介紹幾種室內地圖技術

隨著資料業務和多媒體業務的快速增加，人們對定位與導航的需求日益增大，尤其在複雜的室內環境，如機場大廳、展廳、倉庫、超市、圖書館、地下停車場、礦井等環境中，常常需要確定移動終端或其持有人、設施與物品在室內的位置資訊。但是受定位時間、定位精度以及複雜室內環境等條件的限制，比較完善的定位技術目前還無法很好地利用。因此，專家學者提出了許多室內地圖技術解決方案，如A-GPS定位技術、超聲波定位技術、藍芽技術、紅外線技術、射頻識別技術、超寬頻技術、無線區域網路絡、光跟蹤定位技術，以及映像分析、信標定位、電腦視覺定位技術等等。這些室內地圖技術從總體上可歸納為幾類，即GNSS技術（如偽衛星等），無線定位技術（無線通訊訊號、射頻無線標籤、超聲波、光跟蹤、無線感應器定位技術等），其它定位技術（電腦視覺、航位推算等），以及GNSS和無線定位組合的定位技術（A-GPS或A-GNSS）。

　　室內GPS定位技術

　　GPS是目前應用最為廣泛的定位技術。當GPS接收機在室內工作時，由於訊號受建築物的影響而大大衰減，定位精度也很低，要想達到室外一樣直接從衛星廣播中提取導航資料和時間資訊是不可能的。為了得到較高的訊號靈敏度，就需要延長在每個碼延遲上的停留時間，A-GPS技術為這個問題的解決提供了可能性。室內GPS技術採用大量的相關器並行地搜尋可能的延遲碼，同時也有助於實現快速定位。

　　利用GPS進行定位的優勢是衛星有效覆蓋範圍大，且定位導航訊號免費。缺點是定位訊號到達地面時較弱，不能穿透建築物，而且定位器終端的成本較高。

　　室內無線定位技術

　　隨著無線通訊技術的發展，新興的無線網路技術，例如WiFi、ZigBee、藍芽和超寬頻等，在辦公室、家庭、工廠等得到了廣泛應用。

　　——紅外線室內地圖技術。紅外線室內地圖技術定位的原理是，紅外線IR標識發射調製的紅外射線，通過安裝在室內的光學感應器接收進行定位。雖然紅外線具有相對較高的室內地圖精度，但是由於光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點使其室內地圖的效果很差。當標識放在口袋裡或者有牆壁及其他遮擋時就不能正常工作，需要在每個房間、走廊安裝接收天線，造價較高。因此，紅外線只適合短距離傳播，而且容易被熒光燈或者房間內的燈光幹擾，在精確定位上有局限性。

　　——超聲波定位技術。超聲波測距主要採用反射式測距法，通過三角定位等演算法確定物體的位置，即發射超聲波並接收由被測物產生的回波，根據回波與發射波的時間差計算出待測距離，有的則採用單向測距法。超聲波定位系統可由若干個應答器和一個主測距器組成，主測距器放置在被測物體上，在微機指令訊號的作用下向位置固定的應答器發射同頻率的無線電訊號，應答器在收到無線電訊號後同時向主測距器發射超聲波訊號，得到主測距器與各個應答器之間的距離。當同時有3個或3個以上不在同一直線上的應答器做出回應時，可以根據相關計算確定出被測物體所在的二維座標系下的位置。

　　超聲波定位整體定位精度較高，結構簡單，但超聲波受多徑效應和非視距傳播影響很大，同時需要大量的底層硬體設施投資，成本太高。

　　——藍芽技術。藍芽技術通過測量訊號強度進行定位。這是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，在室內安裝適當的藍芽區域網路存取點，把網路設定成基於多使用者的基礎網路連接模式，並保證藍芽區域網路存取點始終是這個微微網(piconet)的主裝置，就可以獲得使用者的位置資訊。藍芽技術主要應用於小範圍定位，例如單層大廳或倉庫。

　　藍芽室內地圖技術最大的優點是裝置體積小、易於整合在 PDA、PC以及手機中，因此很容易推廣普及。理論上，對於持有整合了藍芽功能移動終端裝置的使用者，只要裝置的藍芽功能開啟，藍芽室內地圖系統就能夠對其進行位置判斷。採用該技術作室內短距離定位時容易發現裝置且訊號傳輸不受視距的影響。其不足在於藍芽器件和裝置的價格比較昂貴，而且對於複雜的空間環境，藍芽系統的穩定性稍差，受雜訊訊號幹擾大。

　　——射頻識別技術。射頻識別技術利用射頻方式進行非接觸式雙向通訊交換資料以達到識別和定位的目的。這種技術作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內得到厘米級定位精度的資訊，且傳輸範圍很大，成本較低。同時由於其非接觸和非視距等優點，可望成為優選的室內地圖技術。目前，射頻識別研究的熱點和痛點在於理論傳播模型的建立、使用者的安全隱私和國際標準化等問題。優點是標識的體積比較小，造價比較低，但是作用距離近，不具有通訊能力，而且不便於整合到其他系統之中。

　　——超寬頻技術。超寬頻技術是一種全新的、與傳統通訊技術有極大差異的通訊新技術。它不需要使用傳統通訊體制中的載波，而是通過發送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈衝來傳輸資料，從而具有GHz量級的頻寬。超寬頻可用於室內精確定位，例如戰場士兵的位置發現、機器人動作追蹤等。

　　超寬頻系統與傳統的窄帶系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗多徑效果好、安全性高、系統複雜度低、能提供精確定位精度等優點。因此，超寬頻技術可以應用於室內靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。

　　—— Wi-Fi技術。無線區域網路絡(WLAN)是一種全新的資訊擷取平台，可以在廣泛的應用領域內實現複雜的大範圍定位、監測和追蹤任務，而網路節點自身定位是大多數應用的基礎和前提。當前比較流行的Wi-Fi定位是無線區域網路絡系列標準之IEEE802.11的一種定位解決方案。該系統採用經驗測試和訊號傳播模型相結合的方式，易於安裝，需要很少基站，能採用相同的底層無線網路結構，系統總精度高。

　　芬蘭的Ekahau公司開發了能夠利用Wi-Fi進行室內地圖的軟體。Wi-Fi繪圖的精確度大約在1米至20米的範圍內，總體而言，它比蜂窩網路三角測量定位方法更精確。但是，如果定位的測算僅僅依賴於哪個Wi-Fi的存取點最近，而不是依賴於合成的訊號強度圖，那麼在樓層定位上很容易出錯。目前，它應用於小範圍的室內地圖，成本較低。但無論是用於室內還是室外定位，Wi-Fi收發器都只能覆蓋半徑90米以內的地區，而且很容易受到其他訊號的幹擾，從而影響其精度，定位器的能耗也較高。

　　——ZigBee技術。ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網路技術，它介於射頻識別和藍芽之間，也可以用於室內地圖。它有自己的無線電標準，在數千個微小的感應器之間相互協調通訊以實現定位。這些感應器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將資料從一個感應器傳到另一個感應器，所以它們的通訊效率非常高。ZigBee最顯著的技術特點是它的低功耗和低成本。

　　除了以上提及的定位技術，還有基於電腦視覺、光跟蹤定位、基於映像分析、磁場以及信標定位等。此外，還有基於映像分析的定位技術、信標定位、三角定位等。目前很多技術還處於研究實驗階段，如基於磁場壓力感應進行定位的技術。

　　不管是GPS定位技術還是利用無線感應器網路或其他定位手段進行定位都有其局限性。未來室內地圖技術的趨勢是衛星導航技術與無線定位技術相結合，將GPS定位技術與無線定位技術有機結合，發揮各自的優長，則既可以提供較好的精度和響應速度，又可以覆蓋較廣的範圍，實現無縫的、精確的定位。（吳雨航 吳才聰 陳秀萬2008.1.29）