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好好说一说室内定位技术

查看: 5359| 评论: 0 2016-9-19 02:24 PM| 发布者: administrator

室内定位技术进过了几十年的发展,从未像今天这样引起大家的关注,这无疑得益于VR技术在这几年的蓬勃发展,52VR的编辑们今天就梳理下已有的定位技术和手段,有哪些点值得我们参考和注意呢?
那么传统的室内定位技术有哪些呢?

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室内无线定位技术可以这样分成三类:
    1. 近邻法
    2. 三边(角)测量法
    3. 模式匹配法。 
近邻法: 
最简单的方式,直接选定那个信号强度最大的AP的位置。纠正一个很容易被误导的地方,目前大多数手机中的定位方式为(GPS/AGPS、基站定 位、WiFi定位),这里的WiFi定位并不是位置指纹法,而是近邻法,定位结果是热点位置数据库中存储的当前连接的WiFi热点的位置。 

三边(角)测量法: 
通过信号的各种参数得到目标与AP的距离或者角度,用几何方法计算出位置。 
包括到达时间法、相对到达时间法、到达角度法、基于信号强度的测距方法,及其混合算法。 
这些方法一般应用在蜂窝网基站定位中。 

模式匹配法: 
基本就是上面所说的位置指纹法了,只是这个说法更宽泛一些。 

除了上面这些使用无线信号进行定位的技术外,还有基于地磁的定位和惯性导航技术,可以用来和上面的方法进行混合定位。 
地磁信息:
手机里的磁力计可以测得磁场强度,而建筑物导致了各个位置处的磁场有些区别。 
惯性导航:
加速度计、磁力计/陀螺仪,用来判断目标的移动方向与移动距离,从而进行位置跟踪。 
另外,学术界研究的室内定位方式主要包括:红外线、超声波、蓝牙、RFID、UWB、WiFi、ZigBee、麦克风阵列、室内电力线、地磁、惯性测量、计算机视觉。 


实现精确的室内导航需要解决哪些问题? 

各种方案的缺点: 
近邻法定位精度得不到保证;三边(角)测量法理论上精度较高,但对于普通设备来说,时间、角度这些参数较难获取;基站覆盖范围大,角度偏一点就 会造成很大误差,更何况各种非视距和多径环境的影响,精度一般百米以上。所以现在手机室内高精度定位大多使用第三种方法(位置指纹法)。但是很多年过去 了,室内定位的推广远没有当时预想的那么快,原因在于: 

室内地图的建立很复杂,至少比室外地图难多了。
位置指纹法需要在每个需要定位的区域内采集大量数据。虽然现在有各种加快建立指纹库的方式,但还是得花不少时间。
不是所有的地方有大量WiFi覆盖。每个位置至少得同时扫描到两三个较强的WiFi才能定位,wiFi数量越多理论上定位精度越高。
至于需要解决的问题,现在的情况是没有一种方案既便宜又好用,那么大家要解决的问题就是怎样去达到低代价高精度的定位,想来想去现在还是只有位置指纹法还 凑合,然后在此基础上可以加点磁场和惯导(数据获取较简单)提高下精度。位置指纹法本身没有多大的技术难点,但是实施起来比较耗时耗力。另外,使用计算机 视觉来做室内定位的遐想空间比较大,但是有技术难度。

1 Wi-Fi指纹定位:

室内定位中的位置指纹法,简单来说,就是事先把各个位置上的信号特征(各Wi-Fi的信号强度)测量一遍,存入指纹数据库。定位的时候,将当前的信号特征与指纹库中的进行匹配,从而确定位置。
示意图(AP就是WiFi,RP是离线采集选取的参考点):

 

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离线阶段:记录下每个RP处测到的信号强度,每组数据(指纹)包含4个信号强度和对应的位置。离线阶段:记录下每个RP处测到的信号强度,每组数据(指纹)包含4个信号强度和对应的位置。 

在线阶段:使用当前的扫描到的4个信号强度,与数据库中的指纹进行匹配。 
最常见的算法为kNN,也可以使用概率方法进行计算,实验定位精度大概3米左右(与WiFi热点个数有关),实际应用的话由于各种因素(人对信号的遮挡、环境的变化、指纹数据库的老化等)会使得精度有所降低。 


这里有一篇经典论文,2000年Microsoft Research:IEEE Xplore Abstract,大家可以详细研究下。


2.GSM蜂窝基站定位基本原理浅析

预备知识:GSM蜂窝网络基础结构

我们知道,GSM网络的基础结构是由一系列的蜂窝基站构成的,这些蜂窝基站把整个通信区域划分成如图所示的一个个蜂窝小区(当然实际上,一个基站往 往不并不只是对应一个小区,但是这个与我们讨论的主题关系不大,我们不做深究)。这些小区小则几十米,大则几千米。如下图所示,我们用移动设备在GSM网 络中通信,实际上就是通过某一个蜂窝基站接入GSM网络,然后通过GSM网络进行数据(语音数据、文本数据、多媒体数据等)传输的。也就是说我们在GSM 中通信时,总是需要和某一个蜂窝基站连接的,或者说是处于某一个蜂窝小区中的。那么GSM定位,就是借助这些蜂窝基站进行定位。

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1).COO(Cell of Origin)定位

COO定位是一种单基站定位,即根据设备当前连接的蜂窝基站的位置来确定设备的位置。那么很显然,定位的精度就取决于蜂窝小区的半径。在基站密集的 城市中心地区,通常会采用多层小区,小区划分的很小,这时定位精度可以达到50M以内;而在其他地区,可能基站分布相对分散,小区半径较大,可能达到几千 米,也就意味着定位精度只能粗略到几千米。目前Google地图移动版中,通过蜂窝基站确定“我的位置”,基本上用的就是这种方法。

从原理上我们可以看出,COO定位其精度是不太确定的。但是这却是GSM网络中的移动设备最快捷、最方便的定位方法,因为GSM网络端以及设备端都 不需要任何的额外硬件投入。只要运营商支持,GSM网络中的设备都可以以编程方式获取到当前基站的一个唯一代码,我们可以称之为基站ID,或 CellID。在一般的设备中,可能都存在一个类似如下的GetCurrentCellID()方法的接口来提供当前GSM蜂窝基站ID:

CellID = GetCurrentCellID();

通过这个接口获取到CellID后,我们还需要根据这个CellID查出该蜂窝基站所在的具体地理坐标。这时,我们可能就需要调用一些包含 [CellID,地理坐标]对应关系的外部数据以确定相应的地理坐标。这个外部数据,通常可以由一些第三方Web服务来提供。这些Web服务的接口可能类 似于如下形式:

Position=GetPosition(CellID);

当然,再次说明,上面的GetCurrentCellID方法、GetPosition方法都是我虚构的,只是为了说明逻辑关系,并不一定实际存在。关于COO方法在Windows Mobile环境下的具体编程方法,请参考《为Windows Mobile设备创建位置感知的应用程序》。

 

2).七号信令定位

该技术以信令监测为基础,能够对移动通信网中特定的信令过程,如漫游、切换以及与电路相关的信令过程进行过滤和分析,并将监测结果提供给业务中心, 以实现对特定用户的个性化服务。该项技术通过对信令进行实时监测,可定位到一个小区,也可定位到地区。故适用对定位精确度要求不高的业务,如漫游用户问候 服务,远程设计服务、平安报信和货物跟踪等。目前,国内各省和地区移动公司的短信欢迎系统采用的就是此种技术。

 

3).TOA/TDOA定位

TOA(Time of Arrival,到达时间)、TDOA(Time Difference of Arrival,到达时间差)都是基于电波传播时间的定位方法。同时也都是三基站定位方法,二者的定位都需要同时有三个位置已知的基站合作才能进行。

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如上图所示,TOA/DTOA定位方法都是通过三对[Positioni,Ti](i=1,2,3)来确定设备的位置Location。二者的不同只是GetLocation()函数的具体算法上的不同。

TOA电波到达时间定位基本原理是得到Ti(i=1,2,3)后,由Ti*c得到设备到基站i之间的距离Ri,然后根据几何只是建立方程组并求解,从而求得Location值。如下图所示。

TOA_thumb1

由于图中距离的计算完全依赖于时间,因此TOA算法对系统的时间同步要求很高,任何很小的时间误差都会被放大很多倍,同时由于多径效应的影响又会带来很大的误差,因而单纯的TOA在实际中应用很少。

DTOA电波到达时间差定位是对TOA定位的改进,与TOA的不同之处在于,得到Ti后不是立即用Ti去求距离Ri,而是先对T1,T2,T3两两求差,然后通过一些巧妙的数学算法建立方程组并求解,从而得到Location值。如下图所示。

DTOA_thumb

DTOA由于其中巧妙设计的求差过程会抵消其中很大一部分的时间误差和多径效应带来的误差,因而可以大大提高定位的精确度。

由于DTOA对网络要求相对较低,并且精度较高,因而目前已经成为研究的热点。

 

4).AOA定位

AOA(Angle of Arrival,到达角度)定位是一种两基站定位方法,基于信号的入射角度进行定位。

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如上图所示,知道了基站1到设备之间连线与基准方向的夹角α1,就可以画出一条射线L1;同样知道了知道了基站2到设备之间连线与基准方向的夹角α2,就可以画出一条射线L2。那么L1月L2的交点就是设备的位置。这就是AOA定位的基本数学原理。用函数调用表达如下。

Location=GetLocation([Pisition1,α1],[Position2,α2]);

AOA定位通过两直线相交确定位置,不可能有多个交点,避免了定位的模糊性。但是为了测量电磁波的入射角度,接收机必须配备方向性强的天线阵列。

5).基于场强的定位

该方法是通过测出接收到的信号场强和已知的信道衰落模型及发射信号的场强值估计收发信短的距离,根据多个三个距离值就可以得到设备的位置。从数学模型上看,和TOA算法类似,只是获取距离的方式不同。场强算法虽然简单,但是由于多径效应的影响,定位精度较差。

6).混合定位

混合定位就是同时使用两种以上的定位方法来进行定位。通过各种定位方法之间结合使用,互补短长,以达到更高的定位精度。

A-GPS定位(辅助GPS定位)就是一种混合定位,是GPS定位技术与GSM网络的结合。A-GPS具有很高的定位精度,目前正被越来越广泛的使用。

 

GPS定位作为一种传统的定位方法,仍是目前应用最广泛、定位精度最高的定位技术。但是相对而言,GPS定位成本高(需要终端配备GPS硬件)、定 位慢(GPS硬件初始化通常需要3~5分钟甚至10分钟以上的时间)、耗电多(需要额外硬件自然耗电多),因此在一些定位精度要求不高,但是定位速度要求 较高的场景下,并不是特别适合;同时因为GPS卫星信号穿透能力弱,因此在室内无法使用(关于GPS的定位原理可参考GPS定位基本原理浅析)。相比之下,GSM蜂窝基站定位快速、省电、低成本、应用范围限制小,因此在一些精度要求不高的轻型场景下,也大有用武之地。关于在Windows Mobile环境下GPS定位和GSM蜂窝基站定位的相关开发技术,可参考为Windows Mobile设备创建位置感知的应用程序

 

 

3 电磁定位技术

   磁定位技术主要包括静磁跟踪技术和电磁跟踪技术。两者都是通过计算磁场强度的方法来得到位置与姿态信息。要得到磁场强度的大小首先要确定磁场的分布状况。磁场分布模型用精确的数学表达式表示是比较复杂的,通常采用简化了的磁偶极子模型来表示磁场的分布,也有采用方形线圈模型。电磁定位系统中常使用缠绕成圆形的线圈。在这种系统中,作为发射器的源线圈被放置在特定的位置上,这些位置的空间坐标已知。通过交流电的激励,源线圈在其自身周围产生磁场。此时,周围的接收线圈中会相应地产生电压信号。

   电压信号与接收线圈的空间位置与姿态相关,可以用空间位置的函数表示。如果能够得到接收线圈的电压信号,利用源线圈产生的磁场分布模型,我们就可以计算出接收线圈的空间位置参数。因此,磁场分布模型与电压信号的提取[8]对接收线圈空间信息的取得至关重要。

  电磁定位技术的缺点:

1、基于电磁原理的追踪定位设备具有便携性强、操作简单、成本低等特点,但同时该系统也有如下的诸多不足:(1)电磁发射装置需要不断发射电磁信号功耗大,对供电系统要求高;(2)追踪和定位 PIG 时,受外界电磁干扰严重,操作繁琐,误差较大,对监测人员的操作要求高;(3)当无法预知管道走向或 PIG 卡堵地点操作人员不易进入时,本设备的使用受到限制 

2、研究较多的是基于低频电磁波的发射与接收原理的。具有代表性的研究组织主要有沈阳工业大学、哈尔滨工业大学、天津大学、沈阳仪表科学研究院、沈阳石化设备研究院、天津绿清管道科技发展有限公司、新疆三叶管道技术有限公司等。


 这里有一篇关于电磁定位的论文,52VR推荐大家看看:超低频电磁波定位技术研究报告.doc

  国外有很一些商用化的磁定位产品,在本站首页下方的友情链接中有更多,先列举几个知名的:

1)Polhemus公司 | 电磁式位置追踪器 | http://polhemus.com/

      小编找到了一台设备,一个电磁接收器和一个发射器,不过是有线的。

方位跟踪器能够很精确地计算出微型接收器在空间移动时它所处的方位。这种装置从根本上消除了延迟带来的问题,它提供了实时动态的6自由度测量位置,并且它是目前世界上能够提供的最高精度的电磁定位跟踪系统。

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2)Ascension公司 | 电磁式位置追踪器 | http://www.ascension-tech.com/

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3) VR-Space公司 | 电磁式位置追踪器win trackerIII | http://www.spacevr.co/

WinTracker 高稳定度及准确度,完全超越全球唯一的同级产品,此外、单机配备有1个发射器及 3 个接收器,更是全球唯一产品。使用者可以将接收器佩带在头部与双手,完全实现感受沉浸式虚拟现实。

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