0%

室内高精度定位技术

室内定位技术

上篇文章分析了基于GNSS(全球卫星导航系统)的高精度定位技术,本篇文章主要网罗室内高精度定位技术。

在阅读枯燥的技术文章前,我们先看一段酷炫的视频。

无人机编队

在主要用于室外应用的卫星技术精度不够或者受到建筑物或其他障碍物阻挡的情况下,室内定位技术可以提供高精度定位需求,本篇主要介绍四大主流室内定位技术:WIFI定位技术、蓝牙定位技术、ZigBee定位技术和UWB定位技术,这几种技术其精度都能达到亚米或厘米级。

定位技术对比

室内定位技术底层原理与卫星定位相似,其中包括固定的基站相当于天上的卫星,移动的标签相当于用户端的 GNSS 接收机,基站一般作为参考位置点,一般安装于固定参考点;标签一般作为待定位点,一般安装于待定位载体(人、车、物)上。

以上几种技术都使用电磁波,通过测量标签到多个基站的距离,再利用三边定位原理测算期相对位置。

三角定位原理

蓝牙定位技术

蓝牙SIG于2019年发布,更新了蓝牙5.1的蓝牙核心规格,包括测向增强功能。在5.1版本之前,蓝牙已经广泛用于室内位置跟踪的部署,使用一种称为接收信号强度指示器(RSSI)的技术,根据测量的路径损耗量来估计发射器和接收器之间的距离。

但是,接收器只能检测到发射器处于圆形区域,并且没有有关输入信号方向的信息。蓝牙5.1规范通过提供角度信息来增加传入信号的方向性。资产跟踪或导航应用系统可以使用到达角(AoA)或离开角(AoD)方法(如下图)来实现。

蓝牙定位

蓝牙定位分为两种类型:网络端定位和终端端定位。

网侧定位:由信标、智能终端、蓝牙网关、服务器(定位引擎、数据库)等组成。当智能终端进入信标信号覆盖时,接收到的RSSI值通过蓝牙网关上传到服务器,定位引擎对其进行处理,可以在管理后台进行管理和查看 终端端定位:由信标、移动终端、服务器(定位引擎、数据库)等组成。当移动终端进入基站覆盖区域时,通过内置定位算法测量接收到的RSSI(信号强度)值并测量具体位置,并使用地图引擎进行显示、导航等操作。

蓝牙定位架构

根据实现的不同,基于蓝牙5.1 的系统应该能够实现低至几十厘米的亚米级精度。

应用

  • 物品位置:蓝牙的实时定位系统(RTLS)可以跟踪重要资产,例如识别仓库和医院中的重要设备资产,以及博物馆展厅中的贵重物品。在资产上安装了电池供电的低功耗蓝牙发射器(标签),以将资产的当前位置和接收的信号强度发送到固定位置的蓝牙接收器,以进行精确定位。
  • 景区游客位置:可通过位置标签查看游客位置,为危险防范救援提供可靠保障。

优缺点

  • 优点:低功耗、高效率、低成本;
  • 缺点:定位范围小,定位误差大。

Wi-Fi定位技术

Wi-Fi 802.11az下一代定位(NGP)标准即将完成(目标在2022年)。与蓝牙一样,Wi-Fi技术已经与基于RSSI的方法一起使用了一段时间来提供定位。但NGP标准建立在称为精细定时测量(FTM)的Wi-Fi功能之上。

FTM 使用往返时间(RTT)信息来支持 Wi-Fi 的站点和接入点之间的距离。RTT 机制采用出发时间 (ToD) 和到达时间 (ToA) 时间戳。802.11az 标准旨在通过利用 802.11ax(Wi-Fi 6)标准中的最新功能(下图)来改进传统 FTM。

WiFi定位

每个无线AP(路由器)都有一个唯一的MAC地址,通常无线AP基本上不移动。设备(如手机)开启WiFi功能后,即可搜索到周围的无线AP信号。无论无线AP是加密还是连接到设备,都可以获取无线AP的MAC地址。然后,设备将无线 AP 获得的 MAC 地址发送到位置服务器。服务器收到无线AP的MAC地址后,可以计算或估计设备的位置。

应用

  • 智能养老院:可以实时定位老年人的位置,并查看其活动的轨迹。
  • 智能工厂区域:直观查看各类人员(不同类型工作的员工、访客等)和物品的位置分布,方便工作分配,提高生产效率;在发生危险时,可以根据人员的位置进行快速救援。
  • 智能医疗:实时查看患者位置、医疗设备定位等。

优缺点

  • 优点:定位范围广,数据自动更新,定位速度快等;
  • 缺点:WIFI必须打开手机,连接到互联网,长期维护等。

ZigBee定位技术

ZigBee与蓝牙同样被归属在个人区域网络(PAN)的架构下,采用的是IEEE 802.15.4标准,具有极低耗电、双向传输等特色,当有资料传送需求时则立即传送,并进行双向确认,因此大幅提高资讯传输之可靠度。

ZigBee另一特色是组网能力,不同于WiFi和蓝牙的网络架构,ZigBee是采用网状(Mesh)网络架构(参考下图),组网节点(设备)可以任意分布在犹如蜘蛛网般的网状网络上。因为ZigBee採用16位元短定址或64位元扩充定址,所以理论上节点数目可以多达65,000个。

ZigBee定位

应用

  • 隧道人员定位:定位精度可达3米。在紧急情况下,人员的实时定位与地图相结合,实施及时准确的救援,确保隧道内人员的安全。
  • 医院、疗养院:患者和老人的实时定位定位,为人身安全提供及时有效的保护。

优缺点

  • 优点:低功耗、成本低、高容量
  • 缺点:定位范围小、定位误差大、多径效应大、抗干扰能力差。

UWB定位技术

UWB不是一项新技术。根据 IEEE 标准 802.15.4 中的定义,它是在 2000 年代初首次部署的。当时它面向高速传输USB替代品,但它从未实现广泛的商业采用。近年来,出于测距目的,IEEE 802.15.4z修正案改进了MAC和PHY层。

与蓝牙不同,UWB不使用信号强度来评估距离。相反,它使用飞行时间(ToF)。ToF测量信号从发射器到接收器的传播时间。由于RF信号无论环境如何都以光速传播,因此基于ToF的距离估计比蓝牙中使用的RSSI方法对环境更可靠(下图)。

UWB定位

UWB与蓝牙和Wi-Fi不同。它不使用调制的正弦波来传输信息;相反,它利用调制脉冲序列。UWB脉冲的持续时间非常短,大约为纳秒。信号的特性使该技术对室内区域典型的多路径环境更具弹性,因为UWB的短脉冲比蓝牙或Wi-Fi更能抵抗反射信号的损害。

UWB的ToF测量可以补充角度信息,以提供更精确的位置。与上述蓝牙5.1 AoA 类似,UWB 锚定接收器采用两个或多个天线的天线阵列。该计算使用每个天线上的到达时间和天线间距信息来确定输入信号的角度。

UWB定位架构

基于UWB技术的系统可以达到10厘米范围内的精度,具体取决于环境。

应用

  • 工业/汽车跟踪:实时跟踪资产和库存,改进流程,提高搜索效率,减少资源浪费。
  • 建筑工地、仓库、展厅等:精确定位人员、货物、运输机械,快速找货,提高管理效率。
  • 危险区域(地雷、隧道):人员和资源定位,紧急搜寻安全场所,做到安全有效。

优缺点

  • 优点:传动率高、功耗低、定位精度高、对策能力强。
  • 缺点:需要铺设设备和相对较高的成本。

室内定位技术比较

从以上分析来看,各种室内定位技术的定位精度、稳定性、实施成本及安全性上都有差异,具体采用哪种技术还是需要根据应用场景来决定。但UWB技术的综合能力最高,应用场景也最丰富,开头看到无人机编队酷炫技术就是使用的这种技术。后续我们会专门介绍UWB技术。

室内定位技术对比

坚持原创技术分享,您的支持将鼓励我继续创作!