学术 | 室内导航定位技术研究进展与展望
摘要：
为深化对室内导航定位方法及技术的探究，基于对室内定位方法与类型的剖析，归纳室内导航定位技术的进展与应用情形，同时探讨室内定位技术的未来发展趋势与挑战，最终阐述室内定位技术与方法的研究动向。
关键词：室内导航；室内定位技术；应用进展
引言
室内导航定位系统，通过运用多样化的技术手段，在各类室内环境中为人们提供精确的室内导航服务，并对人员与物体进行定位与追踪。伴随着物联网技术的不断进步，对于人员与物体在经济活动、日常生活以及军事等领域的定位需求日益增长。室外配备了全球卫星导航系统，这一方案普遍且技术成熟，使得人们在户外能够进行导航和定位；然而，随着室内空间范围的不断扩大，众多工厂车间、大型商场、办公楼以及地铁站等场所的陆续建成，室内导航与定位对于确保人员与物体的安全以及进行监测变得极为关键；在此背景下，人们在室内环境中对位置服务的需求日益凸显，国内外学者对此进行了广泛的研究和探索。当前，大多数室内导航定位系统主要依赖邻近探测、三角测量、多边形定位以及指纹定位技术来达成定位功能，有时还会通过综合运用多种定位手段来增强定位的准确性。室内环境因多路径效应而多变且复杂开元棋官方正版下载，至今尚无一种通用的解决方案；因此，如何增强定位的精确度、即时性、安全性，以及提升系统的可扩展性和降低成本，依旧成为研究领域的焦点问题。这一目标旨在让人们在日常生活和工作中，无论身处何地，都能轻松便捷地获取位置信息，享受位置服务带来的诸多便利。
在总结国内与国外室内导航定位技术的研究进程及其应用现状之后，本文深入剖析了室内定位技术发展的未来走向和所面临的挑战，并在此基础上，结合个人见解，提出了室内定位方法与技术的研究动向。
方法与分类
1．方法
室内定位技术大多基于接收设备对信号的捕捉kaiyun全站app登录入口，以此来确定接收器与已知信号源之间的距离关系。此外，通过特征对比以及定位对象对信号的遮挡也是常见的技术手段。具体的主要室内定位方法的对比和分析可参考表1。
表1中详列了多种针对室内环境的定位技术及其特性，其中针对航位推算法与指纹法的优化算法研究尤为丰富：一项研究提出了一种利用室内地图来减少行人在航位推算过程中出现的漂移误差的定位技术；另一项研究提出了DREDR（结合活动识别的航位推算法增强）室内定位方法，旨在解决航位推算法中漂移误差的累积问题，通过零速度更新技术对每一步操作的结果进行修正；还有研究在指纹法的基础上，提出了一种将确定型算法与概率分布算法相结合的创新方法，这一方法有助于降低算法的空间复杂度；此外，还有研究提出了改进的位置指纹定位算法，该算法能够有效滤除噪声干扰，优化定位阶段的坐标估算，从而显著提升定位的准确性和稳定性。
２．分类
在2001年，该文献构建了室内定位的分类框架，该框架涵盖了定位的地点种类、覆盖区域、准确度、采用的信号类型，以及是绝对定位还是相对定位、是主动定位还是被动定位等多个维度，旨在帮助位置服务开发者全面掌握其性能特点。文献中还提出了三种分类策略：一种是基于位置感知技术，一种是基于信号测量技术，还有一种是基于传感器类型的分类。文献资料依据定位算法可分为几何定位、指纹定位、成本最小化以及贝叶斯技术等多种方法。文献资料按照定位手段的不同，可划分为卫星定位、基站定位和感知定位三大类别。此外，文献资料还提出可以根据定位原理和传输信号的差异进行分类，同时，武汉大学陈锐志教授还基于定位源的不同进行了进一步的分类。这些分类研究对室内定位技术的发展起到了积极的推动作用。
研究进展
1．基于传感器的室内定位技术
1）红外线定位
红外线定位系统通常由携带有红外发射器的移动站以及基站这两个关键部分构成。在众多研究机构中，Olivetti研究实验室和随后的剑桥AT<实验室共同研发的ActiveBadge系统，堪称红外线技术应用的典范。该系统特别适用于中小型空间，其定位精度通常能够达到平均6米的水平。红外线发射器体积小巧，便于携带，但其穿透力较弱，无法穿越固体墙体，故而仅能实现房间级别的位置感知；同时，其传播距离有限，仅几米，且易受光照及荧光灯等干扰，导致盲区出现，定位效果不尽如人意。鉴于此，红外线定位技术通常需与其他技术相结合以实现室内定位；而利用手机内置的红外线LED进行室内定位，已成为当前研究领域的焦点。
2）超声波定位
超声波技术中常用的测距手段主要是基于反射原理的测距法，它通过测量时间差来计算出目标距离。此外，还有直接测量超声波从发射源到目标物体距离的单向测距法。这两种测距方式通常配合多边定位等技术，以精确确定目标物体的具体位置。
ActiveBat系统，该系统于1997年研发而成，其核心技术为超声波，相较于以红外线为定位手段的ActiveBadge系统，其定位精度更为优越，精确度可达3厘米。2000年，麻省理工学院在ActiveBat系统的基础上进行了改造，研发出了Cricket室内定位系统。该系统无需布置固定传感器，而是通过超声波的传输时间和射频控制信号来实现三维定位。在硬件布置上，超声波定位技术的要求较高，导致成本相对较高。然而，该系统的结构相对简单，定位精度极高，平均可以达到厘米级的水平。
3）惯性导航定位
惯性导航定位系统通过加速度计、陀螺仪以及磁力计等惯性传感器收集物体相关参数，以此确定其具体位置。该系统通常运用航位推算技术，已在众多军事安全领域得到广泛应用。传感器的品质以及安装位置均对其定位精度产生显著影响。
该文献以惯性器件为基础，构建了一套针对军警使用的定位系统，同时创新性地提出了用户间联合定位的构想；然而，惯性导航定位技术所产生的累积误差不容忽视，因此通常需要与其它定位系统相结合，以实现更高精度的定位。例如，在初始设置和调整过程中，常采用无线局域网（WLAN）定位技术，亦或在无缝定位领域的研究和实践中，惯性导航系统往往与全球导航卫星系统（GNSS）相配合进行定位。目前，微机电系统（MEMS）技术日益成熟，这一技术使得基于智能机平台的加速度计、陀螺仪、倾斜仪、气压计以及磁力计等低成本运动传感器得以广泛应用，它们均能被用于行人航迹推算（PDR）。目前，PDR技术与地磁匹配技术的结合，以及与无线保真（WiFi）技术的融合，正日益受到广泛关注。
4）视觉定位
日本在视觉科技领域的研究处于世界顶尖水平，相较之下，我国在该领域的发展起步较晚。计算机视觉技术广泛应用于机器人定位，机器人配备摄像机对周边环境进行拍摄，随后对所获取的图像进行加工和分析，以处理相关数据并实现机器人的精准定位。视觉定位技术种类繁多，其中，以手机为载体的单目摄像头普遍采用图像匹配技术进行定位；至于基于相机交会的定位技术，它主要依赖于密度匹配和运动恢复结构（SFM）的原理，具体操作分为两个阶段：首先，构建基于众包图像的图像特征库，识别并解析显著图像特征目标；其次，利用单张照片构建相机交会定位系统，此方法相对较为繁琐。计算机视觉定位技术具备信号探测广度和信息获取全面性等显著优点，然而，与之相伴的是对处理器性能的更高要求。
EasyLiving系统是一款依托计算机视觉技术的定位设备，它配备了高性能的摄像头，定位精度相对较高；然而，在室内环境较为复杂的情况下，保持这种高精度定位变得颇具挑战。为此，系统借鉴了移动机器人同步定位与制图（SLAM）的原理，并引入了视觉传感器。该文献采用低分辨率相机，结合参考图像实现了SLAM算法，使得定位精度能够达到亚米级别。2012年推出的EV-Loc室内定位系统，通过视觉信号辅助定位，显著提升了定位的准确性。而基于视觉定位原理的谷歌视觉定位服务（VPS）技术，其理论上的定位精度更是可以达到厘米量级。
2．基于射频信号的室内定位技术
1）WiFi定位
我们的生活已被无线局域网所环绕，WiFi定位技术因其低廉的成本而广受欢迎，众多企业如百度、高德、WiFiSLAM、Sensewhere、图聚智能等纷纷加入这一领域。其优势主要体现在无需额外设备支持，部署成本较低，能耗亦小，用户可随时随地通过手机接入WiFi或蜂窝网络，这使得定位成本降低，适用范围广泛，因此最早实现了规模化应用。
WiFi室内定位技术大致可分为两类：一类是依托接收信号强度指示（RSSI）进行距离交汇的定位方式，但由于不同环境下信号衰减与距离的关系会发生变化，导致定位精度无法达到理想水平；另一类则是基于RSSI位置指纹法，其中信号匹配是研究的核心，定位精度依赖于校准点的密集程度，且无需部署大量硬件设备，因此是目前应用较为广泛的WiFi定位技术。Microsoft公司研发的RADAR室内定位系统，在开阔的室内空间中，其定位精度可达2至5米。HORUS系统通过将无线信号数据的概率模型用作定位的依据来提升精度，然而，在实施这一方法之前，必须进行大量的指纹信息收集，以此为基础来精确确定指纹的概率分布。Mole和EPE系统尽管精度达标，但其算法相当繁复，导致无法满足快速定位的需求。此外，美国的WiFiSLAM以及我国的“翼周边”等系统对数据库的运行与维护有着较高的要求，通常仅适用于关键地点的部署。定位方案持续优化，2010年，微软研究院依托WiFi技术，推出了一个基于EZ算法的室内定位系统。此系统无需进行前期的大规模调研，仅需在功能强大的中心处理器上执行众多繁复的计算任务。
2）蓝牙（Bluetooth）和紫蜂（ZigBee）定位
蓝牙定位技术与ZigBee定位技术都依托于短距离低能耗的通信协议，其定位手段包括质心定位、指纹定位以及邻近探测等多种方法；此外，这两种技术都具备低功耗、短距离传输和广泛应用等优势，然而，它们在稳定性方面存在不足，且容易受到环境因素的干扰较大。
蓝牙定位技术通过信号强度测量来确定位置，苹果公司推出了低功耗的精准微定位技术iBeacon，我国自主研发的“寻鹿”定位系统同样采用了这种定位方式。2016年推出的蓝牙5.0协议，为高精度室内定位的实现提供了技术保障。目前，蓝牙技术广泛采用的指纹定位方法，其改进措施也多以此为基础。ZigBee室内定位技术主要依靠盲节点间的相互协作进行通信，其核心方法是采用邻近探测。目前，该技术已通过模糊聚类等手段进行优化，使得定位精度能够达到每米级别。
3）蜂窝网络定位
蜂窝网络在智能手机定位中发挥着关键作用，它通过分析传播信号的特定参数来达成定位目的。其中，常用的定位技术包括邻近区域探测技术，以及利用观测到的到达时间差（简称OTDOA）的方法。该技术定位的优势在于能构建通用的室内定位模式，然而，其不足之处在于由于系统设计及时间同步的误差等因素，其定位精度通常不高，大约在50至300米之间。爱立信公司通过OTDOA技术实现了50米的定位精度。部分技术方案则运用了多天线MIMO与TDOA结合，使得定位精度能够提升至5至10米。展望未来，基于5G通信网络的技术有望进一步提升定位精度。
4）射频识别定位
射频识别技术，简称RFID，它通过射频信号自动识别物体并获取相关数据。这种技术起源于二战时期，英国曾将其应用于识别飞机，作为雷达技术改进的组成部分。随着智能传感器技术的融合，RFID技术已经发展成为物联网领域的关键技术之一。该技术具备较长的辐射范围、能够绕过障碍物进行信号传输、设备成本较低、携带方便、易于维护以及高精度的定位能力，然而其作用范围有限，且接收到的信号强度可能存在波动。
微软公司的RADAR系统是典型的RFID定位系统，它采用RSSI测量技术提供室内定位服务，但遗憾的是，其扩展性并不理想，因为对环境条件有较强的依赖性；华盛顿大学的SpotON系统则通过聚合算法进行多次迭代计算，不过其计算量相当庞大。密歇根州立大学研发的LANDMARC动态识别系统，该系统依托主动射频识别校验技术，其算法的核心在于运用邻近法进行定位；继此之后，众多研究者基于这一算法进行了多项优化与升级。目前，科研工作者对算法领域的研究活动持续不断，这一进展促使射频识别技术逐渐走向成熟。
5）超宽带定位
超宽带技术，即UWB，在美国空军领域率先投入使用。直至2002年，美国联邦通信委员会（FCC）才批准了超宽带定位技术应用于民用的提议。这项技术以其结构简便、成本较低、发射信号能耗小、信号穿透力强、安全性高、传输速率快以及具备大通信通道容量等显著优势而受到青睐，并且其定位精度能够达到厘米级。超宽带技术与其他无线通信方式相比，在实现定位与通信的融合方面具有显著优势，因此特别适用于结构复杂的室内环境。
在研发应用领域，芯片Driver2与Aether5以其小巧的体积、卓越的穿透能力和低功耗等特性受到青睐。Ubisense公司推出的超宽带(UWB)实时定位系统，其工作频率介于5.8至7.2GHz之间，采用了多边定位技术和三角定位技术，实现了高达15厘米的定位精度。DecaWave公司推出的ScenSor系列无线室内定位芯片，其产品中定位精度最低可达10厘米以内。然而，由于成本相对较高，该产品尚未得到普遍推广。为了提升室内定位服务的质量，将超宽带技术与RFID技术相结合，可以实现室内高精度的定位。
3．融合定位技术
融合定位是通过多种传感器融合位置信息的技术，这一领域已成为当前研究的焦点。陈锐志教授，武汉大学的知名学者，将融合定位技术划分为紧密耦合与松散耦合两种类型。邓中亮教授，北京邮电大学的专家，提出了结合室内WiFi、蓝牙、惯性、视觉等多种技术手段构建多元紧密耦合定位模型的方法，并且与室外全球导航卫星系统（GNSS）相结合，实现了大型建筑物内外人员的“米”级无缝定位。将不同技术的长处融合，旨在实现更精确的定位效果，进而增强定位系统的稳定性，这无疑是融合定位技术的一大亮点。
目前，针对室内定位的融合研究方法众多。有研究建议将WiFi、磁场强度以及蜂窝网络信号整合，以打造一个综合定位系统。在文献中，提出将WiFi信号测量与PDR技术相结合，以提升定位的精确度。另外，还有研究采用蓝牙RSSI测量技术，并结合智能手机内置的加速度计和气压计，实现了室内三维定位的融合。此外，还有文献提出了一种将地磁场定位技术与惯性传感器相结合的方案，该方案能够提供一种无需基础设施支持的可靠室内定位方法。该文献指出，仅利用搭载的惯性测量单元（IMU）、气压计、超声波传感器和摄像头，通过开发粒子滤波技术实现数据融合，无需依赖基础设施，实验验证表明其定位精度可达3米。这充分表明，在稳定性和精度两个维度上，融合后的定位系统均超越了单一定位系统。
4．其他定位技术
地磁定位技术通过室内各处地磁场强度的差异来确定位置，这一方法与WiFi指纹技术颇为相似。芬兰奥卢大学的IndoorAlas系统便是地磁定位技术的典型应用，其定位精度可高达0.1至2米。NFC技术通过近距感应进行定位，通过布置感应标签，能够掌握标签的具体位置，进而确定移动设备的所在，其优点是操作简便且迅速，但缺点是无法检测行人在不同标签间的具体状态，若要实现广泛覆盖，则需与运动传感器相结合。LED可见光通信主要运用了相机技术、图像捕捉技术以及移动终端等技术。终端设备上的LED光线定位技术成为该行业的研究焦点，其中主要包括光网络技术和多模式融合技术。Bytelight定位系统通过调整光源以发出特定光信号来完成定位，其精度可以达到米级别；同样，Ubeacon系统也是利用LED技术进行定位研发的。用户通过接收信号强度相互进行测量，以此确定彼此间的距离，这样做可以更高效地利用信息，并确保定位的稳定性。
5．室内定位技术精度对比分析
室内定位技术精度对比分析如表2所示。
应用进展
室内导航定位技术正逐步融入经济、社会、国防以及人们的日常生活，随着对其深入研究与应用范围的不断拓宽，这项技术的影响将遍及人类社会的各个领域和生活点滴。
1）在企业管理中的应用
各类工厂和矿山企业内部都装备有规模宏大的设施和结构复杂的室内区域，因此必须对员工安全、设备安全、移动物体的运行路径以及产品生产安全等方面实施严格的管控和监督。运用邻近探测法自动识别系统对员工出入时间进行登记，接着，利用ZigBee传感器技术，在室内设置参考节点，通过接收这些节点的信号强度来锁定员工的具体位置，进而记录其位置变动情况。此外，REID人员定位系统与门禁系统的结合运用，能高效地控制不同权限人员出入特定区域，这对于内部员工管理显得尤为关键。可对各类设备加装RFID电子标识，借助识别设备对物品实施实时跟踪，从而达成安全管理的自动化目标。
2）对特殊人群的监护服务
室内导航定位技术能够为幼儿、病患以及囚犯等群体提供精准的定位与监护服务。在幼儿园内，可以部署电子围栏系统，该系统会实时将相关数据以推送形式传递给家长，使得家长能够通过智能手机上的移动应用程序，追踪孩子的行动路径，进而掌握孩子的安全状况。医院内，借助连人网络的WiFi和配置的有源标签，能够对贵重设备进行实时动态监测，并查询其类型、数量和运行状态；此外，通过让特定患者佩戴指标监视器，一旦患者出现紧急情况，医护人员能够迅速掌握其具体位置，从而迅速展开救援工作。而在监狱管理方面，室内定位服务有助于监控囚犯是否处于规定活动区域，为管理人员提供囚犯的行动路径信息。
３）在应急安全救援中的应用
在遭遇无法预料且紧急的情况时，消防员在充满烟雾且结构复杂的室内往往难以精确实施救援行动，这时室内导航定位的重要性便显现无遗：由于射频信号可能失效，消防员通常依赖惯性导航技术来精确定位人员位置；通常消防员配备有传感器，这有助于监测他们的位置和健康状况，从而能够及时发出路线指令，有效提升救援效率，确保人员安全。该文献对应急逃生路径规划中常用的算法进行了研究，进而提出了一种基于优化模型的路径规划新算法，并对其优越性进行了验证。
4）在大型室内旅游景点的应用
在众多人流汇聚的地点，如博物馆、画廊和图书馆，我们可以在人流聚集的区域安装RFID有源标签等设施。当游客携带导游设备进入指定区域，这些设备能够识别RFID标签，进而分析游客的游览路径，提供个性化的解说信息。此外，通过观察游客的停留时长，设备还能识别出游客感兴趣的画作，并向他们推荐更深入的内容。同时，这些设施还能提供导航服务，以提升游客的整体游览体验。亦可选用无源定位的导航技术路径，例如文献中提到的二维码（QR Code）方案，游客仅需利用手机上的扫描功能对周边的二维码进行扫描，便能够获取游览路径，此举有助于全面提升导览服务的质量。
5）在智慧养老服务中的应用
借助智慧养老云平台，将需求服务者与供给者相衔接，借助老人身上佩戴的监测设备，能够即时掌握身体各项数据，并将生理参数实时传输至养老服务中心的电脑系统，同时，通过为老人配备智能手机、智能手表、定位传感器等设备，确保了定位服务的实现以及紧急救援的便利。老人外出时，应及时向照料者提供其当前位置的更新信息，此举有助于降低老人走失的风险，并便于家人及社区工作人员更好地照看老人。
6）在物品管理和运输中的应用
在日常生活中，对物品实施定位服务同样可行，尤其是在大型仓储环境中，对物品进行分类和快速查找显得尤为关键。我们可以在各类物品上安装传感器，并实时更新相关数据。通过这种方式，分拣人员借助手持终端能够迅速而便捷地定位到所需物品，从而显著提升工作效率。文献中提到的PDC算法，结合物品自动分拣功能，成功实现了RFID仓库物流管理系统的构建。因此，在物品整理、运输阶段，以及后续的防盗环节，室内导航与定位服务均能起到至关重要的作用。
面临的挑战与发展趋势
1．室内导航定位面临的挑战
室内导航定位技术的研究与应用虽然迅猛，但仍面临很多挑战。
1）动态性太强
室内环境易受变动影响，例如商场因翻新装修而整体布局改变，亦或桌椅的微移都可能干扰室内定位的精确度。提升室内定位系统对环境的适应性和实现数据信息库的自动更新，构成了该技术面临的挑战与难题。
2）成本和复杂性较高
某些技术需依托相应的基础设施以实现技术保障，并且需与定位终端设备相协调才能实现其功能，此外，在初期阶段还需收集数据库以供支撑，同时还需要投入大量的人力和物资资源kaiyun.ccm，以及后续的维护工作，这些因素共同制约了室内定位技术的广泛应用和普及。
3）可扩展性不高
众多室内定位解决方案系针对特定场景设计，故其适用范围有限，难以适应不同环境需求。
4）用户终端供电能力有限
移动设备若依赖电池供电，室内定位所引发的能源消耗对使用者影响显著。尽管智能手机的性能持续提升，但它们还需具备众多主流功能。因此，定位功能仅占设备功能的一小部分。若开启定位导致电池迅速耗尽，用户可能便会选择关闭此功能，进而限制了他们的使用体验。
2．室内导航定位发展趋势
室内导航定位技术的进步日复一日，不断涌现新突破，尽管如此，众多挑战亟待克服，而且未来仍有许多理论和实践方法等待我们深入挖掘和广泛交流。
1）寻找新的多技术融合方案以及信息融合算法的优化
探索构建经济且信赖度高的室内定位技术的新途径之一，便是采纳融合式系统。这种系统整合了多种传感器与不同技术，使得各自的长处得以互补，有效克服了单一技术局限性较大的不足。借助这种技术集成，能够实现更加信赖与精确的定位。目前，已实现多个定位信号源的整合，其平均定位精度已达到2至5米的水平。然而，若要实现高精度、低成本的室内定位技术，且具备实时性和广泛覆盖能力，我们仍需探索全新的全面解决方案。为了确保其可靠与稳定，还需制定权威的标准，以推动室内定位技术的进步。
2）低功耗优化
技术功耗的降低，有效减少了不必要的能耗，同时节约了时间并提升了工作效率。苹果公司所采用的iBeacon技术，凭借其低功耗的蓝牙特性，吸引了众多目光，它能够防止用户开启定位功能时产生额外的耗电，确保用户在任何时间、任何地点都能便捷地使用定位服务。通过设置专门的处理器来分析室内的运动定位数据，以此减少对应用处理器的依赖，从而实现降低能耗的目标；预计在将来，低功耗的蓝牙室内定位技术将会得到更广泛的运用。
3）寻找新的定位源和定位方法
仅依赖传统定位点进行定位，精度受限在2至5米之间，因此，未来需寻找新的定位点以实现更高精度的定位。研究基于视觉、音频及射频信号的新技术，成为追求更高定位精度的途径。在算法层面，可以借鉴其他领域已成熟的算法，例如神经网络和遗传算法，以此来提升室内定位的准确性和稳定性。
4）重点突破5G网通信网络的室内定位
全球5G时代即将到来，我国在5G领域的进展处于领先地位，这一进步为室内定位技术的研究带来了更为强大的技术支持。随着5G网络的成熟，移动终端的通信带宽将显著提升，同时拥有多天线、密集组网等优势，这些特性将为达到1米以内的定位精度提供技术保障，并助力实现室内外无缝定位。
5）注重室内定位数据安全与隐私问题
WiFi个人隐私问题备受关注，确保在尊重用户隐私的前提下收集终端周边的WiFi热点信息，已成为当务之急。此外，在人工智能与大数据时代，智能设备获取的位置数据是否可能泄露，定位服务的安全性能否得到有效保障，这些问题也成为未来研究的关键方向。
结束语
室内导航定位技术的研究正日益受到广泛关注和重视，这一技术的应用正逐步推广开来。在智能城市的建设过程中，室内导航定位技术扮演着不可或缺的角色。展望未来，高精度、低成本、普适性的室内导航定位技术，以及室内外无缝导航定位的实现，始终是国内外研究领域的焦点和难点。本文立足于室内导航定位技术的研究，对这一领域的发展动向及所面临的挑战进行了深入分析与讨论；同时，结合个人研究心得与思考，提出了室内导航定位技术及方法的研究方向和发展趋势。
