孙博超
华航环境发展有限公司 北京市 102400
摘要；随着社会的进步和科技的发展，定位技术已经渗透到了人们生活的方方面面，成为人们不可或缺的应用。它不仅可以用于人员搜寻、位置查找、交通管理、车辆导航与路线规划等生活应用，还在军事领域以及预防自然灾害方面也发挥着重要作用。通过对敌方指挥作战中心的精确定位，可以实施精准打击和搜索救援。在一些自然灾害频繁发生的无人值守区域，如地震和泥石流滑坡地区，通过无线传感器网络与定位技术的结合，相关部门能够对该范围进行实时监控，从而防范于未然，减少灾害发生所造成的财产损失。定位技术的巨大应用价值使得各国都对其展开了相关研究，很多成熟技术已经投入日常使用。总体来说，定位可以划分为室内定位和室外定位两个方面，它们采用不同的定位技术，应用于不同的定位场景。
关键词：室内外；定位；技术
现如今,随着科技日益进步,电子产品越来越普及,功能也越来越强大,人们对位置信息的需求越来越大,不仅在人们的日常生活方面需要位置的信息,在工 业、商业和服务业都对位置的信息有着很大的需求。定位,就是确定某人或物体的位置。定位技术根据环境不同又可以分为室外环境下的定位技术和室内环境下的定位技术,这两种技术之间看似相似却大相径庭。首先是环境的不同,室外环境相对空旷,障碍物较少,而室内环境障碍物多,例如墙壁、家具等;其次 是维数不同,室外环境下,一般实现二维定位即可,而在室内环境下因为楼房和地下建筑较多,二维定位已经远远不能满足需求;再有对定位精度的要求也不同, 室外定位实现“米级” 已经可以满足绝大部分普通用户的需求,甚至“十米级”也已足矣,但是在室内环境中的定位对精度要求更高甚至要达到“厘米级”才能满足用户的需要。
一、室外定位
室外定位具有定位场景多样、范围广和距离远的特点。由于受到各种环境因素的影响，同样的定位技术在不同地带的定位精度会有明显差别。目前应用于室外定位的主流技术主要有卫星定位和基站定位两种。
1、卫星定位。全球定位系统 GPS是现阶段技术最为成熟、使用最为广泛的卫 星定位技术，它由美国自主研发，全球覆盖率高达98%，具有很高的定位精度。出于战略意识形态和国家安全的角度，同时为了打破技术垄断，我国自主研制了北斗卫星导航系统，如今已覆盖大部分亚洲地区，定位精度可与GPS媲美。卫星导航系统通常分为空间段、地面段和用户段三部分。它的定位原理是用户端发出定位请求，空中卫星接收后将定位相关信息传至地面控制中心，由中心计算出定位结果再通过卫星将其反馈给用户端[1]。现在市面上的卫星定位设备通常都是通过接收多种卫星信号，进行综合计算从而实现精确定位。
2、基站定位。卫星定位虽然精度高、覆盖广，但其成本昂贵、功耗大，并不适合于所有用户。基站定位是由手机运营商提供的服务。它无需借助卫星系统，不用专业定位设备，通过测量终端与多个基站的距离，计算出用户的最终位置，具有功耗低、成本便宜的优点。但是，由于信号沿直线传播，容易被建筑物遮挡形成信号折射，从而导致测量距离出现较大误差，定位结果不准确。基站定位的精确度在几十米到几百米之间，是一种粗定位方式。
二、室内定位技术
现如今存在的室内定位技术主要有红外线定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位技术、WiFi 定位技术、超带宽定位技术、射频识别定位技术以及地磁定位技术。其中依赖辅助设备的定位技术有红外线定位技术、超声波定位技术、蓝牙定位技术、WiFi 定位技术、超带宽定位技术、射频识别定位技术。基于辅助设备的室内定位技术的原理主要是通过在室内部署设备进行测距,再由后台进行定位计算。
1、红外线定位技术。波长与频率之间的关系为:波长与频率成反比,频率高则能量大,能量越大则穿透性越强。 红外线的波长介于微波和可见光之间,且红外线折射较少,传播距离较长,红外线定位技术正是受此启发采用了红外线的特点,在被定位的设备上安装可以发射红外线的仪器,再在室内安装接收红外线信号的传感器,通过计算红外线发射设备发出红外线信号到红外线接收设备接收信号的时间,再根据红外线在空气中的传播速度,以此可测定标签距固定位置的红外线接收设备的距离, 计算出红外线发射设备与接收设备之间的距离后,再通过后台定位算法计算位置坐标。红外线定位技术定位精度相对较高,环境部署也相对简单,但是因为红外线波长长、频率低、能量小,所以穿透能力差,无法穿透室内的墙壁等建筑物,并且容易被室内的其他灯光干扰,所以使用此方法定位具有 局限性。
2、超声波定位技术。超声波是一种声波,人耳能接收的声波频率在 20 赫兹到 2000 赫兹之间,超声波频率很高,已经超出了人耳所能听到的范围,因为频率高,所以能量大、穿透能力很强。 超声波定位,与红外线定位技术原理类似, 通过在室内布置超声波接收设备作为参考点。
超声波发射器发射超声波后,由参考点接收并做出回应,根据此过程中参考设备接收到的超声波的时间,以及超声波的传输速度,可以计算出参考节点之间的距离,然后再根据一些计算位置信息的算法计算出待测节点的位置,例如三边定位算法。 超声波定位的优点是定位精度相对较高,但是超声波在空气中传输时会出现较大的衰减,所以传输的范围有限,会影响定位精度,并且超声波定位技术需要的设备成本高[5] ,不能做到普遍适用。
3、蓝牙定位技术。蓝牙是一种无线技术标准,可以实现较短距离的信息或数据交换,例如短距离的固定设备或者移动设备之间等。 蓝牙定位技术现如今也是一种较为流行的定位技术, 此技术需要通过在室内铺设基站,当具备蓝牙功能的移动设备进入室内环境后,可以接收到来自基站发送的广播报文,根据此报文测量出接收功率,通过功率衰减与距离的函数公式计算出移动设备与beacon基站之间的距离,再通过某些算法,例如三边定位算法,计算出移动设备的位置。 蓝牙定位技术现在的使用较为广泛,因为现如今的终端设备如手机平板等都具备蓝牙的功能。但是蓝牙定位的使用也具有局限性。例如,室内的其他信号可能会对蓝牙信号产生干扰,并且其定位的范围相对较小等。
4、WiFi 室内定位。有关室内定位技术的一些研究考虑的问题不能只考虑精度问题,还应该考虑成本问题,大部分现如今存在的定位技术或多或少都需要较为昂贵的成本,但是后来有人提出室内的无线信号 WiFi 是否能用来进行定位。 现今 WiFi 广泛使用在各种大小建筑内,所以越来越多的个人或企业开始着手于对 WiFi 室内定位的研究,例如百度、谷歌等知名企业。于是越来越多的以无线网络为基础的室内定位方案被提出。例如其中一种WiFi 定位的工作原理大致概括如下:在室内布置至少三个固定的AP信号在便于安装的位置,后台系统或者管理员清楚地了解这些AP信号的具体位置,并且对硬件的要求是移动设备必须能够连接 WiFi,通过测量移动设备的接收信号强度值(received signal strength indication,RSSI),根据 RSSI 值与其传播速度或者方向等信息,再由后台通过一些定位方法计算移动终端的位置。定位的方法常用的主要有两种,一种是传统的基于测距的定位方法,例如三边定位方法,另一种是非测距的位置指纹定位方法。WiFi室内定位技术的精度较高,并且成本较小,环境搭建起来也相对较为简单,但是由于WiFi 信号的带宽小,室内复杂的信号传播环境使得基于测距的方法实现起来会有较大误差,所以大多采用指纹定位方法。
5、超带宽定位。超宽带UWB技术是一种新型的无线通信技术。因为它的带宽很大,所以解决了普通的无线技术在传播过程中信号会产生衰减影响定位精度的难题。因为它对信道衰落不敏感等优点,所以可以做室内范围内近距离精确的定位。超带宽室内定位技术在现如今因其优势被广泛使用。超宽带定位技术的定位原理是在室内环境下部署一些可以接收超带宽脉冲信号的基站,通过待定位人员或物体携带可以发送超带宽脉冲信号的设备,当其发送位置数据的时候由基站进行接收,通过到达各个基站的时间差利用定位算法计算出位置,一般采用基于到达时间或到达时间差的算法[1] 。超带宽定位技术的定位精度相对较高,但是无法在大范围的室内环境下实现全覆盖从而影响定位,并且硬件建设成本高,不能做到普遍适用。
6、射频识别定位技术。R射频识别定位 FID[1]通过在室内环境部署读写器设备和 RFID 标签,通过射频信号实现数据的通信,以此来交换数据信息进行定位。其定位原理与GPS类似,RFID 标签在接收多个分布在室内的读写器信号后计算出信号强度值,再根据信号强度值反推其坐标。射频识别定位技术的优点是定位时间短、精度高,但是其作用距离短是一个很大的使用局限。
7、地磁定位技术。地球上的南北极之间形成一个基本的磁场,但是这些磁场会受到钢性材料的影响,室内环境中有各种钢筋等建筑材料,可以认为室内的每个位置的磁场都是不同的,所以就可以根据这些特有的属性进行定位,定位方法一般采用基于指纹的定位方法。地磁定位的优点是不需要依赖额外的硬件设备, 成本低。缺点是需要大量的数据采集工作,而且室内环境中的一个钢铁制品可能就会影响磁场的分布,所以信号很容易受到干扰。
从上世纪开始，定位技术已有几十年的发展历史，对人类社会和生活造成了极大影响。除了文章所提到的定位方法，各国还有很多的相关成果正处于研究阶段或者已经投入正式使用。当前各种定位技术都具有各自的优缺点，适合于不同的应用领域。未来的定位技术发展趋势应该是融合现有方法，平衡各种定位技术，模糊室内外界限，提供交互机制标准，使得人们在任何场合都可以进行实时精准定位。同时，人们对于定位技术的安全性应该给予更多的关注和考虑，实现合理安全高效的应用。
参考文献：
[1] 李 冀,肖岩,马琳琳,袁子伦,许连杰.室内外无缝定位方案研究[J].无线互联科技,2019,16(14):10.
[2] 刘博斐,朱雨豪,陈锁.北斗+无缝定位关键技术[J].电子技术与软件工程,2018(23):28-29.
[3] 史云飞,郝永生,刘德亮. 室内无线定位算法研究现状与发展趋势[J]. 电讯技术,2018,58(10):16.
[4] 王 杨,赵红东. 室内定位技术综述及发展前景展望[ J]. 测控技术,2019,35(7):1-3.