题主已经提到了几种主要的室内定位技术,各种技术都有不少的研究成果,也都有相应的代表性产品,而对于不同的定位需求,用到的定位技术也不一样。最基本的,在救援中的室内定位和商场中的店铺定位,就是完全不同的应用场景。
下面从实际应用的角度分析一下几种定位技术的代表性成果。
比较有名的有苹果推出的iBeacon,在一个iBeacon基站的帮助下,智能手机的软件能大概找到它和这个iBeacon基站的相对位置。

iBeacon技术通过低功耗蓝牙来实现。这也是为什么iBeacon设备靠纽扣电池就能运行很长时间。现在的iBeacon应用主要包括两种,一种是进入iBeacon区域后,进行消息推送;另一种是部署好基站,利用信号强度进行定位。这两种都与位置感知有关。iBeacon进行位置感知的依据是其信号强度RSSI(Received Signal Strength Indication),通过RSSI值的变化来判断用户距离iBeacon设备的远近。如已知某距离(1米)的RSSI,那么大于该值则距离小于1米,小于该值则距离大于1米。通过部署多个基站,则可以通过与两个或多个基站的相对距离来找到用户的位置大致区域。举一种方法作为例子,比如选离用户最近的两个基站,通过一个基站和用户收到该基站信号RSSI值可以确定一个圆环(圆环是因为有误差范围),两个基站形成的两个圆环的交叠区域,可判定为用户所在的位置。

如果有多个基站,则能够进一步缩小区域范围。这种通过RSSI强度进行室内定位的方法并不是蓝牙的专属,但在能够测得蓝牙信号强度的情况下,RSSI强度是室内定位的一种依据。同样基于蓝牙技术的室内定位方法还有Nokia的HAIP,高通的iZAT和Gimbal。基于蓝牙的室内定位优点在于设备体积一般比较小,功耗低,建立连接时间短,主要可以应用于小范围的定位。缺点是蓝牙系统稳定性较差,受噪声的干扰比较大。
惯性传感器包括加速度计和陀螺仪等,可测量加速度和角速度。通过对运动传感器的信息进行整合计算,不断更新待移动点的位置和速度。通过对加速度进行积分,可以知道待移动点的位置变化、速度变化,通过对角速度进行积分,可以得到移动点的方向变化。惯性传感器定位于其他方法的不同之处在于,不需要事先布置基站或对室内情况有预先了解,所以在救援人员追踪方面有重要应用,因为在这种情况下,室内的无线信号可能受到强烈干扰、基站可能无法正产工作、或救援环境未知。在无线信号难以正常运行时,惯性传感器定位则成为最优选择。另外,由于现在手机中多带有惯性传感器,所以惯性传感器定位也有易于普及的硬件条件。
基于Wi-Fi技术的室内定位主要也依据RSSI强度信息来判断用户位置。一类方法与上述方法相同,在已知各个AP位置的前提下,用信号衰减模型计算移动设备与各个AP的距离,用三角定位法确定移动设备的大致位置。另一类方法则类似于机器学习算法,首先将待检测的室内区域按特定面积进行网格划分,然后获取每个网格内的Wi-Fi信号强度信息,这实际上是一个训练的过程。在训练阶段得到每个网格的信号强度信息,在定位时,通过实时检测信号强度,将与当前信号强度匹配度最高的网格作为移动设备当前的位置。

所以不论是以上哪种基于RSSI的方法,都需要预先对待定位区域有详细的了解。也可以通过计算电波在室内的传播规律,用TOA(time of arrival)、TDOA(time difference of arrival)等参数来进行定位,但在智能机上难以获取这些信号,所以不如基于RSSI的方法应用范围广泛。基于Wi-Fi方法进行室内定位的公司有WifiSLAM(被苹果收购)、Wifarer、智慧图等。Wi-Fi方法的优势在于无线网络的覆盖范围大,易于安装,成本低,但其也仅能用于事先了解Wi-Fi环境的建筑或场地内,且精度未达到很高。
RFID是射频识别的缩写,是一种无线通信技术,通过无线电信号识别特定目标并读写相关数据。而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。 RFID系统主要包括读卡器、标签和在标签和读卡器间传递射频信号的卫星天线三部分。读卡器发出射频信号,当标签进入磁场后,凭借感应电流获得能量发送存储在芯片中的信息,这种通过感应电流获得能量的标签称为无源标签,如果不通过感应电流可以主动发送信号,则称为有源标签。

上图中,左图为无源标签,右图为有源标签。 RFID用于室内定位已经在物流和供应管理、生产制造和装配等场景下有了比较广泛的应用,但它更多还是作为一个标签,待定位物体处于被动定位的状态,所以更多的应用于商品和货物上。而且其作用距离很近,且标签密度高时会产生较大的干扰。

UWB是超宽带的缩写。这是一张UWB与RFID定位精度的对比图。可以发现其定位精度明显高于RFID,可以说是弥补了高精度定位领域的空白。
UWB最初用于军事用途,2002年才发布商用化规范。
UWB主要采用极短脉冲信号传送数据,能保证高速通信的同时,发射功率却非常之小。
UWB定位方法主要基于TOA、TDOA等传输时间参数,或信号到达角度参数AOA。
基于TOA的方法依靠移动点(待定位点)和多个基站间信号的传输时延,得到移动点与基站间的估计距离,可以基站为圆心画多个圆,这些圆的交点理论上就是移动点的位置。这样的思想在RSSI中也用到了,只是RSSI是信号强度指标,而TOA是信号传输时延。

这种基于TOA的方法需要基站在时间上精确同步,但实际中由于多径干扰、噪声干扰,上图中的圆不会相交于一点,而是一个区域。
TDOA则利用移动点到两个基站的距离差确定双曲线,多个基站时,就可以确定多个双曲线,其交点作为移动点的估计位置。

基于AOA的方法则是在基站通过已知点接收机天线阵列测出移动台发射电波的入射角,构成方位线,由多个基站提供的方位线交点,可以用于估计移动点的位置。

TOA和TDOA都对时间同步有较高的要求,如果移动点与基站之间(TOA)或基站与基站之间(TOA、TDOA)时间不同步,则会导致精度不高。
UWB的精度和抗干扰性都性能良好,目前也有比较广泛的应用,不足之处在于其成本较高。
目前UWB室内定位最出名的公司是Ubisense,做精确实时定位产品业务和位置查询业务,已在物流、体育、医疗保健、人员监控等领域有所应用。
最后放一张网上的不同室内定位技术对比的图,

确实室内定位的精度是一直以来追求的一项指标,但精度同时也意味着成本。纵使在一些研究中的室内定位精度达到了厘米级,能否大规模应用到实际生活中也还未曾可知,而且在很多室内定位需求中,实际并不需要很精确的定位精度。所以室内定位的商业价值与其精度的关系,不一定总是成正比的。
参考资料
1.
iBeacon工作原理(How do iBeacon work?)
2.
iBeacon
3.
WIFI定位原理分析
4.
基于RFID的定位技术有几种?哪种最成熟? - RFID(射频识别)
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