观 测 量 进 行 简 要 的 介 绍 。
2.1 RSSI 测 量
RSSI 测 量 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 。
在 自 由 空 间 中 , 距 发 射 机 d 处 的 天 线 接 收 到 的 信 号 强 度 可 由 下 式 给 出 :
其 中 , PT 表 示 发 射 功 率 ; PR 表 示 距 离 d 处 的 接 收 功 率 ; GT 表 示 发 射 天
线 的 增 益 ; GR 表 示 接 收 天 线 的 增 益 ; λ 表 示 信 号 波 长 ; L 表 示 系 统 的
损 失 (L>1) 。
2.2 TOA 测 量
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