定位寻人

智慧楼宇篇6——室内定位技术（五）-室内定位技宝宝发烧吃什么 术总结

室内定位技术总结

1引⾔

在前⼏期中，笔者分享了市⾯上使⽤较多的⼏种室内定位技术及相应定位原理、系统组成，有《RFID室内定位技术》、《WIFI室内定位技

术》、《UWB室内定位技术》和《iBeacon室内定位技术》，本期中，笔者就各种室内定位技术作⼀个总结。为了达到全⾯了解的⽬的，

本⽂中的总结含前⼏期未体现的其他室内定位技术。

2概述

定位技术近年来也备受关注且发展迅速。虽然室外定位技术已经⾮常成熟并开始被⼴泛使⽤，但是作为定位技术的末端，室内定位技术发展

⼀直相对缓慢。⽽随着现代⼈类⽣活越来越多的时间都处在室内，室内定位技术的前景也⾮常⼴阔。但虽然作为LBS最后⼀⽶的室内定位饱

受关注，但技术的不够成熟依然是不争的事实。不同于GPS，AGPS等室外定位系统，室内定位系统依然没有形成⼀个有⼒的组织来制定统

⼀的技术规范，现⾏的技术⼿段都是在各个企业各⾃定义的私有协议和⽅案下发展，也致使各种室内定位技术相映⽣辉。

室内定位技术的当前主要应⽤领域包括:室内精准导航、⼤数据分析、个性化营销、社交⽹络等。

定位不是重点,将位置信息与消费数据相结合才能有效挖掘室内定位技术的价值。

（1）室内精准导航

在⼤型公共场所，例如⼤型商场超市、酒店、机场、博物馆、⾳乐厅以及会展中⼼等地，顾客容易找不到⾃⼰想去的⽬的地，或者找不到⽬

标店铺、展位及商品。此时，室内定位技术可应⽤于室内定位导航。在这⽅⾯，国际国内的许多⼤型场馆已有应⽤。例如Google室内地图

快速覆盖了北美、欧洲、澳⼤利亚和⽇本等古希腊历史 地的⼀万多家⼤型场馆，且总数仍在不断增加。⽽在中国，包括⾸都机场、浦东机场、虹桥机

场、西单⼤悦城、龙湖地产、国家⼤剧院在内的300多家场馆也已应⽤了室内定位系统为顾客进⾏服务。除了帮助顾客找到出秋夜将晓 ⼝、洗⼿间

等常⽤位臵之外，室内定位也可定位停车场中的汽车、⾏李带上传送的⾏李等。例如⾸都机场就利⽤室内定位技术推出“机场指引”功能，

⽅便旅客查找⾏李、停车位置等

（2）⼤数据分析

传统的商业数据分析只能通过问卷调查、计数等⼈⼯统计，这种只是⼀种统计⽽不是⼀种⼤数据，⽽且也难以提供位置层⾯的精确数据。⽽

室内定位系统可以进⾏更⾼精度、更⼤量级的⼤数据分析，将⽤户的位置与⾏为及⾏为背后的兴趣与偏好紧密联系。因此，对室内定位数据

进⾏挖掘与分析具有极⼤的商业价值和应⽤前景。只要加以整合分析，室内定位数据可以捕捉⽤户在某个货架或者店铺的光顾频率、停留时

间，从⽽得出⽤户的类型、兴趣和偏好等特质以及店铺热度、品牌关联度等重要结论，为商业分析提供有⼒的⼯具。例如，万达⼴场借此发

现许多在必胜客消费的客户都会去ZARA消费，他们据此针对性的做了两者间的联合促销，得到了良好的收效。

（3）个性化营销

室内定位提⾼了⽤户定位精度，更⽅便商家为顾客提供个性化的“基于位置的服务”(LBS)。根据⽤户的历史位置和现实位置，室内定位能

够帮助商家向潜在顾客推送针对性、个性化的⼴告和信息。例如，当⽤户经过⾃⼰经常光顾的店铺附近或某个特定的地理围栏区域中时，店

家就可通过APP等平台向⽤户推送当下的新品导购信息及优惠、团购等营销信息，从⽽精准地满⾜⽤户需求，影响⽤户的消费。

（4）⼈员管理

⼈每天80%以上的时间都待在室内。通过⾼精度的室内定位，这⼀技术可以帮助家长在空间复杂、⼈流多的⼤型公共场所中寻找⼉童。随着

电商的繁盛，快递员、送货员成为⼈们每天必打交道的⼈，⽽室内定位技术可以帮助⽤户在复杂建筑中定位具体地快递员、送货员等。此

外，这项技术也可⽤于员⼯考勤等领域。

（5）物品管理

除了寻⼈，室内定位系统还便于寻物。例如在仓库内定位货物，在⽣活中定位钱包等物品，乃⾄于进⼊房间时⾃动的开灯开门等。总⽽⾔

之，只要成本控制得当，⼀切将⼈、物品和位置相联系的领域都有室内定位的⽤武之地。

（6）社交⽹络

随着时代的发展，⽤户的社交需求凸显了⽇益重要的地位。传统社交定位具有以下局限性：⼀是精度较低；⼆是仅⽀持⼆维定位。⽽在实际

⽣活中，社交所需的定位⼤多是⾼精度、三维的，这就需要室内定位系统发挥作⽤了。室内定位系统如能实现有针对性的、⾼精度的消息推

送、交友互动，则必将在社交⽹络领域掀起新的变⾰。

3常⽤算法

3.1近邻法

直接选定那个信号强度最⼤的感知设备的位置，定位结果是热点位置数据库中存储的当前连接的感知设备的位置（WIFI热点定位常⽤）；或

者感知设备感应到被定位物，以感知设备位置作为定位点。

3.2三⾓测量法

通过信号的各种参数得到⽬标与AP的距离或者⾓度，⽤⼏何⽅法计算出位安全生产先进个人主要事迹 置。包括到达时间法、相对到达时间法、到达⾓度法、基于信号

强度的测距⽅法，及其混合算法。

（1）到达时间法

到达时间法（TOA，TimeofArrival），是待定位节点与三个已知信标节点坐标，及其之间的距离（绝对时间*速度），可求出待定位节点

的坐标。

其定位原理是：测量待定位节点(x

0

,y

0

)与已知⾄少3个信标节点(x

i

,y

i

)之间的信号到达时间t

i

，再乘以信号速度v，计算出待定位节点与各

信标节点之间的距离R

i

，分别以信标节点(x

i

,y

i

)为圆⼼，Ri为半径做圆，各圆的交点为待定位节点(x

0

,y

0

)的坐标。

TOA定位⽅法缺点：时钟同步误差和测量误差。如果信标节点与待定位节点⽆法做到精确的时钟同步，则所测得的信号到达时间会有时间误

差，导致R

i

存在偏差，使三个圆⽆法交汇，或交汇处不是⼀点⽽是⼀⽚区域，造成定位误差。

（2）到达时间差法

到达时间差法（TDOA，TimeDifferenceofArrival），是根据节点同时发射两种不同传播速度的信号到接收节点，时间差计算出距离，

再利⽤三圆相交计算节点坐标；待定位点被确定在双曲线上。有以下两种实现⽅式。

⽅式⼀：发射节点同时发射两种不同传播速度的⽆线信号，接收节点根据已知的这两种信号的传播速度以及两种信号的到达时间差，计算待

定位节点和信标节点之间的距离，通过计算待定位节点和⾄少3个信标节点之间的距离，⽤三圆相交法确定待定节点的坐标位置。

该⽅式是利⽤移动台到达2个基站的时间TOA，取其差值来获得，这时仍需要基站时间的严格同步，但是当两基站间移动信道传输特性相似

时，可减少由多径效应带来的误差。

⽅式⼆：由待定位节点(x

0

,y

0

)向两个信标节点(x

1

,y

1

)、(x

2

,y

2

)同时发射信号，由于待定位节点与两个信标节点之间的距离不同，通过已

知信号的传播速度v和两个信标节点接收到信号时间差t相乘，可确定待定位节点在以两个信标节点为焦点、距离差为vt的双曲线上。

通过测量⾄少三个信标节点之间的信号到达时间差，构成⼀组关于待定位节点坐标的双曲线⽅程组，求解该双曲线⽅程组可得到移动台的估

计位置。

该⽅式是将⼀个移动台接收到的信号与另⼀个移动台接收到的信号进⾏相关运算，从⽽得到TDOA的值，这种算法可以在基站和移动台不同

步时，估计出TDOA的值，由于实际应⽤中，往往很难做到基站与移动台的同步，所以利⽤相关估计得到TDOA值，再进⾏定位计算能获得

较⾼精度。对于蜂窝⽹中的移动台定位⽽⾔，TDOA更具有实际意义，这种⽅法对⽹络的要求相对较低，并且定位精度较⾼，⽬前已经成为

研究的热点。

（3）到达信号⾓度

到达信号⾓度法（AOA，AngleofArrival），是待定位节点向信标节点发射信号，通过信标节点测定信号到达的⾓度，解算出待定位节点

的坐标。

到达⾓度法定位原理是：待定位节点向信标节点发射信号，通过信标节点测定信号到达的⾓度，解算出待定位节点的坐标。在⼆维空间中，

测得两个信号到达信标节点的到达⾓度AOA，信标节点根据各测得的AOA直线⽅向取其交点，解出待定位节点的坐标。

求解⽅程组，得到待定位节点位置(x

0

,y

0

)。AOA法定位精度受天线测⾓精度影响，增加信标节点布点密度或使⽤天线阵列可提⾼定位精

度。

（4）到达信号强度

到达信号强度法（RSSI，ReceivedSignalStrengthIndication），是通过检测信号接收端接收功率，通过传播损耗模型，计算节点间的

距离，⽤三边定位⽅法，解出坐标。

信号强度法定位原理是：通过检测信号接收端接收功率P

t

，通过传播损耗模型，计算节点间的距离d，根据三边定位⽅法，解出信标节点的

位置坐标。

室内信号传播具有复杂性，不能⽤理想传播模型计算出精确的距离。因此，系统设计经常使⽤以下简化路径损耗模型：

Pt：为发射信号功率

K：依赖于天线特性和平均信道损耗的常系数

d0：天线远场的参考距离

：为路径损耗指数

3.3指纹法

事先把各个位置上的信号特征（各Wi-Fi的信号强度）测量⼀遍，存⼊指纹数据库。定位的时候，将当前的信号特征与指纹库中的进⾏匹

配，从⽽确定位置。

4室内定位技术⽐较

4.1射频识别(RFID)室内定位技术

射频识别室内定位技术利⽤射频⽅式，固定天线把⽆线电信号调成电磁场，附着于物品的标签进过磁场后感应电流⽣成把数据传送出去，以

多对双向通信交换数据以达到识别和三⾓定位的⽬的。

RFID射频识别室内定位技术多采⽤433M、800/900M、2.45GHz三个频段，作⽤距离从⼏⽶到⼏⼗⽶不等，感知耗时短，往往在⼏毫

秒内可获取运算数据；定位精度⼀般在3m左右，经过精细的阅读器（描写我的作文 天线）部点和算法优化，定位精度能达到厘⽶级。由于电磁场⾮视距

等优点，传输范围很⼤，⽽且标识的体积⽐较⼩，造价⽐较低，但其不具有通信能⼒，抗⼲扰能⼒较差，不便于整合到其他系统之中，且⽤

户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。

RFID感应距离：室内⼏⽶到⼏⼗⽶不等。

三点定位⽅式下，RFID室内定位精度约在3m左右。

射频识别室内定位技术还有⼀种⼴义的定位使⽤⽅式，即使⽤射频识别技术的识别功能。当待定位节点（附带RFID标签）进⾏阅读器感应

区域内，则将感应阅读器作为信标点，待定位节点被定位在其附近，该⽅式被仓库、⼯⼚、商场⼴泛使⽤在货物、商品流转定位上。

我们把以下5个维度的程度定义为：

精确度：很差-较差-⼀般-较好-很好

穿透性：很差-较差-⼀般-较好-很好

抗⼲扰性：很差-较差-⼀般-较好-很好

部署复杂性：很简单-较简单-⼀般-较复杂-很复杂

成本：很低–较低–⼀般–较⾼–很⾼

以上定义下同。

4.2WIFI室内定位技术

WIFI定位技术有两种，⼀种是通过移动设备和三个⽆线⽹络接⼊点的⽆线信号强度，通过差分算法，来⽐较精准地对⼈和车辆的进⾏三⾓定

位。另⼀种是事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过⽤新加⼊的设备的信号强度对⽐拥有巨量数据的数据库，来确定位置(“指

纹”定位)。

WIFI定位可以在⼴泛的应⽤领域内实现复杂的⼤范围定位、监测和追踪任务，总精度⽐较⾼，但是⽤于室内定位的精度理想情况只能达到

3m-5m左右，⽆法做到精准定位。由于WIFI路由器和移动终端的普及，其在定位的基础上兼备数据传输功能，使得定位系统可以与其他客

户共享⽹络，硬件成本很低，⽽且WIFI的定位系统可以降低了射频(RF)⼲扰可能性。

WIFI感应距离：50m（⼤致数量级，下同）。

WIFI室内定位精度3m-5m。

WIFI定位适⽤于医疗机构、⼯⼚、商场等各种需要定位导航的场合。

4.3超宽带室内定位技术

超宽带定位技术是⼀种较新的技术，它利⽤事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加⼊的盲节点进⾏通讯，并利⽤三⾓定位或

者“指纹”定位⽅式来确定位置。

超宽带通信不需要使⽤传统通信体制中的载波，⽽是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，因此具有GHz量级的带

宽。由于超宽带定位技术具有穿透⼒强、抗多径效果好、安全性⾼、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点，前景相当⼴阔。但由于新

加⼊的盲节点也需要主动通信使得功耗较⾼，⽽且事先也需要布局，使得成本还⽆法降低。

超宽带感应距离：50m

超宽带定位精度可以达到10cm。

超宽带室内定位可⽤于各个领域的室内精确定位和导航，包括⼈和⼤型物品，例如汽车地库停车导航、矿井⼈员定位、贵重物品仓储等。

4.4蓝⽛室内定位技术

蓝⽛室内技术是利⽤在室内安装的若⼲个蓝⽛局域⽹接⼊点，把⽹络维持成基于多⽤户的基础⽹络连接模式，并保证蓝⽛局域⽹接⼊点始终

是这个微微⽹(piconet)的主设备，然后通过测量信号强度对新加⼊的盲节点进⾏三⾓定位。常见的是iBeacon。

蓝⽛室内定位技术最⼤的优点是设备体积⼩、短距离、低功耗，容易集成在⼿机等移动设备中。只要设备的蓝⽛功能开启，就能够对其进⾏

定位。蓝⽛传输不受视距的影响，但对于复杂的空间环境，蓝⽛系统的稳定性稍差，受噪声信号⼲扰⼤且在于蓝⽛器件和设备的价格⽐较昂

贵。另外，由于⽤于定位的蓝⽛技术不具备数据传输功能，因此需额外部署数据传输设施。

蓝⽛感应距离：10m

蓝⽛室内定位技术精度，国内有⼚家做到1m-2m。

蓝⽛室内定位主要应⽤于对⼈的⼩范围定位，例如单层⼤厅或商店。现在已经被某些⼚商开始⽤于LBS推⼴，如成都太古⾥、西单⼤悦城。

4.5红外线定位技术

红外线室内定位有两种，第⼀种是被定位⽬标使⽤红外线IR标识作为移动点，发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进⾏

定位;第⼆种是通过多对发射器和接收器织红外线⽹覆盖待测空间，直接对运动⽬标进⾏定位。红外线的技术已经⾮常成熟，⽤于室内定位精

度相对较⾼，但是由于红外线只能视距传播，穿透性极差(可以参考家⾥的电视遥控器)，当标识被遮挡时就⽆法正常⼯作，也极易受灯光、

烟雾等环境因素影响明显。加上红外线的传输距离不长，使其在布局上，⽆论哪种⽅式，都需要在每个遮挡背后、甚⾄转⾓都安装接收端，

布局复杂，使得成本提升，⽽定位效果有限。

红外感应距离：可视距离

红外定位技术精度⼤概为2m-4m。

红外线室内定位技术⽐较适⽤于实验室对简单物体的轨迹精确定位记录以及室内⾃⾛机器⼈的位置定位。

4.6超声波室内定位技术

超声波室内定位系统是基于超声波测距系统⽽开发，由若⼲个应答器和主测距器组成：主测距器放置在被测物体上，向位置固定的应答器发

射同⽆线电信号，应答器在收到信号后向主测距器发射超声波信号，利⽤反射式测距法和三⾓定位等算法确定物体的位置。

超声波室内定位整体精度很⾼，达到了厘⽶级，结构相对简单，有⼀定的穿透性⽽且超声波本⾝具有很强的抗⼲扰能⼒，但是超声波在空⽓

中的衰减较⼤，不适⽤于⼤型场合，加上反射测距时受多径效应和⾮视距传播影响很⼤，造成需要精确分析计算的底层硬件设施投资，成本

太⾼。

超声波感应距离：50m

超声波室内定位，国内有⼚家做到30⽶范围内精度可到达5cm左右。

超声波定位技术在数码笔上已经被⼴泛利⽤，⽽海上探矿也⽤到了此类技术，室内定位技术还主要⽤于⽆⼈车间的物品定位。

4.7ZigBee室内定位技术

ZigBee室内定位技术通过若⼲个待定位的盲节点和⼀个已知位置的参考节点与⽹关之间形成组⽹，每个微⼩的盲节点之间相互协调通信以

实现全部定位。

ZigBee是⼀种新兴的短距离、低速率⽆线⽹络技术，这些传感器只需要很少的能量，以接⼒的⽅式通过⽆线电波将数据从⼀个节点传到另

⼀个节点，作为⼀个低功耗和低成本的通信系统，ZigBee的⼯作效率⾮常⾼，但ZigBee的信号传输受多径效应和移动的影响都很⼤，⽽且

定位精度取决于信道物理品质、信号源密度、环境和算法的准确性，造成定位软件的成本较⾼，提⾼空间还很⼤。

ZigBee感应距离：100m

ZigBee室内定位精度约3m-10m。

ZigBee室内定位已经被很多⼤型的⼯⼚和车间作为⼈员在岗管理系统所采⽤。

5总结

除了以上提及的室内定位技术，还有基于计算机视觉、图像、磁场以及信标等定位⽅式，但是⼤部分⽬前还处于开发研究试验阶段，暂没有

成熟精确的产品投⼊市场。

就⽬前看，iBeacon（蓝⽛）、RFID、WIFI、超宽带室内定位四种技术形成的较成熟应⽤系统在市⾯上多⼀些。前三种实施⾯更⼴⼀些，

超宽带由于其成本的⾼昂性及部署的复杂性，领⼴众在选择的时候望⽽却步，同时因为其现阶段因为⼤⼩功耗等原因，以及⽆法很好地与⼿

机等移动终端融合，暂不利于普及；WIFI室内定位有着廉价简便的优势，但在能⼒表现上不够强；iBeacon（蓝⽛）室内定位各项指标较为

平均；RFID由于兼备标识识别功能，在市场上也占有⼀席之地。

相⽐发展了数⼗年的室外定位技术，室内定位在国内尚处于起步阶段。各⾏业对于这⼀较新技术的认识和采纳、围绕技术衍⽣各类新应⽤和

商业模式，都需要⼀定过程，所以存在相关市场启动迟陡然的意思 缓，相关公司业绩不达预期的风险。同时，技术标准不统⼀、室内地图数据不完善、

盈利模式不清晰也成为这个⾏业的瓶颈。随着5G时代的到来，会不会衍⽣出更多的室内定位技术，我们拭⽬以待。

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