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西北工业大学
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模板支撑体系摘要
目前,人们对室内定位与导航的需求越来越大,如在展厅、图书馆、仓库、超市等室内环境中,用户希望持有可移动设备能够自由定位并导航,虽然室外定位技术发展越来越完善,但是室内定位仍在起步阶段。本文研究了室内定位系统的背景和国内外发展状况，阐述了室内定位系
统的相关概念和原理，列述了室内定位所用到的一些定位算法、定位结构和模型。同时，在几种定位算法的基础上罗列了几种室内定位技术，包括：超声波技术、红外技术、频射技术、WIFI与蓝牙技术、ZigBee与超宽带技术等等。并通过比较分析了解了每种技术的相应优缺点。
关键词：室内定位、定位算法、定位技术
目录
摘要 II
第一章绪论 V
1.1 课题背景及研究意义 V
1.2 研究现状及其趋势 V
1.3 国内外的研究现状 VI
第二章室内定位系统基本概念与原理 VII
2.1 定位算法 VII
2.2 室内定位系统的结构与模型 VIII
第三章室内定位系统 XI
3.1 超声波技术 XI
3.2 红外技术 XI
3.3 蓝牙技术 XII
3.4 射频技术 XII
3.5 WIFI技术与蓝牙技术 XIII
3.6 Zigbee与超宽带技术 XIII
第四章结束语 XIV
参考文献 XVI
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第一章绪论
1.1 课题背景及研究意义
卫星定位导航系统的产生及发展，让人们拥有了在广阔的室外空间中以前所未有的可靠性、精度获取事物地理位置属性的技术方法，已经基本上解决了在室外空间中进行准确定位的问题，并且已经在军事、资源、交通、农牧渔业、环境、测绘等领域以及人们日常的生活中得到了非常广泛的应用。 然而，虽然定位技术性能、精度都很高,但是其信号遇到障碍物衰减,无法穿透建筑物进行室内定位导航的局限性也日渐凸显,它在室内工作效果并不理想。社会经济的飞速发展及人们生活水平的提高,使得我们对室内的定位导航需求越来越大,比如在博物馆、超市、机场等场
所消费者需要快速了解自身所处位置,并到达目的地在矿井、火灾现场,为警察等工作人员提供精确的导航与定位。为了解决室内这一特殊环境定位的问题，必须研究专门的定位方法。与已经非常成熟的室外卫星定位导航系统相比，室内定位技术还处于刚起步阶段，但是却具有很大的应用空间。室内定位的应用领域主要包括导航和工程测量、位置服务和监控以及智能空间。
伴随着人类对室内定位需求的增大,科学技术也在高速发展,总结、分析、研究当前的室内定位技术有利于室内定位技术广泛应用于人们的生产和生活之中。
1.2 研究现状及其趋势
室内定位技术应用的区域是封闭或半封闭空间，室内不止是通常所说的一般建筑物内部，它还包括地下矿井、密集的高层建筑区、树林等。室内环境相比户外要复杂的多，根据不同的环境、应用和需求，用于室内定位的技术主要有:激光、红外、蓝牙、射频、无线电、超声波、计算机视觉、磁场等。其中，有些技术经过开发利用，形成了比较系统的定位服务解决方案或成形的商业产品，但仍有许多技术尚在研究试验中。如使用磁场压力感应的智能地板的研制试验，这种方法需依赖特定的设备，成本昂贵实用性低。
进行室内定位的主要测距方法有到达时间(TOA)、到达时间差(TDOA)、到达角度(AOA), RSS技术[等。这些方法都能在定位系统中计算有效的距离，其中到达时间、到达时间差、到达角度技术都能提高定位精度，但是由于室内环境复杂可能会影响其定位精度。
无纺布折叠机美国高通公司(QUALCOMM)及其子公司Snap Track在GPS定位技术的基础上，提出了A-GPS解决方案。结合CDMA网实现了移动终在室内外端准确的定位。由于A-GPS是基于CDMA网络，需要使用手机作为载体，所以可能需要用户使用特制的手机设备。一般用户很难接受为了不频繁使用的位技术更换手机，并且这种特制的手机相对一般手机耗电量会增加，所以A-GP技术目前没有得到广泛推广。
近几年来一种基于WIFI的室内定位技术进入到大家的视野中，各大媒体争先报道，有的甚至称WIFI将是室内定位的最佳选择。目前WIFI技术在现代生活中己经被广泛使用，无论是在政府公共场所还是咖啡厅等休闲场所都有非常广泛的WIFI热点部署，人们可以随时随地跟各大运营商的无线网络像CMCC进行连接。而且在移动终端方面，移动终端可以直接由智能手机替代，只需要开发一个APP就可以。由于智能手机的大量普及，这方面的成本也几乎可以忽略不计。WIFI进行室内定位的主要思想是充分利用现有的无线网络建立能提
供目标室内定位的服务。虽然主流的室内定位技术还有ZigBee, RFID、红外线、蓝牙，磁场甚至灯光都可以定位，不过这些新兴室内定位技术还是有各自的限制，其主要原因是必须个别部署它们专属的定位网络系统，这样会耗费非常大的建设成本。
目前，室内定位技术还处于起步阶段，首先需要解决的是系统开发问题。虽然国外一些公司和研究机构已在这一领域开展数年的研究，设计出许多系统，如RADAR, AT&T, Active Bat，Cricket等，并且有些已投入商业应用，受成本、定位精度、可靠性以及易用性等方面影响，室内定位技术尚未广泛用于人们的生产生活当中，室内定位系统仍然存在大量需要解决的问题。
1.3国内外的研究现状
近年来在WIFI室内定位技术上己经出现了很多具有代表性的研究成果，较为典型的是RADAR系统、Eorus系统、Nibble系统与Weyes等室内定位系统。
1.3.1RADAR系统
RADAR定位系统是微软公司在2000年提出来的，这个系统是基于RSSI的室内定位方案。
它的硬件是基于802.11协议的。RADAR定位系统定位算法主要分为两个阶段:第一个阶段，离线建库阶段，就是在实时定位前，在目标区域内大量采集样本，建立起地理位置和信号强度的关系映射表;第二个阶段，在线定位阶段，也就是实时定位阶段，移动终端把接收到的无线接入点的RSSI信号值，通过己有的RSSI与地理位置映射数据库相比较，查出最有可能的结果，完成定位。RADAR定位系统的优点在于它的平台比较成熟，无需开发一个新的应用平台。它的缺陷是:室内环境一旦改变，那么原有的射频数据库就会失效，数据库必须随着时间的推移定期更新。
1.3.2Eorus系统
Eorus定位系统同样选用RSSI作为参考点的指纹数据，与RADAR定位系统不同的是其使用概率模型来创建信号数据库。Eorus系统在收集参考点上的的RSSI数据时，并不像RADAR系统中那样把接收到的信号取其中值或均值，而是通过大量的数据构建成每个的接收RSSI值在指纹参考点上的概率分布，并利用生成的概率分布来建立位置指纹数据库。在实时定位阶段中，为减少计算量、提高定位算法的速度，Eorus系统提出了一种位置指纹数据库分类的方法。由于单个的覆盖范围有限，在实际定位过程中，没有必要在整个数
据库当中进行匹配搜索，而只需要在定位时，缩小搜索范围，只搜索相对应的区域，从而提高定位算法的速率与实时性。
1.3.3Nibble系统
Nibble定位系统跟上面的两个系统的最大不同点在于其采用信噪比(SNR)作为信号样本，并用接收信号的信噪比值来建立参考点的位置指纹数据库。开发Nibble定位系统的人认为信号的SNR比RSSI能更好的提取出位置特征信息。跟上面的Eorus系统一样，Nibble系统也使用概率模型来建立位置指纹数据库，但与Eorus不同的是Nibble定位系统使用贝叶斯网络来创建SNR的概率分布图与参考点的位置指纹数据库。Nibble系统把较大的一个区域(比如整个房间)当成一个点来进行定位，所以比较适用于对定位精度要求不高的环境中。
第二章室内定位系统基本概念与原理
2.1定位算法
目前的定位算法，从原理上来说，大体上可以分为3种：邻近信息法、场景分析法以及几何特征法。
2.1.1邻近信息法
利用信号作用的有限范围，可以确定待测点是否在某个参考点的附近。但只能提供大概的定位信息，能满足某些应用的要求。例如利用手机定位，可以确定来电归属地，但精度也只能确定在某一地区。
2.1.2 场景分析法
对于指定位置的可测量特征定位。比如测量接收信号的强度，与实现测量的、存在数据库的该位置的信号强度作对比。理想的场景分析法可以利用视频识别，看到某一景物就能确定位置，但这需要庞大的信息知识库做支撑。
2.1.3几何特征法
几何特征法是利用几何原理进行定位的算法，是目前应用最广泛的定位算法，通常需要多个点和边作为已知条件进行计算定位，具体又分为以下几种。
（1）三边定位法:在平面上，三边定位法就是测量待测点到3个不在同一直线上的参考点的距离。根据估计的三边距离，再结合参考点的位置，待测点的位置就在3个圆的交点上。
(2)三角定位法:利用了这样一个事实:在一个三角形中，如果已知一条边的长度和两个角的大小，那么可以确定第3个点的位置，且该点是三角形另外两条边的交点。
(3)双曲线定位法:形成双曲线的几何原理是:到两个固定点距离差为常数的动点轨迹，是以这两个固定点为焦点的双曲线。由3个不在一条直线上的参考点可以确定两条双曲线，两条双曲线的交点就是待测点。
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2.2室内定位系统的结构与模型
2.2.1结构原理
目前的定位技术多要借助辅助节点进行定位，通过不同的测距方式，计算出待测节点相对于辅助节点的位置，然后与数据库中事先收集的数据进行比对，从而确定当前位置，如图4所示。
图4室内定位结构原理图
首先在室内环境设置固定位置的辅助节点，这些节点的位置已知，有的位置信息是直接存在节点中，如RFID的标签，有的是存在电脑终端的数据库中，如红外线、超声波等。羊毛纸
然后测量待测节点到辅助节点的距离，从而确定相对位置。使用某种方式进行测距通常需要一对发射和接收设备，按照发射机和接收机的位置大体可以分为两种:发射机位于被测节点，接收机位于辅助节点，例如红外线，超声波和RFID ;另一种是发射机位于辅助节点，接收机位于被测节点，例如WiFi、超宽带、ZigBee和蓝牙。
