RTLS即 Real Time Location Systems的簡(jiǎn)稱，實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)。

RTLS是一種基于信號(hào)的無(wú)線電定位手段，可以采用主動(dòng)式，或者被動(dòng)感應(yīng)式。其中主動(dòng)式分為AOA(到達(dá)角度定位)以及TDOA(到達(dá)時(shí)間差定位)、TOA(到達(dá)時(shí)間)、TW-TOF(雙向飛行時(shí)間)、NFER(近場(chǎng)電磁測(cè)距)等。

談到定位，大家首先會(huì)想到GPS，基于GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))衛(wèi)星定位已無(wú)處不在，但衛(wèi)星定位有其關(guān)鍵弊端：就是信號(hào)無(wú)法穿透建筑物實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

那么，室內(nèi)定位問(wèn)題如何解決呢?

隨著室內(nèi)定位市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)和無(wú)線通信技術(shù)、傳感器識(shí)別技術(shù)及大數(shù)據(jù)互聯(lián)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，此難題也逐漸迎刃而解了，產(chǎn)業(yè)鏈不斷豐富和成熟中。

室內(nèi)定位從用途方向可以劃分消費(fèi)類和工業(yè)類。

消費(fèi)類主要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)人員引導(dǎo)、消費(fèi)推送、安全監(jiān)控、智能家居等商業(yè)應(yīng)用;

工業(yè)類主要實(shí)現(xiàn)消防安全、人員監(jiān)控、設(shè)備引導(dǎo)、財(cái)產(chǎn)安全、智能工廠、智慧工地等應(yīng)用。

一、藍(lán)牙室內(nèi)定位

藍(lán)牙室內(nèi)技術(shù)是利用在室內(nèi)安裝的若干個(gè)藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，把網(wǎng)絡(luò)維持成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)始終是這個(gè)微網(wǎng)的主設(shè)備，然后通過(guò)測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度對(duì)新加入的盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行三角定位。

目前藍(lán)牙 iBeacon 定位的方式主要有兩種：基于 RSSI(接收信號(hào)強(qiáng)度指示)和基于定位指紋，或者兩者結(jié)合。

基于距離最大的問(wèn)題在于，室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，而藍(lán)牙作為2.4GHZ高頻信號(hào)，會(huì)受到很大的干擾。加上室內(nèi)的各種反射折射，手機(jī)所獲取的 RSSI 值并沒(méi)有太大的參考價(jià)值;而與此同時(shí)，為了提高定位精度，就不得不對(duì) RSSI 值進(jìn)行多次獲取來(lái)平滑結(jié)果，這就意味著時(shí)延的增加。而基于定位指紋的最大問(wèn)題在于，前期獲取指紋數(shù)據(jù)的人力成本和時(shí)間成本非常高，數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)困難。而且如果商場(chǎng)增添了新的基站，或者進(jìn)行了其他改造，原始的指紋數(shù)據(jù)可能就不再適用。所以，如何在定位精度、延時(shí)和成本之間進(jìn)行權(quán)衡和取舍，就成了藍(lán)牙定位的核心的問(wèn)題。

市場(chǎng)上主流的藍(lán)牙定位精度是70%的地段在2米以內(nèi)，部分公司可以做到90%的地段在2米以內(nèi)。目前市場(chǎng)上主流的藍(lán)牙定位技術(shù)都是基于三角定位算法，通過(guò)手機(jī)獲取周?chē){(lán)牙基站的信號(hào)強(qiáng)度，再通過(guò)其他的一些輔助方法比如加權(quán)平均算法，時(shí)間加權(quán)算法，慣性導(dǎo)航算法，卡爾曼濾波算法，高斯濾波算法等來(lái)計(jì)算出當(dāng)前位置。

優(yōu)勢(shì)：設(shè)備體積小、短距離、低功耗，容易集成在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備中;

缺點(diǎn)：藍(lán)牙傳輸不受視距的影響，但對(duì)于復(fù)雜的空間環(huán)境，藍(lán)牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號(hào)干擾大且在于藍(lán)牙器件和設(shè)備的價(jià)格比較昂貴;

適用：藍(lán)牙室內(nèi)定位主要應(yīng)用于對(duì)人的小范圍定位，例如單層大廳或商店。

二、室內(nèi)WiFi定位

Wi-Fi定位技術(shù)有兩種，一種是通過(guò)移動(dòng)設(shè)備和三個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)差分算法，來(lái)比較精準(zhǔn)地對(duì)人和車(chē)輛的進(jìn)行三角定位。另一種是事先記錄巨量的確定位置點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)用新加入的設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，來(lái)確定位置。

優(yōu)勢(shì)：總精度較高，硬件成本低，傳輸速率高;可應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的大范圍定位、監(jiān)測(cè)和追蹤任務(wù)。

缺點(diǎn)：傳輸距離較短，功耗較高，一般是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

適用：Wi-Fi定位適用于對(duì)人或者車(chē)的定位導(dǎo)航，可以于醫(yī)療機(jī)構(gòu)、主題公園、工廠、商場(chǎng)等各種需要定位導(dǎo)航的場(chǎng)合。

▲ Wi-Fi室內(nèi)定位模式

三、RFID室內(nèi)定位

射頻識(shí)別(RFID)室內(nèi)定位技術(shù)利用射頻方式，固定天線把無(wú)線電信號(hào)調(diào)成電磁場(chǎng)，附著于物品的標(biāo)簽進(jìn)過(guò)磁場(chǎng)后感應(yīng)電流生成把數(shù)據(jù)傳送出去，以多對(duì)雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識(shí)別和三角定位的目的。

射頻識(shí)別(英語(yǔ)：Radio Frequency IDentification，縮寫(xiě)：RFID)是一種無(wú)線通信技術(shù)，可以通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或者光學(xué)接觸。

無(wú)線電的信號(hào)是通過(guò)調(diào)成無(wú)線電頻率的電磁場(chǎng)，把數(shù)據(jù)從附著在物品上的標(biāo)簽上傳送出去，以自動(dòng)辨識(shí)與追蹤該物品。某些標(biāo)簽在識(shí)別時(shí)從識(shí)別器發(fā)出的電磁場(chǎng)中就可以得到能量，并不需要電池;也有標(biāo)簽本身?yè)碛须娫?，并可以主?dòng)發(fā)出無(wú)線電波(調(diào)成無(wú)線電頻率的電磁場(chǎng))。標(biāo)簽包含了電子儲(chǔ)存

的信息，數(shù)米之內(nèi)都可以識(shí)別。與條形碼不同的是，射頻標(biāo)簽不需要處在識(shí)別器視線之內(nèi)，也可以嵌入被追蹤物體之內(nèi)。

優(yōu)勢(shì)：射頻識(shí)別室內(nèi)定位技術(shù)作用距離很近，但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級(jí)定位精度的信息;標(biāo)簽的體積比較小，造價(jià)比較低。

缺點(diǎn)：不具有通信能力，抗干擾能力較差，不便于整合到其他系統(tǒng)之中，且用戶的安全隱私保障和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化都不夠完善。

適用：射頻識(shí)別室內(nèi)定位已經(jīng)被倉(cāng)庫(kù)、工廠、商場(chǎng)廣泛使用在貨物、商品流轉(zhuǎn)定位上。

四、Zigbee室內(nèi)定位

ZigBee(基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議)室內(nèi)定位技術(shù)通過(guò)若干待測(cè)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間形成組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的待測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播信息，并從各相鄰的參考節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，選擇信號(hào)最強(qiáng)的參考節(jié)點(diǎn)的 X 和 Y 坐標(biāo)。然后，計(jì)算與參考節(jié)點(diǎn)相關(guān)的其他節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。最后，對(duì)定位引擎中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并考慮距離最近參考節(jié)點(diǎn)的偏移值，從而獲得待測(cè)節(jié)點(diǎn)在大型網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際位置。

ZigBee協(xié)議層從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問(wèn)層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的角色可分為ZigBee Coordinator、ZigBee Router、ZigBee End Device等三種。支持網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆行切?、?shù)型、網(wǎng)型等三種。

▲ Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/em>

優(yōu)勢(shì)：功耗低、成本較低、延時(shí)短、高容量以及高安全，傳輸距離較長(zhǎng);可支持網(wǎng)狀拓?fù)?，?shù)狀拓?fù)浜托切屯負(fù)?/p>

結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)靈活，可實(shí)現(xiàn)多跳傳輸。

缺點(diǎn)：傳輸速率低，定位精度對(duì)算法要求較高。

適用：目前zigbee系統(tǒng)定位已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)定位、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居控制等領(lǐng)域。

▲ Zigbee室內(nèi)定位模式

五、UWB定位技術(shù)

超寬帶(UWB)定位技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信定位技術(shù)有極大差異的新技術(shù)。它利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點(diǎn)和橋節(jié)點(diǎn)，與新加入的盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，并利用三角定位或者“指紋”定位方式來(lái)確定位置。

超寬帶無(wú)線(UWB)技術(shù)是近年來(lái)提出的室內(nèi)高精度無(wú)線定位技術(shù)，具有高達(dá)納秒級(jí)別的時(shí)間分辨能力，結(jié)合基于到達(dá)時(shí)間的測(cè)距算法，理論上可以達(dá)到厘米級(jí)的定位精度，可以滿足工業(yè)應(yīng)用的定位需求。

整個(gè)系統(tǒng)劃分為三層：管理層、服務(wù)層、現(xiàn)場(chǎng)層。系統(tǒng)層次劃分明確，架構(gòu)清晰。

現(xiàn)場(chǎng)層由定位錨點(diǎn)/Anchor、定位標(biāo)簽/Tag組成：

定位錨點(diǎn)/Anchor

定位錨點(diǎn)計(jì)算Tag和自己的距離，通過(guò)有線或WLAN方式回傳報(bào)文給位置計(jì)算引擎。

定位標(biāo)簽/Tag

標(biāo)簽與被定位的人、物品進(jìn)行關(guān)聯(lián)，和Anchor通訊并廣播自己的位置。

優(yōu)勢(shì)：具有GHz量級(jí)的帶寬，定位精度高;穿透力強(qiáng)，抗多徑效果好、安全性高。

缺點(diǎn)：但由于新加入的盲節(jié)點(diǎn)也需要主動(dòng)通信使得功耗較高，同時(shí)該系統(tǒng)成本高;

適用：超寬帶技術(shù)可用于雷達(dá)探測(cè)，同時(shí)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的室內(nèi)精確定位和導(dǎo)航。

▲ UWB室內(nèi)定位模式

▲ 基于UWB的人員定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

六、紅外線室內(nèi)定位

紅外線室內(nèi)定位有兩種，第一種是被定位目標(biāo)使用紅外線IR標(biāo)識(shí)作為移動(dòng)點(diǎn)，發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過(guò)安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收進(jìn)行定位;第二種是通過(guò)多對(duì)發(fā)射器和接收器織紅外線網(wǎng)覆蓋待測(cè)空間，直接對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行定位。

優(yōu)勢(shì)：較高的室內(nèi)定位精度，抗干擾能力強(qiáng);

缺點(diǎn)：紅外線只能視線傳播，穿透性能極差，當(dāng)標(biāo)識(shí)被遮擋時(shí)就無(wú)法正常工作，也極易受燈光、煙霧等環(huán)境因素影響明顯;

傳輸距離不長(zhǎng)，使其在布局上，無(wú)論哪種方式，都需要在每個(gè)遮擋背后、甚至轉(zhuǎn)角都安裝接收端，布局復(fù)雜，成本較高。

適用：適用于實(shí)驗(yàn)室對(duì)簡(jiǎn)單物體的軌跡精確定位記錄以及室內(nèi)自走機(jī)器人的位置定位。

▲ 紅外室內(nèi)定位模式

七、超聲波定位

超聲波定位技術(shù)是基于超聲波測(cè)距系統(tǒng)而開(kāi)發(fā)，由若干個(gè)應(yīng)答器和主測(cè)距器組成：主測(cè)距器放置在被測(cè)物體上，向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同無(wú)線電信號(hào)，應(yīng)答器在收到信號(hào)后向主測(cè)距器發(fā)射超聲波信號(hào)，利用反射式測(cè)距法和三角定位等算法確定物體的位置。

優(yōu)勢(shì)：定位整體精度很高，達(dá)到了厘米級(jí);結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，有一定的穿透性而且超聲波本身具有很強(qiáng)的抗干擾能力。

缺點(diǎn)：空氣中的衰減較大，不適用于大型場(chǎng)合;反射測(cè)距時(shí)受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，造成需要精確分析計(jì)算的底層硬件設(shè)施投資，成本太高。

適用：超聲波定位技術(shù)在數(shù)碼筆上已經(jīng)被廣泛利用，而海上探礦也用到了此類技術(shù)，室內(nèi)定位技術(shù)還主要用于無(wú)人車(chē)間的物物定位。

▲ 超聲波室內(nèi)定位模式

八、iBeacon

iBeacon定位

iBeacon是一種新型基于藍(lán)牙4.0的精準(zhǔn)室內(nèi)微定位技術(shù)，目前iOS、Android、Windows和黑莓系統(tǒng)設(shè)備，均具備了藍(lán)牙低能耗技術(shù)(BLE)。當(dāng)你的手持設(shè)備靠近一個(gè)iBeacon基站時(shí)，設(shè)備就能夠感應(yīng)到iBeacon信號(hào)(UUID和RSSI)，范圍可以從幾毫米到50米，通過(guò)加權(quán)三環(huán)定位算法即可得到精確的位置，常規(guī)可達(dá)到2m的精度。

▲ iBeacon

iBeacon是蘋(píng)果公司提出的“一種可以讓附近手持電子設(shè)備檢測(cè)到的一種新的低功耗、低成本信號(hào)傳送器”的一套可用于室內(nèi)定位系統(tǒng)的協(xié)議。 這種技術(shù)可以使一個(gè)智能手機(jī)或其他裝置在一個(gè)iBeacon基站的感應(yīng)范圍內(nèi)執(zhí)行相應(yīng)的命令。

這是幫助智能手機(jī)確定他們大概位置或環(huán)境的一個(gè)應(yīng)用程序。在一個(gè)iBeacon基站的幫助下，智能手機(jī)的軟件能大概找到它和這個(gè)iBeacon基站的相對(duì)位置。iBeacon能讓手機(jī)收到附近售賣(mài)商品的通知，也可以讓消費(fèi)者不用拿出錢(qián)包或信用卡就能在銷(xiāo)售點(diǎn)的POS機(jī)上完成支付。iBeacon技術(shù)通過(guò)低功耗藍(lán)牙(BLE)，也就是智能藍(lán)牙來(lái)實(shí)現(xiàn)。

iBeacon為利用低功耗藍(lán)牙可以近距離感測(cè)的功能來(lái)傳輸通用唯一識(shí)別碼的一個(gè)app或操作系統(tǒng)。這個(gè)識(shí)別碼可以在網(wǎng)上被查找到用以確定設(shè)備的物理位置或者可以在設(shè)備上觸發(fā)一個(gè)動(dòng)作比如在社交媒體簽到或者推送通知。

▲ iBeacon室內(nèi)定位模式

以上是成型的主流的室內(nèi)定位方案，每種定位模式均有其優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，隨著室內(nèi)定位和科技的發(fā)展，未來(lái)必定是多模式融合定位的結(jié)果，同時(shí)更大的難題是室內(nèi)外無(wú)縫切換定位解決方案。

常用定位原理介紹。

一、TOA定位技術(shù)原理

TOA也被稱為圓周定位技術(shù)，實(shí)際定位過(guò)程中通過(guò)設(shè)備發(fā)射電磁波測(cè)量得到當(dāng)前定位點(diǎn)到三個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的時(shí)間：t1、t2、t3。根據(jù)電磁波的傳播速度是光速的知識(shí)，很容易得到三邊距離r1,r2,r3。利用平面幾何的兩點(diǎn)距離公式，我們構(gòu)建方程組，求解出定位位置。

仔細(xì)看一下上圖，大家都會(huì)發(fā)現(xiàn)，定位過(guò)程中需要對(duì)兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，就是開(kāi)始時(shí)間t0和到達(dá)時(shí)間t1，t2，t3，這四個(gè)時(shí)間變量直接影響測(cè)量距離。由此可見(jiàn)，TOA算法對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間同步要求很高，因?yàn)榧词褂泻苄〉臅r(shí)間誤差，但是乘以光速，誤差就會(huì)被放大很多倍。因此，如何保持各設(shè)備間的時(shí)鐘高精度同步問(wèn)題，是很多專業(yè)定位設(shè)備包括GPS系統(tǒng)中需要解決的重要問(wèn)題。

二、TDOA定位技術(shù)原理

TDOA也被稱為雙曲線定位技術(shù)，其所依賴的幾何知識(shí)是，如果測(cè)定待定位點(diǎn)到周?chē)鷥蓚€(gè)標(biāo)定點(diǎn)的傳播距離差，則待定位點(diǎn)肯定在以這兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)為焦點(diǎn)，點(diǎn)到兩個(gè)焦點(diǎn)的距離差值為傳播距離差的雙曲線上。

如上圖，ri1為距離差值，通過(guò)對(duì)其計(jì)算公式化簡(jiǎn)，很容易將公式中t0消除，避免了對(duì)t0的測(cè)量誤差引入，這樣定位系統(tǒng)只要保證同時(shí)發(fā)送測(cè)量信號(hào)，然后精確測(cè)量到達(dá)時(shí)間差即可，減少了時(shí)間測(cè)量誤差影響。TDOA技術(shù)常用的算法有Fang算法、Chan算法、Taylor級(jí)數(shù)展開(kāi)算法。若大家對(duì)這些算法感興趣，可以通過(guò)維基百科進(jìn)一步了解。

三、AOA定位技術(shù)原理

AOA也被稱為方位角定位技術(shù)。根據(jù)平面幾何知識(shí)，兩條射線平行或相交于一點(diǎn)，通過(guò)設(shè)備測(cè)量待定位點(diǎn)到兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)間的入射角，很容易確定待定位點(diǎn)的位置。

如上圖，通過(guò)變化公式，很容易消除變量r，直接求解二元一次方程，很容易得到待定位點(diǎn)位置。

相比TOA、TDOA等，AOA機(jī)制不需要時(shí)間同步，實(shí)現(xiàn)同維度的定位任務(wù)所需要的參考節(jié)點(diǎn)數(shù)量最少，例如二維平面定位只需要兩個(gè)基站。但該方法必須有方向性較強(qiáng)的天線陣列支持。

四、RSSI定位技術(shù)原理

RSSI為信號(hào)強(qiáng)度，基于信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位。根據(jù)物理知識(shí)，我們能夠知道一些信號(hào)在自由空間傳播遵循固定的衰減模型，通過(guò)該模型我們能夠給出信號(hào)強(qiáng)度與距離遠(yuǎn)近的準(zhǔn)確關(guān)系。如下圖。

其中，pd為待定位點(diǎn)接收到的信號(hào)強(qiáng)度。p0為距離輻射源d0處的信號(hào)強(qiáng)度。n 為信號(hào)衰減系數(shù)。現(xiàn)階段藍(lán)牙室內(nèi)定位技術(shù)就是基于該原理。

附加幾張各個(gè)定位技術(shù)對(duì)照表。