非信号定位技术分析
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作者:唐小露 周钰婷 庄浩然 胡潘 何佳星
【摘 要】在当代人们生活的环境中，位置服务越来越被人们所重视，定位技术也得到了迅速的发展。定位技术有基于信号的定位技术和非信号定位技术两种。非信号定位技术具有定位精度高、稳定性强、所需成本低而且不易受环境因素影响等优势，逐步成为学者研究的热门对象。论文就非信号定位技术进行了阐述，并针对其发展趋势及应用现状进行了介绍。
【Abstract】In the contemporary people's living environment， location service has been paid more and more attention， and location technology has also been rapidly developed. Location technology includes signal-based location technology and non-signal location technology. Non-signal location technology has the advantages of high location accuracy， strong stability， low cost and not easily affected by environmental factors， and has gradually become a hot research object for scholars. This paper describes the non-signal location technology， and introduces its development trend and application status.
【关键词】室内定位技术;定位算法;非信号定位
【Keywords】indoor location technology; localization algorithm; non-signal location
【中图分类号】TN925 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2019）09-0154-02
1 引言
定位技术由室外定位技术和室外定位技术组成[1]。根据所接收的信号类型分为无线信号定位和非信号定位两种。本文针对地磁场技术、惯性测量技术、超声波技术、红外线技术以及视觉信息技术的原理进行介绍，分析其优缺点，针对非信号定位技术在商业领域、军事领域以及车辆定位领域的运用进行讨论。
2 非信号室内定位技术
2.1 地磁场技术
地磁场是存在于地球内部的天然磁性现象，其强度和方向随所处位置的不同而变化。室内的地磁场具有较高的稳定性，以及室内建筑物墙体内存在的金属和室内的电气设备会对室内的地磁场产生一定的影响，使得地磁场以一种有效信息源[2]的形式应用于室内导航定位。
2.1.1 地磁场技术的相关原理
利用智能手机和平板电脑中的三轴磁力计传感器（也称电子罗盘），在室内区域中可检测到一个由X、Y、Z轴三个方向组成的三轴磁感强度值。通过所检测到的磁感强度值，判断待定位人员或移动端的行走方向，并以此建立一张室内磁力指纹地图[3]。采用指纹匹配算法，将不同的磁感强度值与不同的地理位置结合起来，对待定位人员或移动位置进行定位。
2.1.2 地磁场技术的优缺点
优点：①定位精度高，可达到米级;②成本低，无需预先铺设信号源，硬件成本较低;③稳定性好，终端比较丰富。
缺点：定位结果不稳定。磁信号易受到环境中电磁信号源的干扰，在两个相同的建筑中，可能存在相同的地磁信号，使得地磁定位技术无法实现精确定位。
2.2 惯性测量技术
惯性测量定位技术是根据IMU测得的一系列传感数据，并结合一定的算法进行位置估计的定位技术。该定位技术的误差是随着行走时间的增加而不断地累积，使得定位精度不够精确。一般通过与Wi-Fi指纹结合，实现对MEMS产生的误差进行修正，以便得到待定位目标的具体位置。
2.2.1 慣性测量定位技术的相关原理
利用基于MEMS运动传感器[4]提供的地磁方向、加速度等传感数据，通过航位推算算法估计待测目标运动的方向和距离，从而估计出待测目标的具体位置。
2.2.2 惯性测量定位技术的优缺点
优点：①独立作业性能好，具有高度的自主性，并不需要依赖外界信息;②成本低，惯性导航系统的设计比较简单，且安装便捷;③隐蔽性好，不向外界辐射能量，系统能自主地实现导航的功能，能够避免与外界发生任何信号的联系;④体积小、抗干扰能力极强、精度高。
缺点：具有累积误差，造成待测目标的定位精度偏移。
2.3 超声波技术
超声波定位技术，以反射式测距法为主，通过在室内安装多个超声波扬声器确定物体位置。
2.3.1 超声波定位技术的相关原理
由已知位置的信标节点发射同频率的超声波，当待测节点接收到超声波后又发射出返回波，在已知超声波的传播速度基础上，根据发射波与回波的发射时刻的时间差计算出两节点之间的距离，从而确定待测节点的位置。 2.3.2 超声波定位技术的优缺点
优缺点：①定位精度高，可达30m;②抗干扰性强，结构简单。
缺点：①易受多普勒效应和温度的影响;②工作距离较短，普通设备一般不超过10m;③易受多径和距离的影响;④穿透能力差，可用频道少;⑤成本高，系统需要大量的基础硬件设施。
2.4 红外线技术
红外线是一种电磁波，其波长介于可见光波和无线电波间。红外线技术可实现数据的无线传输，可用于定位精度较高的特定室内定位场景。
2.4.1 红外线技术的原理
红外线室内定位的组成成分有定位标签、定位服务器、固定位置的传感器。待定位标签有发出特定红外线的功能，待定位发出红外信号后，定位服务器通过红外传感器收集信号，采用近似法进行处理估计出用户的位置，以达到定位的作用。
2.4.2 红外线技术的优缺点
优点：定位精度高，10m区域内的定位精度可到达20～30cm;
缺点：①系统稳定性较低，易受直射日光和荧光灯的干扰;②穿透性差，难以应用在复杂的室内环境;③成本高，智能移动设备和接收设备都需要配置红外线接受装备。
2.5 视觉信息技术
采用深度传感器，视觉定位系统可测量深度信息，并结合视觉识别系统以达到定位的目的。主要方式是依靠相机拍摄收集定位信息，属于非协作定位。
2.5.1 视觉信息技术的相关原理
视觉信息定位技术，是利用高清摄像头对定位周围的环境进行分析，通过对周围图像的处理和分析计算得到当前的位置信息。系统利用移动设备拍摄的定位潜在区域的照片，提取相片序列中的相同信息，进行一致性信息的比对，测算出移动设备相机的位置数据。
2.5.2 视觉信息技术的优缺点
优点：①应用范围广，适用于现有大多数的智能移动终端;②定位精度高，定位结果稳定可靠;③定位速度快，可全天候工作。
缺点：①环境适应性较弱，由于室内场所可能存在的各种因素影响，容易使得定位失败;②若室内场所中存在视觉特征相似的场合，则无法进行定位判断;③先采集目标场合中所有地方的照片，当室内场所的外观发生变化时，信息需进行重新采集，使得成本较高。
3 非信号定位技术的应用
3.1 商业应用
该技术通过把磁力计内置于智能移动手机，进而探测周围地磁场异常情况，从而实现用户在室内空间区域的定位。用户通过自身所携带的手机设备中配置的地磁场技术，可在无蓝牙信号或Wi-Fi信号连接的场所，对用户的位置进行定位。由于地磁场定位技术需要事先采集场所数据，并建立室内磁场分布图，这个过程所需时间与场所空间大小成正比的关系，可能耗时较长，一般用于空间区域较小的场所定位。
3.2 军事应用
惯性导航定位技术广泛应用于火箭、飞机、战略远程轰炸机、导弹、核潜艇和车辆等的定位导航和追踪。该技术属于自主式导航，不需要接收外界信号，利用自身测量的加速度进而推算待定位物体的位置。该技术与磁力计相结合时，待定位人员或物体所携带的惯性导航，随着时间的增加所产生的累积误差会一定程度地减小，使得定位精度更加精确。
3.3 车辆定位应用
在车辆上配置超声波接收器，其安放位置需使得接收器在室内大面积区域内能够接收到两个以上的发射点信号。根据一定的算法系统计算出车辆所在位置，从而进行相应地调度和追踪。由于超声波传输距离短，将其与红外技术相结合，进行一定优势互补，可更方便地实现定位功能，实用性更高。
4 结语
目前，无线信號定位技术广泛应用于日常生活的位置服务，而非信号定位技术的应用仍处在初步发展阶段，有很多的技术和配置还不是很成熟和实用。随着智能手机的普及和微机电器件的发展，基于智能手机的非信号定位导航会逐渐进入人们的视野，并成为研究的热点。
【参考文献】
【1】缪轩.基于MEMS惯性传感器的跌倒检测及其防护系统[D].南昌：南昌航空大学，2017.
【2】裴凌，刘东辉，钱久超.室内定位技术与应用综述[J].导航定位与授时，2017，4（03）：1-10.
【3】王屹进.基于多源数据融合的室内定位算法的研究[D].南京：南京邮电大学，2016.
【4】刘军，郭伟，黄飞，等.无线局域网中一种自适应RTS门限调整算法[J].计算机学报，2007（04）：547-554.
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