无线室内定位技术

1. 引言

移动计算(Mobile Computing)技术的一项重要应用就是向大众提供定位服务。定位服务从普通的商业活动，科学研究，直至抢险搜救等各行业中都有着重要的应用。对于户外环境，GPS 是一种成熟的无线定位技术，已在很多行业得到了广泛的应用;但是在人们活动最为频繁的室内环境中是无法接收到 GPS 信号。为此，人们探索了很多技术方法以满足无线室内定位的需求。本文将详细阐述目前被广泛关注的几种无线室内定位技术，归纳其主要特点，同时给出一些典型的商业或实验性质的无线室内定位系统示例。然后我们将论述无线室内定位系统的体系结构特征，最后讨论无线室内定位系统的一些发展前景和面临的一些技术难题。需要说明的是，相对于文献[1]对定位系统的综述，我们的研究重点是室内定位技术和室内定位系统及其相关技术问题。虽然室内定位是定位技术的一种，和室外的无线定位技术相比有一定的共性，但是室内环境的复杂性和对定位精度和安全性的特殊要求，使得室内无线定位技术有着不同于普通定位系统的鲜明特点，而且这些特点是户外定位技术所不具备的。

2. 无线室内定位的关键技术

与户外环境相比，室内环境要复杂的多。建筑物的布局、内部结构、材料、装饰装修情况等都会对室内定位的效果产生影响。除去纯技术方面的考虑，许多人为的限制因素，如安全性，个人隐私的考虑等，也对室内定位技术体系有很大的影响。从不同的应用和需求出发，人们提出了很多种不同的可用于室内定位的技术方法，如利用红外，超声波，无线电波的传播模型等推算位置。这些方法一般都有很强的应用背景，适用的定位服务对象也不尽相同。为方便我们对不同定位技术方法进行研究评价，我们对目前的一些室内定位技术和定位服务需求进行了考察，总结出以下几个重要的特点。

2.1. 定位系统的坐标系配置和位置信息的表达方法

坐标系的建立是定位的前提。GPS 通过全球经纬坐标系统定位，可以给出某一点精确的经纬度。一般说来，室内定位系统是针对某一建筑物建立独立的坐标体系，并以此为定位依据。当然，我们也完全可以通过若干控制点的测量，换算建筑物独立坐标和全球坐标系统，以实现室内室外坐标系的整合。在计算目标坐标位置时，一些定位系统建立固定的坐标系统，有固定的参照点;而另一些系统则不依赖固定的参照点定位，或者虽然通过和参照点的相对位置表达信息，但参照点的位置却是动态变化的，每一个被定位对象的坐标都用它和其他物体的相对位置决定。也就是说系统并不真正建立一个坐标系统，而只是在需要的时候才进行换算。在室内环境中，人们往往不需要或者不关心定位对象的绝对坐标位置，人们更希望系统能够提供诸如“某人在一楼大厅，打印机在 309 房间”等这样的定位信息，这实际上是一种地址信息。地址信息是一种模糊的信息，并不能直接显示在地图上。地理信息系统(GIS)中为了解决这个问题，提出了地址编码(Geocoding)技术，用来匹配地址信息和地图位置。由于在室内定位系统中，人们普遍关注地址信息，因此地址编码在室内定位系统中将发挥重要的作用。

2.2. 位置信息通信和室内位置信息计算的安全性

人或物体在室内的位置是敏感的。除非在特定的环境下，人们并不希望把自己的位置信息透露给不相干的人，这就出现了位置信息的安全性问题。这个问题包括两个方面：一是位置信息的计算方式，二是位置信息传输的安全性。目前存在两种位置的计算方式：一种是定位信息在被定位者一端计算(本地计算)，被定位者获得自己的位置信息后，决定如何公布自己的位置信息。另一种则是由中心服务器集中处理所有被定位者的信息(集中计算)，并按照一定的方式向相关人员广播。一般认为本地计算是更安全的方式，系统应至少能够允许进行本地计算。而位置信息传输则是通信安全的范畴，我们就不多讨论了。

2.3. 定位精度

不同的应用对定位精度有着不同的要求。室内环境本身比较小，一般说来要求定位精度比较高才能够满足应用需要。但是室内定位需要回答的往往是这样的问题：“某人在哪个房间?”而被定位者在房间中的位置我们大部分情况下并不关心，因此实际上只要能够达到定位到房间就可以满足很多实际需要了。定位精度可以通过改进设备来不断提高，但是我们需要在精度和经济效益之间作出权衡。

2.4. 位跟踪和方向判别

方向判别是定位系统中常见的问题。行进方向是很重要的信息，如 GPS 车辆导航中对车辆行进方向的判别。室内定位系统除了要求能够跟踪运动物体，判断行进方向外，我们往往还要求能够判断静止物体的朝向，例如人员的面向位置。静止时物体朝向是室内定位中所特有的一个问题，也是一个很重要的问题。这个功能在文献[2]中介绍的 RADAR 室内定位系统中有所涉及。

2.5. 素识别能力

实际应用往往要求定位系统具备一定的自动识别能力。这种识别能力一般可以通过把身份识别系统和室内定位系统集成起来，如胸卡识别和条形码识别。我们还可以把成像系统或语音系统和定位系统结合，这样就可以具备更复杂的识别能力。

2.6. 备依赖性

室内定位系统虽然出现的很早，但是一直没有能够得到比较广泛的使用。原因之一就是目前的室内定位系统往往需要安装特定的设备，而这些设备要么十分昂贵，要么就只能特定的建筑内安装，如监狱，保密室等。而且设备只能用于定位，没有任何别的用途，这大大限制了室内定位系统的应用。近年来，随着无线局域网(WLAN)的兴起，人们开始研究把无线网络信号用于室内定位。文献[2]，[3]中论述了使用 WLAN 来进行室内定位的试验情况。由于 WLAN 的发展是计算机网络的趋势，越来越多的建筑内将安装 WLAN, 如果能够借助 WLAN 来室内定位，就可以摆脱对特定设备的依赖，降低成本，使室内定位有可能得到广泛的使用。

2.7. 系统稳定性

无线室内定位技术走向实用的关键之一是必须达到一定的稳定性，维护维修要比较容易，有一定的冗余度，对于室内环境的变化能够有一定的自我调节或适应能力。由于室内环境的格局，物品的摆放，装饰装修都有可能频繁变化，这要求定位技术必须具备一定抵抗环境变化干扰的能力。如房屋的格局如果发生了有限的变动，或用于定位的设备部分发生故障，我们希望系统仍然能够继续正常工作，或能够通过人工或自适应的方式进行调节，保证定位系统的可用性。从目前的技术来看，室内定位系统的抗环境干扰能力，稳定性都存在一定的问题，这是无线室内定位技术需要着重研究解决的一个问题。

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