北斗导航室内定位技术分析报告Word下载.docx
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由于传统技术在室内定位方面效用有限,各类专用室内定位技术陆续发展起来。
市场对室内定位技术的认识还比较笼统。
目前已有的相关介绍大多对技术的普及前景缺乏判断,只是将各类技术简单罗列,既不够深入,也缺乏体系;
对各项技术的优劣势和应用场景的介绍不够透彻,部分信息甚至已经过时,或仅采信技术提供商的官方宣传材料,信息不够客观。
我们认为:
室内外融合定位是大方向,GNSS技术与室内定位技术将互为补充,为消费者和企业提供完整的位置信息;
由于室内定位技术互有优劣,为降低成本、提高精度,未来多种技术的联合使用将成主流;
消费级定位领域,蓝牙信标技术有望加速推广,并将与惯性导航、Wi-Fi指纹或热点地图技术联用,以降低成本、提升体验;
工业级定位领域,RFID技术的市场统治地位将加强,并按实际需求与Wi-Fi、超声、超宽带等其他工业级技术结合。
二、室内定位技术百花齐放,消费与工业级技术齐发展
1、室内定位技术分为消费级和工业级,需求特性差异显著
依据技术的应用场景不同,可以大体将室内定位技术分为两类:
消费级和工业级。
消费级室内定位技术主要用于消费者的室内信息指引、营销信息推送等,工业级技术则针对自动生产加工、自动货物搬运、资产管理、急救寻人等。
两者面对的需求差异较大,因此技术特性也有所不同。
一般而言,消费级技术对定位精度要求不高,1~5m的精度已经可以满足大多数应用;
要求系统兼容现已普及的移动智能终端。
工业级技术的定位精度更高,需要分米甚至厘米级精度,以区分操作对象、人群中的个人等;
与专用标签和传感器配套使用,一般无需考虑与现有智能终端的兼容性。
2、技术原理相通,万变不离其宗
尽管室内技术种类繁多,多数技术的基本原理依然是依赖接收机对无线电信号(包括Wi-Fi、蓝牙、超宽带等)的接收,判断接收机与已知位置信号源的相对位置。
具体实现方法包括近邻法、交叉法、到达时间、到达时间差、到达角度、场强三边法等。
除了上述方法外,指纹法和遮蔽法也是常用的技术方法。
指纹法是将接收机接收到的位置信号特征,与预先收集的特征地图(“指纹库”)比较,得出所在位置。
遮蔽法则是利用定位对象对信号的遮蔽,揭示对象所在位置。
各种原理各有优劣,在不同应用场景、不同预算要求下,可使用不同的技术原理组合。
3、室内定位技术百花齐放,发展迅速
随着消费和工业升级需求拉动、无线通讯技术发展,各类室内定位技术进展迅速,部分技术已经开始商业化尝试。
(1)Wi-Fi热点地图:
最先实现规模化
现行的Wi-Fi热点地图技术事实上同时利用了Wi-Fi热点和移动通信基站的信号。
这一技术的原理是,将终端发现的Wi-Fi热点的MAC地址、移动通信基站的ID,与数据库中的记录做比较,得出当前位置。
一般采用“近邻法”判断,即最靠近哪个热点或基站,即认为处在什么位置;
如附近有多个信源,则可以通过交叉定位,提高定位精度。
该技术需要构建巨大的数据库,以记录尽可能多的Wi-Fi热点及移动通信基站的覆盖区域信息。
由于Wi-Fi和移动网络在众多国家和地区均已普及,该技术的数据来源非常广泛,不需要再铺设专门的设备用于定位。
此外,数据采集相对简单,专门的测绘车辆或携带专用设备的人员只需从信号覆盖区域经过,即可自动生成相应的数据记录。
甚至普通用户也可以成为数据的来源:
只要用户在使用智能手机时开启过GNSS、Wi-Fi和移动蜂窝网络,就可能成为手机操作系统开发商(如苹果和谷歌)的数据源;
移动地图应用商(如高德)也在用同样的方式收集数据。
可见,该技术具有便于扩展、可自动更新数据、成本低的优势,因此最先实现了规模化。
目前这项技术的领军者是谷歌。
2015年谷歌地图和Android操作系统用户双双突破十亿大关,大量使用这些服务的用户在享受谷歌软件带来便利的同时,也在为谷歌贡献新的位置数据。
谷歌也是最早大规模使用测绘车辆收集地理位置数据的互联网公司。
此外,谷歌还曾是Skyhook等专业定位技术公司的大客户,后者也曾为谷歌提供Wi-Fi热点和信号塔的地理位置信息。
单纯依靠基站定位的精度为50~100m,加上Wi-Fi后在理想情况下约5-10m。
除了不必铺设专用设备外,该技术对终端的要求也低,只需终端支持Wi-Fi即可使用。
此外,即使终端上不安装任何特定软件、不连接任何热点,也可以从网络端扫描到终端,实现网络端定位,从而协助商场、博物馆等场所的运营方监控人流、队列,优化运营方案。
该技术的劣势是,现有绝大多数Wi-Fi热点是为无线上网而铺设,并未考虑到定位需求,因此铺设密度比室内定位所要求的低很多,定位精度因此难以提升。
如果热点铺设密度高,又会因信道间的干扰,影响正常上网,因而单依靠该技术无法实现对精度要求较高的室内定位应用。
目前,这项技术以其低成本和高扩展性,广泛用于各家地图应用中;
由于精度一般,常常与其他辅助技术联合使用,而且只能用于位置参考和近距离营销信息推送。
(2)惯性导航技术:
辅助提高精度的利器
惯性导航技术,是通过惯性传感器判断终端进入室内后的移动路线,并将终端标记在预先绘制的地图上。
该技术利用加速度计测算各方向直线前进距离,利用陀螺仪感知转向,还可以利用终端里的其他传感器,如高度计或气压计(感知高度)、磁力计(感知方向),来辅助提高精度。
该项技术需要由GNSS或其他方式提供初始位置信息,而后经过惯性传感器测量行进方向和加速度,并经过复杂的模型拟合出后续的位置偏移。
由于用户自身的运动过程极不规则,而用户携带设备的方式也各不相同,模型拟合的结果常常出现较大误差,而且误差会随着距离与时间的增加而不断累积。
因此,更加精确的模型构建、大量用户行为数据的积累非常重要;
同时,经过一段距离和时间的运作后,往往需要重新提供位置修正信息,以保证精度。
目前这项技术常常与Wi-Fi热点地图技术联合使用,用后者提供的位置信息为惯性传感技术提供纠偏。
我们通过与专家的沟通,进一步获取了一手数据。
实际应用结果如下,蓝色线条是单用传感器的路径图,在一定时间后定位产生漂移,但加上Wi-Fi信号修正后,呈现绿色路径图,相比单一Wi-Fi定位,加入传感器后曲线明显连贯、平滑,且定位位置正确,无明显偏移。
这项技术的优势在于:
1)即使在信号屏蔽严重的室内,也可以正常工作,因为除起始位置和后续位置修正外,该技术不需要借助外在通信信号;
2)对终端要求低,只需要利用目前智能移动终端中标配的传感器即可;
3)运营成本低,不需要额外铺设定位设备、不需要预先采集外界信息。
业界通过两种方式应用该技术:
以博通、意法半导体、InvenSense为代表的芯片商推出专门的定位芯片,将该技术整合到硬件中,在硬件层面完成传感器数据整合和运算,将得出的位置数据直接提供给开发者,如博通BCM4752定位芯片。
而XX地图、高德地图等应用开发商,因为需要适配各种不同硬件配置的终端,均选择自行从传感器读取数据,并在软件层面进行整合和运算。
在交流中我们发现,市场承认惯性导航技术在车辆导航中可以获得较好的效果,因为车辆的运动模式较简单;
但认为在运动复杂的手持终端上,精度将很低。
事实上,经过大量的数据积累,XX、高德等浸淫多年的领先厂商已经建立了复杂的运动模型,能够较为准确地拟合终端的运动轨迹,对定位精度的提高起到了显著的效果。
目前各大地图应用商都非常重视该技术,投入了大量人力物力以提高后台算法的精度。
(3)Wi-Fi指纹技术:
低成本高精度的典范
Wi-Fi指纹是指室内不同位置上各Wi-Fi接入点的接收信号强度(即所谓RSSI)。
通过将终端当前检测到的指纹,与预先采集的各参考点的指纹匹配,即可测算出终端的位置。
参考点指纹的预先采集,需要工作人员携带装有专门软件的智能手机,遍历室内的每一处空间。
该项技术的代表企业包括思科、摩托罗拉、华三、AeroScout、Ekahau等大厂。
这些公司的普遍做法是先部署自己专用的Wi-Fi网络,再进行指纹收集,主要面向工业级定位如资产管理、人流统计等,定位精度为~7m。
由于需要大量硬件设备并支付施工费用,一个三万平方米的中等规模商场,部署成本约为200万元。
西门子、WiFiSLAM(已被苹果公司收购)以及国内的智慧图和高恒则另辟蹊径,专注于利用商场、机场等场合现有的Wi-Fi网络,主要面向消费级应用,由于采用了先进的算法,定位精度可以达到1~6m,这种新兴的纯软件方法是目前业界主要的兴趣方向。
这种新兴Wi-Fi指纹定位技术的优势包括:
1)在多数消费场合无需额外硬件设备,可利用商场、机场等场合现有的Wi-Fi热点,无附加施工成本;
2)成本很低,采集一个中等规模商场的Wi-Fi指纹需要的年人工费用仅为1,000~10,000元;
3)可以取得较好的精度(3~6m),可区分不同的商铺、柜台、登机门、停车位等,实现近距离营销、室内导航、寻人、停车位指引等多数消费级应用;
4)相比基于蓝牙的定位技术,基于Wi-Fi的技术可以实现网络端定位,即使用户未安装特定软件,也可以向场所运营方匿名提供人流、动线等信息,协助运营方提高运营管理能力。
市场目前对此技术的主要顾虑包括:
1)商场的布置经常变动,由于信号的遮蔽、反射、散射等因素,会导致不同参考点上Wi-Fi的接收信号强度发生永久性变化,因此需要经常更新指纹数据库,人工成本可能升高;
2)受室内人流量、信号干扰、信源稳定性等因素影响,即使商场布置不变,接收信号强度也可能发生波动,造成精度下降或出现错误。
但根据我们的专家访谈,技术开发商已经为此想出各种应对方法,可以减少指纹数据库的必要更新次数,并降低接收信号波动的影响。
这些方法包括优化过滤算法、模糊匹配、增加Wi-Fi以外的无线电信号感知、用众包模式自动更新指纹等。
以高恒的上海五角场万达广场案例为例,利用高恒的特有优化技术,在初次采集指纹9个月之后,定位精度依然保持在1~6m,且未发现任何定位错误,基本解决了上述问题。
该技术的不足之处在于:
1)所依赖的Wi-Fi热点不受技术方控制,可能被替换、移动、增减,而自行铺设的成本又过于高昂;
2)局部区域Wi-Fi热点的密度可能不满足要求,会降低精度;
3)需要专门人员维护指纹数据库;
4)为数众多的iOS设备无法使用该项技术,因为iOS系统关闭了第三方应用的Wi-Fi指纹(RSSI)读取权限。
以上前三点不足尚可通过优化算法等方式弥补,但在最后一点上只能向苹果公司妥协。
因此,该技术的部分拥虿(如智慧图)现已转向Wi-Fi指纹与蓝牙iBeacon并用的解决方案,其中Wi-Fi指纹技术针对Android设备,iBeacon则可针对iOS设备。
(4)蓝牙信标技术:
为零售业而生
蓝牙信标技术由诺基亚最先发起使用,但影响不大。
2013年,苹果发布了基于蓝牙4.0低功耗协议(BLE)的iBeacon协议,主要针对零售业应用,引起广泛关注。
随后,类似的技术平台此起彼伏出现:
高通推出Gimble、三星推出Proximity、谷歌推出Eddystone,技术原理上均与iBeacon大同小异。
iBeacon蓝牙信标技术的正常运作,需要蓝牙信标硬件、智能终端上的应用、云端上的应用后台协同工作。
信标通过蓝牙向周围广播自身的ID,终端上的应用在获得附近信标的ID后会采取相应行动,如从云端后台拉取此ID对应的位置信息、营销资讯等。
终端可以测量其所在处的接收信号强度(RSSI),以此估算与信标间的距离。
因此,只要终端附近有三个或以上信标,就可以用三边定位方法计算出终端的位置。
蓝牙信标技术的优势在于:
1)定位精度较高,每30~50平方米布置一只信标,使用三边定位手段,可实现~3m的定位精度,已能够满足多数消费级室内定位应用,更密集的布置下可实现亚米级精度;
2)信标硬件成本不高,每个信标的硬件成本约20~50元,一个三万平方米的商场所需的硬件成本为1.2~6万元;
3)对终端的要求相对低,需要终端的软硬件环境支持蓝牙4.0低功耗协议,目前几乎所有新面市的移动设备都能满足要求。
该技术的劣势在于:
1)需要铺设信标网络,尽管硬件成本不高,但信标网络的规划和铺设需要一定人工成本;
2)不能实现网络侧定位,即不能从服务器端主动定位终端,在紧急救援、人员和资产管理等情景下不适用;
3)现实中不同蓝牙设备间的兼容性较差,可能影响技术正常工作;
4)信标网络维护困难,每个信标的电池使用时间有限,需要人工更换。
目前iBeacon技术还不支持对信标电池电量的监控,无法预见信标电量是否即将耗尽而停工,但谷歌的Eddystone协议已经支持电量监控,还提供ID之外的其他信息(如URL)的发送,并同时支持iOS和Android平台,大大弥补了iBeacon技术的缺憾。
在苹果强大的号召力影响下,大量创业公司争先恐后涌入iBeacon应用的开发和推广,梅西百货等传统零售业巨头开始尝试在店内部署iBeacon信标,国内的腾讯和阿里也在“微信摇一摇”和逛街应用“喵购”中加入了对iBeacon技术的支持,室内定位在零售业的商业化热情前所未有高涨。
(5)RFID定位技术:
专业级室内定位的在位王者
RFID定位的基本原理是,通过一组固定的阅读器读取目标RFID标签的特征信息(如身份ID、接收信号强度等),同样可以采用近邻法、到达时间法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。
该技术的优势在于:
1)成本低廉,RFID标签的价格已非常平民化;
2)定位精度高,商用方案已经实现厘米级定位(~6cm),可以区分库房货架上的不同存货,区分流水线上的加工对象,区分密集人群中的个人,适用于自动化的库存管理、智能生产加工和人员在岗管理等应用;
3)对复杂室内环境适用性较好,因为基于电磁场,可以非视距传播,即使视野有遮蔽也可以正常工作;
4)便于与其他技术整合,可与Wi-Fi等定位技术联用(市场已出现Wi-FiRFID标签),提高定位的精度和可靠性。
因此,该技术获得了工业级定位市场的广泛欢迎。
1)不利于实现大规模室内定位,RFID信号覆盖范围较小;
2)无法应用于2C场合,因为不兼容目前的智能手机和平板。
目前有大量成熟的商用定位方案基于RFID技术,广泛应用于紧急救援、资产管理、人员追踪等领域,供应商中不乏惠普、IBM等全球企业服务业巨头。
(6)超宽带定位技术:
优势全面的专业选手
超宽带(UWB)定位技术,通过对象上安置的有源标签发出的超宽带脉冲,到预先布置的一组感应器之间的到达时间差(TDOA)和/或到达角度(AOA),来确定对象的位置。
到达角度包括水平角度和垂直角度,以此可以确定终端在三维空间中的坐标。
超宽带定位技术具有一系列独特的优势:
1)定位精度高(1~15cm),由于超宽带采用持续时间很短(纳秒级)的脉冲信号,其时间、空间分辨率都很强,因此可以达到很高的定位精度;
2)抗干扰能力强,分辨率高,且不受广泛使用的2.4G信号干扰;
3)功耗低,不必持续发射载波,脉冲持续时间短,占空比很低,系统耗电量只有;
4)可实时监控标签电池电量,避免标签意外断电停工。
超宽带技术的劣势主要有:
1)硬件成本相对高,一套适用于1,000平方米的基础系统,需要约1,400美元,如需在三万平方米的区域铺设,成本超过20万元人民币,远高于RFID、蓝牙信标等技术;
2)不支持现有的智能终端,目前的智能手机、智能平板不能用于定位,限制了该技术在日常消费场合的应用;
3)非视距条件下准确度受影响,在被定位目标被遮挡时,定位准确度会明显下降;
而这种情况在实际的室内应用中非常常见。
非视距条件下精度下降的问题,可以与RFID技术联用解决,联用的效果超过超宽带或RFID单独使用。
目前最知名的超宽带定位服务提供商是美国的Ubisense;
国内的佼佼者包括中海达子公司联睿电子、清华系公司清研讯科。
(7)LED可见光通信定位技术:
光通信领域新尝试
LED可见光通信(VLC)定位技术,利用天花板上安置的特制LED灯具,以高频闪烁方式向终端的前置摄像头传递“密码”,由专门的应用获取,解读成为对应的位置信息。
该项技术的定位精度较高,可实现米级定位,适用于大多数消费场合;
对终端要求低,适用于任何配备了前置摄像头的智能设备。
该技术的劣势包括:
1)LED灯具的升级改造需要较高成本;
2)终端耗电高,由于需要终端时刻打开前置摄像头,对终端电力消耗较大,可能带来负面的用户体验。
该技术的代表企业是ByteLight,目前已被照明业大厂AcuityBrands收购。
灯业巨头通用电气和菲利普在自身的室内定位方案中集成了ByteLight的技术,通用电气还与高通合作将蓝牙定位技术也集成进其定位LED灯具。
在国内,华策光通信也发展了类似的可见光通信定位技术。
(8)地磁定位技术:
精确的纯软件解决方案
地磁定位技术是利用室内不同位置的地磁场差异,来确定室内位置。
由于现代建筑常使用钢筋混凝土等结构,会对地磁场造成扰动,导致各个位置的地磁特性各不相同。
与Wi-Fi指纹技术类似,在使用该技术前,需要人工采集室内的地磁分布。
这一技术的代表厂商是芬兰公司IndoorAtlas,国内上海的雅丰信息也曾从事类似技术开发。
IndoorAtlas宣称,其地磁定位技术的定位精度可以做到0.1~2m。
雅丰信息则宣传其IndooRun技术可做到3~5m精度。
雅丰近期已弃用该技术,改用Wi-Fi指纹和惯性导航结合的技术。
除了精度高,该技术不需要安装任何硬件设备,因此成本低是其另一大优势。
此外,该技术利用的磁传感器已经是智能手机和平板的标准配置,因此可应用范围很广。
该技术的缺点在于磁信号容易受到环境中不断变化的电、磁信号源干扰,定位结果不稳定,精度会受影响。
此外,地磁技术虽然可以辨别同一建筑内不同位置,但在两个不同建筑中,地磁信号可能有相同的情况,这时候仅依靠地磁技术就无法辨别位置,还需要使用GNSS技术辅助定位。
XX于2014年战略投资了地磁定位技术开发商IndoorAtlas,并于2015年6月宣布在自己的地图应用中使用其地磁定位技术,将该技术与Wi-Fi热点地图、惯性导航技术联合使用,获得了较好的定位效果。
(9)ZigBee定位技术:
低功耗的精准定位技术
ZigBee是一套专为物联网传感和控制开发的通讯协议,主要应用于智慧家居、智慧健康、智慧能源等新兴技术领域,具有近距离、低复杂、低功耗、低速率、自组织、高容量等特性。
常用的ZigBee定位方法通过测算对象到多个已知位置的参考节点的距离,来确定对象所在的位置。
测算的方法包括接收信号强度、链路质量指示(LQI)等。
也可以通过“临近法”大概地判定终端处在哪一个参考节点附近,这种做法的定位精度较低,在实际应用中并不常见。
ZigBee定位的优势主要有:
1)功耗低;
2)精度可以做到10~100cm。
1)不能对现行智能设备定位,ZigBee是针对传感器网络开发,并未将手机、平板等终端作为兼容设备考虑;
2)信号易受干扰,受多径效应和移动的影响都很大;
3)带宽低,承载信息有限,不利于其他应用拓展。
ZigBee室内定位已经被一些大型工厂和车间用于人员在岗管理系统,但长期来看,面对超宽带和蓝牙定位技术的竞争不占优势:
定位精度、设备兼容性、硬件成本下探潜力和延伸应用潜力,均逊于其他两项技术,逐渐被替代是大概率事件。
ZigBee真正的优势是其去中心的自组织特性,在智慧家居、智慧穿戴等领域有更大发展空间。
(10)室内信息技术:
力图打造室内外无缝衔接的定位体验
室内信息技术(IMES)的倡导者是日本宇宙航空研究开发机构(JAXA),其原理类似伪卫星。
即在室内天花板上安置GNSS信号发射器,发射与GNSS信号结构相同的定位信号,信号被终端接收,从而实现室内室外无缝衔接的定位效果。
其他国家研究者也曾提出类似的技术。
该技术的优势在于,只要终端硬件支持,不需要在终端软件层面做额外工作,就可以实现室内外无缝定位;
定位精度为~10m。
劣势主要有:
1)不适用现有智能终端,一般的GNSS芯片无法在接收IMES信号和GNSS信号间无缝切换,需要定制专用接收芯片;
2)软硬件成本较高,因为需要将位置信息转换成GNSS信号发出,且需要密集安装专用的发射硬件;
3)可能干扰GNSS信号接收,在窗边等GNSS可以覆盖的地方,可能屏蔽GNSS信号;
4)存在覆盖空白,IMES信号需要视距传播,穿透力弱,发射器间有覆盖不到的区域。
针对上述劣势,索尼开发了支持IMES与GNSS切换的接收芯片,并将惯性导航技术与IMES技术结合,以在覆盖空白区域提供定位。
对于信号干扰问题,研究人员将IMES的中心频率与GNSS信号错开,并降低发射功率,以避免干扰。
尽管如此,索尼的定位芯片不可能安装进所有手机,这项技术的普及依然存在难题。
加上相比其他技术无明显优势,其他厂商对该技术并未抱太大兴趣。
除上述的JAXA和索尼外,仅有日立等少数公司投入研究这项技术。
(11)超声波定位技术:
适用于几乎所有智能移动终端
超声波定位技术通过在室内安装多个超声波扬声器,发出能被终端麦克风检测到的超声信号。
通过不同声波的到达时间差,推测出终端的位置。
该技术的优势包括:
1)适用现有智能移动终端,只要配有麦克风即可定位;
2)精度高,可达30cm;
3)不会与无线电互相干扰,也不会影响精密设备正常工作,可用于医院等对无线电有限制的场合。
该技术的劣势有:
1)需要密集部署扬声器,施工和硬件成本高,超声波易衰减、传播距离短,因此信号源需要密集部署;
2)受多径效应和非视距传播影响大,接受信号混乱,影响精度和准度,对算法要求会很高。
这项技术的代表是美国的ShopKick和日本的MTI。
ShopKick早在2010年就已经在商场中布置其ShopKickSignal超声系统,并用于商场签到积分。
谷歌的Nearby平台除了支持蓝牙信标之外,也支持利用超声定位。
(12)红外定位技术:
成本高,用于军事、高级别安防
红外定位主要有两种具体实现方法,一种是将定位对象附上一个会发射红外线的电子标签,通过室内安放的多个红外传感器测量信号源的距离或角度,从而计算出对象所在
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