1. 室內(nèi)定位技術(shù)對比

2 .常見的室內(nèi)定位技術(shù)

2.1 超寬帶(UWB)技術(shù)

超寬帶技術(shù)是近年來新興一項全新的、與傳統(tǒng)通信技術(shù)有極大差異的通信無線新技術(shù)。它不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或微秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有3.1~10.6GHz量級的帶寬。目前，包括美國，日本，加拿大等在內(nèi)的國家都在研究這項技術(shù)，在無線室內(nèi)定位領(lǐng)域具有良好的前景。

UWB技術(shù)是一種傳輸速率高(最高可達(dá)1000Mbps以上)，發(fā)射功率較低，穿透能力較強并且是基于極窄脈沖的無線技術(shù)，無載波。正是這些優(yōu)點，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域得到了較為精確的結(jié)果。超寬帶室內(nèi)定位技術(shù)常采用TDOA演示測距定位算法，就是通過信號到達(dá)的時間差，通過雙曲線交叉來定位的超寬帶系統(tǒng)包括產(chǎn)生、發(fā)射、接收、處理極窄脈沖信號的無線電系統(tǒng)。

而超寬帶室內(nèi)定位系統(tǒng)則包括UWB接收器、UWB參考標(biāo)簽和主動UWB標(biāo)簽。定位過程中由UWB接收器接收標(biāo)簽發(fā)射的UWB信號，通過過濾電磁波傳輸過程中夾雜的各種噪聲干擾，得到含有效信息的信號，再通過中央處理單元進(jìn)行測距定位計算分析

UWB室內(nèi)定位結(jié)構(gòu)圖

超寬帶可用于室內(nèi)精確定位，例如戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機器人運動跟蹤等。超寬帶系統(tǒng)與傳統(tǒng)的窄帶系統(tǒng)相比，具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點。因此，超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。

定位精度：根據(jù)不同公司使用的技術(shù)手段或算法不同，精度可保持在0.1 m~0.5 m。

2.2 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)通過測量信號強度進(jìn)行定位。這是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù)，在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點，把網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點始終是這個微微網(wǎng)(piconet)的主設(shè)備，就可以獲得用戶的位置信息。藍(lán)牙技術(shù)主要應(yīng)用于小范圍定位，例如單層大廳或倉庫。藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)最大的優(yōu)點是設(shè)備體積小、易于集成在PDA、PC 以及手機中，因此很容易推廣普及。理論上，對于持有集成了藍(lán)牙功能移動終端設(shè)備的用戶，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟，藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行位置判斷。采用該技術(shù)作室內(nèi)短距離定位時容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號傳輸不受視距的影響。其不足在于藍(lán)牙器件和設(shè)備的價格比較昂貴，而且對于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大。

定位精度：根據(jù)不同公司使用的技術(shù)手段或算法不同，精度可保持在3 m~15 m。

缺陷：信號傳輸距離短。

2.3 超聲波定位技術(shù)

超聲波定位目前大多數(shù)采用反射式測距法。系統(tǒng)由一個主測距器和若干個電子標(biāo)簽組成，主測距器可放置于移動機器人本體上，各個電子標(biāo)簽放置于室內(nèi)空間的固定位置。定位過程如下：先由上位機發(fā)送同頻率的信號給各個電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽接收到后又反射傳輸給主測距器，從而可以確定各個電子標(biāo)簽到主測距器之間的距離，并得到定位坐標(biāo)。目前，比較流行的基于超聲波室內(nèi)定位的技術(shù)還有下面兩種：一種為將超聲波與射頻技術(shù)結(jié)合進(jìn)行定位。由于射頻信號傳輸速率接近光速，遠(yuǎn)高于射頻速率，那么可以利用射頻信號先激活電子標(biāo)簽而后使其接收超聲波信號，利用時間差的方法測距。這種技術(shù)成本低，功耗小，精度高。另一種為多超聲波定位技術(shù)。該技術(shù)采用全局定位可在移動機器人身上4個朝向安裝4個超聲波傳感器，將待定位空間區(qū)，由超聲波傳感器測距形成坐標(biāo)，總體把握數(shù)據(jù)，抗干擾性強，精度高，而且可以解決機器人迷路問題。

定位精度：超聲波定位精度可達(dá)厘米級，精度比較高。

缺陷：超聲波在傳輸過程中衰減明顯從而影響其定位有效范圍，且易受干擾。

2.4 紅外線定位技術(shù)

紅外線是一種波長間于無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外線室內(nèi)定位技術(shù)定位的原理是，紅外線標(biāo)識發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收進(jìn)行定位。雖然紅外線具有相對較高的室內(nèi)定位精度，但是由于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(nèi)定位的效果很差。當(dāng)標(biāo)識放在口袋里或者有墻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(nèi)的燈光干擾，在精確定位上有局限性。

典型的紅外線室內(nèi)定位系統(tǒng)Activebadges使待測物體附上一個電子標(biāo)，該標(biāo)識通過紅外發(fā)射機向室內(nèi)固定放置的紅外接收機周期發(fā)送該待測物唯一ID，接收機再通過有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)庫。這個定位技術(shù)功耗較大且常常會受到室內(nèi)墻體或物體的阻隔，實用性較低。如果將紅外線與超聲波技術(shù)相結(jié)合也可方便地實現(xiàn)定位功能。用紅外線觸發(fā)定位信號使參考點的超聲波發(fā)射器向待測點發(fā)射超聲波，應(yīng)用TOA基本算法，通過計時器測距定位。一方面降低了功耗，另一方面避免了超聲波反射式定位技術(shù)傳輸距離短的缺陷。使得紅外技術(shù)與超聲波技術(shù)優(yōu)勢互補。

定位精度：紅外線定位精度可5 m ~10 m。

缺陷：紅外線在傳輸過程中易于受物體或墻體阻隔且傳輸距離較短，定位系統(tǒng)復(fù)雜度較高，有效性和實用性較其它技術(shù)仍有差距。

2.5 射頻識別技術(shù)(RFID)

射頻定位技術(shù)實現(xiàn)起來非常方便，而且系統(tǒng)受環(huán)境的干擾較小，電子標(biāo)簽信息可以編輯改寫比較靈活。射頻識別技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識別和定位的目的。這種技術(shù)作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，成本較低。 RFID技術(shù)原理：射頻識別(RFID)技術(shù)是一種操控簡易，適用于自動控制領(lǐng)域的技術(shù)，它利用了電感和電磁耦合或雷達(dá)反射的傳輸特性，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。射頻(RF)是具有一定波長的電磁波，它的頻率描述為：kHz、MHz、GHz，范圍從低頻到微波不一。

RFID室內(nèi)定位系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：該系統(tǒng)通常由電子標(biāo)簽、射頻讀寫器、中間件以及計算機數(shù)據(jù)庫組成，結(jié)構(gòu)如下圖所示。射頻標(biāo)簽和讀寫器是通過由天線架起的空間電磁波的傳輸通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。在定位系統(tǒng)應(yīng)用中，將射頻讀寫器放置在待測移動物體上，射頻電子標(biāo)簽嵌入到操作環(huán)境中。電子標(biāo)簽上存儲有位置識別的信息，讀寫器則通過有線或無線形式連接到信息數(shù)據(jù)庫。

RFID基本結(jié)構(gòu)圖

2.6 WIFI技術(shù)

無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)是一種全新的信息獲取平臺，可以在廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)實現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務(wù)，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自身定位是大多數(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。當(dāng)前比較流行的Wi-Fi定位是無線局域網(wǎng)絡(luò)系列標(biāo)準(zhǔn)之IEEE802.11b的無線以太網(wǎng)已經(jīng)成的一種定位解決方案。在無線局域網(wǎng)中的AP接入點或是無線網(wǎng)卡都可以方便測得無線信號的強度，利用這一點可以通過匹配信號強度的方法進(jìn)行定位。位置指紋法是一種常用的無線局域網(wǎng)室內(nèi)定位技術(shù)，典型的系統(tǒng)是RADAR原型系統(tǒng)，由微軟研發(fā)?；赗SSI技術(shù)的RADAR室內(nèi)定位系統(tǒng)運行分兩個過程，分別是先在系統(tǒng)覆蓋區(qū)域?qū)υO(shè)置的若干個AP固定點離線采集其位置信息以及信號強度，通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸給數(shù)據(jù)中心形成位置指紋數(shù)據(jù)庫，再對實時待測物所測算得到信號強度利用最近鄰居法分析匹配出其位置。

某公司開發(fā)了能夠利用Wi-Fi進(jìn)行室內(nèi)定位的軟件。Wi-Fi繪圖的精確度大約在1米至20米的范圍內(nèi)，總體而言，它比蜂窩網(wǎng)絡(luò)三角測量定位方法更精確。但是，如果定位的測算僅僅依賴于哪個Wi-Fi的接入點最近，而不是依賴于合成的信號強度圖，那么在樓層定位上很容易出錯。目前，它應(yīng)用于小范圍的室內(nèi)定位，成本較低。但無論是用于室內(nèi)還是室外定位，Wi-Fi收發(fā)器都只能覆蓋半徑90米以內(nèi)的區(qū)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。

精度：2 m ~10 m。

缺陷：采集數(shù)據(jù)工作量大，而且為了達(dá)到較高的精度，固定點AP的位置測算設(shè)置比較繁瑣。

2.7 ZigBee技術(shù)

ZigBee(IEEE 802.15.4)是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它介于射頻識別和藍(lán)牙之間，也可以用于室內(nèi)定位。主要面向無線個人區(qū)域網(wǎng)(PAN)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在應(yīng)用中表現(xiàn)出近距離，低功耗，低成本等特征，這些都可以滿足室內(nèi)定位系統(tǒng)的要求和條件。應(yīng)用ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)是通過在傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置參考節(jié)點，移動節(jié)點構(gòu)成系統(tǒng)的，參考節(jié)點為靜態(tài)節(jié)點，它們發(fā)送位置信息和RSSI值給移動待測節(jié)點，該節(jié)點將數(shù)據(jù)寫入定位模塊，分析計算得到自身位置。該系統(tǒng)常采用分布式節(jié)點設(shè)置，可以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)工作量和通信延遲的問題。ZigBee最顯著的技術(shù)特點是它的低功耗和低成本。

精度：2 m ~5 m。

缺陷：網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性還有待提高，易受環(huán)境干擾。

除了以上提及的定位技術(shù)，還有基于計算機視覺、光跟蹤定位、基于圖像分析、磁場以及信標(biāo)定位等。此外，還有基于圖像分析的定位技術(shù)、信標(biāo)定位、三角定位等。目前很多技術(shù)還處于研究試驗階段，如基于磁場壓力感應(yīng)進(jìn)行定位的技術(shù)。