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室内无线定位技术概述
1 引言
随着数据业务和多媒体业务的快速增加,人们对定位与导航的需求日益增大,尤其在复杂的室内环境,如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中,常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。室内定位是定位技术的一种,与室外定位技术相比有一定的共性,但由于室内环境的复杂性和对定位精度和安全性的特殊要求,使得室内无线定位技术有着不同于普通定位系统的鲜明特点,而且这些特点是室外定位技术所不具备的。室内定位范围相对较小,因此对定位的精度要求相对而言较室外定位要求较高。室内信号微弱,且反射现象严重,故要求定位算法对各种误差的鲁棒性要强。室内定位的应用场合通常决定了定位设备简单、功耗小、计算量和通信开销也不能太大,在特殊场合还需要考虑不对室内其它设备造成干扰。
相对于较早就发展起来的室外定位,室内定位则起步较晚,但通过近年来研究和努力,也有了明显的进步。尤其,2001年的美国911事件,大量大楼内的工作人员和后期进入进行救援的消防人员由于与外界中断通信以及在室内的位置不明确而葬身火海,凸现出室内定位系统的重要作用和对它的急迫的要求。自此,各国政府意识到对室内定位系统研究的重要意义,在该项目上都投入了大量的资金;其中,美国政府联合Motorola和Intel分别就室内定位系统的算法、软件和硬件设备进行开发。
室内定位技术和定位算法已成为各国科技工作者研究的热点。如何提高定位精度将是今后研究的重点。
2 国内外室内无线定位技术的发展现状
1992年,英国剑桥ORL(Olivetti Research Ltd.)的Active Badge系统是最早期的室内定位系统之一。它是一种使用红外线收发器,无需测距的定位系统。系统的缺点是不容易部署大规模网络,且红外线容易受到光线的干扰,尤其是在户外。因此,Active Badge系统是一个只能用于室内定位的基于蜂窝单元的定位系统。
1998年,由Microsoft公司开发的RADAR定位系统利用“指纹识别”技术定位,它是基于RSSI技术的室内无线射频定位系统,利用信号传播模型和经验测试相结合的场景法进行定位。在RADAR系统中,主要考虑建筑物墙壁对信号传播的影响,从而来计算信号衰减程度和传播距离间之间的关系。在实际应用中,要根据建筑物的不同,测试不同的信号穿墙衰减因子,然后再根据经验模型进行距离的计算,从而得到具体位置的估算。RADAR系统实现了办公室范围内2~3m的实时定位。提出了使用WAF模型替代经验数据来推断节点位置的方法,并作了初步尝试。但由于其受外界环境影响非常大的缘故,使其只能满足一些区域定位的要求,不能实现精确定位。
1999年,Bat System做为Active Badge系统的后继发展,实现了最高达3cm的定位精度,它是使用超声波和射频信号收发器,基于TOA技术定位的一种定位系统。SpotON系统也是99年研制的,系统基于RSSI分析的三维位置感知方法,实现了小范围内的定位。
2000年,由麻省理工大学研制的Cricket系统是从硬件的尺寸和价格上都有所突破,是现在仍在使用的室内定位系统之一。Cricket系统是MIT的Oxygen项目中的一部分,是使用基于TDOA技术的一种定位系统。Cricket系统设计上的有五大原则:用户私密性、分布式管理、网络的多种多样性、低成本以及尘埃式的硬件模块设计。
2001年,基于TDOA测距的AHLOS(Ad-hoc Localization System)系统使用了一种迭代的定位算法。AHLOS系统的最大优点在于可以利用相对较少的参考节点进行定位,但是该系统也有个非常大的缺点,因为其定位是个迭代的过程,所以会造成误差的累积,相对于直接测距,该方法获得的定位精度便降低了一个数量级。同年的Nibble系统是基于Wi-Fi服务的定位系统,它使用Lucent Orinoco Wi-Fi无线网卡,利用Java在JDK ,该系统使用贝叶斯网络推断节点的位置。
2002年,加利福尼亚大学的Calamari系统是一种为传感器网络设计的Ad-hoc定位系统,它同时采用了TOA和RSSI两种技术进行定位。相对于前面的定位系统,Calamari系统实现起来,在系统搭建时间上、所用的设备数量上、功耗问题上、成本上以及节点的大小上都进行了优化。
除了上面提到的较为典型的定位系统外,近些年来,国内外很多的公司、高校、研究所也等根据具体的应用也设计出了很多无线定位系统。其中应用的比较多的无线定位技术有:基于超宽带的定位技术、基于Wi-Fi的定位技术以及基于ZigBee的定位技术等等。
无线定位系统在国内的发展起步比较晚,但发展速度非常快。很多大中小型公司都相继推出自己的定位解决方