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物联网定位技术正从室外定位走向室内定位应用
时间:2018-02-02 11:24来源:安防知识网
 
物联网定位技术正从逐步从航海、航天、航空、测绘、军事、自然灾害预防等渗透到社会生活的方方面面,比如人员搜寻、位置查找、交通管理、车辆导航与路线规划

  随着社会的进步和科技的发展,定位技术在技术手段、定位精度、可用性等方面均取得质的飞越,并且逐步从航海、航天、航空、测绘、军事、自然灾害预防等“高大上”的领域逐步渗透社会生活的方方面面,成为人们日常中不可或缺的重要应用——比如人员搜寻、位置查找、交通管理、车辆导航与路线规划等等……

  总体来说,定位可以按照使用场景的不同划分为室内定位和室外定位两大类,因为场景不同,需求也就不同,所以分别采用的定位技术也不尽相同。

  成熟的室外定位技术

  目前应用于室外定位的主流技术主要有卫星定位和基站定位两种。

  1.卫星定位

  卫星定位即是通过接收卫星提供的经纬度坐标信号来进行定位,卫星定位系统主要有:美国全球定位系(GPS)、俄罗斯格洛纳斯(GLONASS)、欧洲伽利略(GALILEO)系统、中国北斗卫星导航系统,其中GPS系统是现阶段应用最为广泛、技术最为成熟的卫星定位技术。GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分、地面控制部分、用户设备部分。

  空间部分是由24颗工作卫星组成,它们均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗),卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象;  

     控制部分主要由监测站、主控站、备用主控站、信息注入站构成,主要负责GPS卫星阵的管理控制;

  用户设备部分主要是GPS接收机,主要功能是接收GPS卫星发射的信号,获得定位信息和观测量,经数据处理实现定位。

  GPS的定位原理说白了就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。

  要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距)。  

      当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个变量t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。

  卫星定位虽然精度高、覆盖广,但其成本昂贵、功耗大,并不适合于所有用户。

  2.基站定位

  基站定位一般应用于手机用户,手机基站定位服务又叫做移动位置服务(LBS,LocationBasedService),它是通过电信移动运营商的网络(如GSM网)获取移动终端用户的位置信息。

  手机等移动设备在插入sim卡开机以后,会主动搜索周围的基站信息,与基站建立联系,而且在可以搜索到信号的区域,手机能搜索到的基站不止一个,只不过远近程度不同,再进行通信时会选取距离最近、信号最强的基站作为通信基站。其余的基站并不是没有用处了,当你的位置发生移动时,不同基站的信号强度会发生变化,如果基站A的信号不如基站B了,手机为了防止突然间中断链接,会先和基站B进行通信,协调好通信方式之后就会从A切换到B。这也就是为什么同样是待机一天,你在火车上比在家里耗电要多的原因,手机需要不停的搜索、连接基站。

  基站定位的原理也很简单:我们知道,距离基站越远,信号越差,根据手机收到的信号强度可以大致估计距离基站的远近,当手机同时搜索到至少三个基站的信号时(现在的网络覆盖这是很轻松的一件事情),大致可以估计出距离基站的远近;基站在移动网络中是唯一确定的,其地理位置也是唯一的,也就可以得到三个基站(三个点)距离手机的距离,根据三点定位原理,只需要以基站为圆心,距离为半径多次画圆即可,这些圆的交点就是手机的位置。

  由于基站定位时,信号很容易受到干扰,所以先天就决定了它定位的不准确性,精度大约在150米左右,基本无法开车导航。定位条件是必须在有基站信号的位置,手机处于sim卡注册状态(飞行模式下开wifi和拔出sim卡都不行),而且必须收到3个基站的信号,无论是否在室内。但是,定位速度超快,一旦有信号就可以定位,目前主要用途是没有GPS且没有wifi的情况下快速大体了解下你的位置。

  定位技术从室外走向室内

  GPS和基站定位技术基本满足了用户在室外场景中对位置服务的需求。然而,人的一生当中有80%的时间是在室内度过的,个人用户、服务机器人、新型物联网设备等大量的定位需求也发生在室内;而室内场景受到建筑物的遮挡,GNSS信号快速衰减,甚至完全拒止,无法满足室内场景中导航定位的需要。

  近年来,位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展,以提供无所不在的基于位置的服务,其主要推动力是室内位置服务所能带来的巨大的应用和商业潜能。许多公司包括OS提供商、服务提供商,设备和芯片提供商都在竞争这个市场。

  1.室内定位应用

  室内定位即通过技术手段获知人们在室内所处的实时位置或者行动轨迹。基于这些信息能够实现多种应用。大型商场中的商户能够通过室内定位技术获知哪些地方人流量最大,客人们通常会选择哪些行动路线等,从而更科学地布置柜台或者选择举办促销活动的地点。

  客人也可以利用室内定位技术更方便地找到所需购买物品的摆放区域,并获得前往该处的最佳路线。家长不用再担心孩子在商场中走失,通过室内定位技术可以实时定位孩子的位置。公司的管理者则可以运用室内定位技术实时获知室内的人员状况,从而更好地优化空调的使用等,达到节能减排的目的,还能够有效提高安全保卫的水平。

  通过部署室内定位技术,电信运营商能够更好地找到室内覆盖的“盲点”和“热点”区域,更好地在室内为用户提供通信服务。

  2.室内定位面临的挑战

  和室外定位相比,室内定位面临很多独特的挑战,比如说室内的环境动态性很强,可以说是多种多样,不同的大厦会有不同的室内布局;室内的环境更加精细,由此也需要更高的精度来分辨不同的特征。

  那么实用的室内定位解决方案都需要满足那些要求呢?主要包括以下几个方面:精度、覆盖范围、可靠性、成本、功耗、可扩展性和响应时间。  

       精度:对精度的要求不同的应用差别很大,比如在超市或仓库找一个特定的商品可能需要1米甚至更低的精度,如果在购物中心寻找一个特定的品牌或餐馆,5-10米的精度就能满足要求。

  覆盖范围:覆盖范围主要是指一个技术和解决方案可以在多大的范围内提供满足精度的覆盖。有些技术需要相应或专用的基础设施支撑并结合相应的定位终端使用,这样它的覆盖就只是布局了相应技术的环境范围。

  可靠性:前面提到室内环境动态性很强,会经常发生改变,比如商场的设置和隔断会经常发生变化。另一方面,定位所依赖的基础设施也会经常发生变化。举个例子,一些大型的会议,参展商会架设自己的WiFi热点,这些设施会动态变化位置,甚至有时开有时关,如果定位技术是基于WiFi的,可靠的系统应该不会受到这些因素的影响。

  成本和复杂度:成本和复杂度指标涵盖两个方面。一个是定位终端的成本,是不是可以用终端已有的硬件而不添加新的硬件。另一方面是布局和维护的成本及其复杂度,包括布局与维护定位所需要的设施和采集相关的数据库。

  功耗:定位所产生的功耗是一个很重要的指标尤其对使用电池的移动设备,如果功耗大很快使设备没电了,就限制了用户的使用。有调查表明,电池消耗过快是很多用户不开启定位功能的一个主要因素。所以,如果要实现随时随地的位置感知,必须降低定位所增加的设备额外功耗。

  可扩展性:可扩展性指一个解觉方案扩展到更大的覆盖范围使用的能力,和方便地移植到不同的环境和应用的能力。

  响应时间:系统给出一个位置更新所需的时间是响应时间,不同的应用需求不同,比如移动用户和导航应用需要快的位置更新。