智慧楼宇篇 6 —— 室内定位技术（五）

室内定位技术总结

1 引言

在前几期中，笔者分享了市面上使用较多的几种室内定位技术及相应定位原理、系统组成，有《RFID室内定位技术》、《WIFI室内定位技术》、《UWB室内定位技术》和《iBeacon室内定位技术》，本期中，笔者就各种室内定位技术作一个总结。为了达到全面了解的目的，本文中的总结含前几期未体现的其他室内定位技术。

2 概述

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。

室内定位技术的当前主要应用领域包括:室内精准导航、大数据分析、个性化营销、社交网络等。

定位不是重点,将位置信息与消费数据相结合才能有效挖掘室内定位技术的价值。

（1）室内精准导航

在大型公共场所，例如大型商场超市、酒店、机场、博物馆、音乐厅以及会展中心等地，顾客容易找不到自己想去的目的地，或者找不到目标店铺、展位及商品。此时，室内定位技术可应用于室内定位导航。在这方面，国际国内的许多大型场馆已有应用。例如Google 室内地图快速覆盖了北美、欧洲、澳大利亚和日本等地的一万多家大型场馆，且总数仍在不断增加。而在中国，包括首都机场、浦东机场、虹桥机场、西单大悦城、龙湖地产、国家大剧院在内的300 多家场馆也已应用了室内定位系统为顾客进行服务。除了帮助顾客找到出口、洗手间等常用位臵之外，室内定位也可定位停车场中的汽车、行李带上传送的行李等。例如首都机场就利用室内定位技术推出“机场指引”功能，方便旅客查找行李、停车位置等

（2）大数据分析

传统的商业数据分析只能通过问卷调查、计数等人工统计，这种只是一种统计而不是一种大数据，而且也难以提供位置层面的精确数据。而室内定位系统可以进行更高精度、更大量级的大数据分析，将用户的位置与行为及行为背后的兴趣与偏好紧密联系。因此，对室内定位数据进行挖掘与分析具有极大的商业价值和应用前景。只要加以整合分析，室内定位数据可以捕捉用户在某个货架或者店铺的光顾频率、停留时间，从而得出用户的类型、兴趣和偏好等特质以及店铺热度、品牌关联度等重要结论，为商业分析提供有力的工具。例如，万达广场借此发现许多在必胜客消费的客户都会去ZARA 消费，他们据此针对性的做了两者间的联合促销，得到了良好的收效。

（3）个性化营销

室内定位提高了用户定位精度，更方便商家为顾客提供个性化的“基于位置的服务”(LBS)。根据用户的历史位置和现实位置，室内定位能够帮助商家向潜在顾客推送针对性、个性化的广告和信息。例如，当用户经过自己经常光顾的店铺附近或某个特定的地理围栏区域中时，店家就可通过APP 等平台向用户推送当下的新品导购信息及优惠、团购等营销信息，从而精准地满足用户需求，影响用户的消费。

（4）人员管理

人每天80%以上的时间都待在室内。通过高精度的室内定位，这一技术可以帮助家长在空间复杂、人流多的大型公共场所中寻找儿童。随着电商的繁盛，快递员、送货员成为人们每天必打交道的人，而室内定位技术可以帮助用户在复杂建筑中定位具体地快递员、送货员等。此外，这项技术也可用于员工考勤等领域。

（5）物品管理

除了寻人，室内定位系统还便于寻物。例如在仓库内定位货物，在生活中定位钱包等物品，乃至于进入房间时自动的开灯开门等。总而言之，只要成本控制得当，一切将人、物品和位置相联系的领域都有室内定位的用武之地。

（6）社交网络

随着时代的发展，用户的社交需求凸显了日益重要的地位。传统社交定位具有以下局限性：一是精度较低；二是仅支持二维定位。而在实际生活中，社交所需的定位大多是高精度、三维的，这就需要室内定位系统发挥作用了。室内定位系统如能实现有针对性的、高精度的消息推送、交友互动，则必将在社交网络领域掀起新的变革。

3 常用算法

3.1 近邻法

直接选定那个信号强度最大的感知设备的位置，定位结果是热点位置数据库中存储的当前连接的感知设备的位置（WIFI热点定位常用）；或者感知设备感应到被定位物，以感知设备位置作为定位点。

3.2 三角测量法

通过信号的各种参数得到目标与AP的距离或者角度，用几何方法计算出位置。包括到达时间法、相对到达时间法、到达角度法、基于信号强度的测距方法，及其混合算法。

（1）到达时间法

到达时间法（TOA，Time of Arrival），是待定位节点与三个已知信标节点坐标，及其之间的距离（绝对时间*速度），可求出待定位节点的坐标。

其定位原理是：测量待定位节点 (x₀ ,y₀)与已知至少3个信标节点(x_i ,y_i)之间的信号到达时间t_i ，再乘以信号速度v，计算出待定位节点与各信标节点之间的距离R_i ，分别以信标节点(x_i ,y_i)为圆心，Ri为半径做圆，各圆的交点为待定位节点(x₀,y₀)的坐标。

TOA定位方法缺点：时钟同步误差和测量误差。如果信标节点与待定位节点无法做到精确的时钟同步，则所测得的信号到达时间会有时间误差，导致R_i 存在偏差，使三个圆无法交汇，或交汇处不是一点而是一片区域，造成定位误差。

（2）到达时间差法

到达时间差法（TDOA，Time Difference ofArrival），是根据节点同时发射两种不同传播速度的信号到接收节点，时间差计算出距离，再利用三圆相交计算节点坐标；待定位点被确定在双曲线上。有以下两种实现方式。

方式一：发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据已知的这两种信号的传播速度以及两种信号的到达时间差，计算待定位节点和信标节点之间的距离，通过计算待定位节点和至少3个信标节点之间的距离，用三圆相交法确定待定节点的坐标位置。

该方式是利用移动台到达2个基站的时间TOA，取其差值来获得，这时仍需要基站时间的严格同步，但是当两基站间移动信道传输特性相似时，可减少由多径效应带来的误差。

方式二：由待定位节点(x₀ ,y₀)向两个信标节点(x₁,y₁)、(x₂ ,y₂)同时发射信号，由于待定位节点与两个信标节点之间的距离不同，通过已知信号的传播速度v 和两个信标节点接收到信号时间差Δt 相乘，可确定待定位节点在以两个信标节点为焦点、距离差为vΔt的双曲线上。通过测量至少三个信标节点之间的信号到达时间差，构成一组关于待定位节点坐标的双曲线方程组，求解该双曲线方程组可得到移动台的估计位置。

该方式是将一个移动台接收到的信号与另一个移动台接收到的信号进行相关运算，从而得到TDOA的值，这种算法可以在基站和移动台不同步时，估计出TDOA的值，由于实际应用中，往往很难做到基站与移动台的同步，所以利用相关估计得到TDOA值，再进行定位计算能获得较高精度。对于蜂窝网中的移动台定位而言，TDOA更具有实际意义，这种方法对网络的要求相对较低，并且定位精度较高，目前已经成为研究的热点。

（3）到达信号角度

到达信号角度法（AOA，Angle of Arrival），是待定位节点向信标节点发射信号，通过信标节点测定信号到达的角度，解算出待定位节点的坐标。

到达角度法定位原理是：待定位节点向信标节点发射信号，通过信标节点测定信号到达的角度，解算出待定位节点的坐标。在二维空间中，测得两个信号到达信标节点的到达角度AOA，信标节点根据各测得的 AOA直线方向取其交点，解出待定位节点的坐标。

求解方程组，得到待定位节点位置 (x₀ ,y₀)。AOA法定位精度受天线测角精度影响，增加信标节点布点密度或使用天线阵列可提高定位精度。

（4）到达信号强度

到达信号强度法（RSSI，Received SignalStrength Indication），是通过检测信号接收端接收功率，通过传播损耗模型，计算节点间的距离，用三边定位方法，解出坐标。

信号强度法定位原理是：通过检测信号接收端接收功率P_t，通过传播损耗模型，计算节点间的距离d ，根据三边定位方法，解出信标节点的位置坐标。

室内信号传播具有复杂性，不能用理想传播模型计算出精确的距离。因此，系统设计经常使用以下简化路径损耗模型：

Pt：为发射信号功率

K ：依赖于天线特性和平均信道损耗的常系数

d0：天线远场的参考距离

γ：为路径损耗指数

3.3 指纹法

事先把各个位置上的信号特征（各Wi-Fi的信号强度）测量一遍，存入指纹数据库。定位的时候，将当前的信号特征与指纹库中的进行匹配，从而确定位置。

4 室内定位技术比较

4.1 射频识别(RFID)室内定位技术

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。

RFID射频识别室内定位技术多采用433M、800/900M、2.45GHz三个频段，作用距离从几米到几十米不等，感知耗时短，往往在几毫秒内可获取运算数据；定位精度一般在3m左右，经过精细的阅读器（天线）部点和算法优化，定位精度能达到厘米级。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。

RFID感应距离：室内几米到几十米不等。

三点定位方式下，RFID室内定位精度约在3m左右。

射频识别室内定位技术还有一种广义的定位使用方式，即使用射频识别技术的识别功能。当待定位节点（附带RFID标签）进行阅读器感应区域内，则将感应阅读器作为信标点，待定位节点被定位在其附近，该方式被仓库、工厂、商场广泛使用在货物、商品流转定位上。

我们把以下5个维度的程度定义为：

精确度：很差 - 较差 - 一般 - 较好 - 很好

穿透性：很差 - 较差 - 一般 - 较好 - 很好

抗干扰性：很差 - 较差 - 一般 - 较好 - 很好

部署复杂性：很简单 - 较简单 - 一般 - 较复杂 - 很复杂

成本：很低 – 较低 – 一般 – 较高 – 很高

以上定义下同。

4.2 WIFI室内定位技术

WIFI定位技术有两种，一种是通过移动设备和三个无线网络接入点的无线信号强度，通过差分算法，来比较精准地对人和车辆的进行三角定位。另一种是事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库，来确定位置(“指纹”定位)。

WIFI定位可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，总精度比较高，但是用于室内定位的精度理想情况只能达到3m-5m左右，无法做到精准定位。由于WIFI路由器和移动终端的普及，其在定位的基础上兼备数据传输功能，使得定位系统可以与其他客户共享网络，硬件成本很低，而且WIFI的定位系统可以降低了射频(RF)干扰可能性。

WIFI感应距离：50m（大致数量级，下同）。

WIFI室内定位精度3m-5m。

WIFI定位适用于医疗机构、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。

4.3 超宽带室内定位技术

超宽带定位技术是一种较新的技术，它利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯，并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。

超宽带通信不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，因此具有GHz量级的带宽。由于超宽带定位技术具有穿透力强、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点，前景相当广阔。但由于新加入的盲节点也需要主动通信使得功耗较高，而且事先也需要布局，使得成本还无法降低。

超宽带感应距离：50m

超宽带定位精度可以达到10cm。

超宽带室内定位可用于各个领域的室内精确定位和导航，包括人和大型物品，例如汽车地库停车导航、矿井人员定位、贵重物品仓储等。

4.4 蓝牙室内定位技术

蓝牙室内技术是利用在室内安装的若干个蓝牙局域网接入点，把网络维持成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备，然后通过测量信号强度对新加入的盲节点进行三角定位。常见的是iBeacon。

蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、短距离、低功耗，容易集成在手机等移动设备中。只要设备的蓝牙功能开启，就能够对其进行定位。蓝牙传输不受视距的影响，但对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大且在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵。另外，由于用于定位的蓝牙技术不具备数据传输功能，因此需额外部署数据传输设施。

蓝牙感应距离：10m

蓝牙室内定位技术精度，国内有厂家做到1m-2m。

蓝牙室内定位主要应用于对人的小范围定位，例如单层大厅或商店。现在已经被某些厂商开始用于LBS推广，如成都太古里、西单大悦城。

4.5 红外线定位技术

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。

红外感应距离：可视距离

红外定位技术精度大概为2m-4m。

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。

4.6 超声波室内定位技术

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。

超声波感应距离：50m

超声波室内定位，国内有厂家做到30米范围内精度可到达5cm左右。

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。

4.7 ZigBee室内定位技术

ZigBee室内定位技术通过若干个待定位的盲节点和一个已知位置的参考节点与网关之间形成组网，每个微小的盲节点之间相互协调通信以实现全部定位。

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个节点传到另一个节点，作为一个低功耗和低成本的通信系统，ZigBee的工作效率非常高，但ZigBee的信号传输受多径效应和移动的影响都很大，而且定位精度取决于信道物理品质、信号源密度、环境和算法的准确性，造成定位软件的成本较高，提高空间还很大。

ZigBee感应距离：100m

ZigBee室内定位精度约3m-10m。

ZigBee室内定位已经被很多大型的工厂和车间作为人员在岗管理系统所采用。

5 总结

除了以上提及的室内定位技术，还有基于计算机视觉、图像、磁场以及信标等定位方式，但是大部分目前还处于开发研究试验阶段，暂没有成熟精确的产品投入市场。

就目前看，iBeacon（蓝牙）、RFID、WIFI、超宽带室内定位四种技术形成的较成熟应用系统在市面上多一些。前三种实施面更广一些，超宽带由于其成本的高昂性及部署的复杂性，领广众在选择的时候望而却步，同时因为其现阶段因为大小功耗等原因，以及无法很好地与手机等移动终端融合，暂不利于普及；WIFI室内定位有着廉价简便的优势，但在能力表现上不够强；iBeacon（蓝牙）室内定位各项指标较为平均；RFID由于兼备标识识别功能，在市场上也占有一席之地。

相比发展了数十年的室外定位技术，室内定位在国内尚处于起步阶段。各行业对于这一较新技术的认识和采纳、围绕技术衍生各类新应用和商业模式，都需要一定过程，所以存在相关市场启动迟缓，相关公司业绩不达预期的风险。同时，技术标准不统一、室内地图数据不完善、盈利模式不清晰也成为这个行业的瓶颈。随着5G时代的到来，会不会衍生出更多的室内定位技术，我们拭目以待。

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