智能手机的定位源主要包括3大类:
① 导航卫星接收机:包括我国的北斗,美国的GPS,欧洲的Galileo和俄罗斯的GLONASS等;
② 内置传感器:包括加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、光线传感器、麦克风、扬声器和相机;
③ 射频信号:包括Wi-Fi、蓝牙、蜂窝无线通信信号等。除了卫星导航接收机外,所有传感器和射频信号都不是为定位而设置的。尽管如此,这些传感器和射频信号还是为我们提供了很多的室内定位源。
室外定位以成熟的开机即得的卫星定位技术为主
但准确、可靠、实时的室内定位,满足现有各类定位需求仍有很大的挑战性。其主要受制原因在于:
1.主流的全球卫星导航系统(global navigation satellite systems,GNSS)目前虽然已经被广域大规模商业应用,在室外开阔环境下定位精度已可以解决大部分定位需求,但该类信号无法覆盖室内,难以形成定位。
2.室内环境复杂,无线电波通常会受到障碍物的阻挡,发生反射、折射或散射,改变传播路径到达接收机,形成非视距(non line-of-sight,NLOS)传播。NLOS传播会使定位结果产生较大的偏差,严重影响定位精度。
3.室内空间布局、拓扑易受人为的影响,导致声、光、电等环境容易发生变化,对于以特征匹配为基本原理的定位方法,定位结果将受到较大影响。
蓝牙定位:
终端侧定位.jpg蓝牙终端侧定位是由终端设备(如嵌入SDK软件包的智能手机)和蓝牙Beacon(信标)组成,在需要定位的区域内部署蓝牙Beacon,根据RSSI强度信息来判断用户距离每个Beacon信标的距离,一般至少需要铺设3个蓝牙Beacon信标,用三角定位法确定移动设备的大致位置。
蓝牙定位比较有名的有苹果推出的iBeacon,在一个iBeacon基站的帮助下,智能手机的软件能大概找到它和这个iBeacon基站的相对位置。
iBeacon.jpg
成熟方案:
Nokia的HAIP,高通的iZAT和Gimbal,国内的SKYLAB
优缺点:
基于蓝牙的室内定位优点在于设备体积一般比较小,功耗低,建立连接时间短,主要可以应用于小范围的定位。缺点是蓝牙系统稳定性较差,受噪声的干扰比较大。
WIFI定位:
基于Wi-Fi技术的室内定位主要也依据RSSI强度信息来判断用户位置。
一类方法与上述方法相同,在已知各个AP位置的前提下,用信号衰减模型计算移动设备与各个AP的距离,用三角定位法确定移动设备的大致位置。
另一类方法则类似于机器学习算法,首先将待检测的室内区域按特定面积进行网格划分,然后获取每个网格内的Wi-Fi信号强度信息,这实际上是一个训练的过程。在训练阶段得到每个网格的信号强度信息,在定位时,通过实时检测信号强度,将与当前信号强度匹配度最高的网格作为移动设备当前的位置。
所以不论是以上哪种基于RSSI的方法,都需要预先对待定位区域有详细的了解。
成熟方案:
WifiSLAM(被苹果收购)、Wifarer、智慧图等。
优缺点:
Wi-Fi方法的优势在于无线网络的覆盖范围大,易于安装,成本低,但其也仅能用于事先了解Wi-Fi环境的建筑或场地内,且精度未达到很高。
惯性定位技术
惯性导航系统是利用惯性元件来测量载体运动加速度,通过对加速度的积分运算,从而确定运载体位置。随着 MEMS(Micro-Electro Mechanical System,微机电系统)技术的成熟,越来越多的低成本惯性测量单元IMU(Inertial Measurement Unit,主要含加速度计和陀螺仪,磁力计可选)被集成到移动计算平台上,由于利用积分运算的惯性定位对惯性器件要求较高,室内定位中多利用 MEMS IMU 进行 PDR(Pedestrian Dead Reckon,行人航迹推算),其中主要利用加速度计来探测步数,再结合步长估计与航向估计,进行位置估计 。
优缺点:
惯性测量完全自主、全天候、不受外界环境干扰影响,无信号丢失问题,适合室内定位应用,但室内 PDR 需要其他定位方式进行初始对准,并需要借助数字罗盘进行航向估计。
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