來源：《導航定位學報》2019年第1期
摘 要：為了進一步研究室內導航定位的方法和技術，在分析室內定位方法和分類的基礎上，總結室內導航定位技術的研究進展與應用現狀，並對室內定位技術的發展前景和難點進行探討，最後給出室內定位技術與方法的研究趨勢。
關鍵詞：室內導航;室內定位技術;應用進展
圖/視覺中國
0 引言
室內導航與定位系統是指在各種室內空間中採用不同技術來實現人員室內導航以及對人員、物體的定位與跟蹤。隨著物聯網技術的發展，人員、物體在經濟行為、個人活動、軍事等應用領域的定位需求越來越多。在室外有全球衛星導航系統(global navigation satellite system，GNSS)，是一種普適且成熟的方案可以讓人們在室外實現導航與定位;但是在室內空間越來越龐大的今天，各個工廠車間、大型購物商城、辦公樓、地鐵站的不斷建設，基於室內的導航與定位對人員、物體的安全與監測是必不可少的，人們在室內環境中的位置服務需求已經日趨顯著，國內外學者進行了大量探索與研究。目前室內導航定位系統大都基於臨近探測、三角、多邊定位、指紋定位法來實現，或者為了提高精度採取組合定位的方法。但是由於多路徑效應影響，室內環境易變、複雜，尚未有一種普適的解決方案;所以如何提升精度、實時性、安全性，提高可擴展能力，降低成本仍然是研究的熱點，使得人們無論在生活還是工作環境中可以隨時隨地獲取位置信息，享受基於位置服務帶來的便捷。
本文在綜述國內外室內導航定位技術的研究進展與應用現狀的基礎上，對室內定位技術的發展趨勢和難點進行分析與探討，結合自己的思考，給出室內定位方法與技術的研究趨勢。
1 方法與分類
1.1 方法
多數室內定位技術的原理是根據接收設備對信號的接收，從而判斷接收機與已知信號點的相對距離。另外，利用特徵比對和定位對象對信號的遮蔽也是常用的技術方法。主要室內定位方法的對比與分析如表1所示。
表1中列舉了基於室內環境的各種定位方法與特點，其中基於航位推算法和指紋法的改進算法研究頗多：文獻[2]提出了一種用室內地圖來消除行人航位推算過程中漂移誤差的定位方法;文獻[3]的DREDR(dead-reckoning enhanced with activity recognition)室內定位方法是針對行人航位推算法中漂移誤差的累積提出的，利用零速度更新技術對每一步操作結果進行校正[4];文獻[5]提出了在指紋法的基礎上將確定型算法和概率分佈算法結合的新方法，該方法可以減小算法空間複雜度;文獻[6]提出了改進的位置指紋定位算法，可以較好地濾除噪聲干擾、優化定位階段的估算座標，從而提高準確性，有更高的精度、穩定性。
1.2 分類
文獻[7]於2001年提出了室內定位分類體系，其中根據定位的位置類型、定位的覆蓋範圍、精度、所用信號，以及絕對/相對定位、主動/被動定位進行分類，為了讓位置服務開發者更全方位地去了解它們的性能。文獻[8]提出了3種分類方法：基於位置感知技術、基於信號測量技術、基於傳感器類型的分類。文獻[9]又依據定位算法分成基於幾何、指紋定位法、成本最小化、貝葉斯技術法。文獻[10]按照定位方式分成衛星、基站、感知定位3類。文獻[11]提出可以按照定位原理和傳輸信號的不同進行分類，同時武漢大學陳銳志教授還根據定位源的不同進行分類。這些分類研究促進了室內定位技術的發展。
2 研究進展
2.1 基於傳感器的室內定位技術
1)紅外線定位
紅外線定位系統一般由裝有紅外發射器的移動站和基站2個部分組成。先有Olivetti研究實驗室，然後由劍橋AT
2)超聲波定位
超聲波技術採用的測距方法大都是反射式測距法，通過計算時間差從而得到待測距離。當然，也可以採用單向測距法直接測定超聲波發生到被測物體的距離。這2種方法一般都是採用多邊定位等方法來確定被測物體位置。
1997年開發的Active Bat系統就是基於超聲波技術，比以紅外線定位為基礎的Active Badge系統定位精度要高，定位精度達到3cm。2000年麻省理工學院在Active Bat系統基礎上改造成的Cricket室內定位系統，不需要佈置固定傳感器，而是利用超聲波的傳輸時間和射頻控制信號，最終實現三維定位。在硬件佈設方面超聲波定位技術要求比較高，所以成本比較高，不過其結構簡單、定位精度高，平均能達到釐米級。
3)慣性導航定位
慣性導航定位是利用慣性傳感器如加速度計、陀螺儀或磁力計採集物體的一些參數信息，從而確定位置信息。一般採用航位推算法，已廣泛應用於一些軍事安全領域，傳感器質量和傳感器的安放位置影響著其定位精度。
文獻[19]基於慣性器件構建了一套適用於軍警的定位系統，並且建設性地提出了用戶之間聯合定位的想法;但是慣性導航定位技術帶來的累積誤差的影響無法忽略，所以一般和其他定位系統結合來實現高精度定位。比如前期使用無線局域網絡(wireless local area networks，WLAN)定位系統來為其提供初始化和矯正的方法，或者在無縫定位研究與應用中，慣性導航定位系統常常與GNSS系統結合定位。還有目前微機電系統(micro electro mechanical system，MEMS)日趨成熟，基於智能手機平臺的加速度計、陀螺儀、傾斜儀、氣壓計和磁力計等這些低成本運動傳感器都可用於行人航跡推算(pedestrian dead reckon，PDR)。目前，PDR 跟地磁匹配或與無線保真(wireless fidelity，WiFi)的融合越來越受到重視。
4)視覺定位
日本在視覺領域的研究是世界領先的，相對來說中國起步比較晚，計算機視覺常用於機器人定位，機器人安裝攝像機拍攝附近環境，根據所拍攝圖像處理與分析相關數據並進行機器人定位。視覺定位的方式有很多種：基於手機設備的單目攝像頭多數用的定位方法是圖像匹配;而基於相機交會的定位方法主要依據密度匹配和運動恢復結構(structure from motion，SFM)的原理，第一步基於眾包圖像的圖像特徵庫的建立，發現和求解顯著圖像的特徵目標，第二步基於單張照片的相機交會定位系統，這種方法相對複雜。計算機視覺定位技術的優勢在於信號探測範圍寬、獲取信息完整等，但是相對而言對處理器的要求更高[23]。
EasyLiving系統是基於計算機視覺的定位系統，採用高性能的照相機，準確性比較高;但當室內環境複雜時，很難一直保持高精度。通過移動機器人同步定位和製圖(simultaneous location and mapping，SLAM)的原理，可以引入視覺傳感器。文獻[25]通過基於參考圖像使用低分辨率相機實現SLAM算法，從而精度可以到亞米級。2012年提出的EV-Loc室內定位系統是一個以視覺信號作為輔助定位來提高精度的定位系統。基於視覺定位原理的谷歌視覺定位服務(visual positioning service，VPS)技術，其理論精度可達釐米級別。
2.2 基於射頻信號的室內定位技術
1)WiFi定位
人們的生活已經被無線局域網包圍，WiFi定位因其低成本而成為受眾廣泛的技術，百度、高德、WiFiSLAM、Sensewhere、圖聚智能等一些公司都投身其中。其定位的優勢在於無需額外的設備，部署成本低、功耗低，用戶隨時隨地就能使用手機開啟WiFi、蜂窩網絡，定位成本低、適用性強，所以最早實現了規模化。
WiFi室內定位技術一般分2種：一種是基於接收信號強度指示(received signal strength indication，RSSI)距離交會的定位方法，由於在不同的環境的條件下信號衰減和距離的關係都有改變，結果達不到理想的精度;另一種是基於RSSI位置指紋法，信號的匹配是其研究的主要部分，定位精度在於校準點密度，不需要部署過多硬件設施，是目前用得較多的WiFi定位方法。由Microsoft公司開發的RADAR 室內定位系統，在空曠的室內環境中精度可達到2～5m。HORUS系統提高精度的方法是以無線信號數據的概率模型作為定位特徵參數，但前期需要大量的指紋採集作為基礎來確定準確的指紋概率分佈。Mole、EPE系統雖然精度可以達到要求，但是算法極其複雜，所以滿足不了定位的快速性。另外，美國的WiFiSLAM和我國的“翼周邊”等系統對數據庫的運行和維護要求高，一般用在重要地點的佈設。隨著定位方案的不斷改進，2010年微軟研究院在WiFi技術支持下又提出了一種基於EZ算法的室內定位系統，該系統不需要前期大量的調研，只需在比較強大的中心處理器上進行大量複雜的計算。
2)藍牙(Bluetooth)和紫蜂(ZigBee)定位
藍牙定位和ZigBee定位技術二者均基於短距離低功耗通訊協議，實現的方法可以是質心定位法、指紋定位和鄰近探測法;且二者都具有功耗低，近距離、運用廣泛等優點，但同時穩定性差、受環境干擾大。
藍牙定位技術是根據測量信號強度進行定位，蘋果公司開發了一個基於低功耗的精確的微定位技術iBeacon，我國的“尋鹿”定位系統也使用該模式進行定位。2016年發佈的藍牙5.0協議將為實現高精度室內定位提供技術支持。目前藍牙技術較多使用的指紋定位法，其改進的方法也大都基於這個方法。ZigBee室內定位的實現是通過每個盲節點之間相互協調通信，基於的方法是鄰近探測法。目前ZigBee定位技術通過模糊聚類等方法改進，定位精度可達到米級。
3)蜂窩網絡定位
蜂窩網絡定位主要用於智能手機的定位，依靠檢測傳播信號的特徵參數來實現定位，常用的定位方法有鄰近探測法、以及基於觀測到達時間差(observed time difference of arrival，OTDOA)來實現定位。該定位技術的優勢在於可以形成普適化的室內定位方案，但缺點是由於受系統設計、時間同步精度差等影響，精度一般較低，約為50～300m。愛立信公司採用OTDOA的方法達到50 m 的精度。有的採用多天線MIMO+TDOA技術，定位精度可達5～10m。未來的發展如基於5G 通信網絡的技術有望達到更高的精度。
4)射頻識別定位
射頻識別技術(radio frequency identification，RFID)是一種利用射頻信號實現對物體的自動識別並獲得相關信息的技術。RFID技術是二戰時被英國用來識別飛機作為雷達改進的一部分，結合智能傳感器技術，RFID 技術已成為物聯網核心技術。其具有輻射距離遠、可以繞過障礙物傳輸、設備低成本、高可攜性、易維護性、定位精度高等特點，但是作用距離短、接收信號強度可能不穩定。
具有代表性的RFID系統定位系統有微軟公司的RADAR系統，是基於RSSI測量的室內定位解決方案，不過易擴展性不高因其對環境有很大的依賴性。華盛頓大學的SpotON 系統[37]是運用聚合算法進行反覆的迭代計算，但是其計算量極其大。密歇根州立大學提出的基於主動射頻識別校驗的動態識別系統(location identification based on dynamic active RFID calibration，LANDMARC)，其算法的核心是通過鄰近法來實現定位;之後的研究者們在此算法基礎上進行了很多改進。目前，科研人員對算法的研究一直持續，從而使得射頻識別技術日趨成熟。
5)超寬帶定位
超寬帶(ultra wideband，UWB)定位在美國空軍中最早得到應用，到2002年，美國FCC才通過了超寬帶定位可以運用於民用的提案。其具有結構簡單、實現成本低、發射信號功耗低、信號的穿透力強、安全性高、信號速率高，具大通信通道容量等優點，且定位精度可以達到釐米級別。UWB相對於其他的無線通信技術，很容易做到定位與通信互為一體，所以比較適合繁雜的室內空間。
在應用研發方面，芯片Driver2和Aether5具有體積小、穿透力強、功耗低等優點。Ubisense公司的UWB實時定位系統產品工作頻段為5.8～7.2GHz，採用的方法為多邊定位法和三角定位法，定位精度可達15cm。DecaWave研發的Scen-Sor系列無線室內定位芯片，其中產品中最小的定位誤差在10cm以內，但是由於其成本比較高，所以還未得到廣泛的應用。為了更好地優化室內定位服務，超寬帶技術與RFID技術的結合可用於室內精確定位。
2.3 融合定位技術
不同傳感器進行位置信息融合，稱為融合定位。融合多種定位技術進行室內定位是目前研究的熱點。武漢大學的陳銳志教授把融合定位方法分為緊耦合和松耦合，北京郵電大學的鄧中亮教授提出室內融合WiFi、藍牙、慣性、視覺等多種手段創建多元緊耦合定位模型，同時結合室外的GNSS實現大型建築物內外人的“米”級無縫定位。把多種技術的優勢結合以達到更高的精度從而提高定位的魯棒性，是融合定位的一大優勢。
現有的室內定位融合研究方案有多種。文獻[39]提出結合WiFi、磁場強度和蜂窩信號來構建混合定位系統。文獻[40]中WiFi測量結合PDR來實現更高的準確性。文獻[41]使用藍牙RSSI測量和智能手機上的加速度計和氣壓計進行融合室內三維定位。文獻[42]實現了地磁場定位和慣性傳感器結合的方案，提供不需要基礎設施的可靠的定位方法。文獻[43]提出只根據自身攜帶的慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)、氣壓計、超聲波、攝像頭，採用開發粒子濾波的方法而不需要基礎設施進行融合，實驗結果精度可達到3m。這些都可以說明不論是穩定性還是精度方面，融合後的定位系統均優於單一的定位系統。
2.4 其他定位技術
地磁定位技術確定室內位置是利用室內環境中不同點位地磁場強度不同的特點，與WiFi指紋方法相似。芬蘭奧盧大學的IndoorAtlas是應用地磁定位技術的代表系統，精度可達到0.1～2m。NFC技術是通過距離接近的方法來實現定位的，通過佈設感應標籤，得知感應標籤的位置從而確定移動設備的位置，優勢在於簡單快速，劣勢在於無法感知行人在各個標籤之間的狀態，要實現廣域覆蓋必須跟運動傳感器融合。LED可見光通信採用的主要技術有相機技術、圖像捕獲技術、移動終端等。基於終端的LED光定位技術是該領域的研究熱點，主要有光網技術以及多模式融合技術。Bytelight定位系統就是基於對光源調製特定光信號來實現定位的，可達米級的定位精度，Ubeacon系統也是採用LED定位研發的。多用戶協同定位指用戶之間通過接受信號強度進行互相測量，從而獲取相互距離，可以把信息利用得更充分，穩定性更好。
2.5 室內定位技術精度對比分析
室內定位技術精度對比分析如表2所示。
3 應用進展
室內導航與定位技術已經逐漸應用於經濟社會、國防和人類的日常生活中，隨著對其進一步的深入研究和應用拓展，其應用將滲透到人類社會與生活的方方面面。
1)在企業管理中的應用
各種類型的廠礦企業，其內部均包含龐大的設施以及複雜的室內空間，需要對人員安全、設施安全、移動物體的運動軌跡、產品製造安全等方面進行嚴格的管理與監控。首先採用基於鄰近探測法自動識別系統對員工的上下班時間進行記錄，然後通過ZigBee傳感器技術，在室內環境中佈置參考節點，接受參考節點的信號強度來獲取員工自身位置從而記錄員工所在位置的變化，同時REID人員定位系統結合門禁系統，可以有效管理不同權限人員進出相應的區域，這對於員工內部的管理是相當重要的。同時可對所有設備安裝RFID電子標籤，通過識別器對物品進行動態監控，以實現自動化的安全管理。
2)對特殊人群的監護服務
室內導航定位技術可對幼兒、病人和犯人等提供有效的定位監護。在幼兒園中設立電子圍欄，實時把數據以消費推送的方式發送給家長，這樣家長可以通過智能手機移動終端APP瞭解孩子的行程軌跡從而知曉孩子的安全狀態。在醫院中，室內定位服務通過配置連入網絡的WiFi有源標籤可以動態監測醫院貴重設備，查詢設備類型、數量、狀態;同時讓一些特殊病人攜帶指標監視器，如果病人發生突發狀況，醫生能夠第一時間知道其位置，有效開展救援。在監獄中需要知道犯人是否在其應該在的活動區域，室內定位服務可為監獄管理人員提供犯人的行為軌跡。
3)在應急安全救援中的應用
當發生一些無法控制的緊急事件時，消防人員在煙霧瀰漫且複雜的室內很難準確開展救援，此時室內導航定位的作用就會凸顯出來：由於基於射頻信號的技術癱瘓，大多數情況可應用慣性導航技術來確定人員位置;一般消防員身上攜帶有傳感器，以便觀察消防人員的位置、身體狀況，及時對消防員實施路線指令，可以更好地開展救援，保障人員安全。文獻[46]分析了在應急逃生導航路徑規劃方面的常用算法，然後提出了基於優化模型的路徑規劃算法，並驗證了其優越性。
4)在大型室內旅遊景點的應用
在博物館、畫展、圖書館這些人群密集的場所，可以在人們常駐足的地方佈置RFID有源標籤等設備，當遊客攜帶導遊設備走進該點時，通過識別RFID標籤可對不同遊客的遊覽路線進行分析得到不同的解說信息，並且根據停留時間感知遊客感興趣的畫作，並向其推薦更詳細的內容，同時也可以進行導航服務，讓遊客獲得更好的遊覽體驗。也可以採用無源定位導航技術方案，如文獻[48]提出的QR-Code方案，用戶直接可以通過手機掃碼功能掃描附近的QR-Code來獲得遊覽路線，從而全面提高導覽服務水平。
5)在智慧養老服務中的應用
通過智慧養老雲中心將服務需求方與提供方連接起來，通過安裝在老人身上的指標監視器，可以及時瞭解身體的各項指標，實時將生理指標參數傳到養老服務中心的電腦上，通過給老人配置智能手機、智能腕錶、定位傳感器等，來實現定位以及緊急救助。當老人離家外出時，發送實時的位置信息給照顧者，減少老年人走丟的概率，方便家人和社區服務人員對老人的照顧。
6)在物品管理和運輸中的應用
生活中對物品也可以進行定位服務，在大型倉庫中，對物品的分類及尋找極其重要，可以在不同種類的物品上安置傳感器，並且實時更新這些數據，這樣分揀員根據手持終端可以快捷方便地找到物品，提高工作效率。文獻[49]用PDC算法，加入物品自動分揀功能，完成RFID倉庫物流管理系統實現。所以從物品的整理到運輸以及後續的防盜問題，室內導航與定位服務都可發揮非常重要的作用。
4 面臨的挑戰與發展趨勢
4.1 室內導航定位面臨的挑戰
室內導航定位技術的研究與應用雖然迅猛，但仍面臨很多挑戰。
1)動態性太強
室內環境容易發生變化，比如因為重新裝修導致商場裡整個格局會發生變化，或者是簡單的一些桌子的移動都會影響室內定位的精度。如何能讓其對環境的自適應能力增強、實現數據信息庫的自動更新，是室內定位的挑戰和難點。
2)成本和複雜性較高
一些技術必須要有配套的基礎設備來提供技術支撐，還要匹配定位終端設備才能發揮作用，同時前期需要採集數據庫作為支撐，需要大量的人力和物資以及後期的維護，這限制了室內定位技術的推廣和普及。
3)可擴展性不高
有很多的室內定位處理方案是針對特定的環境提出的針對性方案，所以可擴展性比較低，不能很好地應用於其他的環境中。
4)用戶終端供電能力有限
對於使用電池的移動設備來講，室內定位所產生的功耗對用戶來說影響很大，智能手機雖說性能越來越高，不過還要滿足其他的一些主流功能，所以定位功能只佔據小部分，如果開啟定位功能而使設備電池消耗過快，那麼用戶可能就不會開啟，這樣就限制了用戶的使用。
4.2 室內導航定位發展趨勢
室內導航定位技術的發展日新月異，但仍存在很多難題急需解決，未來仍有很多理論與技術方法需要深入研究和探討。
1)尋找新的多技術融合方案以及信息融合算法的優化
開發低成本、可靠的室內定位系統的一個新興解決方案是使用混合系統，多個傳感器和多個技術集成可以優勢並存，從而彌補單個技術比較單一的缺點，通過集成技術提供更可靠和更準確的位置。目前已有一些定位源的融合，平均精度達到2～5m。但是要想實現高精度、低成本、實時性強和廣域覆蓋的室內定位技術，仍然需要尋求新的完整解決方案。為確保它的可靠性和穩定性，還需要權威性的標準來促進室內定位技術的發展。
2)低功耗優化
通過對技術的低功耗優化，可以避免產生額外功耗，節省時間、提高效率。蘋果公司採用的iBeacon，因其低功耗藍牙技術而受到廣大關注，可避免用戶開啟定位功能而產生額外的高功耗，從而用戶隨時隨地都能享受定位服務。通過分出特定的處理器來處理分析室內定位運動數據，降低使用其應用處理器，達到降低功耗的目的;預計未來低功耗藍牙室內技術將獲得更加廣泛的應用。
3)尋找新的定位源和定位方法
依靠傳統定位源的定位只能達到2～5m的精度，所以未來尋求新的定位源來實現高精度定位，探索新的基於視覺、音頻信號和射頻信號的技術來進行研究是實現更高精度定位的方向。在算法上可以把其他領域的一些成熟算法引入進來，如神經網絡、遺傳算法等，可以增強室內定位的精度和穩定性。
4)重點突破5G網通信網絡的室內定位
全球5G時代即將來臨，我國在推進5G方面也屬於領跑地位，5G的發展為室內定位技術的研究提供更好的技術支撐。未來的5G網絡會大大提高移動終端的通信帶寬，具備多天線、密集組網等優點，可為實現1m以內精度提供技術支撐，為實現室內外無縫定位提供支持。
5)注重室內定位數據安全與隱私問題
關於WiFi中的個人隱私問題引起了很多人的重視，如何能保證在不侵犯用戶隱私的情況下對終端周圍的WiFi熱點進行採集是目前急需解決的問題，同時在人工智能和大數據下，人們通過智能設備得到的位置信息是否會被洩露，定位服務的安全性是否可以得到保障，是未來的重要研究方向。
5 結束語
室內導航定位技術的研究日益得到關注和重視，其應用逐漸得到普及，未來智能城市的建設等都將離不開室內導航定位技術，未來發展精度性高、成本低、普適性的室內導航定位技術以及實現室內外無縫導航定位始終是國內外研究的熱點與難點。本文從室內導航定位方法出發，對室內導航定位技術的發展趨勢和難點進行了分析與探討，結合自己的研究與思考，給出了室內導航定位技術與方法的研究趨勢。
參考文獻：略
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