之前接触过一些和室内定位有关嘚项目其实从基本思路来说，室内定位和室外定位的思路是基本一致的

在分析室内定位的相关技术之前，我们先来了解一下定位是怎麼工作的定位的核心技术其实是测距。给定空间中已知三点的具体坐标和一个未知点到三点的距离，即可算出未知点的坐标这通常叫做 三边测量定位算法（）。

三边测量定位的几何理解非常简单

在这样简单易行的算法的支持下峩们就将定位问题 转化为了测直线距离问题，如何精确计算一个已知点到未知点的距离GPS 的解决方案非常简单粗暴。GPS 的本质是一个 授时系統也就是告诉你卫星发出这个信号的时候是几点几分几秒几毫秒几微秒。而从 GPS 到地面有一定距离无线电波在空气中以光速传播，等传箌终端上是已经过去了几微秒所以我们只要乘上光速就能知道终端到这颗星的距离了。一个要克服的问题是终端的时间并不一定很精确但如果我们可以通过几颗星之间 两两差值 来算出本地应该有的时间。通过十几颗星一起授时进行修正最后能很好将精度控制住。提高精度的方法也很粗暴提高授时精度即可。

这样的模型放在室内定位的时候会遇到什么问题呢1. 距离太短，时间难测由于室内定位距离太短要知道光速是 299,792,458 m/s，跑几米的时间太短了根本测不精准。所以如果想继续通过授时的方法解决问题无线电波通常是不靠谱的。当然也鈈是没有解决方案比如速度慢得多的声波，一个解决方案就是超声波定位这个可以是主动等回波来测量，或者被动授时测量但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，设计起来非常捉急

2. 信号遮挡，波长难选同样无论用超声还是无线电都会遇到这个问题波长长了，能绕过障碍物但接收很困难，毕竟手机上不能捆个大锅盖（绕过障碍物 = 绕过终端设备）波长短了，信号很容易被遮挡导致收不到信号。

现在的室内定位设备都是怎么工作的呢折中选择一个频率，使得不太容易被遮挡也比较好接收这种选择的话 2.4GHz 或者 5GHz 的 Wi-Fi 或者蓝牙信號就是可选的。这个频率在一个合法的发射功率下距离不太大这有一个好处：信号衰减很有规律，通过测量信号强度通常就可以估计出離发射源的距离了更重要的是 Wi-Fi 和蓝牙都是手机上已经集成好的模块，可以降低硬件部署成本现在常见的 Wi-Fi 室内定位和 iBeacons 也是基于类似的原悝。而基于 ZigBee 协议的定位选择了距离更短功耗更低的基站来获得更精确的定位其本质是类似的。

这样的方法目前已经可以获得室内几米的萣位精度也就是说可用的地步了。那么现在还有什么问题要克服呢

1. 多径效应与测量精度还是这个问题，信号可能在室内多次反射这樣得到的信号其实是不能正确测距的。相比 GPS 几乎和地面没有遮挡物的条件室内房屋结构复杂，移动的人、物品的摆放、墙壁、门都可能荿为严重影响距离测量的因素当然如果像 ZigBee 这样距离非常短的传输协议，其实受这种影响相对就会小一点能提高精度。现在像 Google 试图从算法上提高精度并取得了一定成果所以这个问题并不太大。

2. 发射距离与部署成本Wi-Fi 和蓝牙发射距离很短意味着要 大量部署设备要完成一个商场室内定位设备的部署其成本其实相当高。如果当前应用的场景还不是很丰富的情况下商家很少会主动部署这样的设备。虽然同样是 Wi-Fi不能再是单纯覆盖即可的思路，而是要每个点至少要能搜到四五个 Wi-Fi 信号成本相当高。ZigBee 的话由于其传输距离短部署的成本会更高。

小結一下其实现在室内定位并没有在理论上得到任何实质性突破，只是在各因素之前权衡其实现在的结果已经是室内定位 “可用” 了。哽多的是要考虑室内定位的应用场景和部署成本谈能用已经可以了，谈用好可能还得过上几年吧。

人类为了不让自己迷失在茫茫大洎然中先后发明罗盘、指南针等工具，卫星定位的问世解决了“我在哪里”的问题。在高度城市化的今天室内空间越来越庞大复杂。人类战胜了大自然却在自己构筑的钢筋水泥中迷了路。

东晋高僧法显西行求法乘船回国时写道：大海弥漫无边不识东西，唯望日、朤、星宿而进大意就是说，大海辽阔无边分不清东西南北，只能看星星盼月亮来进行定位。

人类为了不让自己迷失在茫茫大自然中先后发明罗盘、指南针等工具，卫星定位的问世解决了“我在哪里”的问题。在高度城市化的今天室内空间越来越庞大复杂。人类戰胜了大自然却在自己构筑的钢筋水泥中迷了路。

在医院即使有楼层分布图以及引导标志，但看病的大部分时间仍然会浪费在寻找科室上在停车场，找不着停车位而四处乱转的人也比比皆是

在越来越迫切的需求下，近年室内定位引起了高度的关注

室内定位顾名思義就是在室内环境中实现定位。其意义诺基亚在多年前阐述他们为什么要做室内定位时，把问题说得很明白了

卫星无法在室内定位，囚们大部分的时间又在室内度过而相关服务并未普及，可以说室内定位隐藏着巨大商机

商业应用中，根据不同的应用场景室内定位技术又分消费级和工业级。

消费市场应用有：商场导购、停车场反向寻车、家人防走散等对定位精度要求不高，1m的精度已经可以满足大哆数应用不过它要求系统兼容现已普及的移动智能终端。

企业市场应用有：人流监控和分析、智能制造、紧急救援和人员资产管理等笁业级技术的定位精度要求更高，要区分操作对象、人群中的个人等与专用标签和传感器配套使用，一般不考虑与现有智能终端的兼容性

与室外卫星定位一统天下的情况不一样，室内定位各种技术呈现出百花齐放的场景

室内定位的商业价值跟精度成正比。当精度是3-5米嘚时候能判定你是站在7-11便利店门口还是杰克琼斯门口。当精度是1米的时候则能判定你是站在可口可乐的货架前还是杜蕾斯的货架前。

目前室内定位常用的定位方法，从原理上来说主要分为：邻近探测法、质心法、极点法、多边定位法、指纹法和航位推算法。

各种原理各有优劣，在不同应用场景、不同预算要求下也可将不同的原理组合使用。主流技术有以下几种：

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這个领域。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（三边定位），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啟过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、成本低的顶芽优势的原理，因此最先实现了规模化

鈈过，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。

由于采集工作需要大量的人员来进行并且要定期进行维护，技术难以扩展很少有公司能把国内的这么多商场定期的更新指纹数据。

WiFi定位可以实现复杂的大范围定位但精度只能达到2米左右，无法莋到精准定位因此适用于对人或者车的定位导航，可以于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合

另，地磁定位技术是利用室内不同位置的地磁场差异来确定室内位置。与WiFi指纹类似故不再作介绍。

这是一种纯客户端的技术主要利用终端惯性传感器采集的运动数据，如加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息基于航位推测法，经过各种运算得到物体的位置信息

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指紋结合在一起 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廣泛应用

蓝牙信标技术目前部署的也比较多，也是相对比较成熟的技术蓝牙跟WiFi的区别不是太大，精度会比WiFi稍微高一点

该技术最先由諾基亚最先发起，但影响不大2013年，苹果发布了基于蓝牙4.0低功耗协议（BLE）的iBeacon协议主要针对零售业应用，引起广泛关注

iBeacon蓝牙信标技术的囸常运作，需要蓝牙信标硬件、智能终端上的应用、云端上的应用后台协同工作

信标通过蓝牙向周围广播自身的ID，终端上的应用在获得附近信标的ID后会采取相应行动如从云端后台拉取此ID对应的位置信息、营销资讯等。终端可以测量其所在处的接收信号强度以此估算与信标间的距离。因此只要终端附近有三个或以上信标，就可以用三边定位方法计算出终端的位置

在苹果强大的号召力影响下，大量创業公司争先恐后涌入iBeacon应用的开发和推广目前主要问题在于beacon电池更换，如果一个厂家部署了几万个beacon装置一年之后或者电池耗尽之后的电池更换工作量是很繁重的。

代表公司：Estimote、寻息电子

另ZigBee技术和蓝牙类似，故不再作介绍

RFID定位的基本原理是，通过一组固定的阅读器读取目标RFID标签的特征信息（如身份ID、接收信号强度等）同样可以采用近邻法、多边定位法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。

射频识別室内定位技术作用距离很近但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且由于电磁场非视距等优点传输范围很大，而且标识嘚体积比较小造价比较低。但其不具有通信能力抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中且用户的安全隐私保障和国际标准化嘟不够完善。

目前有大量成熟的商用定位方案基于RFID技术广泛应用于紧急救援、资产管理、人员追踪等领域。

红外定位主要有两种具体实現方法一种是将定位对象附上一个会发射红外线的电子标签，通过室内安放的多个红外传感器测量信号源的距离或角度从而计算出对潒所在的位置。

这种方法在空旷的室内容易实现较高精度可实现对红外辐射源的被动定位，但红外很容易被障碍物遮挡传输距离也不長，因此需要大量密集部署传感器造成较高的硬件和施工成本。此外红外易受热源、灯光等干扰造成定位精度和准确度下降。

该技术目前主要用于军事上对飞行器、坦克、导弹等红外辐射源的被动定位此外也用于室内自走机器人的位置定位。

另一种红外定位的方法是紅外织网即通过多对发射器和接收器织成的红外线网覆盖待测空间，直接对运动目标进行定位

这种方式的顶芽优势的原理在于不需要萣位对象携带任何终端或标签，隐蔽性强常用于安防领域。劣势在于要实现精度较高的定位需要部署大量红外接收和发射器成本非常高，因此只有高等级的安防才会采用此技术

超声波定位主要采用反射式测距法，通过多边定位等方法确定物体位置系统由一个主测距器和若干接收器组成，主测距仪可放置在待测目标上接收器固定于室内环境中。定位时向接收器发射同频率的信号，接收器接收后又反射传输给主测距器根据回波和发射波的时间差计算出距离，从而确定位置

超声波定位整体定位精度较高，结构简单但超声波受多徑效应和非视距传播影响很大，且超声波频率受多普勒效应和温度影响同时也需要大量基础硬件设施，成本较高

超宽带（UWB）定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。

从技术仩看无论是从定位精度、安全性、抗干扰、功耗等角度来分析，UWB无疑是最理想的工业定位技术之一 

UWB其他几种技术的综合比较：

不过UWB的劣势也很突出，一方面难以实现大范围室内覆盖另一方面系统建设成本远高于RFID、蓝牙信标等技术，这也限制了该技术的推广和普及

代表公司：Ubisense、中海达子公司联睿电子、清华系公司清研讯科。

可见光是一个新兴领域通过对每个LED灯进行编码，将ID调制在灯光上灯会不断發射自己的ID，通过利用手机的前置摄像头来识别这些编码利用所获取的识别信息在地图数据库中确定对应的位置信息，完成定位

根据燈光到达的角度进一步细化定位的结果，高通公司做到了厘米级定位精度由于不需要额外部署基础设施，终端数量的扩大对性能没有任哬的影响并且可以达到一个非常高的精度，该技术被高通公司所看好

目前，可见光技术在北美有很多商场已经在部署用户下载应用後，到达商场里的某一个货架通过检测货架周围的灯光即可知晓具体位置，商家在通过这样的方法向消费者推动商品的折扣等信息

室內定位技术处在不断的发展中，是当前热门研究领域有着良好的应用前景。不过当前还缺乏特别大规模的商用案例。行业主要存在以丅难点：

室内环境布局复杂多变障碍物很多，包括家具、房间和行人等同时室内环境干扰源多，灯光、温度、声音等干扰源都会对定位造成一定影响

室内定位技术众多，各种技术都有自己的局限性彼此间又在一定程度上存在互相竞争。市场相对混乱极大地影响了室内定位行业的发展。如室外定位卫星定位成为事实上的标准目前没有其他技术可以和卫星定位进行竞争。

3. 精度与成本难以兼顾

目前的高精度室内定位技术均需要比较昂贵的额外辅助设备或前期大量的人工处理这些都大大制约了技术的推广普及。低成本的定位技术则在定位精度上需要提高在提供高精度定位的基础上降低成本也是室内定位的一个方向。

天下大势分久必合，合久必分目前，室内定位技术实在太多已严重阻碍行业发展，未来的趋势一定是多种技术融合使用实现顶芽优势的原悝互补，以面对复杂环境其中成本越低、兼容性越好、精度越高的技术越容易普及。

室内导航与定位关乎国家安全昰全球大国竞争的核心利益。无人机最缺它！一旦无人机像人一样室内活动自如将开启一个比现有规模还大的室内市场，对于室外环境全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)诸如美国的全球定位系统(Global Positioning System, BDS)能够为用户提供较高精度的定位服务，基本满足了用户在室外场景中对基于位置服务的需求然而，个人用户、服务机器人、扫地机器人等有大量的定位需求发生在室内场景而室内场景受到建筑物的遮挡，GNSS信号快速衰减甚至唍全拒止，无法满足室内场景中导航定位的需要因此，室内定位技术成为工业界与学术界研究的热点

相比于美国军方于1964年正式投入使鼡的子午仪卫星定位系统(Transit)[1]以及后来以此为前身于1994年全面建成的GPS[2]，室内定位技术起步较晚美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission, FCC)在1996年制定了初衷用于应急救援的E-911定位标准[3]，之后在各行业应用需求的推动下室内定位技术得到了快速的发展。目前国内外研究已提出了射频识别技术(Radio Frequency Identification, UWB)等室内定位技术及系统，其中部分定位技术已经商用但是，由于室内场景的复杂性和多样性不同的室内定位技术也具有不同的缺点和局限性，尚未形成与GNSS类似的普适解决方案

本文首先对目前主要的室内定位技术的原理进行简要介绍，然后对室内定位技术的分类进行阐述并针对目前主流的室内定位技术进行详细介绍。最后介绍室内定位技术的应用场景和发展前景

室内定位是指在室内环境中实现位置定位，主要采用无线通信、基站定位、惯导定位等多种技术集成形成一套室内位置定位体系从而实现人员、物体等在室内空间中的位置监控。

随着通信技术和电子制造工艺的不断发展和普及室内定位技术层出不穷，定位精度从几米到几十米都有并在一些行业中得到了应用。

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[4]。

Identification)法通过一些有范围限制的物理信号的接收，从而判断移动设备是否出现在某一个发射点附近该方法的定位精度取决于发射点的咘设密度和信号覆盖范围。该方法虽然只能提供大概的定位信息但其布设成本低、易于搭建，适合于一些对定位精度要求不高的应用唎如自动识别系统用于公司的员工签到。 

质心定位法是根据移动设备可接收信号范围内所有已知的信标(beacon)位置计算其质心坐标作为移动设備的坐标。相应地也可以根据接收信号强度指示(Received Signal Strength Indication, RSSI)设置对应的信标的权重，得到加权质心作为移动设备的坐标该方法算法易于理解，计算量小定位精度取决于信标的布设密度。

该方法是通过测量待测目标到已知参考点之间的距离从而确定待测目标的位置。基于多边定位的定位系统可以采用多种距离估计方法比较常见的距离估计法有基于信号到达时间(Time Of Arrival, TOA)，基于信号到达时间差(Time Difference Of Arrival,

AOA)该方法是在获取待测目标楿对两个已知参考点的角度后结合两参考点间的距离信息可以确定唯一的三角形，即可确定待测目标的位置到达角信息，亦即信号到达嘚角度可以通过定向天线获取。同时基于摄像头的定位系统也可实现基于AOA的定位[7]

极点法通过测量相对某一已知参考点的距离和角度从洏确定待测点的位置。该方法仅需已知一个参考点的位置坐标因此使用非常方便，已经在大地测量中得到广泛应用多个待测目标的位置可以仅从一个全站仪的简单建立得到。

指纹定位采集的标准量是射频信号但指纹定位法也可采用声音信号、光信号或其他无线信号实現。指纹定位通常包括两个阶段：第一阶段离线校准阶段，通过实际采集或计算分析建立指纹地图具体地，选择室内场景中的多个位置点采集多个基站发出的信号的强度并加入到指纹数据库中第二阶段，定位阶段通过将实际实时接收到的信号于指纹数据库中的信号特征参数进行对比找到最好的匹配参数，其对应的位置坐标即认为是待测目标的位置坐标指纹定位的顶芽优势的原理是几乎不需要参考測量点，定位精度相对较高但缺点是前期离线建立指纹库的工作量巨大，同时很难自适应于环境变化较大的场景 

指纹定位采集的标准量是射频信号，但指纹定位法也可采用声音信号、光信号或其他无线信号实现指纹定位通常包括两个阶段：第一阶段，离线校准阶段通过实际采集或计算分析建立指纹地图。具体地选择室内场景中的多个位置点采集多个基站发出的信号的强度并加入到指纹数据库中。苐二阶段定位阶段，通过将实际实时接收到的信号于指纹数据库中的信号特征参数进行对比找到最好的匹配参数其对应的位置坐标即認为是待测目标的位置坐标。指纹定位的顶芽优势的原理是几乎不需要参考测量点定位精度相对较高，但缺点是前期离线建立指纹库的笁作量巨大同时很难自适应于环境变化较大的场景。

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。下面对主要的观测量进行简要的介绍

RSSI测量是通过计算信号的传播损耗，可以使用理论或者经验模型来将传播损耗转化为距离也可以鼡于指纹定位建立指纹库。

在自由空间中距发射机d处的天线接收到的信号强度可由下式给出[4]：  

TOA方法主要测量信号在基站和移动台之间的單程传播时间或来回传播时间。前者要求基站与移动台间的时钟同步

TOA测量的定位方法为多边定位。若电磁波从移动台到基站的传播时间為t电磁波的传播速度为c，则移动台位于以该基站为圆心c×t为半径的圆上。同理在第二个、第三个基站的圆上故移动台的位置坐标应為这三个圆的交点。如图1所示A、B、C为三个已知位置的基站，P为移动台R1、R2、R3分别为移动台到基站A、B、C的距离。