基于智能手機(jī)的室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

陳銳志^1,2, 陳亮^1,2     

1. 武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430079; 
2. 地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 湖北 武漢 430079

收稿日期：2017-07-04；修回日期：2017-09-07

基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0502200；2016YFB0502201）；國家自然科學(xué)基金（91638203）

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之一作者簡介：陳銳志(1963—), 男, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向?yàn)槭覂?nèi)外無縫定位、移動信息空間計(jì)算、衛(wèi)星導(dǎo)航。E-mail:chen@whu.edu.cn

通信作者：陳亮, E-mail：l.chen@whu.edu.cn

摘要：室內(nèi)定位是未來人工智能的核心技術(shù)之一，對即將到來的人工智能時代起著舉足輕重的作用。開發(fā)有效的室內(nèi)定位新技術(shù)是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)，如谷歌研發(fā)的室內(nèi)視覺定位服務(wù)技術(shù)、蘋果致力推動的基于低功耗藍(lán)牙的iBeacon室內(nèi)定位技術(shù)以及百度攜手芬蘭IndoorAtlas公司推出的基于磁場匹配的室內(nèi)定位方案等。然而，受室內(nèi)復(fù)雜環(huán)境以及空間布局、拓?fù)湟鬃兊扔绊懀瑢?shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時的室內(nèi)定位，滿足各類定位需求仍有很大的挑戰(zhàn)性。目前，隨著智能手機(jī)的普及和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，智能手機(jī)內(nèi)置多種傳感器和支持豐富的射頻信號，可提供不同的定位源。本文從智能手機(jī)的內(nèi)置傳感器和射頻信號兩個方面，綜述了現(xiàn)有基于智能手機(jī)的室內(nèi)定位技術(shù)，指出各種定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場景，分析室內(nèi)定位的發(fā)展現(xiàn)狀和存在難點(diǎn)，對室內(nèi)定位技術(shù)未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)    室內(nèi)定位    位置服務(wù)    射頻信號    微機(jī)電系統(tǒng)    

Indoor Positioning with Smartphones:The State-of-the-art and the Challenges

CHEN Ruizhi^1,2, CHEN Liang^1,2     

Abstract: Indoor positioning is one of the core technologies of artificial intelligence (AI) in the future and will play a pivotal role in the upcoming era of AI. Currently, indoor positioning is one of the hot research topics in academic and industrial society. Google, as one of the leading information technology (IT) companies, has listed visual positioning service (VPS) as one of the core technologies. Apple has endeavored to prompt iBeacon, the low energy Bluetooth technology for indoor positioning. In cooperation with a Finnish company, IndoorAltas, Baidu launched an indoor positioning program with a magnetic matching approach. All these initiatives and new technologies have shown the significance and necessaries of indoor positioning. However, affected by the complexity of the indoor spaces, it is still challenging to achieve accurate, effective, full coverage and real-time positioning solution indoors. With the popularity of *** art phones and the rapid development of MEMS sensors in recent years, many methods have been proposed to use the *** artphone built-in sensors and RF radios for indoor positioning. In this paper, we focus on indoor positioning technologies for *** artphones and classify the different technologies into two categories, namely the radio frequency (RF) technologies and the sensors technologies. The state-of-the-art of the technologies has been reviewed. The pros and cons of the technologies have been commented in the context of different application scenarios. Moreover, the challenges of indoor positioning have also been pointed out and the directions of the future development of this area have been discussed.

Key words:  *** artphone     indoor positioning     location-based services     radio frequency (RF) signals     microelectromechanical systems (MEMS)    

定位是位置服務(wù)、萬物互聯(lián)、人工智能和未來超智能(機(jī)器人+人類)應(yīng)用的核心技術(shù)之一。隨著智能手機(jī)的普及和技術(shù)發(fā)展，定位信息已經(jīng)成為智能手機(jī)必不可少的基本信息之一。如圖 1所示，智能手機(jī)內(nèi)置多種傳感器和支持豐富的射頻信號，可提供不同的定位源。智能手機(jī)的定位源主要包括3大類：① 導(dǎo)航衛(wèi)星接收機(jī)：包括我國的北斗，美國的GPS，歐洲的Galileo和俄羅斯的GLONASS等；② 內(nèi)置傳感器：包括加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、光線傳感器、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和相機(jī)；③ 射頻信號：包括Wi-Fi、藍(lán)牙、蜂窩無線通信信號等。除了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)外，所有傳感器和射頻信號都不是為定位而設(shè)置的。盡管如此，這些傳感器和射頻信號還是為我們提供了很多的室內(nèi)定位源。

圖 1 智能手機(jī)的定位源Fig. 1 Sensors imbedded in *** art phones for the purpose of positioning

除了豐富的室內(nèi)定位源外，室內(nèi)定位 *** 也有很多種。按照定位場景可以分為室外定位和室內(nèi)定位。室外定位以成熟的開機(jī)即得的衛(wèi)星定位技術(shù)為主，利用各類增強(qiáng)技術(shù)，在室外開闊地帶定位精度可以達(dá)到亞米級^[2]。室內(nèi)定位技術(shù)目前還不夠成熟，但是變得越來越重要。根據(jù)美國環(huán)境保護(hù)局的報告統(tǒng)計(jì)，人們有近70%~90%的時間是在室內(nèi)度過^[1]。室內(nèi)定位技術(shù)是應(yīng)急安全、智能倉儲、人群監(jiān)控、精準(zhǔn)營銷、移動健康、虛擬現(xiàn)實(shí)游戲及人類社交等需求的基礎(chǔ)。因此，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時的室內(nèi)定位，滿足大眾需求，具有非常重要的科學(xué)意義和社會應(yīng)用價值。但受限于空間布局、拓?fù)浜蛷?fù)雜信號環(huán)境等方面的約束，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠、實(shí)時的室內(nèi)定位，滿足現(xiàn)有各類定位需求仍有很大的挑戰(zhàn)性。其主要受制原因在于：

(1) 主流的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite systems，GNSS)目前雖然已經(jīng)被廣域大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，在室外開闊環(huán)境下定位精度已可以解決大部分定位需求，但該類信號無法覆蓋室內(nèi)，難以形成定位。

(2) 室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，無線電波通常會受到障礙物的阻擋，發(fā)生反射、折射或散射，改變傳播路徑到達(dá)接收機(jī)，形成非視距(non line-of-sight，NLOS)傳播。NLOS傳播會使定位結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差，嚴(yán)重影響定位精度。

(3) 室內(nèi)空間布局、拓?fù)湟资苋藶榈挠绊懀瑢?dǎo)致聲、光、電等環(huán)境容易發(fā)生變化，對于以特征匹配為基本原理的定位 *** ，定位結(jié)果將受到較大影響。

室內(nèi)定位目前已成為工業(yè)界競相角力的焦點(diǎn)。這不僅是初創(chuàng)公司間的競爭, 同時還包括像蘋果、谷歌、高通、Intel、Cisco、百度、騰訊、阿里巴巴這樣的商業(yè)巨頭。“十二五”期間，我國已啟動了“羲和”計(jì)劃，旨在構(gòu)建能提供室內(nèi)3 m、室外1 m的精密定位服務(wù)系統(tǒng)；“十三五”期間，我國在對地觀測領(lǐng)域啟動了多項(xiàng)室內(nèi)定位方向的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目。此外，國內(nèi)外針對室內(nèi)定位技術(shù)的研究也取得了快速的發(fā)展和突破。本文將概述現(xiàn)有基于智能手機(jī)的室內(nèi)定位技術(shù)，并對未來室內(nèi)定位發(fā)展趨勢作分析和展望。

1 室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

各類定位信號源主要包括：射頻信號、內(nèi)置傳感器和GNSS信號。國內(nèi)外學(xué)者已有綜述文獻(xiàn)予以總結(jié)^[3-5]。本節(jié)將依據(jù)現(xiàn)有智能手機(jī)所集成的各類傳感器，著重綜述適合現(xiàn)有智能手機(jī)定位的室內(nèi)定位技術(shù)及現(xiàn)狀。

1.1 射頻信號定位技術(shù)

現(xiàn)有主流智能手機(jī)支持Wi-Fi、藍(lán)牙和蜂窩無線通信信號，以數(shù)據(jù)傳輸為主要目的。隨著非接觸支付的興起，越來越多的智能手機(jī)也逐步支持近場通信技術(shù)(near field communication，NFC)。由于所述射頻信號的載波頻率、信號場強(qiáng)以及信號有效傳輸距離不同，其室內(nèi)定位的 *** 也有所區(qū)別。

Wi-Fi定位技術(shù):Wi-Fi是基于IEEE 802.11系列通信協(xié)議^[6]的無線局域網(wǎng)技術(shù)。利用Wi-Fi信號進(jìn)行室內(nèi)定位，主要采用測距交會與指紋匹配兩種方式。其中，測距交會方式可以通過測量接收機(jī)到多個Wi-Fi接入點(diǎn)(access point，AP)的信號強(qiáng)度(received signal strength index，RSSI)，根據(jù)距離與RSSI的信道衰減模型得到接收機(jī)到各AP的距離，再通過三角定位 *** 得到位置估值^[7]。由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜、易變和非視距現(xiàn)象嚴(yán)重，很難準(zhǔn)確估計(jì)信道衰減模型，精度較差的信道衰減模型會影響最終定位精度。此外，信號發(fā)射器與接收機(jī)的距離還可以通過測量飛時(time of flight，TOF) *** 得到^[8]。試驗(yàn)表明，室內(nèi)多徑和無線局域網(wǎng)內(nèi)的時變中斷服務(wù)對TOF測量精度有較大影響。通過合適的濾波器設(shè)計(jì)以及對測量結(jié)果進(jìn)行平滑，可以提高測距精度。指紋匹配定位方式^[9]包括兩步：訓(xùn)練過程(training phase)和定位過程(positioning phase)。訓(xùn)練過程是預(yù)先將定位環(huán)境劃分若干網(wǎng)格，并在網(wǎng)格點(diǎn)上采集信號指紋(如Wi-Fi信號強(qiáng)度)，存入指紋庫。定位過程是將接收到測量值與預(yù)先構(gòu)建的網(wǎng)格指紋進(jìn)行對比，通過匹配及相似性分析得到室內(nèi)位置估計(jì)。該方式優(yōu)點(diǎn)在于不需要預(yù)先知道Wi-Fi接入點(diǎn)的坐標(biāo)和信號的信道衰減模型，其缺點(diǎn)在于其信號容易受環(huán)境干擾，在空曠空間誤配率高，并且構(gòu)建及更新指紋數(shù)據(jù)庫需要耗費(fèi)大量的時間和人力。傳統(tǒng)的指紋匹配方式以RSSI為測量值建立指紋數(shù)據(jù)庫，目前利用RSSI指紋匹配的Wi-Fi定位系統(tǒng)包括RADAR^[9]、Ekahau^[10]、Horus^[11]等，定位精度在2~5 m。RSSI指紋庫僅提供了環(huán)境和信號接收的粗信息，無法提供信號物理層更多的多徑信息。受益于Wi-Fi接收設(shè)備性能提高，目前有些商用Wi-Fi接收模塊已可以提供信道狀態(tài)信息(channel state information，CSI)。研究表明，利用CSI信息建立指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定位，可以有效地提高定位精度^[12-14]。

限制Wi-Fi指紋匹配定位 *** 的商用和大范圍覆蓋的主要因素是高效的指紋庫建立和自動更新 *** 。現(xiàn)有關(guān)于降低指紋庫維護(hù)成本的 *** 包括通過采用插值^[15]、眾包(crowd sourcing)^[16]和基于激光雷達(dá)的室內(nèi)定位制圖(simultaneous localization and mapping，SLAM)^[17]等方式。影響Wi-Fi定位精度進(jìn)一步提高的主要因素包括：AP間信道干擾^[53]，手機(jī)Wi-Fi的硬件差異性，以及人體對Wi-Fi信號的遮擋^[54]。此外，Wi-Fi的定位中的信息安全和個人隱私問題目前也日趨受到關(guān)注^[18]。

文獻(xiàn)[19-20]利用AP的多天線傳輸模式，同時估計(jì)AOA和距離，分別獲得分米和厘米級定位結(jié)果。但該定位 *** 是基于AP基站的 *** 定位，對單發(fā)射天線的智能手機(jī)并不適用。

藍(lán)牙定位技術(shù):藍(lán)牙是基于無線個域網(wǎng)WPAN(wireless personal area network)^[21]IEEE 802.15.1協(xié)議的短稱射頻信號，低功耗和支持短距離通信。其工作頻率在2.4 GHz。藍(lán)牙信號傳輸距離通常為10 m左右，新的BLE 4.0協(xié)議支持更大傳輸距離可達(dá)100 m。Apple公司推出的iBeacon系統(tǒng)^[22]，基于RSSI的測距方式，定位精度可達(dá)2~3 m。藍(lán)牙定位也可以采用指紋匹配方式，在典型辦公室環(huán)境下定位精度為約為4 m^[23-25]。而芬蘭Quuppa公司^[26]推出的藍(lán)牙天線陣列系統(tǒng)，定位精度可達(dá)幾個厘米。但每個天線的覆蓋范圍小，安裝成本高。藍(lán)牙設(shè)備功耗低、體積小，且藍(lán)牙技術(shù)已廣泛集成在包括智能手機(jī)在內(nèi)的移動設(shè)備中，易于推廣使用。

基于NFC定位技術(shù)：NFC又稱近距離無線通信，是讓兩個電子設(shè)備(其中一個通常是智能手機(jī)等移動設(shè)備)在相距幾厘米之內(nèi)進(jìn)行通信。NFC主要是用于智能手機(jī)的非接觸支付系統(tǒng)。NFC是通過靠近原則(proximity)進(jìn)行定位的。當(dāng)NFC感應(yīng)標(biāo)簽感知到智能手機(jī)時，感知標(biāo)簽的位置就是智能手機(jī)的位置。NFC定位技術(shù)簡單快速^[27]，但無法準(zhǔn)確估計(jì)行人在兩個感應(yīng)標(biāo)簽之間的位置及運(yùn)動狀態(tài)。可以在室內(nèi)關(guān)鍵位置布置少量NFC感應(yīng)標(biāo)簽，通過與運(yùn)動傳感器融合實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋。

蜂窩定位技術(shù):利用2G/3G/4G移動通信信號，在基站通過設(shè)計(jì)定位協(xié)議或者增加新的定位模塊進(jìn)行定位，又稱基于RAN(radio access network)^[10]的定位 *** 。蜂窩定位技術(shù)的更大優(yōu)點(diǎn)是很容易實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無縫定位。其缺點(diǎn)是受制于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、信號調(diào)制方式、國際標(biāo)準(zhǔn)等因素影響，定位精度較低，一般在幾十米到幾百米^[28-29]。愛立信公司利用LTE信號采用OTDOA(observed time difference of arrival)方式，定位精度可以達(dá)到50 m(97%誤差)^[30]，定位結(jié)果還是滿足不了大多數(shù)室內(nèi)定位應(yīng)用的需求。引入寬帶通信信號以及多天線MIMO技術(shù)的5G通信系統(tǒng)，有望進(jìn)一步提高蜂窩 *** 定位精度。5G白皮書已明確要求室內(nèi)外定位精度優(yōu)于1 m^[31-32]。現(xiàn)有的5G定位研究主要包括基于高密度5G *** 下的高精度定位和時間同步 *** ^[33]，基于定位的波束成行法^[34]等。

1.2 基于傳感器的定位技術(shù)

智能手機(jī)的內(nèi)置傳感器包括：加速度計(jì)、陀螺儀、磁力計(jì)、氣壓計(jì)、光線強(qiáng)度傳感器、相機(jī)、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器等。這些傳感器不是為定位而設(shè)置的，但是，它們量測的物理量可以以不同的形式用于定位。這些定位 *** 包括：行人航跡推算、地磁匹配、視覺定位、音頻定位和光源編碼定位。

行人航跡推算：隨著微機(jī)電系統(tǒng)(micro-electro mechanical system，MEMS)技術(shù)的成熟，集成到智能手機(jī)平臺上的低成本慣性測量單元IMU(inertial measurement unit)越來越多，主要常見的是加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)。由于這些內(nèi)置運(yùn)動傳感器的成本很低，其穩(wěn)定性和測量精度也相對較低，不足以用于慣性導(dǎo)航。目前，這些傳感器都用于行人航跡推算(pedestrian dead reckon，PDR)，主要是利用加速度計(jì)來探測步數(shù)、測量步行速度，再通過磁力計(jì)和陀螺儀確定航向，融合步速和航向推算行人的相對位移量^{[42, 61]}。整個算法不包含任何積分過程，有效減弱漂移誤差的影響。難點(diǎn)在于航向估計(jì)。由于室內(nèi)環(huán)境磁干擾相當(dāng)嚴(yán)重，很難準(zhǔn)確估計(jì)航向。PDR是相對定位，航向誤差會導(dǎo)致整條航跡的旋轉(zhuǎn)。所以PDR需要跟Wi-Fi或地磁匹配等絕對定位算法融合才能有效抑制系統(tǒng)誤差的傳播^[60]。

磁場定位技術(shù)：磁場定位技術(shù)是以磁場為指紋信號，通過匹配室內(nèi)環(huán)境顯著的磁場特征，最終實(shí)現(xiàn)定位。跟前面所述的Wi-Fi指紋匹配一樣，任何匹配定位技術(shù)都有訓(xùn)練和定位兩個過程。地磁匹配也不例外，同樣需要先建立地磁指紋庫，最后通過匹配地磁特征實(shí)現(xiàn)定位。由于磁場特征的空間相關(guān)分布，磁場匹配除單點(diǎn)匹配外，還可以通過輪廓匹配(如dynamic time warping *** )，以及多點(diǎn)的輪廓線匹配，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)健的匹配結(jié)果。室內(nèi)磁場信號易受人為改變，在實(shí)際應(yīng)用中較難構(gòu)建精確的磁場特征指紋庫。芬蘭奧盧大學(xué)提出一種基于地磁的導(dǎo)航定位系統(tǒng)IndoorAtlas^[43]，定位精度可達(dá)到0.1~2 m。該 *** 融合磁場和內(nèi)置傳感器。目前，智能手機(jī)大多集成磁力計(jì)，磁場也是開機(jī)即得的定位信號，所以磁常場定位技術(shù)適用于智能手機(jī)定位。

視覺定位技術(shù)：視覺定位有很多種，由于目前智能手機(jī)上通常使用單目攝像頭，所以基于智能手機(jī)的視覺定位是以單目視覺定位為主。最簡單的定位 *** 是圖像匹配。圖像匹配首先需要建立圖像庫，圖像庫里每張照片對應(yīng)的相機(jī)位置是已知的。定位時通過匹配拍攝照片和圖像庫里的照片，實(shí)現(xiàn)定位。相對復(fù)雜的定位 *** 是基于相機(jī)交會的定位 *** 。首先要對定位場采集大量的重疊照片，提取定位場的顯著圖像特征點(diǎn)，利用密度匹配和Structure from Motion的原理，確定定位場里顯著圖像特征點(diǎn)的物方坐標(biāo)。定位時通過計(jì)算定位圖像的特征點(diǎn)，與圖像特征庫里的圖像特征進(jìn)行匹配，利用匹配特征點(diǎn)的已知物方坐標(biāo)進(jìn)行交會，確定手機(jī)相機(jī)的坐標(biāo)和拍攝時手機(jī)的姿態(tài)。此外，單目視覺定位還有視覺陀螺儀和視覺里程計(jì)技術(shù)^[44-45]。視覺陀螺儀是利用單目攝像機(jī)通過獲取每幀圖像的滅點(diǎn)(vanishing point)，利用相鄰兩幀圖像的滅點(diǎn)變化，求取航向角變化率。視覺里程計(jì)則是通過匹配相鄰時間序列特征點(diǎn)，來獲取單位時間內(nèi)行人的相對位移。文獻(xiàn)[46]列舉了將視覺陀螺儀和視覺里程計(jì)與其他慣性測量單元IMU進(jìn)行融合定位的 *** 。視覺定位技術(shù)算法較為復(fù)雜，運(yùn)算量大，功耗高，隨著智能手機(jī)的性能進(jìn)一步提高，該類 *** 有望在行人導(dǎo)航中進(jìn)一步普及。谷歌的核心技術(shù)VPS(visual positioning service)是視覺定位技術(shù)。

紅外線定位技術(shù)：紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，波長在760 nm~1 mm之間，是比紅光長的非可見光。經(jīng)典的紅外室內(nèi)定位系統(tǒng)是AT&T Cambridge研究所設(shè)計(jì)開發(fā)的Active Badge系統(tǒng)^[35]，采用的是散射紅外技術(shù)，即行人攜帶的紅外發(fā)射裝置每10 s傳輸一種經(jīng)過調(diào)制、信號唯一的紅外信號。接收端通過接收該紅外信號對行人進(jìn)行定位。紅外線發(fā)射器小，重量輕、易于攜帶，系統(tǒng)便于安裝和維護(hù)。但紅外線定位需要收發(fā)機(jī)存在直射路徑，因而抗干擾能力較差。近年來，隨著智能手機(jī)對用戶安全性的保護(hù)，智能手機(jī)生物識別的功能更趨嚴(yán)謹(jǐn)，這促進(jìn)了智能手機(jī)中近紅外線攝影機(jī)(700~900 nm近紅外線LED+影像感測鏡頭)的集成與應(yīng)用^[36]。利用智能手機(jī)紅外線LED進(jìn)行室內(nèi)定位也將引起越來越多的研究關(guān)注。

LED可見光定位技術(shù)：利用可見光進(jìn)行定位可以包括兩大類：一是通過對光源調(diào)制特定的光信號進(jìn)行定位。比如，通過LED燈具發(fā)出人們?nèi)庋鄹兄坏降母哳l閃爍信號，通過光敏傳感器接收該LED光信號，進(jìn)而計(jì)算行人位置信息。Bytelight定位系統(tǒng)^[37]即是基于該類原理的定位系統(tǒng)，定位精度可以達(dá)到米級。第二類是基于模式匹配 *** ，即利用環(huán)境光的時頻特性，預(yù)先建立環(huán)境光指紋數(shù)據(jù)庫。在實(shí)時定位階段將所測光強(qiáng)度與環(huán)境光指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)定位^[38]。智能手機(jī)的內(nèi)置攝像頭可以感應(yīng)光強(qiáng)度和高頻光信息，因而上述光定位技術(shù)均可應(yīng)用于智能手機(jī)的室內(nèi)定位。

超聲波定位技術(shù)：超聲波定位技術(shù)采用信號往返時間測距。系統(tǒng)通過向待測物體方向發(fā)射超聲波，計(jì)算接收到的回波與發(fā)射波之間的時間差來計(jì)算信號發(fā)射器與待測物體之間的距離。具有較高知名度的超聲波定位系統(tǒng)是Active Bat系統(tǒng)^[39]和Cricket系統(tǒng)^[40]，其中Active Bat系統(tǒng)定位誤差在9 cm之內(nèi)的概率高達(dá)95%。超聲波定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，定位精度較高，但構(gòu)建系統(tǒng)需要大量的硬件設(shè)施。此外該定位技術(shù)需要視距條件下測距，故受室內(nèi)多路徑影響明顯。目前，智能手機(jī)的多個移動應(yīng)用可以監(jiān)聽音頻中內(nèi)嵌的超聲波信號，利用這些信號確定用戶位置^[41]。但目前智能手機(jī)尚沒有超聲波發(fā)射裝置，可以采取主動的收發(fā)測距手段。

1.3 多源融合定位 ***

上述定位 *** 雖各有優(yōu)勢，但也存在各自的局限，比如，基于射頻信號的室內(nèi)定位方式主要缺陷是信號容易受多徑、定位環(huán)境以及人體等干擾而導(dǎo)致指紋匹配出錯或者產(chǎn)生較大測距誤差。而基于內(nèi)置傳感器的行人航跡推算雖不依賴基礎(chǔ)設(shè)施，但隨著時間推移存在誤差積累。目前還沒有開機(jī)即得的室內(nèi)通用定位技術(shù)。表 1列舉了目前智能手機(jī)上各類定位技術(shù)在定位精度、復(fù)雜性、健壯性、可擴(kuò)展性、成本等方面的性能比對。

表 1 目前智能手機(jī)定位技術(shù)比較Tab. 1 Comparison of different positioning technologies of *** art phone sensors

隨著智能手機(jī)上計(jì)算和存儲性能的提高，在手機(jī)平臺上對多種定位技術(shù)進(jìn)行融合，是當(dāng)前室內(nèi)定位的一個研究熱點(diǎn)。現(xiàn)有的融合 *** 主要分成松耦合和緊耦合。其中松耦合常用的 *** 是先由各自不同的傳感器得到定位結(jié)果，然后對各定位結(jié)果進(jìn)行信息融合。該類融合方式易于實(shí)現(xiàn)，但存在的挑戰(zhàn)是，由于室內(nèi)定位各類傳感器異質(zhì)(非同源)，各傳感器輸出定位結(jié)果進(jìn)入信息融合中心的系數(shù)不易通過解析 *** 得出。緊耦合是根據(jù)各類傳感器得到的不同類型的觀測參量進(jìn)行融合。目前比較常見的是基于貝葉斯濾波 *** ，如Kalman濾波^[55]、UKF(unscented Kalman filter)濾波^[60]、粒子濾波^[56]。該類 *** 將傳感器的原始觀測值，如位置、速度、航向角、步長等，通過序貫估計(jì)獲得行人的位置和航向估計(jì)。緊耦融合準(zhǔn)確設(shè)定運(yùn)動狀態(tài)方程和測量方程，尤其是運(yùn)動狀態(tài)噪聲方差和測量噪聲方差將直接影響定位的估計(jì)性能。

已有的基于不同傳感器融合定位方案包括：結(jié)合磁場強(qiáng)度、蜂窩信號和Wi-Fi構(gòu)建的混合定位系統(tǒng)^[47]，Wi-Fi信息結(jié)合PDR^[48, 50]，藍(lán)牙模塊、加速度計(jì)和氣壓計(jì)進(jìn)行融合室內(nèi)三維定位^[49]，Wi-Fi指紋、PDR以及磁場匹配定位^[39]。上述試驗(yàn)結(jié)果表明融合后的系統(tǒng)精度穩(wěn)定性均優(yōu)于獨(dú)立的定位系統(tǒng)。另外，地圖約束也是常用的室內(nèi)定位輔助技術(shù)。基于地圖輔助的Wi-Fi指紋匹配與PDR集成的室內(nèi)定位系統(tǒng)，可以可靠地實(shí)現(xiàn)米級的定位精度^[52]。文獻(xiàn)[46]不借助任何室內(nèi)固定設(shè)施和射頻信號，根據(jù)自身攜帶的IMU、攝像頭、超聲波、氣壓計(jì)，采用粒子濾波融合各導(dǎo)航源，在室內(nèi)環(huán)境下定位精度約為3 m。

2 室內(nèi)定位面臨難題

由于室內(nèi)空間復(fù)雜的信道環(huán)境和空間拓?fù)潢P(guān)系，給室內(nèi)定位帶來很大的挑戰(zhàn)。雖然室內(nèi)定位源很多，包括聲、光、電、場等多種異源異構(gòu)定位源，但各種定位源都有自身的缺陷和對定位環(huán)境的依賴性，使得他們只適用于額定環(huán)境和應(yīng)用時具有一定的局限性。例如Wi-Fi指紋匹配需要足夠的信號覆蓋；磁場匹配需要顯著磁場特征(磁干擾)；視覺定位需要明亮的環(huán)境下才能保證高質(zhì)量成像等。目前還很難找到一種跟室外GNSS技術(shù)相似的開機(jī)即得的室內(nèi)定位技術(shù)。

目前國際上更流行的室內(nèi)定位技術(shù)是融合GNSS，Wi-Fi，藍(lán)牙、內(nèi)置傳感器和磁場等定位源的任意組合，定位精度在2~5 m之間。在特定環(huán)境下，也能達(dá)到1 m左右的精度。低成本、高精度和廣域覆蓋的室內(nèi)定位技術(shù)依然是實(shí)現(xiàn)高精度室內(nèi)外無縫定位的更大障礙。其主要難題在于：

2.1 室內(nèi)空間復(fù)雜的信道環(huán)境與空間拓?fù)潢P(guān)系

對視頻信號來講，信號發(fā)射器和接收機(jī)間通視是定位的基礎(chǔ)。任何遮擋會導(dǎo)致信號強(qiáng)度的迅速衰減或直接阻擋信號的傳播。GNSS信號無法穿越厚厚的建筑墻面是一個典型的例子。衛(wèi)星導(dǎo)航信號從2萬多千米的高空，穿越大氣層后傳到地面，已經(jīng)很微弱，再加上墻壁或玻璃的遮擋，能進(jìn)入室內(nèi)的GNSS信號只能通過高靈敏度接收機(jī)接收，其定位精度在幾十米或者更差。

由于室內(nèi)空間復(fù)雜的拓?fù)潢P(guān)系，室內(nèi)空間內(nèi)部信號遮擋是室內(nèi)定位常遇到的問題，大大限制了很多室外定位技術(shù)在室內(nèi)普及的可能性，也把有效定位范圍限制在很小的范圍內(nèi)，給實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位廣域覆蓋帶來極大的困難。此外，復(fù)雜的拓?fù)淇臻g也導(dǎo)致復(fù)雜信號傳播環(huán)境。大量的反射信號也直接影響到測量精度，從而導(dǎo)致較大的定位誤差。復(fù)雜的空間拓?fù)潢P(guān)系從定位精度和可用性兩個方面給室內(nèi)定位帶來諸多約束。

定位場景信號場的時空變化問題。除了復(fù)雜的空間拓?fù)潢P(guān)系外，室內(nèi)幾何環(huán)境和信號環(huán)境的時空變化也是維持定位系統(tǒng)的高可持續(xù)性的更大障礙(如Wi-Fi基站的增減，室內(nèi)電器和家具的布設(shè)變化，貨架貨物變化，展覽場館的布設(shè)變化等)。如何感知和認(rèn)知室內(nèi)幾何環(huán)境和信號環(huán)境的時空變化，提高對定位環(huán)境的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)定位指紋庫(包括Wi-Fi指紋庫，地磁指紋庫等)、圖像特征庫、地標(biāo)信息庫自動更新，是室內(nèi)定位領(lǐng)域還沒解決的科學(xué)問題。

2.2 異源異構(gòu)的定位源

如圖 1所示，基于智能手機(jī)的室內(nèi)定位源主要包括3大類：衛(wèi)星定位，短距離射頻信號和傳感器。衛(wèi)星定位包括GPS、北斗、Galileo和GLONASS；短距離射頻信號包括Wi-Fi和藍(lán)牙；傳感器包括加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀、氣壓計(jì)、光強(qiáng)度傳感器、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和相機(jī)。個別智能手機(jī)還包括深度相機(jī)，除了衛(wèi)星定位接收機(jī)以外，所有傳感器和射頻信號都不是為定位用途而設(shè)置的，手機(jī)商在選擇這些傳感器和射頻信號時首要考慮的性能不是定位。衛(wèi)星定位、短距離射頻信號和傳感器的信號機(jī)制和工作原理是完全不同的。他們測量的物理量和測量 *** 也不一樣，測量精度也因源而異。為了得到更優(yōu)的定位結(jié)果，通常需要融合這些異源異構(gòu)的定位驗(yàn)。在融合這些異源異構(gòu)的定位源時，面臨以下問題：

(1) 信號測量值同步問題。由于不同定位源的測量過程是獨(dú)立工作的，不同測量值的采樣時間是不一樣的。如果位置計(jì)算在同一個手機(jī)上，可以把所有定位源的觀測值都統(tǒng)一到同一時間系統(tǒng)(如手機(jī)時間)，通過內(nèi)差等 *** 把異源觀測量歸算到同一觀測歷元上。如果位置計(jì)算在云端服務(wù)器上，所有參與定位的手機(jī)都必須統(tǒng)一到同一時間基準(zhǔn)，比如說 *** 時。不同手機(jī)的異源觀測值也必須歸算到同一觀測歷元。前面所述 *** 只適用于用戶在低速運(yùn)動狀態(tài)下(運(yùn)動速度小于2 m/s)。在高速運(yùn)動情況下，要考慮更高精度的時間同步 *** 。

(2) 信號采樣頻率不一致。比如Wi-Fi信號的采樣頻率為1/3 Hz，而加速度計(jì)的采樣頻率可以達(dá)到180 Hz。各種定位源的不同采樣頻率，要求定位算法具備不同歷元處理不同數(shù)據(jù)組合的能力，包括數(shù)據(jù)掉包情形。室內(nèi)定位的位置更新率應(yīng)該大于等于1 Hz才能滿足大多數(shù)位置服務(wù)的需求，尤其是跟人流動線相關(guān)的應(yīng)用。

(3) 信號測量精度差異問題。低成本傳感器容易受環(huán)境因素干擾，影響信號測量精度，如運(yùn)動傳感器的測量精度就很差，不能直接用于慣性導(dǎo)航，但可以用于步頻探測。有些定位源如藍(lán)牙天線陣列、視覺定位、音頻定位等 *** 可以在局部范圍內(nèi)提供高精度距離、角度或坐標(biāo)測量值。由于受布設(shè)成本的限制，這些高精度測量值不能廣域覆蓋。這就要求定位算法有足夠的靈活性，融合不同觀測精度的定位源，讓有限的高精度測量值發(fā)揮更大的作用。

(4) 不同定位終端測量偏差問題。由于不同定位終端(如手機(jī))硬件上的差異，它們對同一定位源的測量值是存在偏差的。比如不同手機(jī)對同一Wi-Fi基站的信號強(qiáng)度(RSSI)測量值是有偏差的，這種偏差雖然不很大，但足以影響定位精度。不同手機(jī)的相機(jī)參數(shù)也不一樣，在定位時必須考慮定位終端硬件上的差異，通過定標(biāo)的 *** ，消除它們定位的影響。這點(diǎn)對高精度定位(優(yōu)于1 m)尤為重要。

2.3 移動終端上有限的計(jì)算資源

移動終端的計(jì)算資源主要體現(xiàn)在3個方面：有限的計(jì)算能力、有限的供電能力和有限的存儲能力。隨著智能手機(jī)的計(jì)算性能越來越高，一些復(fù)雜的定位算法如視覺定位，粒子濾波等都慢慢出現(xiàn)在室內(nèi)定位的視野里。由于智能手機(jī)是一個多功能的終端，定位功能只能占據(jù)小部分的CPU處理時間以保證其他主流功能如打電話、微信、拍照等正常工作。從節(jié)能的角度看，不管手機(jī)的計(jì)算性能有多高，都不可以讓智能手機(jī)處于連續(xù)高速運(yùn)算狀態(tài)，否則手機(jī)電池很快就耗盡。除此之外，智能手機(jī)上的存儲能力也有限，不足以運(yùn)行復(fù)雜的定位算法如圖像處理和復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)算法。

3 室內(nèi)定位技術(shù)發(fā)展趨勢

在谷歌、蘋果、百度、華為、阿里巴巴等國際IT巨頭的引領(lǐng)下，室內(nèi)定位已經(jīng)邁入新的時代。谷歌把室內(nèi)定位技術(shù)VPS(visual positioning service)列為其核心技術(shù)，充分彰顯室內(nèi)定位在未來人工智能應(yīng)用中的重要性。室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢包括如下3個方面：① 探索新的定位源，形成高精度、高可用定位技術(shù)；② 異源異構(gòu)定位源的高效融合；③ 基于GIS的語義約束定位和語義認(rèn)知協(xié)同定位。

3.1 探索新的定位源，形成高精度、高可用定位技術(shù)

當(dāng)前，國際上最新的室內(nèi)定位研究開始探索新的基于視覺、光源信號、音頻信號和射頻信號的定位技術(shù)。蘋果致力于推出基于低功耗藍(lán)牙的iBeacon定位技術(shù)，谷歌把焦點(diǎn)放在視覺定位上，而百度攜手芬蘭IndoorAtlas公司聚焦磁場、傳感器和iBeacon的融合。

當(dāng)打開智能手機(jī)時，能保證無處不在、無時不有的定位源是磁場和手機(jī)內(nèi)置傳感器。但是，磁場匹配和傳統(tǒng)的運(yùn)動傳感器只能支持2~5 m的定位精度，在物理上不支持更高精度(如分米級)定位 *** 。因此，必須尋找新的傳感器和新的定位源以實(shí)現(xiàn)高精度定位，這些傳感器包括手機(jī)相機(jī)、音頻傳感器、光線傳感器和新的射頻信號(如5G，BLE5.0) 等。

相機(jī)是視覺定位的所依賴的傳感器，在場景光和圖像特征充足的場景下，能夠?qū)崿F(xiàn)分米級甚至厘米級的定位精度。當(dāng)光學(xué)相機(jī)影像和深度相機(jī)點(diǎn)云組合時(如谷歌的Tango技術(shù))，其定位功能就更加強(qiáng)大。定位時分為兩步：圖像特征庫的建立和相機(jī)交會定位。圖像特征庫的建立需要在定位場景采集大量重疊圖像，通過密度匹配和光束平差解算圖像特征的物方坐標(biāo)。圖像特征庫的建立可一通過事后處理的 *** 在高性能的云服務(wù)器上完成。相機(jī)交會定位是通過手機(jī)拍攝圖像，提取單張圖像的特征值，再與圖像特征庫里的圖像特征進(jìn)行匹配，利用匹配的圖像特征點(diǎn)的物方坐標(biāo)通過交會的形式，確定手機(jī)相機(jī)的位置和姿態(tài)。視覺定位能提供絕對位置，可以與傳感器和射頻定位技術(shù)相融合，提高其可用度。視覺定位的精度雖然很高，但對定位場景的光線要求高，計(jì)算量很大，對移動終端的計(jì)算性能和存儲性能要求高。

音頻定位是通過測量聲音從音頻基站到智能手機(jī)的傳播距離來確定智能手機(jī)的位置的。由于智能手機(jī)的音頻傳感器是為接收和播放音樂而設(shè)置的，它的工作頻段在0~21 kHz左右。一般音樂或人們聲音的頻率都小于16 kHz，所以可以利用16~21 kHz這一頻段進(jìn)行定位。定位時音頻基站的時鐘需要一個同步控制點(diǎn)對定位場景內(nèi)所有基站實(shí)現(xiàn)同步。由于聲音的傳播速度只有340.29 m/s，時間同步的要求不高。對于分米級的定位精度，同步精度達(dá)到0.1 ms就可以(等價于3.4 cm的距離測量誤差)。

光源編碼定位技術(shù)^[58-59]是以一個安裝在天花板上帶開/關(guān)扇格的LED光罩為定位源，通過旋轉(zhuǎn)光罩以及接收開/關(guān)扇格在地面的光投影時序模式來確定智能手機(jī)的位置(如圖 2所示)。光罩被劃分為8圈，每圈48格(投影到地面成384扇區(qū))，每圈的編碼(開/關(guān))都不一樣。通過旋轉(zhuǎn)光罩，使得在每一扇區(qū)內(nèi)的手機(jī)記錄的光線強(qiáng)度的時間序列測量值的模式不同，判斷手機(jī)所在扇區(qū)。同過特殊編碼和信號分析來計(jì)算手機(jī)在扇區(qū)內(nèi)的相對位置。再通過精確測定手機(jī)在扇區(qū)內(nèi)的相對位置，可以在不改變手機(jī)硬件的前提下實(shí)現(xiàn)5~10 cm定位精度。

圖 2 光源編碼定位示意圖Fig. 2 The diagram of positioning with light coding

在射頻信號方面，藍(lán)牙5.0和5G信號將在室內(nèi)定位方面發(fā)揮重要的作用。藍(lán)牙技術(shù)具有功耗低、傳輸速度較快的特點(diǎn)，在消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域大獲成功。藍(lán)牙5.0在通信速度、功耗、通信距離和容量等方面都有顯著提高。跟藍(lán)牙4.0比，通信速度提高8倍，而通信距離將提高4倍。所以，單一基站的信號覆蓋范圍將是目前BLE 4.0信號的16倍，這意味著將大大降低定位基站布設(shè)成本。在定位精度上也期待著進(jìn)一步的提高。新一代的蜂窩無線 *** 如5G已經(jīng)開始考慮室內(nèi)定位的功能。如前所述，5G白皮書已明確要求室內(nèi)外定位精度優(yōu)于1 m^[37-38]。所以，基于5G的無線定位技術(shù)有可能成為未來室內(nèi)定位的核心技術(shù)之一。

表 2列舉并簡單分析了上述幾種室內(nèi)定位前沿技術(shù)。受限于室內(nèi)定位復(fù)雜環(huán)境影響，上述不同定位技術(shù)在定位精度、可靠性、可用性、對基礎(chǔ)設(shè)施的依賴性等方面各有優(yōu)缺點(diǎn)，這些高精度定位技術(shù)將相互補(bǔ)充。

表 2 未來室內(nèi)定位前沿技術(shù)的特點(diǎn)和作用Tab. 2 The characteristics and the function of the future technologies of indoor positioning

3.2 異源異構(gòu)定位源融合

目前室內(nèi)定位領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢是使用一種可靠的估計(jì) *** , 將兩種以上有互補(bǔ)特性的定位源有效組合, 以獲得優(yōu)于單獨(dú)定位源定位性能，有效提高系統(tǒng)的定位的精度、可用性和抗差能力，形成高可用低成本的室內(nèi)定位解決方案。

在異源異構(gòu)定位源融合方面，需要一個集成硬件標(biāo)定、單源定位和多源融合定位的完整解決方案，多源定位信息的智能融合 *** 采用“高精基準(zhǔn)控制，緊耦多源融合”的技術(shù)路線，以高精度定位技術(shù)為控制基準(zhǔn)，包含傳感器PDR和磁場匹配為紐帶，融合聲、光、電、場的多源定位技術(shù)，采取緊耦合的算法，獲得當(dāng)前位置的更優(yōu)估計(jì)，同時經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波處理分析識別定位源中的粗差數(shù)據(jù)，采用合適的 *** (粗差剔除或調(diào)整方差矩陣)最小化粗差的影響，獲得精確和可靠的定位結(jié)果。在定位源充足的情況下，優(yōu)化定位源的組合，用統(tǒng)計(jì)手段，實(shí)現(xiàn)多源互檢，粗差剔除，確保混合定位解的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 基于GIS的語義約束定位和語義認(rèn)知協(xié)同定位

GIS領(lǐng)域在“十二五”期間，研究重點(diǎn)已從室外逐步轉(zhuǎn)向室內(nèi)，但在對室內(nèi)定位支持較弱，基于GIS的語義約束定位和語義認(rèn)知協(xié)同定位是新的研究方向。室內(nèi)GIS系統(tǒng)一方面為室內(nèi)定位技術(shù)提供室內(nèi)地圖和特征庫提供采集、建模、管理和可視化等基礎(chǔ)支撐；另一方面，充分挖掘室內(nèi)地標(biāo)潛在價值，提供針對室內(nèi)位置文字特征的語義定位能力，為其他室內(nèi)定位技術(shù)提供空間約束。然而，由于室內(nèi)缺少精確的GNSS數(shù)據(jù)，不能獲取精確地采集設(shè)備的位置軌跡數(shù)據(jù)，在測圖及建模過程中，存在位置偏移及建模精度偏差的問題。因此，建立對未來高精度智能室內(nèi)定位系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐室內(nèi)GIS系統(tǒng)，需要考慮并解決如下關(guān)鍵技術(shù)：① 建立統(tǒng)一時空基準(zhǔn)下的室內(nèi)GIS數(shù)據(jù)模型；② 建模與定位實(shí)時協(xié)同的即時室內(nèi)建模 *** ；③ 利用眾源數(shù)據(jù)支持的地圖變化發(fā)現(xiàn)與更新；④ 以視覺定位過程中實(shí)時獲取的三維場景模型為輸入，對定位場景語義計(jì)算與認(rèn)知。

4 結(jié)論

與開放的室外空間相比，室內(nèi)環(huán)境在空間布局、拓?fù)洹⑿盘杺鞑キh(huán)境等方面更加復(fù)雜，導(dǎo)致室內(nèi)定位理論、定位源、定位技術(shù)及空間信息處理方式室外有很多不同。雖然可用的室內(nèi)定位源很多，到目前為止，除GNSS接收機(jī)以外，所有用于定位的智能手機(jī)內(nèi)置傳感器和射頻信號都不是為定位而設(shè)置的。這些傳感器和射頻信號測量值的觀測誤差很大。目前室內(nèi)定位源包括3大類：GNSS接收機(jī)、傳感器和地基射頻信號。高靈敏度GNSS接收機(jī)的室內(nèi)定位精度在10~50 m。融合傳感器、Wi-Fi及磁場等定位源的定位方案可實(shí)現(xiàn)2~5 m的定位精度。室內(nèi)定位所面臨的難題包括3方面：復(fù)雜的空間拓?fù)潢P(guān)系，信道環(huán)境、異源異構(gòu)的定位源和移動終端上有限的計(jì)算資源。發(fā)展趨勢包括探索基于音頻、光源編碼、射頻基站和視覺等高精度定位技術(shù)。這些新定位技術(shù)可在局部范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)厘米到分米的定位精度。要實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋，高精度定位技術(shù)還需與傳感器和地磁等無處不在、無時不有的定位源緊密融合。
 

【引文格式】陳銳志，陳亮。基于智能手機(jī)的室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)[J]. 測繪學(xué)報，2017，46(10)：1316-1326. DOI: 10.11947/j.AGCS.2017.20170383