4.3 室内定位导航

室内定位导航是指在有遮挡的建筑物内进行定位和导航。由于建筑物的遮挡和内部的复杂性，使很多室外成熟的定位导航技术不能直接应用于室内。随着城市化的快速发展，城市建筑体量越来越巨大，尤其在大城市和特大城市中，机场、停车场、购物中心、写字楼等不仅在平面上占地面积十分巨大，而且在垂直方向上也很复杂。在室内识别方向和确定位置显得日益重要，室内导航服务需求越来越迫切。

4.3.1室内定位导航原理

室内定位通常利用安装在室内的多个信号接收器接收来自移动目标发出的定位信号，根据一定算法原理计算出移动终端的位置，并利用建筑物内部结构图进行导航。

1.室内定位方法

室内定位常用的方法有时间到达法、时间到达差法、到达角度法、信号强度法等，不同方法所依据的定位原理也不尽相同。

时间到达法( time of arrive, TOA )是利用移动终端信号到周边多个接收器的传播时间测量距离，然后通过距离交会定位。这种方法要求各个接收器在时间上保持精确同步。

时间到达差法( time diference of arive, TDOA )不直接测量信号到达接收器的时间，而是利用多个接收器接收到信息的时间差计算移动终端位置。这种方法在实际应用中不需要移动终端和接收器之间同步，故对网络的要求比较低，但定位精度较高。

因为室内信息覆盖范围有限，无线电信号传播速度很快，所以时间到达法和时间到达差法的适用性不够理想。

到达角度法( angle of arive, AOA )是通过估算信号人射角确定接收器与移动终端连线的方向，由多条接收器与移动终端的连线即可交会定位。这种方法所需设备成本大，且定位精度受环境影响也比较大。

信号强度法( received signal strength indicator, RSSI )是室内定位常用的一.种方法，有两种实现途径: 一是通过建立信号强度与信号传播距离之间的数学模型，将信号强度转换为距离，然后距离交会定位；二是通过记录室内多个点的分布位置情况，利用位置指纹定位。位置指纹定位操作一般有两个步骤，首先在系统覆盖区设置多个定位标签(AP)，离线获取AP定点的位置信息和信号强度，在数据中心形成位置指纹数据库;实时测算移动终端信号强度，利用最邻近法分析匹配出移动终端位置(图4.23)。

2.室内定位导航系统

室内定位导航系统一般由接收器、待定位节点、室内定位引擎等部分组成(图4.24 )。

接收器是接收移动终端发出的定位信号的装置，一般安装固定在建筑物的四周或者天花板上。同一建筑物内的接收器通过无线通信形式构成一个自组织的网络系统，当携带移动终端的待定位节点物体出现在定位范围内时，接收器便会获得并记载相关信息。

待定位节点指带有发射电路的终端，通常被安置在需要定位的人员或手机等物体.上,负责给接收器发射信号。

定位引擎一般由数据库模块和数据分析模块组成，用来处理各个接收器获得和记载的数据，通过信号处理和数据计算,实现对待定位节点的定位和导航。

4.3.2常见室内定位导航技术

室内定位可分为广域室内定位和局域室内定位两种。广域室内定位技术为实现广域覆盖，需要改造基站和手机芯片等设备模块，将其集成到广域网上，因此成本巨大、周期很长。局域室内定位技术只需集成到局域网中，实现局部区域覆盖，所以成本低、周期短。目前常见的室内定位技术有WiFi、蓝牙、红外线、超宽带、射频识别、ZigBee、超声波等。

1.WiFi定位技术

WiFi是一种无线网络通信技术，支持电子设备连接到无线局域网(WLAN)，由国际WiFi联盟( WiFi Aliance, WFA )所持有。WiFi 采用IEEE 802.11无线网络标准，使用2.4G UHF或5G SHF ISM射频频段,有密码保护，也可以开放使用。

WiFi网络是应用最广泛的无线网络技术之一 。采用WiFi定位技术进行室内定位导航，不仅能很好利用已有基础设施和终端设备,降低系统成本，而且WiFi定位能降低射频干扰，有利于提高定位的稳定性。目前WiFi室内定位的精度可达到米级(0~10m)

2.蓝牙定位技术

蓝牙( Bluetooth)是一种可实现固定设备、移动设备和局域网之间短距离数据交换的无线技术标准，由蓝牙技术联盟( Bluetooth Special Interest Group, SIG)管理。蓝牙使用2.4 ~ 2.485GHz的ISM波段，在电信、计算机、网络和消费电子等领域广泛应用。

蓝牙定位技术主要应用于小范围定位。一个蓝牙网络由一个主单元和一个或多个附属单元构成，附属单元均与主单元的时间和跳频模式同步，并以主单元蓝牙设备的地址和时钟为基准。每个独立的同步蓝牙网络构成一个微微网( Piconet)。在建筑物内安装蓝牙局域网接人点，将局域网配置成多用户网络连接模型，确保蓝牙局域网接人点始终都是该微微网的主单元，这样就可获取移动终端的信号并计算出位置信息(图4.25)。

蓝牙室内定位技术的优点是设备体积小，易于集成在PC、PDA和手机端，容易实施；缺点是设备价格昂贵，在比较复杂的空间环境下系统稳定性较差。

3.红外线定位技术

红外线( infrared radiation, IR )定位系统由红外线发射器和接收器组成。红外线接收机安置在建筑物内固定的位置，通过有线网络与中心服务器连接。经过调制的红外线发射器可发射固定频率的红外线标示信号。当安装了红外线发射器的移动终端进人可定位区域内时，接收器即可检测并接收到红外信号,这时就能利用红外线发射器与多个接收器之间的位置关系确定移动终端的位置。

红外线室内定位技术具有相对较高的精度。因为红外线不能穿过障碍物，而且只能做视距传播，还容易受到荧光灯等灯光的干扰，所以红外线室内定位有效作用范围较小，定位效果较差。例如，将红外线发射器装入口袋里，或移动终端和接收器被墙壁隔开时，都不能正常定位。在内部结构比较复杂的空间，需要安装更多的接收器才能改善定位效果，但会增加系统造价。

4.超宽带定位技术

超宽带( ultra-wideband, UWB)是一种通过对冲激脉冲进行直接调制使信号具有GHz量级带宽的通信技术。超宽带技术不需要使用传统通信技术中的载波媒介，而是通过发送、接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据。窄脉冲信号持续时间极短、通电时间与通电周期比(占空比)低,具有很高的多径分辨能力; UWB信号功率谱密度较低，具有良好的频段共存性。

超宽带室内定位系统一般由UWB参考标签、UWB接收器和主动UWB标签构成。定位时，主动UWB标签发射信号，由UWB接收器接收后过滤掉电磁波传输过程中携带的各种噪声,得到携带有效信息的信号,并提交中央处理单元分析处理,确定移动终端位置。

超宽带定位技术可用于室内精确定位，如作战士兵的位置指示、机器人运动跟踪等。目前超宽带定位技术还处于研究阶段，硬件成本普遍比较昂贵。

5.射频识别定位技术

射频识别( radio frequency identfcation, RFID )是一种通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据的通信技术，又称无线射频识别。 射频识别由读写器和应答器组成，一个系统通常有一个读写器和很多个应答器，用于控制、检测和跟踪物体。射频识别技术利用频率信号传送数据，无需在识别系统与目标之间建立机械或光学接触，操控简易，已经在门禁控制、库存跟踪、车辆识别、安全防盗、生产控制等众多领域得到应用。

射频识别有无源、有源和半有源三种类型；读写器也有移动式和固定式两种。美国在2003年就制定了射频识别定位技术标准，内容包括2.45GHz标准、433MHz标准和应用程序接口标准三个部分。射频识别室内定位技术主要采用Landmarc和VIRE两种方法，其中Landmarc是一种典型的基于有源RFID的室内定位算法，使用充当定位参考点的参考标签进行辅助定位；VIRE是Landmarc的改进方法。射频识别室内定位技术具有速度快、通用性高、价格低、天线及产品模块体积小等优点，但其作用距离较近，不利于与其他系统的协同。

6.ZigBee定位技术

ZigBee是一种短距离、低速率的无线网络通信技术。ZigBee技术基于IEEE 802.15.4标准，具有低功耗、低成本、高容量、高安全、响应速度较快等特点，工作速率20 ~ 250kbps,能满足低速率传输数据的应用需求，相邻节点间的传输范围为10 ~ 100m,增加发射功率后可增加到1 ~ 3km，性能介于蓝牙技术和射频识别技术。ZigBee 又称紫蜂协议，源于蜜蜂的八字舞(图4.26)。蜜蜂通过飞翔和振动翅膀发出“嗡嗡”(zig)声与同伴“分享”花粉所在方位信息，利用八字舞方式构成蜜蜂群体的通信网络。

ZigBee技术可以在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些微小的传感器耗能很少，它们以“接力”方式通过无线电波将数据从一个传感器传送到另外一个传感器，通信效率非常高。

ZigBee室内定位技术依靠ZigBee基站和定位标签进行定位。在基站信号覆盖范围内，安装在移动终端上的定位标签自动与基站组建网络，并将信息发送到基站，由基站汇总信息后发到服务器，服务器依据信号强弱或信号到达时差计算移动终端位置。ZigBee定位技术可用于各种人员或资产的动态跟踪和监控。

7.超声波定位技术

    超声波是一种频率高于20000Hz的声波，具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能等特点，已被人类应用于很多领域。

    在生物界，小蝙蝠、海豚等动物就是利用超声波定位的。超声波测距是进行定位的基础，测距方法主要有反射测距法和单向测距法。在空气中，超声波的传播速度与声波的传播速度相同，约为340m/s，远远低于电磁波约30万km/s的传播速度，因此利用超声波测距的误差要小于利用电磁波测距的误差，从而获得更准确的定位。

    超声波室内定位系统由一个测距器和多个应答器构成，测距器一般安置在移动终端上。测距器发射特定频率的无线电信号，应答器接收到无线电信号后即向测距器发射超声波信号，测距器刘各应答器完成测距。利用3个或3个以上不在同一条直线上的应答器的测距结果计算就可得到移动终端位置。

    超声波室内定位技术的优点是不受可视距离限制，定位精度较高；缺点是定位系统需要无线电等其他技术支持，硬件设施成本较高。

4.3.3室内定位导航系统应用举例

      室内定位导航技术在商业、旅游、医疗、教育、交通、公共安全、军事等众多领域都有着很好的应用需求，这种需求将随着信息化和人工智能的发展而变得更加迫切。目前，室内定位导航系统已经在医院、图书馆、仓储、超市、地下停车场、候机大厅、展厅、矿井、监狱等环境中有所应用。下面将通过几个示例，进一步展示室内定位导航系统的具体应用。

1.医院里的室内定位导航应用

      医院室内定位导航系统主要应用在以下两个方面一是向患者提供医疗资源位置信息，  二是对特定患者进行跟踪管理。通过室内定位导航系统．患者可以从导航地图上清楚地了解科室分布，在系统引导下前往要去的科室，节省时间。智能系统还能根据各科室的拥挤情况，规划出合理省时的检查路线计划，实现方便患者、优化医疗资源的目的。利用室内定位导航系统跟踪管理的患者，当突然感到身体不适时，就可通过腕带等可穿戴设备及时发出求救信号，医护人员第一时间获知求救患者基本信息和当前位置后，就能及时赶去救助，最大限度不耽误病人诊治。主治医护人员也可以通过室内定位导航系统实时查询患者位置，了解患者病情，督促病人治疗，如患者未经允许随意离开指定区域，系统会发出提示信息并通知护士，患者行走路线也将记录在系统中。

图4.27是某医院智能定位管理系统界面

2.图书馆的室内定位导航应用

图书馆室内定位导航系统是协助读者快速查找到欲查询书籍存放位置和找到满意阅览室的高效工具。尽管图书馆内的书籍都是按照一定的规则存放的，但是查找到一本指定的书仍然要耗费很多时间，尤其是在大型图书馆或读者对书籍存放规则不熟悉时，情况可能更糟。利用图书馆室内定位导航系统，读者只需在手机端输人要借阅的书名，系统不仅提示待借阅书籍的存放位置，而且显示到达存放位置的路线，引导读者前往。当读者需要在图书馆找一个安静的地方阅读时，可以通过具有室内定位导航功能的图书馆智能管理系统，了解各阅览室的拥挤情况和空闲座位分布，快速找到满意的座位，节省了寻找座位的时间，也提高了座位的使用率。

3.仓储物流管理中的室内定位导航应用

    快递企业发展离不开现代仓储物流管理，而室内定位导航技术是实现仓储物流现代化管理的基础。通过集成货物标签扫描识别和室内定位导航技术，可实现人库和出库的智能化管理。室内定位导航系统可对货物进行实时定位，协同相关系统完成搬运设备调度与任务优化、路径轨迹记录与分析、货物调度信息查询与丢失物资查找、安全预警等工作。在仓储物流管理中，货物人库、出库是业务量最大的工作。当货物人库时，在货物标签赋码、货物人库手续交接后，由室内定位导航系统引导搬运设备将货物放置在仓库合适位置并记人系统数据库；货物出库时，系统根据出库单确定货物存放位置，引导搬运设备至待出库货物处，在验证货物、出库手续交接后搬运出库。射频识别技术在仓储物流管理中已经有很多成功应用的案例（图4.29）。

4.超市里的室内定位导航应用

大型商场超市也是室内定位导航技术应用的重要场所。在大型商场中，人们容易迷失在众多店铺里而无法找到自己想要的商品。利用室内定位导航技术，用手机连接商场WiFi并加载商场地图，就能对所有楼层、店铺了如指掌。例如，某大型超市利用可见光通信技术，搭建了室内导航系统，帮助消费者尽快找到需要的商品。该超市将卖场内所有的照明灯更换为采用了可见光通信技术的节能LED灯，线路总长度约2.5km;每个LED灯的照明光能产生含有位置信息的唯一代码，这个代码经智能手机摄像头获取后能被专门软件识别。利用这个技术，消费者在大型超市面对琳琅满目的商品时，仍然能够快速找到自己所需要的商品（M4.30).

5.公共安全领域的室内定位导航应用

在公共安全领域，室内定位导航技术已经应用于机场车站巡逻、消防灭火行动、学校监护管理、灾难现场救援、监狱管理等工作中。传统安保巡逻存在的重要缺陷之一是管理人员无法实时掌控室内巡逻人员的位置和路线。借助室内定位导航技术，管理人员就可以实时监控巡逻全过程，及时了解室内安全环境变化，快速处理存在的问题。监狱是一种环境特殊复杂的场所，充斥着危险，因此建立安全可靠的智能安保系统，用以识别、监控和跟踪定位在押人员十分必要。用于监狱管理的室内定位系统的设备有其特殊性，如能有效防止自行拆卸和破坏。通过设备上的唯一标识码，系统就可以实时监视、跟踪每一个监狱人员，限制其在规定范围内活动，记录监狱人员的行动轨迹，当遇到突发情况时，及时发出警示信息（图4.31）。在智能安保系统支持下，警方能有效减少乃至杜绝逃狱、暴力互殴、自杀、袭警等事件。