在之前的分享中,小旭介绍了物联网常用定位技术,包括UWB超宽带技术和BLE蓝牙定位技术。今天,我将继续为大家介绍其他几种定位技术。
1.Wi-Fi定位技术
Wi-Fi指纹定位原理:
基于Wi-Fi指纹的定位,其主要思想是将难以直接测量的位置信息与容易直接测量的Wi-Fi信号,形成一种映射关系。主要基于以下两个基本假设:
第一:无线信号指纹特征与地理位置相关。理想情况下,Wi-Fi覆盖的室内环境中每一个地理位置中的无线信号指纹特征都是唯一的,可以用来进行位置区分。Wi-Fi指纹的差异性越大,定位系统的定位精度就越高。理想情况下只考虑Wi-Fi指纹特征与位置信息的关系,而不考虑人员的移动、温度的变化、移动终端的差异以及采样时间等因素对Wi-Fi指纹的影响。
第二:不同采样点之间的Wi-Fi指纹的匹配度与它们之间距离的远近具有很大关系。在离线训练阶段,采集部分特定参考点的Wi-Fi指纹,由于采集的Wi-Fi指纹数量有限,不可能覆盖所有的室内位置,在在线定位阶段,用户的位置也不会正好处于采集的离线指纹中间,因此需要利用近邻参考点来估计用户的位置。无线信号的衰减特性,可以保证相邻位置的无线信号差异不会太大,但是在具体的室内环境中,由于墙壁的阻隔、人员的移动、信号传播的多径效应等因素的影响,也可能出现实际位置相近的两个指纹,但它们的匹配度很低,或者实际位置比较远的两个指纹(比如处于不同的楼层),它们的匹配程度却比较高。
基于Wi-Fi指纹的定位算法原理如图所示。
2.声波定位技术
基于音频信号的室内定位技术,具有成本低、精度高、兼容性好的特点,非常适合消费级智能手机的室内定位场景。直接使用智能手机内置的麦克风,无需增加额外的设备。
可扩展至智能手机的音频定位系统可以大致分为两大类:基于音频信号 TOA 和 TDOA 的定位系统。
基于音频的室内定位技术利用声学器件如麦克风、扬声器实现定位具有如下特点:
1、精准定位:定位精度可达分米级;
2、维护方便:基站通电即可用,单基站可覆盖 30-50 米 ;
3、由于音频的传播速度远低于射频,实现高精度的音频定位对时钟的同步精度要求不高;
4、对于位置服务提供商,虽然实现音频定位需要在室内布设音频节点,但由于商用音频元器件的成本低廉,有望通过低成本的基础设施投入,实现室内的定位需求;
5、对于用户,麦克风和扬声器是手持智能移动终端的标配,可在无需用户额外开销的情况下提供高精度的位置服务;
6、不限用户容量:采用类似卫星导航系统的广播模式,基站和终端无需交互,不限用户容量;
7、数据安全:终端侧解算,基站不主动扫描用户信息。
3.地磁技术
地磁场在地球近地空间连续分布,受地球磁性物质分布不同,各个地域的地磁场存在差异。地磁场已广泛应用于舰船和飞机的方位导航,利用指南针、磁罗盘等测量地磁场方位信息,以获得稳定的地球北指向。
与磁航向测量技术不同,地磁定位技术利用地磁场强度随地理空间位置变化具有不同分布的特性,实现对运动载体的定位。通过安装在运动载体上的磁场传感器,实时测量运动航迹(轨迹)上的地磁场数据,并提取磁场特征,与事先获得并存储的地磁场模型或地磁图进行匹配,以确定运动载体的实时位置,用于导航或者定位跟踪。
因为地磁场的广泛分布,地磁定位技术可以应用于飞行器、地面车辆、水下潜航器等不同的运动载体,特别在建筑内等封闭空间内,除了地球磁场外,人工建筑的铁磁性材料进一步丰富了地磁场的空间分布特征,使磁场的空间差异分辨率可达到10cm,为室内位置测量提供了一个天然的坐标系。
在使用磁场定位技术前,需要采集定位区域的磁场分布,并把采集过的磁场分布制作成地磁图;当来到有地磁图的区域时,通过运动体携带(或安装)定位终端内的磁传感器,测量运动体经过区域的磁场,将实际测量的磁场数据与已知的地磁图进行对比,在地磁图内找到和测量磁场数据最相似的数据所在的位置,即是运动体所在的位置。
从上述定位原理看出,地磁定位的最大优势是不依赖于外部环境、不需要事先部署硬件、不需要维护、可以分辨楼层、不易受遮挡和干扰,能够取得定位精度、成本、可靠性和兼容性的良好平衡,具有非常广阔的市场应用前景。
但是,要实现稳定高精度的地磁定位性能,并不是一件容易的事情,除了需要重点考虑四个方面的因素:第一,地磁图的制作和定位特征的应用;第二,选择适合的磁传感器;第三,与磁传感器和运动载体相适配的实时测量方法;第四,与应用场景和运动载体相适配的定位算法。
4.5G定位技术
5G定位即用5G信号实现定位功能的技术,其核心思想是复用当前的5G基础设施,而不增加额外的布网成本,从而让5G在实现高性能连接能力的基础之上,再增加较高的精准定位能力。
从5G定位原理的角度来看,定位技术大致可以分为三种类型:基于三角关系和运算的定位技术、基于场景分析的定位技术和基于临近关系的定位技术。
- 基于三角关系的定位技术
这种定位技术根据测量得出的数据,利用几何三角或双曲线关系计算被测物体的位置,它是最主要的、也是应用最为广泛的一种定位技术。
- 基于场景分析的定位技术
这种定位技术对定位的特定环境进行抽象和形式化,用一些具体的、量化的参数描述定位环境中的各个位置,并用一个数据库把这些信息集成在一起。业界习惯上将上述形式化和量化后的位置特征信息形象地称为信号“指纹”。观察者根据待定位物体所在位置的“指纹”特征查询数据库,并根据特定的匹配规则确定物体的位置。
- 基于临近关系的定位技术
基于临近关系进行定位的技术原理是:根据待定位物体与一个或多个已知位置参考点的临近关系来定位。这种定位技术通常需要标识系统的辅助,以唯一的标识来确定已知的各个位置。这种定位技术最常见的例子是移动蜂窝通信网络中的Cell ID。假设待定位物体分别位于三个Cell中。由于各个Cell中参考点的位置已知,所以根据待定位物体所在Cell可以粗略确定其位置(即Cell中参考点的位置)。