物联网定位技术超全解析!定位正在从室外走向室内

文章来源：物联网智库

主要是GPS接收机，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得定位信息和观测量，经数据处理实现定位。

GPS的定位原理说白了就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。

要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距）。

当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个变量 t 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。如下图所示：

 图：GPS定位原理

基站定位一般应用于手机用户，手机基站定位服务又叫做移动位置服务（LBS，Location Based Service），它是通过电信移动运营商的网络（如GSM网）获取移动终端用户的位置信息。

手机等移动设备在插入sim卡开机以后，会主动搜索周围的基站信息，与基站建立联系，而且在可以搜索到信号的区域，手机能搜索到的基站不止一个，只不过远近程度不同，再进行通信时会选取距离最近、信号最强的基站作为通信基站。

其余的基站并不是没有用处了，当你的位置发生移动时，不同基站的信号强度会发生变化，如果基站A的信号不如基站B了，手机为了防止突然间中断链接，会先和基站B进行通信，协调好通信方式之后就会从A切换到B。这也就是为什么同样是待机一天，你在火车上比在家里耗电要多的原因，手机需要不停的搜索、连接基站。

基站定位的原理也很简单：我们知道，距离基站越远，信号越差，根据手机收到的信号强度可以大致估计距离基站的远近。

当手机同时搜索到至少三个基站的信号时（现在的网络覆盖这是很轻松的一件事情），大致可以估计出距离基站的远近；基站在移动网络中是唯一确定的，其地理位置也是唯一的，也就可以得到三个基站（三个点）距离手机的距离，根据三点定位原理，只需要以基站为圆心，距离为半径多次画圆即可，这些圆的交点就是手机的位置。

由于基站定位时，信号很容易受到干扰，所以先天就决定了它定位的不准确性，精度大约在150米左右，基本无法开车导航。定位条件是必须在有基站信号的位置，手机处于sim卡注册状态（飞行模式下开wifi和拔出sim卡都不行），而且必须收到3个基站的信号，无论是否在室内。但是，定位速度超快，一旦有信号就可以定位，目前主要用途是没有GPS且没有wifi的情况下快速大体了解下你的位置。

GPS和基站定位技术基本满足了用户在室外场景中对位置服务的需求。然而，人的一生当中有80%的时间是在室内度过的，个人用户、服务机器人、新型物联网设备等大量的定位需求也发生在室内；而室内场景受到建筑物的遮挡，GNSS信号快速衰减，甚至完全拒止，无法满足室内场景中导航定位的需要。

近年来，位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展，以提供无所不在的基于位置的服务，其主要推动力是室内位置服务所能带来的巨大的应用和商业潜能。许多公司包括OS提供商、服务提供商，设备和芯片提供商都在竞争这个市场。

室内定位即通过技术手段获知人们在室内所处的实时位置或者行动轨迹。基于这些信息能够实现多种应用。

能够通过室内定位技术获知哪些地方人流量最大，客人们通常会选择哪些行动路线等，从而更科学地布置柜台或者选择举办促销活动的地点。

可以利用室内定位技术更方便地找到所需购买物品的摆放区域，并获得前往该处的最佳路线。

不用再担心孩子在商场中走失，通过室内定位技术可以实时定位孩子的位置。

可以运用室内定位技术实时获知室内的人员状况，从而更好地优化空调的使用等，达到节能减排的目的，还能够有效提高安全保卫的水平。

通过部署室内定位技术，电信运营商能够更好地找到室内覆盖的“盲点”和“热点”区域，更好地在室内为用户提供通信服务。

和室外定位相比，室内定位面临很多独特的挑战， 比如说室内的环境动态性很强，可以说是多种多样，不同的大厦会有不同的室内布局；室内的环境更加精细，由此也需要更高的精度来分辨不同的特征。

那么实用的室内定位解决方案都需要满足那些要求呢?主要包括以下几个方面：精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性和响应时间。

能够通过室内定位技术获知哪些地方人流量最大，客人们通常会选择哪些行动路线等，从而更科学地布置柜台或者选择举办促销活动的地点。

覆盖范围主要是指一个技术和解决方案可以在多大的范围内提供满足精度的覆盖。有些技术需要相应或专用的基础设施支撑并结合相应的定位终端使用，这样它的覆盖就只是布局了相应技术的环境范围。

前面提到室内环境动态性很强，会经常发生改变，比如商场的设置和隔断会经常发生变化。另一方面，定位所依赖的基础设施也会经常发生变化。举个例子，一些大型的会议，参展商会架设自己的WiFi 热点， 这些设施会动态变化位置，甚至有时开有时关，如果定位技术是基于WiFi的，可靠的系统应该不会受到这些因素的影响。

成本和复杂度指标涵盖两个方面。一个是定位终端的成本，是不是可以用终端已有的硬件而不添加新的硬件。另一方面是布局和维护的成本及其复杂度，包括布局与维护定位所需要的设施和采集相关的数据库。

定位所产生的功耗是一个很重要的指标尤其对使用电池的移动设备，如果功耗大很快使设备没电了，就限制了用户的使用。有调查表明，电池消耗过快是很多用户不开启定位功能的一个主要因素。所以，如果要实现随时随地的位置感知，必须降低定位所增加的设备额外功耗。

可扩展性指一个解觉方案扩展到更大的覆盖范围使用的能力，和方便地移植到不同的环境和应用的能力。

系统给出一个位置更新所需的时间是响应时间，不同的应用需求不同，比如移动用户和导航应用需要快的位置更新。

室内定位的技术分支多样，下图是各种室内定位方案的对比图：

目前室内定位常用的定位方法，从原理上主要分为七种：邻近探测法、质心定位法、多边定位法、三角定位法、极点法、指纹定位法和航位推算法。

不同的室内定位方法选择不同的观测量，通过不同的观测量提取算法所需要的信息。下表对主要的观测量进行简要的介绍。

根据上面介绍的定位原理和观测量，衍生出了多种室内定位技术，下面将对主流的室内定位技术进行简要介绍。

目前WiFi是相对成熟且应用较多的技术，这几年有不少公司投入到了这个领域。WiFi室内定位技术主要有两种。

WiFi定位一般采用“近邻法”判断，即最靠近哪个热点或基站，即认为处在什么位置，如附近有多个信源，则可以通过交叉定位（三角定位），提高定位精度。

由于WiFi已普及，因此不需要再铺设专门的设备用于定位。用户在使用智能手机时开启过Wi-Fi、移动蜂窝网络，就可能成为数据源。该技术具有便于扩展、可自动更新数据、成本低的优势，因此最先实现了规模化。

不过，WiFi热点受到周围环境的影响会比较大，精度较低。为了做得准一点有公司就做了WiFi指纹采集，事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库，来确定位置。

随着行走时间增加，惯性导航定位的误差也在不断累积。需要外界更高精度的数据源对其进行校准。所以现在惯性导航一般和WiFi指纹结合在一起， 每过一段时间通过WiFi请求室内位置，以此来对MEMS产生的误差进行修正。该技术目前的商用得也比较成熟，在扫地机器人中得到广泛应用。

超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗干扰效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。根据不同公司使用的技术手段或算法不同，精度可保持在0.1 m~0.5 m。