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LBS技术之室内定位和导航技术

时间:2011-04-12 11:48来源:3SNEWS 作者:刘丽 点击:
在较早的时候人们就意识到GPS存在缺陷,例如它无法在室内正常工作。假如我们遭受袭击或是被困在某处时,救援人员就无法确定我们的位置。不过,现在已经有一些公司正在致力于不

       我们经常会在路上听到或看到有关导航和定位的信息,但什么是“室内定位”呢?在一些GPS无法工作的环境(如建筑物内部)中,你将用什么工具来寻找路线呢?如果遭受灾难袭击或者被困在某处时,救援人员如何发现你呢?

    IndoorLBS.com业务发展部副总裁特里斯蒂安·拉克鲁瓦提出了一个技术和应用上的新思路,经过几年的研究和试验这些想法正在逐渐成熟。

  新的技术为室内定位提供可能

  5年或者10年以前,业界就已经意识到GPS存在缺陷,例如它无法在室内正常工作(在这种环境中,GPS定位很慢甚至不可能,而且不够准确)。E911政策要求移动运营商定位用户手机必须达到一定的精度。这些运营商是第一个遇到这些问题的人。

  GPS逐渐演化为辅助全球定位系统(A-GPS),它使用设备的GPS芯片和移动电话网络(cellular network)来实现定位。然而,由于运营商的网络费用问题,A-GPS还没有被商业LBS服务所使用。因此,Wi-Fi地理定位就成了一项替代技术。在存在Wi-Fi接入点的地方,Wi-Fi的定位精度可达20米。正如我们在“签到(check-in)”中看到的一样,Wi-Fi还无法准确地显示用户签到地点的准确位置。蓝牙则是一种微观层次上的技术,许多建筑物内都正在使用这项技术,因此具有蓝牙功能的手机可以利用这一服务。“全球定位系统 —— Wi-Fi ——蓝牙——射频识别技术”串起了定位技术发展的主线,设备需要尽量接近于Wi-Fi接入点或者蓝牙节点,设备中的传感器、陀螺仪、罗盘、加速计等都可以为导航和追踪提供“辅助”数据。

  国际室内定位技术的发展

  Skyhook 和Navizon都是Wi-Fi定位的领军企业。接下来,他们正在准备融入更为广阔的定位技术和服务,即不断地与GPS芯片制造商或者原始设备制造商(OEM)进行合作,例如苹果公司(Skyhook已嵌入到iPhone中)。移动运营商也已经意识到Wi-Fi定位将极大地缩短首次定位时间(TTFF),仅使用GPS的话,首次定位时间可能会大于1分钟;使用A-GPS,首次定位时间可缩短到12秒;如果使用Wi-Fi,这一时间仅为2秒。因此,对于iPhone手机用户而言,70%的定位服务都是通过Wi-Fi定位来实现的,而并非GPS。

  Rosum公司是由一些GPS架构师创办的,他们深知GPS无法在室内正常工作,因此希望找到一种替代方案。该方案利用数字式电视基站技术实现定位,通过为电视信号嵌入时间码,从而获取用户的位置信息。在过去的几年里,Rosum公司一直在致力于生产一种小到可以嵌入设备的芯片。该芯片对于手机而言还是显得有些大,不过将其电视芯片嵌入笔记本电脑中已经不成问题。

  室内定位技术的应用前景

  首先是公共安全和应急响应。在紧急情况下,每一个人都想被救援人员精确定位到,大到建筑物的位置,甚至是楼层或者房间号。

  其次,可以应用于手机购物、移动电子商务、个性化广告/优惠信息等。用户会希望能够直接获取商店或者所需产品的位置,而不用耗费大量时间苦苦寻找。签到功能将有助于店家了解用户是在其店内,还是在两个街区以外的家中。

  我们有必要讨论一下这种室内定位服务的演变。如果我们能够确定你的位置又会怎样呢?我们可以卖给你产品。而用户需要的是一种基于他们各种生活习惯的智能信息解决方案。就像一个虚拟私人助理一样,能够帮助他们完成各种繁杂、耗时的任务。这些解决方案和应用将是基于位置服务行业未来的发展方向,并将统领整个市场。

  有许多公司已经开始从事室内地图、建筑物内部路线和方位的研究了。此外,人们希望利用这些室内导航应用程序来快速寻找商场或者机场里的店铺、产品或者服务,就像在室外查找感兴趣点(POI)一样。他们同样希望获取到商场或者机场中某类店铺的感兴趣点。不久之前,我们还是只能获取室外的感兴趣点,不过现在用户已经可以获取商场内的感兴趣点了。商场内的增强现实可以应用于游戏或者优惠信息的展示(用户在手机屏幕上点击某个店铺就可以弹出该店铺的折扣信息)。

  缺乏通用技术

  现在,已有大量技术应用于室外和室内定位,如GPS、射频识别、Wi-Fi等。然而,这些技术都必须通过各自的协议使用自带的应用程序接口。这可能会严重阻碍异构方案的发展。不过,使用标准协议的异构定位解决方案也是存在的,它们使用隐藏底层定位技术的实时传输协议(RTP)和实时传输控制协议(PTCP),可以实现方案间的无缝切换。使用主动射频识别实时定位系统(RTLS)并结合GPS技术的商业系统已经存在。

  对于室内室外追踪而言,还没有一个通用的技术;需要通过技术的融合来解决这种典型的应用案例。利用强大的中间件和应用软件,集成两种互补追踪技术的解决方案也是存在的。它能够提供更为完整的异构解决方案,以及更高的整体定位系统覆盖范围和可用性。

  这些解决方案通过Wi-Fi链接(定位接入点网的一部分)传输GPS、射频识别实时定位系统和遥测的数据。对于没Wi-Fi覆盖的地方,系统利用窄带调制解调器或者ISO 24730射频识别实时定位系统来向服务器交互信息。在干扰严重的环境中,这种设计可为终端运营商提供最佳的无线电频率(RF),从而增强了解决方案的灵活性。

资料:室内无线定位技术

  随着无线通信技术的发展,新兴的无线网络技术,例如WiFi、ZigBee、蓝牙和超宽带等,在办公室、家庭、工厂等得到了广泛应用。

  ——红外线室内定位技术。红外线室内定位技术定位的原理是,红外线IR标识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。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度,但是由于光线不能穿过障碍物,使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作,需要在每个房间、走廊安装接收天线,造价较高。因此,红外线只适合短距离传播,而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰,在精确定位上有局限性。

  ——超声波定位技术。超声波测距主要采用反射式测距法,通过三角定位等算法确定物体的位置,即发射超声波并接收由被测物产生的回波,根据回波与发射波的时间差计算出待测距离,有的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成,主测距器放置在被测物体上,在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号,应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号,得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时,可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。

  超声波定位整体定位精度较高,结构简单,但超声波受多径效应和非视距传播影响很大,同时需要大量的底层硬件设施投资,成本太高。

  ——蓝牙技术。蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术,在室内安装适当的蓝牙局域网接入点,把网络配置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,就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位,例如单层大厅或仓库。

  蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在 PDA、PC以及手机中,因此很容易推广普及。理论上,对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户,只要设备的蓝牙功能开启,蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵,而且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。

  ——射频识别技术。射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。这种技术作用距离短,一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且传输范围很大,成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点,可望成为优选的室内定位技术。目前,射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小,造价比较低,但是作用距离近,不具有通信能力,而且不便于整合到其他系统之中。

  ——超宽带技术。超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它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,从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精确定位,例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。

  超宽带系统与传统的窄带系统相比,具有穿透力强、功耗低、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。因此,超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航,且能提供十分精确的定位精度。

  —— Wi-Fi技术。无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台,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,而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。当前比较流行的Wi-Fi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式,易于安装,需要很少基站,能采用相同的底层无线网络结构,系统总精度高。

    ——ZigBee技术。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术,它介于射频识别和蓝牙之间,也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准,在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。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传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。

  除了以上提及的定位技术,还有基于计算机视觉、光跟踪定位、基于图像分析、磁场以及信标定位等。此外,还有基于图像分析的定位技术、信标定位、三角定位等。目前很多技术还处于研究试验阶段,如基于磁场压力感应进行定位的技术。

  不管是GPS定位技术还是利用无线传感器网络或其他定位手段进行定位都有其局限性。未来室内定位技术的趋势是卫星导航技术与无线定位技术相结合,将GPS定位技术与无线定位技术有机结合,发挥各自的优长,则既可以提供较好的精度和响应速度,又可以覆盖较广的范围,实现无缝的、精确的定位。

(责任编辑:迷失)
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