【科普】地理信息数据获取与处理关键技术
室内定位技术概述
在接近五十年的发展历程中，GNSS定位技术曾遭遇过许多的挑战和阻碍，但通过不断提升自身的可用性和精确度，以及与各类成熟或新兴技术的相互融合，GNSS定位一次又一次成功地冲破障碍并迈向新的高度。如今，面对室内定位这一全新的应用领域，GNSS定位正面临着新的技术挑战。卫星定位信号有仅能在视距内传输的固有限制，因此难以在室内环境下对其进行接收。而来自社交网络和商业位置感知应用具有强劲需求，室内定位技术已成为当前最为热门的研究领域之一。随着智能手机的迅速普及，室内定位应用已逐渐走入人们的视野，智能手机内置的惯性传感器和Wi-Fi通信模块不仅能够提升卫星定位的精度，同时也可在最近一次卫星定位结果的基础上实现精确的室内定位。包括诺基亚、索尼和三星等在内的22家企业也共同成立了In-Location室内定位联盟，并承诺共同开展室内定位研究、开放接口及启动室内定位标准化等相关工作(彭宇等，2011)。
室内定位技术国内外现状及趋势
社会经济和科学技术的飞速发展促使人们对定位与导航的需求日益增大，目前使用最广泛的是GNSS定位技术。但是当GNSS接收机在室内工作时，信号受到建筑物的影响而大大衰减，定位精确度低，无法满足人们对活动频繁的室内定位导航(基于位置服务)的需求。为此，国内外专家学者们探索了很多技术方法以满足无线室内定位的需求，提出了许多室内定位技术和室内定位系统。常用的室内定位技术主要包括基于超声波定位技术、基于红外线的定位技术、基于超宽带的定位技术、射频识别定位技术等。
1基于超声波的定位技术
基于超声波的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以下两种：一种为将超声波与射频技术结合进行定位。由于射频信号传输速率接近光速，远高于射频速率，那么可以利用射频信号先激活电子标签而后使其接收超声波信号，利用时间差的方法测距。这种技术成本低、功耗小、精度高。另一种为多超声波定位。该技术采用全局定位，可在移动机器人身上4个朝向安装4个超声波传感器，将待定位空间分区，由超声波传感器测距形成坐标。该技术抗干扰性强、精度高，而且可以解决机器人迷路问题。基于超声波的定位技术精度可达厘米级，主要缺陷为超声波在传输过程中衰减明显，从而影响其定位的有效范围。
2基于红外线的定位技术
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。典型的基于红外线的室内定位系统Activebadges为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号，接收机再通过有线网络将数据传输给数据库，但这个定位技术功耗较大且常常会受到室内墙体或物体的阻隔，实用性较低。如果将红外线与超声波技术相结合也可方便地实现定位功能，即用红外线触发定位信号使参考点的超声波发射器向待测点发射超声波，应用TOA基本算法，通过计时器测距定位。该技术一方面降低了功耗，另一方面避免了超声波反射式定位技术传输距离短的缺陷，使得红外技术与超声波技术优势互补。基于红外线定位技术的定位精度为5~10m，主要缺陷为红外线在传输过程中易受物体或墙体阻隔且传输距离较短，定位系统更为复杂，有效性和实用性较其他技术仍有差距。
3 基于超宽带的定位技术
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。超宽带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。超宽带室内定位技术常采用TDOA演示测距定位算法，即基于信号到达的时间差，通过双曲线交叉来定位超宽带系统。定位过程中由超宽带接收器接收标签发射的超宽带信号，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。基于超宽带技术的室内定位系统典型实例为Ubisense，其定位方法为三边定位，基于超宽带的定位技术的定位精度为6~10cm，主要缺陷为造价较高。
4 基于射频识别的定位技术
基于射频识别的定位技术实现起来非常方便，而且系统受环境的干扰较小，电子标签信息可以编辑改写，比较灵活。射频识别(RFID，Radio Frequency IDentification)技术是一种操控简易，适用于自动控制领域的技术，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，Radio Frequency)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。该系统通常由电子标签、射频读写器、中间件以及计算机数据库组成。射频标签和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。在定位系统应用中，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。RFID常用频段包括低频、高频、超高频、微波。在射频识别定位技术中，WLAN和ZigBee是主要的两个关键技术。
(1)WLAN技术
基于IEEE802.11b标准的无线局域网技术运用到室内定位系统，在无线局域网中的接入点或是无线网卡都可以方便测得无线信号的强度，利用这一点可以通过匹配信号强度的方法进行定位。位置指纹法是一种常用的无线局域网室内定位技术，典型的系统是RADAR原型系统，由微软研发。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。该技术的定位精度为2~3m，主要缺陷为采集数据工作量大，而且为了达到较高的精度，固定点的位置测算设置比较繁琐(顾宗海，2011)。
(2)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， Personal Area Network)，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。该技术的定位精度为2m以内，平均1m，技术的主要缺陷为网络稳定性还有待提高，易受环境干扰(李魏峰等，2010)。
室内定位技术在数字城市中的应用
室内定位技术在数字城市中非常实用，在复杂数字城市环境下，如图书馆、体育馆、地下车库、货品仓库等都可以实现对人员以及物品的快速定位，在场馆导览、商品导购、人员定位、物流运输等方面的应用具有较大的拓展空间。当前，以苹果公司iPhone、iPad 为代表的智能手持设备不仅数据处理能力大幅增强，而且整合了加速度计、陀螺仪等微机电系统传感器，同时还拥有极强的软件扩展能力，成为可搭载惯性室内定位系统的优良载体，从而为数字城市室内建模导航奠定了应用基础。
图文摘录于《走向大数据——从数字北京到智慧北京》一书
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