室内定位系统(IPS)使用传感器和通信技术来定位室内环境中的物体。IPS正在吸引科学界和企业的兴趣，因为应用这些技术存在巨大的市场机会

目前室外的位置定位技术和应用已经非常成熟，基于GPS系统的导航地图，已经给人们的生产生活带来极大便利。但是室内环境下，GPS的应用会受到限制。

原因主要是室内墙壁对信号的阻挡和干扰，使得GPS或类似的卫星定位系统无法在室内环境下得到广泛应用。因此，室内定位系统（也称为室内定位系统，IPS）已经受到越来越多的研究和关注。

定位方法和IPS

一般而言，位置的计算由具有三个阶段的算法组成。

第一阶段是采集信号。

第二阶段是距离估算，设备会使用测量结果或获得的信号来估算与需要定位的物体之间的距离。

第三阶段是将多台设备给出的距离估算值组合成位置坐标，并计算出最终定位。这种组合可以使用优化方法或矩阵方程方法以及其他技术来实现。

IPS根据一组传感设备或传感器收集的观察数据来估计目标对象的位置。室内定位系统可以将估算任何对象（如厨房）位置作为基于坐标的参考。

根据应用程序的目的，IPS也可以在许多不同的坐标系中给出位置。例如，在室外导航系统中，纬度和经度与球坐标系相关联，但对于室内定位，通常平面笛卡尔坐标系更适合。无论如何，坐标系变换总是可能的，所以这不是最关键的问题之一。

多点定位技术基本上是使用几何方法来将不同设备的估算的距离值组合成位置坐标。距离估算可能来自不同的测量方法，例如RSS（接收信号强度）、ToA（到达时间）、TDoA（到达时间差）和AoA（到达角）。如果组合使用三个参考设备，则称为三边测量。

到达时间(ToA)有时称为飞行时间(ToF)；它是信号从发射器到接收器所花费的时间。如果接收器能够获得ToA作为估算依据，那么它将使用光速估计距离范围（距离=到达时间*光速）。然后几个参考设备将它们的距离估算值组合形成位置坐标。

从多点角度来看，ToA可以用来估算参考设备周围的圆圈位置（参见图1(a)；尽管两个圆足以求解坐标，但还需要第三个圆来消除歧义。

通常，对于图1(a)中的配置，A、B和C将作为发射器，P将作为接收器，就像GPS应用中的情况一样；此设置允许将P的位置保密。

由于ToA测量中可能存在误差，要么是噪声和测量精度引起的小误差，要么是信号的反射、多径或散射引起的大误差，因此我们将无法使用单个点作为估算的解决方案，但是某个区域通常可被认为是最佳估算点。

图1

在IPS的情况下，ToA的一些问题会更加严重。首先在GPS中，卫星位置是通过其轨道参数预先知道的，而在IPS中，情况并非如此，因为没有一个普遍认可的参考系。其次，对于非常短的距离，例如室内距离，对于RF信号，时间差将非常小，因此需要很高的精度。

在IPS中，参考设备定义了一条线，并能测量出目标对象所在位置与该线之间的角度。这样，数台参考设备用数条线测出的角度组合，就可将目标对象定位在几条线的交点处。理论上，至少需要使用两个参考点和两个角度才能实现定位（1、2）（见图2）。

这种措施的优点是参考设备之间不需要时间同步。缺点是它需要复杂的硬件来确定AoA。

图2

接收信号强度(RSS)是信号在接收点的场强，其可在接收器处被测量（参见图3）。目标对象的距离可使用信号传输模型或其他方法来估算，特别是Friis传输方程经常被用到。

图3

室内定位技术的发展演变

虽然光信号实际上只是电磁辐射的一种形式，但我们将其与无线电波分开，因为具体技术不同，其优势和挑战也不同；例如，定位技术中使用的光信号受到视线限制。

IPS的红外技术(IR)使用了波长比可见光谱长的电磁辐射。红外线系统由一个红外线发光二极管和一个接收光电二极管组成红外线发光二极管以不可见光的形式发射红外线信号，接收光电二极管用来检测和捕获光脉冲，然后对其进行处理以检索信息。

IR系统的可靠性受发射光信号的许多特性的影响，例如光信号的方向性（单向性的程度），以及对障碍物的反射率等。

许多家用IR设备（例如遥控器）的设计考虑到了低单向性，因为用户不应准确指向接收传感器。大多数红外系统需要从发射器到传感器的视线间隙，但有时反射信号有足够的能量来激活传感器。

当然，在IRIPS系统的背景下，视线间隙的要求是一个很大的缺点，因为它会遇到被发射器遮挡的无检测区域。

一个开创性的“主动”系统是ActiveBadge。该系统旨在定位办公环境中携带IR“标签”的员工（见图4）。标签每10秒发出一个独特的红外代码。

这些代码由放置在办公环境周围的红外传感器网络获取。传感器网络接收到的信息随后由也连接到网络的计算机进行处理。该系统使用户的位置显示在用户的便携式设备上。但也存在两个局限：系统需要接收器和标签之间存在视线间隙，并且系统性能会受阳光影响。

根据研究结果，该系统会对用户隐私构成泄露风险。

图4

可见光通信(VLC)是一种使用可见光传输数据的技术。VLC可以使用任何类型的灯，但研究发现LED灯最适合通信。由于光源能够在非常短的时间间隔内再次打开和关闭，因此可以使用可见光传输数据。

这种闪烁一般采用多种调制方式，可以快到人眼无法察觉。由于可重复使用性以及实施成本低，IPS的VLC已开始应用于商业场景。

VLC的原理是每个固定LED灯都有不同的闪烁编码，用户携带的传感器接收到光信号后会进行解码，然后与已知的编码方案进行比较，从而将传感器位置与相应灯的附近相关联（见图5）。

图5

如图5所示，这种布置的一个优点是它根本不会对信号造成干扰，因为人类用户只能看到固定在标准位置（例如天花板）的普通灯。

接收器可以是光电二极管或能够捕获光强度的光电设备（例如，光电管）或图像传感器（例如照相机），专门用于记录来自发射器的光脉冲。图像传感器的优点是它可以同时记录多个灯及其位置，从而实现更精确的位置估算。

声音信号也可用于市内定位。声音信号由在空气中传播的压力波组成，由于其传播速度比电磁信号慢得多，因此可以更容易地测量信号发射和到达之间的时间。

发射时间通常通过同时发射无线电信号和声音信号来测量，因为无线电信号几乎是瞬间到达传感器而声音信号到达传感器的时间较晚，因此可以通过这两个时间的差值来计算距离。

这种方法长期以来一直被农民采用，他们通过计算看到闪电和听到雷声之间的时间来估计闪电的距离。当然，也可以选择使用ToA或TDoA，计算这两个参数也能发挥声音信号慢的优点。

基于超声波定位的系统使用高于可听范围（超过20KHz）的声音频率，利用超声波信号从发射器传播到接收器所花费的时间来确定用户位置。

超声波信号相对于可听信号的一个明显优势是前者无法被人类检测到，而后者会很烦人。与许多其他IPS一样，超声系统可以实现“主动”或“被动”定位。

虽然室内定位系统中使用的大多数基于无线电的技术都采用仅限于小范围频率的无线电信号（窄带信号），但也有一些应用程序使用大部分频谱（扩频信号）。

蓝牙是一种无线通信技术，它在射频信号上使用数字嵌入信息。这种技术最初用于短距离数据交换，由标准IEEE802.15.1定义。

该技术的主要目标是促进移动和固定设备或两个移动设备之间的无线通信，取代了之前设备之间通信必须用到的电缆和连接器（例如，在使用无线耳机时），并促进个人设备之间的数据同步。

由于其可用性（大多数现代智能手机都支持）、低成本和非常低功耗，允许固定发射器使用电池运行数月甚至数年，蓝牙技术已被视为室内定位系统的WiFi竞争者，特别是自低功耗蓝牙(BLE)广泛采用以来。

射频识别（RFID）是一种利用无线电波使专用电路产生唯一标识符响应的技术；由于电路可以连接到人、动物或物体上，因此它提供了一种识别目标的方法。RFID系统由RFID阅读器和RFID标签组成。RFID阅读器可以获取RFID标签发出的数据。

标签或RFID“应答器”装有微芯片和充当天线的印刷电路板，它能够发射携带信息的无线电信号，信息内容主要是标记身份的唯一ID。

按照标签如何获得能量来进行响应，行业从业人员将RFID阅读器分位三类：如果RFID仅使用阅读器发射的微小能量（通过小天线收集）回复阅读器，则为“被动”，如果RFID有自己的电源并定期传输其ID信号，则为“有源”。

还有一些RFID标签是“半无源”标签，它使用小电池并仅在检测到读取器信号时才进行信号传输。

RFID技术有许多应用和使用领域，如个人/车辆访问控制、百货商店安全、设备跟踪、行李、快餐店、物流、医疗设备等。此外，RFID系统已被用于定位，尤其是当不需要始终知道用户位置，而仅在通过重要控制位置（如入口门）时才知道的场景。

在这些情况下，用户位置通常以逻辑位置的形式给出，例如“门前”、“等候室内”等，而不需要定位在坐标系中。

超宽带技术(UWB)基于使用非常大的带宽传输由一系列非常短的脉冲形成的电磁波。它有许多应用和使用领域：如有线电视、资产管理、雷达和成像、安全应用、医疗应用、车载雷达系统、高穿透雷达系统以及定位和跟踪等。

UWB技术已被考虑用于部署室内定位系统，因为UWB技术在飞行时间的测量精度、多路径抗扰性和扩展操作的低功率要求方面具有明显优势。

在UWB定位系统中，可以使用到达时间(ToA)和到达时间差(TDoA)这两种不同的计算方法来确定目标和参考点之间的距离。

有研究人员提出了一种基于UWB的IPS，它由四个固定发射机和一些移动用户组成。四个发射器向移动用户发送UWB信号，并测量出发射器和接收器之间的TDoA，然后系统再利用三角测量方法估算出目标位置。当超宽带信号带宽为528MHz时，系统精度可以达到为1米。

室内技术的未来发展

值得注意的是，通信系统最初并不是为IPS目的而设计的。

多数IPS受益于高密度发射器，提高了定位准确性，但同时高密度发射器也会增加IPS解决方案的成本。因此，如果能利用现有通信基础设施中的发射器，那么发射器密度将会增加，这将有利于IPS解决方案成本的降低和应用的推广。

将移动设备用作定位系统的重要组成部分是目前的发展趋势。

这种方法将移动设备视为开发定位系统的合适技术，原因是这些设备已经嵌入了大量传感器，例如加速度计、陀螺仪和磁力计，以及一些不常被想到的设备传感器，如摄像头、麦克风、蓝牙芯片、GPS（全球定位系统）接收器、无线网卡等，因此它们可以以很容易地收集用户信息。

另外，在不久的将来，室内/室外IPS也会实现融合。室外定位系统将以无缝方式与IPS融合，随时随地通过智能手机定位人们的位置。

虽然当前的IPS系统涉及专门的设备和应用程序，但未来的IPS系统将成为智能手机操作系统的一部分并能充分利用手机上的传感器，使得智能手机的应用程序都可调用室内或室外定位服务。

参考文献：

EvolutionofIndoorPositioningTechnologies:ASurvey

JournalofSensors2017(6,article359)DOI:10.1155/2017/2630413