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提升数据价值 创新商业模式

室内定位技术浅析

发布时间:2018年03月02日 来源:中国自动识别网 作者:梁坤 刘名磊

随着互联网+服务的高速发展,基于位置服务的应用需求逐渐增多。室外定位技术随着GPS的使用,已经比较成熟,室内定位技术的发展目前为多种技术方案并存的局面。 
近年来,随着互联网+服务的高速发展,基于位置服务(LBS)的应用需求越来越多。在室内和室外环境下,连续可靠地提供位置信息可为用户带来更好的用户体验,蕴藏着巨大的应用和商业潜能。
位置服务是基于定位技术的一种应用,定位技术分为室外定位技术和室内定位技术两大类。室外定位技术(如GPS、GLONASS和北斗等)发展比较早,目前的应用(如车载导航,航海航空导航等)也比较成熟。室内定位由于室内环境动态性强,不同的大厦会有不同的室内布局,对于定位精度的要求也比室外更加高。当前常见的室内定位技术方案针对某个特定的应用场景来设计,有一定的优势,但也存在各种局限性,不具备普适性,有一定的移植难度。
针对当前室内定位技术存在的问题,学术界的共识是采取多种技术融合,以达到充分发挥单一技术的优势,并相互弥补不足,从而达到最优的解决方案。
 
室内定位技术
当前主流的室内定位技术包括WiFi定位技术、蓝牙(BT)定位技术、超宽带(UWB)定位技术、地磁定位技术、超声波定位技术及RFID定位技术等,如图1所示。
 
WiFi定位技术
WiFi定位技术主要有三种:基于接收信号强度的三边测量定位(三角定位法)、基于接收信号强度的指纹定位法和基于信号传播时间测量法。
接收信号强度三边定位法的原理是通过信号强度和已知信号衰弱模型来估计参考点和待测点之间的距离,根据多个参考点距离待测点的距离值画圆,多个圆的重叠部分即是待测目标的位置。该方法的定位精度约为10~20m。
接收信号强度指纹定位法的原理是通过将测量到的接收信号强度与前期测量的各个参考点的信号强度特征进行比较,选取匹配度最高的参考点位置作为测量目标的位置。该方法的定位精度约为3~5m。
基于信号传播时间测量法的原理是通过测量无线信号在两个节点之间往返的时间,并利用该时间推算节点间的距离,根据多个参考点距离待测点的距离值画圆,多个圆重叠的部分即为待测目标的位置。该方法的精度约为1m。
以上三种WiFi定位技术都是依赖于WiFi热点(AP)位置分布数据库或接收信号强度指纹数据库来实现定位,部署前需要大量的样本来建立数据库,且被测目标需要具备WiFi模块,定位的精度受AP信号稳定性影响,存在一定的局限性。
蓝牙定位技术
蓝牙是一种低功耗短距离的无线传输技术,它能够通过测量接收信号强度来进行定位。蓝牙定位的算法可以采用三角定位法,也可以采用指纹定位法,其定位精度约为2~3m。由于蓝牙的通讯距离有限,需要部署多个蓝牙基站设备来支撑定位,蓝牙信号易受多径效应影响,系统的稳定性有待提升。
UWB定位技术
UWB定位技术通过发送和接收具有纳秒级的极窄脉冲来传输数据,具有良好的穿透能力,抗多径效应好,定位精度高等特点。其定位原理是利用事先布置好已知位置的UWB基站,与新加入的盲节点进行通信,利用三角定位或指纹定位方式来确定位置。UWB定位的精度可达0.1~1m,但部署UWB基站和UWB终端设备的成本过高,存在一定的局限性。
地磁定位技术
地磁定位技术的原理是通过探测地磁信号来确定位置。地磁定位技术需要预先搜集磁场信息和地理位置信息,并综合这两个信息来创建一个场地的地磁位置数据库,采取指纹算法来确定新加入盲节点的位置。该种方式的定位精度较高,可达1m。地磁定位存在比较高的技术门槛,前期需要大量的样本来建立数据库,制约了其大规模应用。
超声波定位技术
超声波定位技术主要采用的是反射式测距法,通过发射超声波并接收由被测物产生的回波计算出待测距离。超声波定位技术也采用了三角定位等算法来确定物体的位置,其定位精度可达0.1~1m。超声波定位技术受多径效应和非视距传播影响较大,需要大量底层硬件基础设施,成本较高,存在一定的局限性。
RFID定位技术
RFID定位技术也是基于接收信号强度(RSSI)的一种定位技术,分为无源RFID定位技术和有源RFID定位技术两种,其原理也是基于三角定位法或指纹定位法。该定位技术由RFID读写器(或RFID基站)配合RFID标签使用,若采用无源UHF RFID标签,终端节点(被测物体)的成本将非常低,且具有非视距定位等优点。但若采用有源RFID定位,终端节点的成本将比较高。RFID定位技术也是一种射频识别技术,易受到多径效应的影响,进而影响定位精度。采用指纹定位算法的RFID定位技术,其精度约为0.1~1m。
多技术融合定位
由于以上六种室内定位技术有各自的优缺点,表1对这几种定位技术的特点进行了比较。
从表1的对比数据可知,目前几种主要的室内定位技术的缺点限制了这些技术应用场景,学术界提倡根据具体的应用场景,实行多种室内定位技术融合的方案,以达到最佳的定位精度和降低方案总成本的目的。多种室内定位技术融合方案将是未来相当长时间内该技术的发展趋势,其典型的技术框架如图2所示。
 
室内定位应用场景分析
室内定位的需求主要集中在室内停车场、大型商超、会展中心、监狱或医院及仓储等领域,这些领域的应用场景各不相同。
室内停车场定位场景
室内停车场可以通过定位功能,为顾客提供车位导航,找车服务等功能。同时,鉴于室内停车的算法设计,可以提供给顾客最优路线的导航服务,减少顾客盲目等待时间,进而提升车位的利用率,提高停车场的经济效益和提升顾客的体验感。
大型商超定位场景
大型商超可以通过定位功能,为顾客提供室内导航服务,提升顾客体验感,提高顾客粘性。同时,商超可以获取顾客的行进轨迹及停留时间,进行大数据挖掘和分析,有利于商场进行精准营销(如有针对性发地推送促销信息等),提高购买转化率。
会展中心、监狱及医院定位场景
会展中心、监狱及医院等场所的定位主要是针对人的轨迹定位,可以统计人流量及进行电子围栏(进入一定的区域后,可及时感知并触发预先设计好的事件执行)的设计,提供场所内导航及资产追踪等服务。
仓储定位场景
仓储场景的定位需求包括物品定位、操作人员定位及车辆(如叉车)轨迹追踪等。利用这些定位数据和轨迹数据,可进行精准调度,提升精细化的管理水平,提升仓储利用率和吞吐效率。
通过室内定位技术的应用,不仅可以提高用户体验,满足室内定位的场景需求,还可以基于室内定位获取的数据进行大数据挖掘和分析,提高数据的价值,形成新的商业模式。这将对社会经济的发展起到一定的促进作用,具有广泛的应用前景。
 
参考文献
[1] 赵方.基于云平台的移动计算与精准定位技术方案[R].深圳:深圳软件园(运通)技术服务中心,2017.
[2] 张健翀.基于射频识别RFID技术室内定位系统研究[D].中山:中山大学硕士学位论文,2010.
[3]http://www.ednchina.com/news/article/20170706RFID.八大室内无线定位方案对比[OL].
[4] http://www.eepw.com.cn/article/264519.htm.室内定位技术现状和发展趋势[OL].
[5] 中国产业洞察网.2016-2020年室内定位行业现状调研分析及发展前景报告[R].2015.
[6] 张浩,赵千川.蓝牙手机室内定位系统[J].计算机应用,2011年第31卷.
梁坤  刘名磊/文
(作者单位:深圳市远望谷信息技术股份有限公司) 
《中国自动识别技术》2018年第1期总第70期

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