室内导航定位技术与进展

卫星导航定位技术研究中心2012-11-20一、概述二、室内定位技术三、室内定位原理四、室内导航电子地图五、商业解决方案六、室内定位的机遇与挑战一、概述室外GNSS导航定位室内定位-移动位置服务的最后一米-人们平均80-90%的时间在室内-70%的移动电话使用和80%的数据连接使用来自室内室内需要导航定位怎么办？1、大型商场里面借助室内导航快速找到出口、电梯2、家长用来跟踪小孩的位置避免小孩在超市中走丢3、商店根据用户的具体位置向用户推送更多关于商品的介绍GNSS缺陷室内信号遮挡无法定位民用定位精度过低（10m左右）1、A-GPS2、RFID、NFC3、WIFI4、ZIGBEE5、UWB6、蓝牙7、其它技术二、室内定位技术A-GPS(AssistedGPS)A-GPS系统可以通过运营商基站信息来进行快速定位RFID–物流领域射频识别（RFID）技术是一种利用射频通信实现的非接触式自动识别技术。有源（主动）：可达30米无源（被动）：最远可达10米近场通信（NearFieldCommunication，NFC）允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（在十厘米内）交换数据WiFiWi-Fi是一种能够将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，距离100米以内。Zigbee-工业控制一种低速短距离传输的无线网络协定。低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全蓝牙(blue-tooth)是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。蓝牙4.0通讯距离达10米UWB(UltraWideband)超宽带一种无载波通信技术，利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展，认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。具有极强的穿精度透能力，可在室内和地下进行精确定位。UWB信号的有效传输距离在10m以内，UWB普遍地定位于个人局域网范畴Ubisense系统定位精度可达15cm,是目前国内无线电定位的最高精度其它技术视频-（图像识别、二维码等）无线电-（FM）地磁场等三、室内定位原理距离测量到达时间(TimeofArrival，TOA)到达时间差(TimeDifferenceofArrival，TDOA)到达角度(AngleofArrival，AOA)接收信号强度指示（ReceivedSignalStrengthIndicator，RSSI）位置指纹IP、信号强度、RFID、二维码编码等TOA基于TOA测距时，已知信号的传播速度，则可根据信号的传播时间来计算节点之间的距离。TDOA发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，这两种无线信号的传播速度已知。接收节点根据两种无线信号到达的时间差，计算两个节点之间的距离RSSI基于RSSI测距时，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据接收到的信号强度，计算出信号的传输损耗，然后根据理论或经验模型将传输损耗转化为两个节点之间的距离。理论模型位置指纹库RSSI指纹IP指纹射频标签ID号二维码192.168.123.7013楼教室机房四、室内导航电子地图室内位置服务系统基本功能1、地图定位2、设施查询（商铺、洗手间、电梯等）3、路径导航地图可视化空间数据模型Google二维室内地图=aff-cs-360se-channel&channel=bookmark&hl=zh-CN&tab=wl地图可视化2.5维地图、虚拟现实地图室内外一体化地物模型二维面三维实体模型拓扑关系五、商业解决方案谷歌方案定位技术：依靠GPS（室内一般也能搜索到2～3颗卫星）、wifi信号、手机基站室内地图：“众包”的方式解决数据源的问题，就是鼓励用户上传建筑平面图诺基亚方案技术手段：HighAccuracyIndoorPositioning(HAIP)HAIP使用由诺基亚开发的低功耗无线信号技术，该技术将成为蓝牙技术的一种标准。•HAIP技术包括固定于屋顶的方向性发射台，可以用来接受和发射定位信号。•HAIP的准确度和可靠性比WLAN有非常明显的优势，可以达到一米以下，办公室环境里甚至可以达到30厘米，而且不受环境因素影响。•HAIP覆盖范围广。一个发射台可以覆盖100米的距离，在较高的屋顶安装，覆盖范围可以达到1000平方米。•HAIP低功耗的特点也非常突出。发射台可以使用电池，而一般的纽扣电池就可以使电子标签使用两年以上。IndoorAtlas方案IndoorAtlas是一家专注于室内导航解决方案的公司，刚成立不久。IndoorAtlas的方案基于地球磁场，依据是每一个具体位置的磁场信息都不一样。不过使用这种技术进行导航比较麻烦，首先用户需要上传建筑平面图，然后还需要你拿着移动设备绕室内一圈，记录下各个位置的地磁信号特征，这些信息需要上传到IndoorAtlas的服务器。最后，你需要使用IndoorAtlas提供的工具包开发一个应用才能使用定位功能（IndoorAtlas的开发工具包可以在线申请，不过笔者申请了两次都没结果）。Qubulus方案跟IndoorAtlas不同的是，Qubulus公司根据无线电信号（RadioSignature）来定位。每一个位置的无线电信号数量、频度、强度等也是不同的，Qubulus根据这些差异计算出你的具体位置。使用Qubulus的方案，你同样需要收集室内的无线电信号。Qubulus也提供了开发工具包，很容易申请下来。开发工具包里有一个例子，可以使用Eclipse直接编译通过。杜克大学方案杜克大学则借助现实生活中路标（landmarks）的思想，正在开发一个叫做UnLoc的应用。此应用通过感知wifi、3G信号死角，以及一些运动特征，如电梯、楼梯等，并根据这些位置已知的路标来计算你的位置。当你移动的时候，就根据其他感应器（陀螺仪、加速度传感器、方位传感器等）来跟踪你的位置。这一过程精度会逐渐降低，但当你到达下一个路标时，位置就会被校准。室内定位的挑战•技术挑战•GPS信号难以进入室内•室内环境的干扰很多•信号反射，折射，衍射产生多径传播，•环境温度，湿度，物体变动，人员走动，都会导致接受信号的变化，影响定位的精度•现有的几种技术都有其局限性•光跟踪设备复杂•超声波易受温度影响•红外易受光干扰和障碍物影响•视觉技术对图像处理能力要求很高•RFID需要特定设备分布和配套设施•还有UWB，蓝牙，WLAN等等射频技术，都难以满足广泛的需求。•商业挑战•目前还没有大规模使用的方案