一、定位技术简介

        当前主流室内定位技术有计算机视觉、WiFi、蓝牙、RFID、ZigBee、UWB、可见光、地磁等技术。可以落地的高精度室内定位系统，不仅仅取决于某种技术本身的定位精度，更要综合考虑环境、施工、部署、推广等因素。5年前不同室内定位技术常见对比及优缺点如下：

二、定位技术   

在特定的坐标系内确定目标所在的坐标。传统上的定位一定包含定位基准、测量手段、定位算法三大要素。定位系统中的定位基准是确定位置参考的基础框架，主要分为以下几种类型：

     1、几何基准(空间参考系)

        1.1 绝对坐标基准

​                        建筑坐标系​：以建筑物固定点（如墙角、柱子）为原点建立的坐标系

​                        地理坐标系​：通过GPS/北斗在入口处标定，转换为室内坐标

​                        网格坐标系​：将室内空间划分为规则网格，每个网格有唯一坐标

        1.2 相对坐标基准

                        以锚节点为参考​：使用已知位置的固定设备作为参考点

                        以用户为参考​：在行人航位推算(PDR)中，以起始点为临时基准

    2、信号基准（物理参考）

        2.1 无线信号基准

                        WiFi：基准特征为AP的MAC地址和位置数据库，精度范围3-15米

                        蓝牙：基准特征Beacon的UUID和坐标，精度范围1-5米

                       UWB：锚点的精确位置，精度为0.1-0.3米

                        RFID：阅读器的已知位置，精度范围为1-10米

        2.2 其他信号基准

                        地磁信号​：室内地磁场的唯一指纹模式

​                        光信号​：LED灯的调制信号和位置信息

                        声波信号​：超声波发射器的已知位置

     3、定位测量手段

                TDOA

        到达时间差（Time Difference of arrival）：测量信号到达不同接收器的时间差。其特点不需要标签与锚点时间同步，只需要描点之间的时间同步，精度要求较高，常用于UWB系统

                TOF

        飞行时间（）

                TOA

        到达时间（Time of Arrival）：测量信号从发射器到接收器的绝对传播时间。其特点需要精确的时间同步，对始终精度要求极高（纳秒级别），适用与UWB等宽度系统

                AOA

         到达角度（Angle of Arrival）：通过天线阵列测量信号入射方向。其特点需要天线阵列，对天线校准要求高，可用于定向和定位

                PDOA

                RSSI

        接收信号强度指示：利用信号强度与距离的关系模型，其特点实现简单，成本低，精度较低（受环境影响大），常用于WiFi、BlE定位

                视觉定位

                视觉定位是一种基于环境特征的测量手段，使用摄像头捕捉环境特征进行定位。其技术类型提取和匹配图形特征点进行特征点匹配；使用神经网络直接估计位置；识别已知位置的视觉标志。

                COO

        

                MAP地图匹配

                SLAM

                同步定位于建图（Simultaneous Localization and Mapping）

三、计算机视觉定位

        计算机视觉定位是通过计算机视觉算法，利用定位过程中摄像头拍摄到的图像信息和预先采集的定位场馆的视觉照片数据库作对比，从而确定目标的位置坐标。计算机视觉的室内定位系统如果是基于移动智能设备的主动定位，那么要求目标在定位过程中始终开启摄像头；如果是被动定位，那么需要预先在场馆内安装大量高清摄像头，工程造价较高。

        定位基本原理

        计算机视觉目标定位算法的基本原理基本可以归纳为‘图像分析+特征提取+位置判断’三个步骤。算法需要对输入的图像或视频进行预处理，如去噪、增强等操作，以提高图像质量。接着，算法会从图像中提取出与目标相关的特征，这些特征可以是颜色、形状、纹理等视觉信息，也可以是目标在时间序列中的运动信息。最后，算法会根据提取的特征对目标进行位置判断，通常是通过构建分类器或回归模型来实现

四、WiFi定位

        WiFi定位技术是通过无线接入点（包括无线路由器）组成无线局域网（WLAN），可以实现复杂环境中的定位、监测和追踪任务。以网络节点即无线接入点的位置信息为基础和前提，利用其空间传播的路径损耗效应建立路径损耗模型，对已接入的移动设备进行位置定位。WiFi定位当前最高精确度大约在1米至20米之间。如果定位测算仅基于当前连接的Wi-Fi接入点，而不是参照周边Wi-Fi的信号强度合成图，则Wi-Fi定位就很容易存在误差。比如存在定位楼层错误。由于室内空间结构比较复杂，无线电波在室内空间传播过程中还存在阴影效应（shadowing）和多路传播效应（multipath），无论是模型法还是指纹法，都很难建立能够真实反映室内空间的传播模型。因此，商用Wi-Fi室内定位系统的定位精度一般在15米到25米左右，具体依赖于室内已有的Wi-Fi设备数量及分布。

        定位基本原理

        每一个无线AP都有一个全球唯一的MAC地址，并且一般来说无线AP在一段时间内是不会移动的。设备在开启Wi-Fi的情况下，即可扫描并收集周围的AP信号，无论是否加密，是否已连接，甚至信号强度不足以显示在无线信号列表中，都可以获取到AP广播出来的MAC地址。设备将这些能够标示AP的数据发送到位置服务器，服务器检索出每一个AP的地理位置，并结合每个信号的强弱程度，计算出设备的地理位置并返回到用户设备。位置服务商要不断更新、补充自己的数据库，以保证数据的准确性，毕竟无线AP不像基站塔那样基本100%不会移动

五、蓝牙定位

六、RFID定位

七、ZigBee定位

八、UWB定位

       8.1 简介

        UWB（Ultra Wide Band，超带宽）是一种无线通信技术、扩频技术，与传统的通信技术有很多的差异。在传统通信体质中，数据传输一般都需要使用载波来承载。UWB，不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。

        传统通信方式是本地震荡器产生连续的高频载波（连续波信号），通过调幅、调频等方式加载与载波上，通过天线进行发送从而达到传送信息。无线广播，4G通信，WIFI等都是采用该方式进行无线通信。如下图所示为调幅方式传递语言信号的连续波信号产生的示意图。

        UBW是通过发送和接收具有纳秒甚至亚纳秒级的极窄脉冲来传输数据，一个信息比特可映射为数百个这样的脉冲。UWB信号通过天线进行发送一个时间短至nS级一下的脉冲。如果需要传送信息，可以通过改变脉冲的幅度、时间、相位进行加载，从而实现信息传输。下图是使用相位调制方式传输二进制归零码的UWB信号产生示意图.

 根据傅里叶时频变换规则可知，单周期 UWB 脉冲时域宽度越短，对应的频域带宽就越宽，这种纳秒级时域脉冲信号，往往能产生具有 GHz 量级的频域带宽，如下图所示。连续波信号将能量集中在一个窄频率内，而UWB信号带宽很大，同时在每个频点上功率很低。

        正是这些纳秒级的时域脉冲，使得 UWB 信号具有极高的时间分辨率，非常适合高精度定位。无线定位中，UWB信号高精度时间分辨率使得其相对于窄带信号，更能准确分立无线传输中的首达信号和多径反射信号，而窄带信号不具备该能力。

        8.2 技术特点

        高精度——UWB信号的时域宽度极窄，接收端在测量时能够获得极高的时间分辨率，换而言之就是时间测量精准，使得具有厘米级的高精度定位能力。同时它还具有很强的抗多径能力，不同方向到达的信号很难出现叠加干扰。

        低功耗——UWB 系统使用周期性的脉冲来发送数据，脉冲持续时间很短，一般在几纳秒量级，占空比非常低，省去了发送连续载波的大量功耗，因此功耗可以做到很低

        高安全、抗干扰能力强——UWB带宽大，发射功率谱密度比噪声还要低，承载的信息淹没在噪声中，被截获和干扰的概率非常低。

        低成本——定位系统，有一定的硬件采购成本。UWB 基站覆盖范围大，典型半径达 50-150 米，最新UWB基站覆盖已经达到200~400米。同等面积下，需部署的设备更少。同时，UWB 系统一旦部署调试完毕，几乎不用再改动，一次投入，可用 10 年，运营成本极低。

        8.3 定位基本原理        

        在UWB定位系统位置计算中应用最为广泛的是TDOA（到达时间差法），即根据信号达到基站的时间差来进行定位，其原理如下图所示：

        UWB 定位标签是可移动的被定位目标，其向周围发送纳秒级的脉冲信号，固定安装在周围的 UWB 基站接收并测量上述脉冲信号，经过滤波、滑动相关等运算，各自计算得到脉冲信号的到达时刻等定位测量信息。上述定位测量和基站坐标等信息作为 TDOA 等定位算法的输入，IoT 定位平台完成对 UWB 标签的高精度位置计算，并以此为基础，封装设备管理、热力图、轨迹等多种实用功能，为应用侧提供服务。

        TDOA 要求基站之间保持时钟同步，UWB 基站同步精度非常精准，可以达到 0.1ns 以内。因此下面假设 UWB 基站之间时钟是同步的，标签发送脉冲信号后，到达各个基站所需的时间是不一样的，如下图所示，分别是 t1-t4，以基站 1 作为基准，可以求得其他基站 i 与基站 1 的距离差分别为：

其中，c 为光速。根据几何规律，平面内到两定点的距离差的绝对值为定长的点的轨迹形成双曲线。在这里，两定点就是基站 i 与基站 1，ri,1 为定长的距离差，因此多条双曲线的交点就是定位位置。下面以平面定位为例进行数学推导，设基站 i 的坐标为(xi, yi)，1≤i≤M，目标标签的坐标为（x, y），标签到基站之间的距离：  

标签到基站i与基站1的TDOA（距离差）值为 则带入到（1）式，取平方可得 ....

        8.4 定位网络架构

        UWB 定位系统主要包含四个部分：UWB 定位标签、UWB 定位基站、IoT 定位平台，以及应用平台。

        UWB 定位标签携带在目标人员和物资中，其周期性发送上行 UWB 定位脉冲信号，有工牌、安全帽、腕表等多种形态，适用于不同的应用场景，具有低功耗、便携、防水防尘等特点.

        UWB 定位基站固定安装在环境四周，其接收测量 UWB 定位标签的脉冲信号以得到高精度的定位数据，具有室内型、工业型、防爆型等多种形态，支持多种供电方式和数据接口

        IoT 定位平台接收 UWB 定位基站的测量数据，完成高精度位置计算。围绕高精度位置，还研发有热力图、电子围栏、轨迹呈现，以及设备管理等实用功能，同时也提供用户 API，便于应用侧进行二次开发.

        应用平台——B 端客户借助 IoT 定位平台提供的基础定位能力拓展业务，助力企业智能运营、安全生产、降本增效。

九、可见光定位

十、地磁定位