摘 要：考慮到GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)對于遮擋區(qū)域的定位精度差或者無法定位的因素，本文詳細(xì)探討和分析了幾類室內(nèi)定位技術(shù)的原理，定位精度及其應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過對比分析得到，未來室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢將是以偽衛(wèi)星，iGPS 和UWB 為代表的定位技術(shù)。

　　關(guān)鍵詞：室內(nèi)定位,偽衛(wèi)星,iGPS,UWB定位

　　1、緒論

　　全球定位系統(tǒng)作為一種室外定位技術(shù)，已經(jīng)在車輛導(dǎo)航，物流配送，災(zāi)害應(yīng)急，軍事打擊等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了獲得最佳的衛(wèi)星信號，該系統(tǒng)要求接收器存在于開闊的地帶，以得到較高的定位精度。對于室內(nèi)，礦井，茂密樹林環(huán)境下的定位，基于GNSS定位技術(shù)的應(yīng)用得到了極大的限制。目前，室內(nèi)定位技術(shù)具有以下幾種實(shí)現(xiàn)方式：基于GNSS信號的室內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)定位，偽衛(wèi)星定位，室內(nèi)GPS定位，室內(nèi)無線定位(包括WiFi定位，藍(lán)牙定位，RFID定位等)。這幾類定位方式具有不同的定位原理和定位精度，其應(yīng)用領(lǐng)域也各不相同。

　　本文探討和總結(jié)了當(dāng)前幾類主要的室內(nèi)定位技術(shù)的原理，定位精度及其應(yīng)用領(lǐng)域，以期能夠獲取當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢。

　　2、定位原理

　　2.1 基于GNSS的室內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)定位

　　通過正常的GNSS衛(wèi)星信號接收天線接收沒有遮擋的衛(wèi)星信號，該衛(wèi)星信號經(jīng)過降噪、放大后，直接通過安裝在室內(nèi)的信號轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，從而把室外真實(shí)的 GNSS 衛(wèi)星信號“引入”到室內(nèi)，完成室內(nèi) GNSS信號的覆蓋。

　　基于這種方法的室內(nèi)定位不能獲得室內(nèi) GNSS 接收機(jī)的真實(shí)位置，主要原因是因?yàn)樾l(wèi)星信號在轉(zhuǎn)發(fā)過程中的時(shí)間延遲和 GNSS 衛(wèi)星接收天線可見衛(wèi)星的物理參數(shù)與實(shí)際位置接收到 GNSS 衛(wèi)星的物理參數(shù)不一致造成。

　　鑒于信號轉(zhuǎn)發(fā)使得 GNSS 接收機(jī)不可以準(zhǔn)確測定其實(shí)際位置的事實(shí)，該種方法可以用于對 GNSS 接收機(jī)的信號干擾[1,2]，這種干擾也就是我們常說的“轉(zhuǎn)發(fā)式干擾”,因其容易實(shí)現(xiàn)且干擾能力好，常被用于戰(zhàn)時(shí)需要。

　　2.2 偽衛(wèi)星定位

　　偽衛(wèi)星通常布設(shè)于局部區(qū)域地面或空中平臺上，可以發(fā)射某種定位信號，行使衛(wèi)星功能，主要由接收機(jī)、發(fā)射機(jī)和天線等部分組成。偽衛(wèi)星具有抗干擾能力強(qiáng)、靈活組網(wǎng)、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，可有效解決衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的幾何圖形不佳，冗余度差以及由于衛(wèi)星損壞或遮擋所造成的衛(wèi)星數(shù)目不足等問題。特別當(dāng)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于某種原因暫時(shí)不能使用時(shí)，偽衛(wèi)星可完成局部范圍內(nèi)的獨(dú)立組網(wǎng)，替代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行工作[3,4]。

　　2.3 室內(nèi)GPS定位

　　目前,iGPS 系統(tǒng)所能達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)為:單個(gè)發(fā)射器的信號覆蓋范圍為2m~55m;隨著發(fā)射器的增多，可視空間范圍可以無線擴(kuò)展。測角精度優(yōu)于 1.0″;水平測量覆蓋范圍為±180 度;垂直測量覆蓋范圍為±20 度;信號發(fā)射時(shí)發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)速度為 40～55Hz，不同發(fā)射器的旋轉(zhuǎn)頻率差小于 0.1Hz，預(yù)熱時(shí)間為 15分鐘。因測量精度與發(fā)射器的安裝誤差，發(fā)射器和位置傳感器的制造工藝均有關(guān)系，一般來說，空間測量精度:在 30 米范圍內(nèi)，按照 1 倍中誤差的不確定度可達(dá)到 0.12mm;按照 2 倍中誤差的不確定度可達(dá)到 0.25mm;按照 3 倍中誤差的不確定度可以達(dá)到 0.37mm。

　　2.4 WiFi定位

　　WIFI 定位系統(tǒng)主要包括:WIFI 基站和帶有 WIFI 模塊的手機(jī)或者 PDA 等其它終端。在定位測量方法上，按照所取參數(shù)的不同可分為基于接收信號強(qiáng)度的測量法(RSSI，Received Signal Strength Indication)、基于達(dá)到角度的測量法(AOA，Angle of Arrival)、基于到達(dá)時(shí)間的測量法(TOA，Time of Arrival)和基于到達(dá)時(shí)間差的測量法(TDOA，Time Difference of Arrival)。 WIFI 定位需要的設(shè)備模塊包括：WIFI 網(wǎng)絡(luò)，定位標(biāo)簽和定位管理軟件等三大部分。WIFI 網(wǎng)絡(luò)除了具備定位功能外，還肩負(fù)著通訊功能。WIFI 具有覆蓋范圍廣、有效距離長、傳輸速度快、可靠性高等特點(diǎn)。

　　2.5 藍(lán)牙定位

　　藍(lán)牙作為一種短距離、低功耗無線通信技術(shù)，在各領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，如手機(jī)、PDA 等設(shè)備都已具備了藍(lán)牙模塊。構(gòu)建一個(gè)藍(lán)牙定位網(wǎng)絡(luò)，就能對持有藍(lán)牙設(shè)備的用戶實(shí)現(xiàn)定位追蹤，提供特定的基于位置的服務(wù)。藍(lán)牙技術(shù)中主要利用信號強(qiáng)度 RSSI 實(shí)現(xiàn)室內(nèi)高精度定位。基于 RSSI 指紋標(biāo)定的定位方法定位精度較高，但需要耗費(fèi)大量人力采集標(biāo)定數(shù)據(jù)，限制了該方法的推廣應(yīng)用。

　　2.6 ZigBee定位

　　ZigBee 技術(shù)和 RFID 技術(shù)在 2004 年被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快, 市場前景最廣闊的十大最新技術(shù)中的兩個(gè)。今后一個(gè)時(shí)期, 將是 Zigbee 技術(shù)廣泛應(yīng)用的時(shí)期。Zigbee 技術(shù)主要是針對工業(yè)、家庭自動化, 遙測遙控, 汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化和醫(yī)療護(hù)理等, 例如燈光自動化控制、傳感器的無線數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控、油田、電力、礦山和物流管理等應(yīng)用領(lǐng)域。另外它還可以對局部區(qū)域內(nèi)移動目標(biāo)例如城市中的車輛進(jìn)行定位[8]。

　　2.7 RFID定位

　　基本的 RFID 系統(tǒng)通常由 3 部分組成：RFID 標(biāo)簽，RFID 讀寫器，和 RFID 應(yīng)用軟件。RFID 標(biāo)簽，依據(jù)標(biāo)簽供電方式的不同，可以分為有源電子標(biāo)簽(Active tag)和無源電子標(biāo)簽(Passive tag)。無源標(biāo)簽(Passive Tag)本身不會自主發(fā)出包含資料電波，由讀寫器(Reader)發(fā)出電波產(chǎn)生訊號，RFID 標(biāo)簽的天線接收到磁場的產(chǎn)生感應(yīng)電流，然后送出儲存在晶片(Chip)中的資訊給讀寫器(Reader)接收判讀;有源標(biāo)簽(Active Tag)中除了有晶片(Chip)和天線(Antenna)之外，又增加了電源(battery-supported)，可以不斷主動發(fā)出資料訊號，給與讀寫器(Reader)接受。

　　2.8 超寬帶(UWB)定位

　　UWB 超寬帶無線通信技術(shù)，是一種不用載波，而采用時(shí)間間隔極短(>lns)的脈沖進(jìn)行通信的方式，也稱作脈沖無線電(Impulse Radio)、時(shí)域(Time Domain)或無載波(Carrier Free)通信。這種技術(shù)最初被作為軍用雷達(dá)技術(shù)開發(fā)，早期主要用于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。UWB 技術(shù)用于以下三個(gè)方面:①Imaging systems(地質(zhì)勘探及可穿透障礙物的傳感器等);②Vehicle Radar System(汽車防沖撞傳感器等);③Communication and Measurement systems(家電設(shè)備及便攜終端之間的無線數(shù)據(jù)通信等)。與藍(lán)牙(Bluetooth)和無線局域網(wǎng)(WLAN)等帶寬相對較窄的無線系統(tǒng)不同，超寬帶通信技術(shù)不利用余弦波進(jìn)行載波調(diào)制，而是通過發(fā)送納秒級的脈沖傳輸數(shù)據(jù)，而且信號傳輸時(shí)的功耗只有 uW。UWB 在保證高數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)耐瑫r(shí)解決了移動終端的功耗問題，因此被認(rèn)為是 WIFI 技術(shù)的最具競爭性的技術(shù)[9]。

　　3、應(yīng)用領(lǐng)域

　　考慮到上述室內(nèi)定位技術(shù)的原理和定位特點(diǎn)等因素，不同的定位技術(shù)適應(yīng)于不同的條件。下表總結(jié)了各類室內(nèi)定位技術(shù)的特定和應(yīng)用領(lǐng)域。從表中可以看出，除了室內(nèi)GPS定位技術(shù)，偽衛(wèi)星定位技術(shù)和UWB技術(shù)具有較高的定位精度，其他定位技術(shù)往往只是作為一種輔助精度手段或者用于GPS信號的干擾。

　　4、總結(jié)

　　考慮到GNSS衛(wèi)星定位技術(shù)對于遮擋區(qū)域的定位精度差或者無法定位的因素，本文詳細(xì)探討和分析了基于GNSS信號轉(zhuǎn)發(fā)，偽衛(wèi)星定位，室內(nèi)GPS定位，WiFi定位，UWB定位等技術(shù)的原理，定位精度及其應(yīng)用領(lǐng)域。從這些定位技術(shù)的精度可以看出，未來室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展趨勢將是以偽衛(wèi)星，iGPS 和UWB 為代表的定位技術(shù)。因此，對于這類技術(shù)的研究將為遮擋區(qū)域的高精度定位提高可靠的解決方案。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 徐彬,霍立平;轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對GPS定位精度的影響[J],航空兵器,2007年第3期;p30-33.

　　[2] 劉建永,陸云,王源,等;轉(zhuǎn)發(fā)式 GPS 干擾技術(shù)及其計(jì)算機(jī)模擬[J],武器裝備自動化,2004年第 23卷第 6期;p6-7.