無線室内定位技術

1. 引言

移動計算(Mobile Computing)技術的(de)一(yī / yì ／yí)項重要(yào / yāo)應用就(jiù)是(shì)向大(dà)衆提供定位服務。定位服務從普通的(de)商業活動，科學研究，直至搶險搜救等各行業中都有着重要(yào / yāo)的(de)應用。對于(yú)戶外環境，GPS 是(shì)一(yī / yì ／yí)種成熟的(de)無線定位技術，已在(zài)很多行業得到(dào)了(le／liǎo)廣泛的(de)應用;但是(shì)在(zài)人(rén)們活動最爲(wéi / wèi)頻繁的(de)室内環境中是(shì)無法接收到(dào) GPS 信号。爲(wéi / wèi)此，人(rén)們探索了(le／liǎo)很多技術方法以(yǐ)滿足無線室内定位的(de)需求。本文将詳細闡述目前被廣泛關注的(de)幾種無線室内定位技術，歸納其主要(yào / yāo)特點，同時(shí)給出(chū)一(yī / yì ／yí)些典型的(de)商業或實驗性質的(de)無線室内定位系統示例。然後我們将論述無線室内定位系統的(de)體系結構特征，最後讨論無線室内定位系統的(de)一(yī / yì ／yí)些發展前景和(hé / huò)面臨的(de)一(yī / yì ／yí)些技術難題。需要(yào / yāo)說(shuō)明的(de)是(shì)，相對于(yú)文獻[1]對定位系統的(de)綜述，我們的(de)研究重點是(shì)室内定位技術和(hé / huò)室内定位系統及其相關技術問題。雖然室内定位是(shì)定位技術的(de)一(yī / yì ／yí)種，和(hé / huò)室外的(de)無線定位技術相比有一(yī / yì ／yí)定的(de)共性，但是(shì)室内環境的(de)複雜性和(hé / huò)對定位精度和(hé / huò)安全性的(de)特殊要(yào / yāo)求，使得室内無線定位技術有着不(bù)同于(yú)普通定位系統的(de)鮮明特點，而(ér)且這(zhè)些特點是(shì)戶外定位技術所不(bù)具備的(de)。

2. 無線室内定位的(de)關鍵技術

與戶外環境相比，室内環境要(yào / yāo)複雜的(de)多。建築物的(de)布局、内部結構、材料、裝飾裝修情況等都會對室内定位的(de)效果産生影響。除去純技術方面的(de)考慮，許多人(rén)爲(wéi / wèi)的(de)限制因素，如安全性，個(gè)人(rén)隐私的(de)考慮等，也(yě)對室内定位技術體系有很大(dà)的(de)影響。從不(bù)同的(de)應用和(hé / huò)需求出(chū)發，人(rén)們提出(chū)了(le／liǎo)很多種不(bù)同的(de)可用于(yú)室内定位的(de)技術方法，如利用紅外，超聲波，無線電波的(de)傳播模型等推算位置。這(zhè)些方法一(yī / yì ／yí)般都有很強的(de)應用背景，适用的(de)定位服務對象也(yě)不(bù)盡相同。爲(wéi / wèi)方便我們對不(bù)同定位技術方法進行研究評價，我們對目前的(de)一(yī / yì ／yí)些室内定位技術和(hé / huò)定位服務需求進行了(le／liǎo)考察，總結出(chū)以(yǐ)下幾個(gè)重要(yào / yāo)的(de)特點。

2.1. 定位系統的(de)坐标系配置和(hé / huò)位置信息的(de)表達方法

坐标系的(de)建立是(shì)定位的(de)前提。GPS 通過全球經緯坐标系統定位，可以(yǐ)給出(chū)某一(yī / yì ／yí)點精确的(de)經緯度。一(yī / yì ／yí)般說(shuō)來(lái)，室内定位系統是(shì)針對某一(yī / yì ／yí)建築物建立獨立的(de)坐标體系，并以(yǐ)此爲(wéi / wèi)定位依據。當然，我們也(yě)完全可以(yǐ)通過若幹控制點的(de)測量，換算建築物獨立坐标和(hé / huò)全球坐标系統，以(yǐ)實現室内室外坐标系的(de)整合。在(zài)計算目标坐标位置時(shí)，一(yī / yì ／yí)些定位系統建立固定的(de)坐标系統，有固定的(de)參照點;而(ér)另一(yī / yì ／yí)些系統則不(bù)依賴固定的(de)參照點定位，或者雖然通過和(hé / huò)參照點的(de)相對位置表達信息，但參照點的(de)位置卻是(shì)動态變化的(de)，每一(yī / yì ／yí)個(gè)被定位對象的(de)坐标都用它和(hé / huò)其他(tā)物體的(de)相對位置決定。也(yě)就(jiù)是(shì)說(shuō)系統并不(bù)真正建立一(yī / yì ／yí)個(gè)坐标系統，而(ér)隻是(shì)在(zài)需要(yào / yāo)的(de)時(shí)候才進行換算。在(zài)室内環境中，人(rén)們往往不(bù)需要(yào / yāo)或者不(bù)關心定位對象的(de)絕對坐标位置，人(rén)們更希望系統能夠提供諸如“某人(rén)在(zài)一(yī / yì ／yí)樓大(dà)廳，打印機在(zài) 309 房間”等這(zhè)樣的(de)定位信息，這(zhè)實際上(shàng)是(shì)一(yī / yì ／yí)種地(dì / de)址信息。地(dì / de)址信息是(shì)一(yī / yì ／yí)種模糊的(de)信息，并不(bù)能直接顯示在(zài)地(dì / de)圖上(shàng)。地(dì / de)理信息系統(GIS)中爲(wéi / wèi)了(le／liǎo)解決這(zhè)個(gè)問題，提出(chū)了(le／liǎo)地(dì / de)址編碼(Geocoding)技術，用來(lái)匹配地(dì / de)址信息和(hé / huò)地(dì / de)圖位置。由于(yú)在(zài)室内定位系統中，人(rén)們普遍關注地(dì / de)址信息，因此地(dì / de)址編碼在(zài)室内定位系統中将發揮重要(yào / yāo)的(de)作用。

2.2. 位置信息通信和(hé / huò)室内位置信息計算的(de)安全性

人(rén)或物體在(zài)室内的(de)位置是(shì)敏感的(de)。除非在(zài)特定的(de)環境下，人(rén)們并不(bù)希望把自己的(de)位置信息透露給不(bù)相幹的(de)人(rén)，這(zhè)就(jiù)出(chū)現了(le／liǎo)位置信息的(de)安全性問題。這(zhè)個(gè)問題包括兩個(gè)方面：一(yī / yì ／yí)是(shì)位置信息的(de)計算方式，二是(shì)位置信息傳輸的(de)安全性。目前存在(zài)兩種位置的(de)計算方式：一(yī / yì ／yí)種是(shì)定位信息在(zài)被定位者一(yī / yì ／yí)端計算(本地(dì / de)計算)，被定位者獲得自己的(de)位置信息後，決定如何公布自己的(de)位置信息。另一(yī / yì ／yí)種則是(shì)由中心服務器集中處理所有被定位者的(de)信息(集中計算)，并按照一(yī / yì ／yí)定的(de)方式向相關人(rén)員廣播。一(yī / yì ／yí)般認爲(wéi / wèi)本地(dì / de)計算是(shì)更安全的(de)方式，系統應至少能夠允許進行本地(dì / de)計算。而(ér)位置信息傳輸則是(shì)通信安全的(de)範疇，我們就(jiù)不(bù)多讨論了(le／liǎo)。

2.3. 定位精度

不(bù)同的(de)應用對定位精度有着不(bù)同的(de)要(yào / yāo)求。室内環境本身比較小，一(yī / yì ／yí)般說(shuō)來(lái)要(yào / yāo)求定位精度比較高才能夠滿足應用需要(yào / yāo)。但是(shì)室内定位需要(yào / yāo)回答的(de)往往是(shì)這(zhè)樣的(de)問題：“某人(rén)在(zài)哪個(gè)房間?”而(ér)被定位者在(zài)房間中的(de)位置我們大(dà)部分情況下并不(bù)關心，因此實際上(shàng)隻要(yào / yāo)能夠達到(dào)定位到(dào)房間就(jiù)可以(yǐ)滿足很多實際需要(yào / yāo)了(le／liǎo)。定位精度可以(yǐ)通過改進設備來(lái)不(bù)斷提高，但是(shì)我們需要(yào / yāo)在(zài)精度和(hé / huò)經濟效益之(zhī)間作出(chū)權衡。

2.4. 位跟蹤和(hé / huò)方向判别

方向判别是(shì)定位系統中常見的(de)問題。行進方向是(shì)很重要(yào / yāo)的(de)信息，如 GPS 車輛導航中對車輛行進方向的(de)判别。室内定位系統除了(le／liǎo)要(yào / yāo)求能夠跟蹤運動物體，判斷行進方向外，我們往往還要(yào / yāo)求能夠判斷靜止物體的(de)朝向，例如人(rén)員的(de)面向位置。靜止時(shí)物體朝向是(shì)室内定位中所特有的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)問題，也(yě)是(shì)一(yī / yì ／yí)個(gè)很重要(yào / yāo)的(de)問題。這(zhè)個(gè)功能在(zài)文獻[2]中介紹的(de) RADAR 室内定位系統中有所涉及。

2.5. 素識别能力

實際應用往往要(yào / yāo)求定位系統具備一(yī / yì ／yí)定的(de)自動識别能力。這(zhè)種識别能力一(yī / yì ／yí)般可以(yǐ)通過把身份識别系統和(hé / huò)室内定位系統集成起來(lái)，如胸卡識别和(hé / huò)條形碼識别。我們還可以(yǐ)把成像系統或語音系統和(hé / huò)定位系統結合，這(zhè)樣就(jiù)可以(yǐ)具備更複雜的(de)識别能力。

2.6. 備依賴性

室内定位系統雖然出(chū)現的(de)很早，但是(shì)一(yī / yì ／yí)直沒有能夠得到(dào)比較廣泛的(de)使用。原因之(zhī)一(yī / yì ／yí)就(jiù)是(shì)目前的(de)室内定位系統往往需要(yào / yāo)安裝特定的(de)設備，而(ér)這(zhè)些設備要(yào / yāo)麽十分昂貴，要(yào / yāo)麽就(jiù)隻能特定的(de)建築内安裝，如監獄，保密室等。而(ér)且設備隻能用于(yú)定位，沒有任何别的(de)用途，這(zhè)大(dà)大(dà)限制了(le／liǎo)室内定位系統的(de)應用。近年來(lái)，随着無線局域網(WLAN)的(de)興起，人(rén)們開始研究把無線網絡信号用于(yú)室内定位。文獻[2]，[3]中論述了(le／liǎo)使用 WLAN 來(lái)進行室内定位的(de)試驗情況。由于(yú) WLAN 的(de)發展是(shì)計算機網絡的(de)趨勢，越來(lái)越多的(de)建築内将安裝 WLAN, 如果能夠借助 WLAN 來(lái)室内定位，就(jiù)可以(yǐ)擺脫對特定設備的(de)依賴，降低成本，使室内定位有可能得到(dào)廣泛的(de)使用。

2.7. 系統穩定性

無線室内定位技術走向實用的(de)關鍵之(zhī)一(yī / yì ／yí)是(shì)必須達到(dào)一(yī / yì ／yí)定的(de)穩定性，維護維修要(yào / yāo)比較容易，有一(yī / yì ／yí)定的(de)冗餘度，對于(yú)室内環境的(de)變化能夠有一(yī / yì ／yí)定的(de)自我調節或适應能力。由于(yú)室内環境的(de)格局，物品的(de)擺放，裝飾裝修都有可能頻繁變化，這(zhè)要(yào / yāo)求定位技術必須具備一(yī / yì ／yí)定抵抗環境變化幹擾的(de)能力。如房屋的(de)格局如果發生了(le／liǎo)有限的(de)變動，或用于(yú)定位的(de)設備部分發生故障，我們希望系統仍然能夠繼續正常工作，或能夠通過人(rén)工或自适應的(de)方式進行調節，保證定位系統的(de)可用性。從目前的(de)技術來(lái)看，室内定位系統的(de)抗環境幹擾能力，穩定性都存在(zài)一(yī / yì ／yí)定的(de)問題，這(zhè)是(shì)無線室内定位技術需要(yào / yāo)着重研究解決的(de)一(yī / yì ／yí)個(gè)問題。

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