室內定位常用算法概述

一. 室內定位目的和意義

隨着數據業務和多媒體業務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在複雜的室內環境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環境中，常常需要確定移動終端或其持有者、設施與物品在室內的位置信息。但是受定位時間、定位精度以及複雜室內環境等條件的限制，比較完善的定位技術目前還無法很好地利用。因此，專家學者提出了許多室內定位技術解決方案，如A-GPS定位技術、超聲波定位技術、藍牙技術、紅外線技術、射頻識別技術、超寬帶技術、無線局域網絡、光跟蹤定位技術，以及圖像分析、信標定位、計算機視覺定位技術等等。這些室內定位技術從總體上可歸納爲幾類，即GNSS技術(如僞衛星等)，無線定位技術(無線通信信號、射頻無線標籤、超聲波、光跟蹤、無線傳感器定位技術等)，其它定位技術(計算機視覺、航位推算等)，以及GNSS和無線定位組合的定位技術(A-GPS或A-GNSS)。

由於在室內環境下對於不同的建築物而言，室內佈置，材料結構，建築物尺度的不同導致了信號的路徑損耗很大，與此同時，建築物的內在結構會引起信號的反射，繞射，折射和散射，形成多徑現象，使得接收信號的幅度，相位和到達時間發生變化，造成信號的損失，定位的難度大。雖然室內定位是定位技術的一種，和室外的無線定位技術相比有一定的共性，但是室內環境的複雜性和對定位精度和安全性的特殊要求，使得室內無線定位技術有着不同於普通定位系統的鮮明特點，而且這些特點是戶外定位技術所不具備的。因此，兩者區域的標識和劃分標準是不同的。基於室內定位的諸多特點，室內定位技術和定位算法已成爲各國科技工作者研究的熱點。如何提高定位精度仍將是今後研究的重點。

二. 室內定位技術的國內外發展趨勢

室內GPS定位技術

GPS是目前應用最爲廣泛的定位技術。當GPS接收機在室內工作時，由於信號受建築物的影響而大大衰減，定位精度也很低，要想達到室外一樣直接從衛星廣播中提取導航數據和時間信息是不可能的。爲了得到較高的信號靈敏度，就需要延長在每個碼延遲上的停留時間，A-GPS技術爲這個問題的解決提供了可能性[7]。室內GPS技術採用大量的相關器並行地搜索可能的延遲碼，同時也有助於實現快速定位。

利用GPS進行定位的優勢是衛星有效覆蓋範圍大，且定位導航信號免費。缺點是定位信號到達地面時較弱，不能穿透建築物，而且定位器終端的成本較高。

室內無線定位技術

隨着無線通信技術的發展，新興的無線網絡技術，例如WiFi、ZigBee、藍牙和超寬帶等，在辦公室、家庭、工廠等得到了廣泛應用。

——紅外線室內定位技術。紅外線室內定位技術定位的原理是，紅外線IR標識發射調製的紅外射線，通過安裝在室內的光學傳感器接收進行定位。雖然紅外線具有相對較高的室內定位精度，但是由於光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點使其室內定位的效果很差。當標識放在口袋裏或者有牆壁及其他遮擋時就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，造價較高。因此，紅外線只適合短距離傳播，而且容易被熒光燈或者房間內的燈光干擾，在精確定位上有侷限性。

——超聲波定位技術。超聲波測距主要採用反射式測距法，通過三角定位等算法確定物體的位置，即發射超聲波並接收由被測物產生的回波，根據回波與發射波的時間差計算出待測距離，有的則採用單向測距法。超聲波定位系統可由若干個應答器和一個主測距器組成，主測距器放置在被測物體上，在微機指令信號的作用下向位置固定的應答器發射同頻率的無線電信號，應答器在收到無線電信號後同時向主測距器發射超聲波信號，得到主測距器與各個應答器之間的距離。當同時有3個或3個以上不在同一直線上的應答器做出迴應時，可以根據相關計算確定出被測物體所在的二維座標系下的位置。超聲波定位整體定位精度較高，結構簡單，但超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大，同時需要大量的底層硬件設施投資，成本太高。

——藍牙技術。藍牙技術通過測量信號強度進行定位。這是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，在室內安裝適當的藍牙局域網接入點，把網絡配置成基於多用戶的基礎網絡連接模式，並保證藍牙局域網接入點始終是這個微微網(piconet)的主設備，就可以獲得用戶的位置信息。藍牙技術主要應用於小範圍定位，例如單層大廳或倉庫。藍牙室內定位技術最大的優點是設備體積小、易於集成在 PDA、PC以及手機中，因此很容易推廣普及。理論上，對於持有集成了藍牙功能移動終端設備的用戶，只要設備的藍牙功能開啓，藍牙室內定位系統就能夠對其進行位置判斷。採用該技術作室內短距離定位時容易發現設備且信號傳輸不受視距的影響。其不足在於藍牙器件和設備的價格比較昂貴，而且對於複雜的空間環境，藍牙系統的穩定性稍差，受噪聲信號干擾大。

——射頻識別技術。射頻識別技術利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數據以達到識別和定位的目的。這種技術作用距離短，一般最長爲幾十米。但它可以在幾毫秒內得到釐米級定位精度的信息，且傳輸範圍很大，成本較低。同時由於其非接觸和非視距等優點，可望成爲優選的室內定位技術。目前，射頻識別研究的熱點和難點在於理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標準化等問題。優點是標識的體積比較小，造價比較低，但是作用距離近，不具有通信能力，而且不便於整合到其他系統之中。

——超寬帶技術。超寬帶技術是一種全新的、與傳統通信技術有極大差異的通信新技術。它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈衝來傳輸數據，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶可用於室內精確定位，例如戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。超寬帶系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統複雜度低、能提供精確定位精度等優點。因此，超寬帶技術可以應用於室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。

—— Wi-Fi技術。無線局域網絡(WLAN)是一種全新的信息獲取平臺，可以在廣泛的應用領域內實現複雜的大範圍定位、監測和追蹤任務，而網絡節點自身定位是大多數應用的基礎和前提。當前比較流行的Wi-Fi定位是無線局域網絡系列標準之IEEE802.11的一種定位解決方案。該系統採用經驗測試和信號傳播模型相結合的方式，易於安裝，需要很少基站，能採用相同的底層無線網絡結構，系統總精度高。芬蘭的Ekahau公司開發了能夠利用Wi-Fi進行室內定位的軟件。Wi-Fi繪圖的精確度大約在1米至20米的範圍內，總體而言，它比蜂窩網絡三角測量定位方法更精確。但是，如果定位的測算僅僅依賴於哪個Wi-Fi的接入點最近，而不是依賴於合成的信號強度圖，那麼在樓層定位上很容易出錯。目前，它應用於小範圍的室內定位，成本較低。但無論是用於室內還是室外定位，Wi-Fi收發器都只能覆蓋半徑90米以內的區域，而且很容易受到其他信號的干擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。

——ZigBee技術。ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，它介於射頻識別和藍牙之間，也可以用於室內定位。它有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調通信以實現定位。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。ZigBee最顯著的技術特點是它的低功耗和低成本。

除了以上提及的定位技術，還有基於計算機視覺、光跟蹤定位、基於圖像分析、磁場以及信標定位等。此外，還有基於圖像分析的定位技術、信標定位、三角定位等。目前很多技術還處於研究試驗階段，如基於磁場壓力感應進行定位的技術。

三. 定位算法

傳感器節點的定位算法根據定位過程中所需信息的不同可分爲兩大類：

• 基於測距(range—based)

• 測距無關(range—free)

測距無關(range—free)

無需確定距離和角度信息，僅根據網絡對通性等信息加以實現。主要算法有：

1. 質心算法;

2. APIT(approximate point-in-triangulation teat) 近似三角形內點測試法

3. DV-Hop

基於測距(range—based)

測量節點問點到點的距離或角度信息，使用三邊測量法、三角測量法或最大似然估計法計算節點位置。主要算法有：

TOA(time of arrival)

TDOA(Time Difference 0f Arrival)

AOA(Angle of Arrival )

RSSI(Received Signal Strength Indication)

RSSI (Radio Signal Strength Indicator)

無線電信號強度，又稱RSSI(Radio Signal Strength Indicator)。已知發射功率，接受節點通過接收功率，計算傳播損耗，再通過理論或者經驗的傳播模型將傳播損耗轉換爲距離。在自由空間中，距發射d處的天線接收到的信號強度由下面的公式(1)給出:

（1）

式中，d爲接收端與發射端之間的距離( m)；d0爲參考距離( m)，一般取1 m；Pr(d)是接收端的接收信號功率(dBm)；Pr(d0)是參考距離d0點對應的接收信號功率(dBm)； X_dBm是一個平均值爲0的高斯隨機變量(dBm)，反映了當距離一定時，接收信號功率的變化； n爲路徑損耗指數，是一個與環境相關的值。通過測量接收信號的強度，利用這個公式即可計算收發節點之間的大概距離[31]。一旦可以得到參考節點與未知節點之間的距離信息，就可以採用三邊測量法或者最大似然估計法計算出未知節點的位置。在三維空間中，三邊測量法指的己知一個未知節點到三個以上參考節點的距離，就可以確定該點的座標;三邊測量法在二維空間裏可以用幾何圖形表示爲:當得到未知節點到一個參考節點的距離時，就可以確定，此未知節點在以此參考節點爲圓心，以距離爲半徑的圓上;如果得到未知節點到3個參考節點的距離，則3個圓的交點就是該未知節點的位置。

n的幾種典型值

環境		n
戶外	自由空間	2
戶外	遮蔽的城市空間	2.7~5
室內	視距	1.6~1.8
室內	有阻擋障礙的空間	4~6

RSSI值採集

由於無線信號的非線性時變特性,在同一個點不同時刻採集到的信號強度值是不同的，並且無法判斷哪一個值較爲準確。在距離發射端1m遠處的接受端採集100次信號，對結果進行分析，見圖1。

圖1 在距離發射端1m處的接受端採集100個RRSI值的結果比較

由圖1可見，即使在同一點，採集到的RSSI值也有很大的不同。但基本都在一個範圍內波動。由於採集信號的隨機性，採集的RSSI參數並不能直接用於運算，需要對其進行處理。方法有：

1. 均值法

2. 高斯分佈法

節點定位計算方法（可以參考的算法）

1) 最小二乘法

用最小二乘法來估算節點位置座標也是無線定位中一種經常採用的方法。最小二乘法的突出優點是只需要一個假定的信號傳播模型和信號觀測值，計算簡單，易於實現。

已知1，2，3等n個節點的座標分別爲(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃)…(x_n，y_n)，它們到節點D的距離分別爲d₁，d₂，d₃···d_n，假設節點D的座標爲(x，y)。

從第一行開始分別減去最後一行，得：

使用最小二乘法得：

這裏的向量X就是移動節點的座標。

2）三角質心法

在圓周定位模型中，三角質心法是一種較易實現、便於理解的算法。三角質心法的原理如下：在圓周定位模型中，理論上如果知道移動節點到三個信標節點的物理距離，用這三個信標節點做三個圓的圓心，到移動節點的物理距離爲半徑，畫三個圓，這三個圓與移動節點都應該是相交的，即三個圓的公共交點就是移動節點MS的位置。但在實際中，由於噪聲的影響，信號遇到障礙物以後的急劇衰落，測量工具帶來的誤差等原因，在圓周模型中的三個圓是不可能相交於一點的。由於在室內環境下，周圍的障礙物等對電磁波信號的吸收，一般使得接收機接收到的信號強度值會小於預計的信號強度值，反映到推導出來的移動節點到信標節點的估計距離上，結果就是所畫的三個圓的半徑都偏大。這一種情況應該算是最爲常見的情況，如下圖2所示：

圖2中畫出來的三個圓一共有三個交點，形成一個三角形區域。所求的移動節點MS的位置就在這三個圓的公共交集區域內。通過取三角形的質心，作爲移動節點MS的估計位置。

圖2 基於圓周模型的三角質心法

3）加權三角質心算法

通過對無線電傳播路徑損耗模型的分析, 可以發現利用普通質心算法, 沒有反映出信標節點對節點位置的影響力的大小, 影響了定位精度. 文中設計了加權質心算法, 它的基本思想是: 在質心算法中, 通過加權因子來體現信標節點對質心座標決定權的大小, 利用加權因子體現各信標節點對質心位置的影響程度, 反映它們之間的內在關係. 通過下式中的加權因子來體現這種約束力。