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室内定位
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   几种常见的室内定位简介

  红外定位:红外线是一种波长间于无线电波和可见光波之间的电磁波。典型的红外线室内定位系统Activebadges使待测物体附上一个电子标识,该标识通过红外发射机向室内固定放置的红外接收机周期发送该待测物唯一ID,接收机再通过有线网络将数据传输给数据库。红外技术在电视机、打印机、智能手持等设备上较为常用外,定位系统能够提供位置的估计,它需要发射机与接收机之间视距传播,覆盖范围限制在一个房间之内,例如AT&T发的ActiveBadge系统。

  优点:定位精度较高

  缺点:红外线在传输过程中易于受物体或墙体阻隔且传输距离较短,定位系统复杂度较高,有效性和实用性较其它技术仍有差距。

  超声波定位:超声波定位目前大多数采用反射式测距法。系统由一个主测距器和若干个电子标签组成,主测距器可放置于移动机器人本体上,各个电子标签放置于室内空间的固定位置。定位过程如下:先由上位机发送同频率的信号给各个电子标签,电子标签接收到后又反射传输给主测距器,从而可以确定各个电子标签到主测距器之间的距离,并得到定位坐标。目前,比较流行的基于超声波室内定位的技术还有下面两种:一种为将超声波与射频技术结合进行定位。另外一种是多超声波定位技术。超声定位系统是通过发射、接收超声波测量距离进而实现定位,视距下定位精度较高。然而该技术容易受到障碍物阻挡和反射的影响,定位精度下降明显,典型例子如Cricket系统。

  优点:定位精度可达到厘米级,精度比较高。

  缺点:在传输过程中衰减明显从而影响其定位有效范围。

  射频识别定位:射频识别(RFID)技术是指通过射频集成电路发送电磁波信号并进行采集和存储的技术。它利用了电感和电磁耦合或雷达反射的传输特性,实现对被识别物体的自动识别。射频(RF)是具有一定波长的电磁波,它的频率描述为:KHZ、MHZ、GHZ,范围从低频到微波不一。RFID室内定位技术主要有电子标签和射频读写器两部分组成,电子标签和射频读写器是通过由天线架起的空间电磁波的传输通道进行数据交换的,在定位过程中,将射频读写器放置在待测移动物体上,射频电子标签嵌入到操作环境中。电子标签上存储有位置识别的信息,读写器则通过有线或无线形式连接到信息数据库。三角定位和指纹匹配技术在射频识别定位中应用较多。

  优点:操作简单,实现起来方便,系统受环境干扰小,电子标签信息可以编辑改写比较灵活,能够轻易穿透人体和墙体,覆盖区域较大。

  缺点:射频识别定位系统不具备良好的通信能力,对信噪比要求较高。

  WiFi定位:无线局域网络(WLAN)是一种全新的无线信号传输平台,通过布网可以在室内外或者封闭空间内实现定位、监测等。无线局域网络的定位基础是移动网络节点的自身定位。当前比较流行的WiFi定位技术是无线局域网络系列标准(IEEE802.11)的一种定位解决方案。WiFi定位技术采用经验测试和信号路径损耗传输模型相结合的方式实现移动节点的定位与应用。芬兰的Ekahau公司开发了能够利用WiFi进行室内定位的软件,Skyhook公司也开发了基于WiFi定位技术的WPS定位系统。目前由于WiFi网信号的不稳定等因素,WiFi定位技术的定位精度在1米至20米之间不等。WLAN装置在很多公共场合都有部署,比如医院、大学和车站。基于WLAN的定位可以利用已经安装的WLAN设备,降低定位成本。WLAN通常采用基于信号强度(RSS)测量进行定位,容易受到多径的影响,定位精度较低,比如微软公司研发的RADAR系统。基于RSSI技术的RADAR室内定位系统运行分两个过程,分别是先在系统覆盖区域对设置的若干个AP固定点离线采集其位置信息以及信号强度,通过有线网络传输给数据中心形成位置指纹数据库,再对实时待测物所测算得到信号强度利用最近邻居法分析匹配出其位置。WiFi是具有最广泛的群众基础,现在企业、商业场所、娱乐场所等等,特别是室内没有手机信号的场所,WiFi信号也被覆盖。

  优点:网络广泛部署,成本低,通信能力强

  缺点:采集数据工作量大,而且为了达到较高的精度,固定点AP的位置测算设置比较繁琐,易受环境干扰,定位精度低。

  蓝牙定位:蓝牙技术是一种支持终端短距离通信(一般在10m以内)的无线电技术,它作为无线数据和语音通信的开放性全球规范,目前已经广泛应用在各种电子设备上。借助于蓝牙技术,可以在笔记本电脑和移动电话等设备间实现无线信息交换,达到简化移动终端间通信以及终端设备与互联网之间通信的作用,继而提高数据传输效率,实现设备间互相操作与数据共享。蓝牙技术不仅拥有很高的普及率,随着科技发展,新的蓝牙规范被不断提出,向着低功耗、高速连接的发展方向不断前进。蓝牙技术应用于室内定位时,可以为系统提供诸多参数,例如蓝牙发送设备的ID、接收信号强度指标(ReceivedSignalStrengthIndicator,RSSI)和发射功率电平等。采用IEEE802.15.1标准,用于无线个域网(WPAN)。蓝牙工作范围小于15m,能够嵌入移动电话、个人数字助理(PDA)、便携式笔记本等电子设备中,成本较低、功耗较小,定位精度在2m到3m,典型系统如Ibpaz定位系统。

  优点:设备体积小,易集成,易普及,低功耗

  缺点:传输距离短,在复杂的环境中稳定性较差

  超宽带(UWB)定位:超宽带技术是近年来新兴的一项无线技术,目前,包括美国,日本,加拿大等在内的国家都在研究这项技术,在无线室内定位领域具有良好的前景。UWB技术是一种传输速率高(最高可达1000Mbps)以上),发射功率较低,穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线技术,无载波。正是这些优点,使它在室内定位领域得到了较为精确的结果。超宽带室内定位技术常采用TDOA演示测距定位算法,就是通过信号到达的时间差,通过双曲线交叉来定位的超宽带系统包括产生、发射、接收、处理极窄脉冲信号的无线电系统。超宽带室内定位系统则包括UWB接收器、UWB参考标签和主动UWB标签。通过发射、接收大带宽脉冲实现位置估计。UWB信号带宽很大,接收多径容易分离,抗衰落性能好,能够实现很高的定位精度,比较适合室内定位场景,Ubisense公司研发了基于超宽带信号的发射、接收模块。室内定位面临复杂的传播环境,房间结构设计各异、建筑材料不同都会导致信号的传播损耗随着环境的变化而产生较大的起伏。通常情况下室内障碍物众多,信号传播会经历发射、绕射、折射和散射,导致密集多径接收,信号幅度、相位和到达变化较大。定位过程中由UWB接收器接收标签发射的UWB信号,通过过滤电磁波传输过程中夹杂的各种噪声干扰,得到含有效信息的信号,再通过中央处理单元进行测距定位计算分析。

  优点:传输速率高、空间容量大,功率谱密度低,抗干扰能力强,多径分辨率高,穿透能力强,设计简单,定位精度高

  缺点:造价较高

  ZigBee技术应用于较短距离无线通信,主要面向无线个人区域网(PAN),网络系统在应用中表现出近距离,低功耗,低成本等特征,这些都可以满足室内定位系统的要求和条件。应用ZigBee技术的室内定位系统是通过在传感器网络中布置参考节点,移动节点构成系统的,参考节点为静态节点,它们发送位置信息和RSSI值给移动待测节点,该节点将数据写入定位模块,分析计算得到自身位置。该系统常采用分布式节点设置,可以减少网络数据工作量和通信延迟的问题。

  优点:低功耗、低成本,定位精度较高,2m以内,平均1m。

  缺陷:网络稳定性差,易受环境干扰。

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