室內定位技術在過去的數年間正在諸多行業得到越來越廣泛的應用,在我們日常生活中扮演著越來越重要的角色。

過去三十年間,以GPS為代表的全球衛星導航系統重塑了人類生活,成為現代社會的一個重要技術里程碑。從地圖導航到社交網路,位置服務都在其中發揮關鍵作用。另一方面,隨著我國城市化程序的推進,城市的面貌正在發生深刻的改變。

越來越多的摩天大樓、購物商場、交通樞紐、體育場館、醫療中心正在成為城市新地標。這些現代化的大型建築,無一例外,都擁有巨量的室內空間。

智慧手機及其他無線裝置的普遍使用,更是直接引爆了對室內位置資料的市場需求。然而,由於非視線通訊問題,GPS無法在室內條件下提供可靠的位置資料。因此,室內定位技術正在成為學術研究和行業應用的熱點領域。

商用室內定位系統依據其所依託的定位技術一般可以分為四類,

以計算機視覺技術為基礎的室內定位系統、以無線通訊技術為基礎的室內定位系統、以LED可見光技術為基礎的室內定位系統和以地磁匹配為基礎的室內定位技術。

不同室內定位技術的對比及優缺點如表1。要實現商業場景下可以落地的高精度室內定位系統,不僅僅取決於某種技術本身的定位精度,更要綜合考慮環境、施工、部署、推廣等等因素。

2020主流室內定位技術對比

基於計算機視覺的室內定位系統,透過計算機視覺演算法,利用定位過程中攝像頭拍攝到的影象資訊與預先採集的定位場館的視覺照片資料庫做比對,從而確定人員的位置座標。

隨著近幾年人工智慧技術的飛速發展,基於計算機視覺的室內定位系統精度有很大提升,一般在1到2米。其缺點較為明顯:如果是基於移動智慧裝置的主動定位,那麼要求行人在定位過程中始終開啟攝像頭;如果是被動定位,那麼需要預先在場館內安裝大量高畫質攝像頭,工程造價較高。

無線電波通訊技術也可以用於構建室內定位系統,常見的Wi-Fi、藍芽低功耗、RFID、UWB、Zigbee都屬於這類。

Wi-Fi

室內的Wi-Fi網路不僅可以作為一般網路基礎設施,也可以利用其空間傳播的路徑損耗效應(pathloss)建立路徑損耗模型,從而實現位置資料的解算。

其優點是可以利用室內已經部署的Wi-Fi路由裝置,無需額外部署。但是,如果場館本身沒有Wi-Fi裝置,就需要額外部署。

其缺點是由於室內空間結構比較複雜,無線電波在室內空間傳播過程中還存在陰影效應(shadowing)和多路傳播效應(multipath),無論是模型法還是指紋法,都很難建立能夠真實反映室內空間的傳播模型。

因此,商用Wi-Fi室內定位系統的定位精度一般在15米到25米左右,具體依賴於室內已有的Wi-Fi裝置數量及分佈。

藍芽

分別由蘋果公司推出的iBeacon協議及谷歌公司推出的Eddystone協議是藍芽低功耗技術在室內定位領域的代表。

其定位原理與Wi-Fi技術類似,優點是藍芽低功耗裝置功耗較低,無需額外供電,僅依靠紐扣電池即可。一般的智慧手機也都擁有藍芽掃描的能力。其缺點是,要達到1-2米的定位精度需要在室內部署大量的beacon裝置。

RFID

RFID即射頻識別技術,利用射頻訊號的電磁傳輸特性在射頻標籤及射頻閱讀器之間實現資料通訊。

其優點是資料傳輸速率較高、安全性好,且不受非視線通訊問題困擾。

其缺點是,需要在定位區域部署大量的RFID裝置,且需要定位人員手持RFID標籤,因此,在室內定位領域沒有得到大規模商業推廣。

UWB

UWB即超廣波技術,可以在較低功耗的條件下於1納秒內傳送超過500MHz頻寬的脈衝訊號,主要用於短距通訊領域。

其優點是,由於其特殊的訊號型別及頻譜,相對於其他無線電波訊號,UWB訊號在複雜的室內環境下不受多路效應的影響,並具有極佳的障礙物穿透能力,定位精度可以達到10cm級別。

但是,UWB技術標準的制定發展較為緩慢,因此其並未推廣到消費電子領域,普通的移動智慧裝置並不支援UWB協議,僅用於少數要求較高的特殊工業場景。

此外,基於UWB技術的室內定位系統的搭建需要極高的硬體花費和部署成本

Zigbee

Zigbee技術基於IEEE 802。15。4協議,主要用於低成本、低資料傳輸、低功耗的無線感測器網路領域。一般商業領域的絕大多數使用者智慧裝置並不支援這一協議,因此在商業室內定位領域內應用不多。

LED光

可見光通訊技術利用LED光源發出的高頻閃爍訊號來編碼LED發射源的位置座標資訊,感光感測器將接收到的可見光訊號解碼並計算出移動裝置的位置資訊。

其優點是可以依託室內已經部署的LED燈光,且不受無線電波干擾的影響。其缺點是,要求LED燈光具備閃爍編碼功能,並且會由於非視線通訊問題造成定位精度急劇下降。

地磁

基於地磁的室內定位技術是近幾年逐漸在商業場景落地的一種新型定位技術。地球磁場是無處不在的,地球上任何一點的地磁場資料可以根據國際地磁和高空大氣物理協會(IAGA)釋出的國際地磁參考場模型(IGRF)和地點經緯度資訊計算得出。

在鋼筋水泥混凝土的建築物結構內,地磁場曲線受到鐵元素磁化後的影響而發生扭曲。這種扭曲只與室內空間的相對位置相關,從而形成獨特的地磁指紋特徵。

如果預先採集室內地磁指紋特徵並生成地磁指紋資料庫,那麼就可以在定位時透過地磁資料訊號解算出室內位置。

其優點是,地磁訊號不存在非視線通訊問題,也沒有無線電波的陰影效應及多路效應等的干擾,只要室內空間結構保持大體不變,地磁訊號就是相對穩定的。其缺點是,並非所有室內位置的地磁指紋特徵具備較強的特異性,因此會有相似特徵的問題,這就對演算法的特徵提取能力和魯棒性提出了更高的要求。通常情況下,當地磁指紋特異性不足時,可以透過融合其他室內定位技術的方式提高演算法整體的收斂性。

杭州十域科技正是基於地磁定位演算法技術,融合藍芽、Wi-Fi等,​定位精度高,實施過程簡單應用功能豐富,旨在為使用者提供數字化人員定位系統整體解決方案。