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高精度室内外无缝定位关键技术研究

作者：周文胜

来源：《中国科技博览》2018年第03期

[摘 要]由于墙体遮挡信号等原因，制约了室内外定位的精确度。利用高精度室内外无缝定位技术，可以使室内外定位较好地结合，实现多种定位模式下自动切换、选择、集成和平稳过渡。本文针对无缝定位应用需求和亟待解决的问题，分析了高精度室内外无缝定位关键技术，主要包括无缝定位的框架和软硬件、无缝定位算法、无缝定位服务与应用模式和典型的室内外定位技术等。

[关键词]高精度 室内外无缝定位 关键技术

中图分类号：TV01s8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0119-01

传统定位主要采用GNSS和无线定位技术，定位过程中信号容易受到遮挡、多路径等，难以保证在密集城市区域和封闭空间定位的精确度。室内定位主要采用红外、超声、WLAN、UWB等定位技术，仅能够对小区域进行定位，难以对比较大的室内外空间进行覆盖。在大众电子产品中，Apple等移动设备企业采用Skyhook的WLAN定位技术，配合GoogleMaps地图实现定位，提高了定位精确程度，但是定位精确程度任然比较低。采用辅助方式提高定位精确度，是解决室内外无缝定位的有效途径。 1、无缝定位 1.1 涵义

无缝定位是指针对地下、地上、外层空间，使用多种定位技术实现定位的无缝覆盖，并实现各种定位技术、精确度的平滑过渡和无缝对接，可在生产生活中推广的定位技术。 泛在计算是指在泛在定位技术下，实现城市和室内空间的无缝定位。集成定位技术可以实现多种不同的定位传感器和方法的集成，比如采用GPS、INS等传感器集成，或者采用GPS和电子地图辅助定位技术的集成，可以对外层空间和特定环境实现定位覆盖。

目前使用较多的无线定位技术主要有TOA、TDOA、AOA、SSR、NFER等。使用较多的GNSS定位技术由于卫星时间使用高精度的原子钟进行时间同步，因此主要使用TOA技术。普通的无线通信系统基站数量较多，时间同步精确度有一定局限性，主要采用TDOA技术进行无线通信。目前短距离无线通信主要采用SSR技术，使用多种技术相互结合时，定位精确度、可靠性都得到增强。 1.2 无缝定位遇到的难题

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无缝定位主要解决以下几个难题：

无法依赖单一的无线技术进行无缝定位，譬如使用GNSS技术难以在封闭空间进行高精确度定位；多个定位信号难以在不同区域实现全覆盖，需要实现室内外区域的无缝连接；在室内外复杂环境下如何解决传播信道问题；多种技术需要使用统一的坐标、时间系统，考虑基础设施、软硬件成本、标准化问题；公众无线定位服务，以及电源、隐私等问题。 2、无缝定位的关键技术 2.1 无缝定位的框架和软硬件

无线定位所使用的基础设施主要包括各种定位传感器网络基础设施，即北斗地基增强、城市各种无线通信与电视广播基站以及室内环境下现有的定位传感器网络等基础设施。将现有各种通信网络设施以及无缝定位系统进行业务集成，构建多系统协同定位网络。建立统一的空间坐标系和时间系统，设计无缝定位软硬件总体框架，构建室内外无缝定位推广应用体系。 统一坐标网络。根据现有无线定位基础设施，可以将其分为不同的层次，包括全球框架、区域框架、城市框架、街区学校框架、单体建筑框架、楼层平面框架，上一层坐标可以为下一层框架提供坐标基准。

时间系统。时间是定位的重要信息，根据同一坐标系不同的层级，利用GNSS提供的时间基准，无缝定位基础设施对其进行分层时间传递，依次对下一级传感器提供时间基准。 通信设施。利用现有的通信网络设施和无缝定位系统的通信功能，对各种服务应用提供稳定的通信服务。

软硬件框架。无缝定位硬件的不同接口之间需要协同和集成，软件框架是指为定位服务的框架。

2.2 无缝定位算法

不同的无线定位技术如北斗、GPS、WLAN、ZigBee和UWB等，多源定位测量和其他类型的定位传感器共同构成统一的融合定位模型，实现多种定位模式下自动切换、选择、集成和平稳过渡；在城市和室内复杂的非视线环境下可以对无线定位所出现的误差源进行识别，并利用消除技术减小误差；再定位计算过程中需要使用数据处理基础，包括最小二乘法、滤波技术、相位模糊度解算等。主要包括以下几种类型： 测试间、测距离、测信号强度的相应定位算法； 非无线定位传感器定位算法；

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NLOS环境下，对各种误差源进行鉴别和消除的算法； 定位结算与精度评定算法；

实现不同定位技术无缝融合和集成的无缝定位算法。 3、无缝定位服务与应用模式

移动互联网、大数据等技术手段，通过整合室外地图数据、室内地图数据以及其他相关专题数据，构建以GIS系统为支撑的室内外无缝定位应用系统，研究复杂室内环境下的位置信息高效查询、检索、时空数据挖掘、可视化地图显示、实时信息推送等技术，实现面向用户的智能位置服务能力。

无缝定位针对用户群体多样化的特点，在地图显示和终端服务方面需要充分考虑用户的实际需求，通过简单可视化的方式，更加快捷便利的定位技术来为用户提供可靠的空间服务信息。终端接入方式也要根据用户终端情况，利用现有无线通信网络，以网络的方式向用户提供数据服务。另外，无缝定位还要针对定位和服务，在标准化、组件化、网络化、智能化、集成化等方面实现突破。

3.1 基于HMM的移动行为模式挖掘技术

通过分析复杂环境下移动目标运动轨迹，基于隐马尔科夫模型（HMM）建立环境、时间相关的时序型移动行为预测场模型，在此基础上，预测目标移动行为，辅助定位基础设施协同工作，利用潜在目标区域WiFi、UWB等基站设备，协同北斗地基增强系统进行组合定位，提高定位精度和定位效率。

3.2 基于移动行为预测的异构导航网络协同定位技术

基于目标移动行为预测结果，结合目标当前所处位置，实现卫星导航定位系统

（BDS/GPS）、移动基站、WiFi、UWB、RFID等多种异构定位导航网络的垂直软切换，动态调整定位切换触发逻辑，实现多定位导航网络协同定位。 3.3 基于雾计算的实时动态定位网络技术

为实现高精度、高实时性的移动室内外定位，需要定位系统和用户交互具有极低的时间延迟，基于广泛分布的北斗地基增强站、室内定位基站、服务器等节点设备，在企业云中心和用户终端之间构建室内外动态定位雾计算网络，将云中心服务器上的数据及计算服务更快更经济地提供给用户终端，为用户提供高精度、低延时的定位导航服务。 4、典型的室内外定位技术