無線室內(nèi)定位技術(shù)

1. 引言

移動計算(Mobile Computing)技術(shù)的一項重要應(yīng)用就是向大眾提供定位服務(wù)。定位服務(wù)從普通的商業(yè)活動，科學研究，直至搶險搜救等各行業(yè)中都有著重要的應(yīng)用。對于戶外環(huán)境，GPS 是一種成熟的無線定位技術(shù)，已在很多行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用;但是在人們活動最為頻繁的室內(nèi)環(huán)境中是無法接收到 GPS 信號。為此，人們探索了很多技術(shù)方法以滿足無線室內(nèi)定位的需求。本文將詳細闡述目前被廣泛關(guān)注的幾種無線室內(nèi)定位技術(shù)，歸納其主要特點，同時給出一些典型的商業(yè)或?qū)嶒炐再|(zhì)的無線室內(nèi)定位系統(tǒng)示例。然后我們將論述無線室內(nèi)定位系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特征，最后討論無線室內(nèi)定位系統(tǒng)的一些發(fā)展前景和面臨的一些技術(shù)難題。需要說明的是，相對于文獻[1]對定位系統(tǒng)的綜述，我們的研究重點是室內(nèi)定位技術(shù)和室內(nèi)定位系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)問題。雖然室內(nèi)定位是定位技術(shù)的一種，和室外的無線定位技術(shù)相比有一定的共性，但是室內(nèi)環(huán)境的復雜性和對定位精度和安全性的特殊要求，使得室內(nèi)無線定位技術(shù)有著不同于普通定位系統(tǒng)的鮮明特點，而且這些特點是戶外定位技術(shù)所不具備的。

2. 無線室內(nèi)定位的關(guān)鍵技術(shù)

與戶外環(huán)境相比，室內(nèi)環(huán)境要復雜的多。建筑物的布局、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料、裝飾裝修情況等都會對室內(nèi)定位的效果產(chǎn)生影響。除去純技術(shù)方面的考慮，許多人為的限制因素，如安全性，個人隱私的考慮等，也對室內(nèi)定位技術(shù)體系有很大的影響。從不同的應(yīng)用和需求出發(fā)，人們提出了很多種不同的可用于室內(nèi)定位的技術(shù)方法，如利用紅外，超聲波，無線電波的傳播模型等推算位置。這些方法一般都有很強的應(yīng)用背景，適用的定位服務(wù)對象也不盡相同。為方便我們對不同定位技術(shù)方法進行研究評價，我們對目前的一些室內(nèi)定位技術(shù)和定位服務(wù)需求進行了考察，總結(jié)出以下幾個重要的特點。

2.1. 定位系統(tǒng)的坐標系配置和位置信息的表達方法

坐標系的建立是定位的前提。GPS 通過全球經(jīng)緯坐標系統(tǒng)定位，可以給出某一點精確的經(jīng)緯度。一般說來，室內(nèi)定位系統(tǒng)是針對某一建筑物建立獨立的坐標體系，并以此為定位依據(jù)。當然，我們也完全可以通過若干控制點的測量，換算建筑物獨立坐標和全球坐標系統(tǒng)，以實現(xiàn)室內(nèi)室外坐標系的整合。在計算目標坐標位置時，一些定位系統(tǒng)建立固定的坐標系統(tǒng)，有固定的參照點;而另一些系統(tǒng)則不依賴固定的參照點定位，或者雖然通過和參照點的相對位置表達信息，但參照點的位置卻是動態(tài)變化的，每一個被定位對象的坐標都用它和其他物體的相對位置決定。也就是說系統(tǒng)并不真正建立一個坐標系統(tǒng)，而只是在需要的時候才進行換算。在室內(nèi)環(huán)境中，人們往往不需要或者不關(guān)心定位對象的絕對坐標位置，人們更希望系統(tǒng)能夠提供諸如“某人在一樓大廳，打印機在 309 房間”等這樣的定位信息，這實際上是一種地址信息。地址信息是一種模糊的信息，并不能直接顯示在地圖上。地理信息系統(tǒng)(GIS)中為了解決這個問題，提出了地址編碼(Geocoding)技術(shù)，用來匹配地址信息和地圖位置。由于在室內(nèi)定位系統(tǒng)中，人們普遍關(guān)注地址信息，因此地址編碼在室內(nèi)定位系統(tǒng)中將發(fā)揮重要的作用。

2.2. 位置信息通信和室內(nèi)位置信息計算的安全性

人或物體在室內(nèi)的位置是敏感的。除非在特定的環(huán)境下，人們并不希望把自己的位置信息透露給不相干的人，這就出現(xiàn)了位置信息的安全性問題。這個問題包括兩個方面：一是位置信息的計算方式，二是位置信息傳輸?shù)陌踩浴Ｄ壳按嬖趦煞N位置的計算方式：一種是定位信息在被定位者一端計算(本地計算)，被定位者獲得自己的位置信息后，決定如何公布自己的位置信息。另一種則是由中心服務(wù)器集中處理所有被定位者的信息(集中計算)，并按照一定的方式向相關(guān)人員廣播。一般認為本地計算是更安全的方式，系統(tǒng)應(yīng)至少能夠允許進行本地計算。而位置信息傳輸則是通信安全的范疇，我們就不多討論了。

2.3. 定位精度

不同的應(yīng)用對定位精度有著不同的要求。室內(nèi)環(huán)境本身比較小，一般說來要求定位精度比較高才能夠滿足應(yīng)用需要。但是室內(nèi)定位需要回答的往往是這樣的問題：“某人在哪個房間?”而被定位者在房間中的位置我們大部分情況下并不關(guān)心，因此實際上只要能夠達到定位到房間就可以滿足很多實際需要了。定位精度可以通過改進設(shè)備來不斷提高，但是我們需要在精度和經(jīng)濟效益之間作出權(quán)衡。

2.4. 位跟蹤和方向判別

方向判別是定位系統(tǒng)中常見的問題。行進方向是很重要的信息，如 GPS 車輛導航中對車輛行進方向的判別。室內(nèi)定位系統(tǒng)除了要求能夠跟蹤運動物體，判斷行進方向外，我們往往還要求能夠判斷靜止物體的朝向，例如人員的面向位置。靜止時物體朝向是室內(nèi)定位中所特有的一個問題，也是一個很重要的問題。這個功能在文獻[2]中介紹的 RADAR 室內(nèi)定位系統(tǒng)中有所涉及。

2.5. 素識別能力

實際應(yīng)用往往要求定位系統(tǒng)具備一定的自動識別能力。這種識別能力一般可以通過把身份識別系統(tǒng)和室內(nèi)定位系統(tǒng)集成起來，如胸卡識別和條形碼識別。我們還可以把成像系統(tǒng)或語音系統(tǒng)和定位系統(tǒng)結(jié)合，這樣就可以具備更復雜的識別能力。

2.6. 備依賴性

室內(nèi)定位系統(tǒng)雖然出現(xiàn)的很早，但是一直沒有能夠得到比較廣泛的使用。原因之一就是目前的室內(nèi)定位系統(tǒng)往往需要安裝特定的設(shè)備，而這些設(shè)備要么十分昂貴，要么就只能特定的建筑內(nèi)安裝，如監(jiān)獄，保密室等。而且設(shè)備只能用于定位，沒有任何別的用途，這大大限制了室內(nèi)定位系統(tǒng)的應(yīng)用。近年來，隨著無線局域網(wǎng)(WLAN)的興起，人們開始研究把無線網(wǎng)絡(luò)信號用于室內(nèi)定位。文獻[2]，[3]中論述了使用 WLAN 來進行室內(nèi)定位的試驗情況。由于 WLAN 的發(fā)展是計算機網(wǎng)絡(luò)的趨勢，越來越多的建筑內(nèi)將安裝 WLAN, 如果能夠借助 WLAN 來室內(nèi)定位，就可以擺脫對特定設(shè)備的依賴，降低成本，使室內(nèi)定位有可能得到廣泛的使用。

2.7. 系統(tǒng)穩(wěn)定性

無線室內(nèi)定位技術(shù)走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵之一是必須達到一定的穩(wěn)定性，維護維修要比較容易，有一定的冗余度，對于室內(nèi)環(huán)境的變化能夠有一定的自我調(diào)節(jié)或適應(yīng)能力。由于室內(nèi)環(huán)境的格局，物品的擺放，裝飾裝修都有可能頻繁變化，這要求定位技術(shù)必須具備一定抵抗環(huán)境變化干擾的能力。如房屋的格局如果發(fā)生了有限的變動，或用于定位的設(shè)備部分發(fā)生故障，我們希望系統(tǒng)仍然能夠繼續(xù)正常工作，或能夠通過人工或自適應(yīng)的方式進行調(diào)節(jié)，保證定位系統(tǒng)的可用性。從目前的技術(shù)來看，室內(nèi)定位系統(tǒng)的抗環(huán)境干擾能力，穩(wěn)定性都存在一定的問題，這是無線室內(nèi)定位技術(shù)需要著重研究解決的一個問題。

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