一、室內定位技術有哪幾種？
室內定位技術在過去的數(shù)年間正在諸多行業(yè)得到越來越廣泛的應用，在我們日常生活中扮演著越來越重要的角色。
過去三十年間，以GPS為代表的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)重塑了人類生活，成為現(xiàn)代社會的一個重要技術里程碑。從地圖導航到社交網(wǎng)絡，位置服務都在其中發(fā)揮關鍵作用。另一方面，隨著我國城市化進程的推進，城市的面貌正在發(fā)生深刻的改變。
越來越多的摩天大樓、購物商場、交通樞紐、體育場館、醫(yī)療中心正在成為城市新地標。這些現(xiàn)代化的大型建筑，無一例外，都擁有巨量的室內空間。
智能手機及其他無線設備的普遍使用，更是直接引爆了對室內位置數(shù)據(jù)的市場需求。然而，由于非視線通信問題，GPS無法在室內條件下提供可靠的位置數(shù)據(jù)。因此，室內定位技術正在成為學術研究和行業(yè)應用的熱點領域。
商用室內定位系統(tǒng)依據(jù)其所依托的定位技術一般可以分為四類，以計算機視覺技術為基礎的室內定位系統(tǒng)、以無線通訊技術為基礎的室內定位系統(tǒng)、以LED可見光技術為基礎的室內定位系統(tǒng)和以地磁匹配為基礎的室內定位技術。
不同室內定位技術的對比及優(yōu)缺點如表1。要實現(xiàn)商業(yè)場景下可以落地的高精度室內定位系統(tǒng)，不僅僅取決于某種技術本身的定位精度，更要綜合考慮環(huán)境、施工、部署、推廣等等因素。
基于計算機視覺的室內定位系統(tǒng)，通過計算機視覺算法，利用定位過程中攝像頭拍攝到的圖像信息與預先采集的定位場館的視覺照片數(shù)據(jù)庫做比對，從而確定人員的位置坐標。
隨著近幾年人工智能技術的飛速發(fā)展，基于計算機視覺的室內定位系統(tǒng)精度有很大提升，一般在1到2米。其缺點較為明顯：如果是基于移動智能設備的主動定位，那么要求行人在定位過程中始終打開攝像頭；如果是被動定位，那么需要預先在場館內安裝大量高清攝像頭，工程造價較高。
無線電波通訊技術也可以用于構建室內定位系統(tǒng)，常見的Wi-Fi、藍牙低功耗、RFID、UWB、Zigbee都屬于這類。
Wi-Fi
室內的Wi-Fi網(wǎng)絡不僅可以作為一般網(wǎng)絡基礎設施，也可以利用其空間傳播的路徑損耗效應（pathloss）建立路徑損耗模型，從而實現(xiàn)位置數(shù)據(jù)的解算。
其優(yōu)點是可以利用室內已經(jīng)部署的Wi-Fi路由設備，無需額外部署。但是，如果場館本身沒有Wi-Fi設備，就需要額外部署。
其缺點是由于室內空間結構比較復雜，無線電波在室內空間傳播過程中還存在陰影效應（shadowing）和多路傳播效應（multipath），無論是模型法還是指紋法，都很難建立能夠真實反映室內空間的傳播模型。
因此，商用Wi-Fi室內定位系統(tǒng)的定位精度一般在15米到25米左右，具體依賴于室內已有的Wi-Fi設備數(shù)量及分布。
藍牙
分別由蘋果公司推出的iBeacon協(xié)議及谷歌公司推出的Eddystone協(xié)議是藍牙低功耗技術在室內定位領域的代表。
其定位原理與Wi-Fi技術類似，優(yōu)點是藍牙低功耗設備功耗較低，無需額外供電，僅依靠紐扣電池即可。一般的智能手機也都擁有藍牙掃描的能力。其缺點是，要達到1-2米的定位精度需要在室內部署大量的beacon設備。
RFID
RFID即射頻識別技術，利用射頻信號的電磁傳輸特性在射頻標簽及射頻閱讀器之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
其優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸速率較高、安全性好，且不受非視線通信問題困擾。
其缺點是，需要在定位區(qū)域部署大量的RFID設備，且需要定位人員手持RFID標簽，因此，在室內定位領域沒有得到大規(guī)模商業(yè)推廣。
UWB
UWB即超廣波技術，可以在較低功耗的條件下于1納秒內發(fā)送超過500MHz帶寬的脈沖信號，主要用于短距通信領域。
其優(yōu)點是，由于其特殊的信號類型及頻譜，相對于其他無線電波信號，UWB信號在復雜的室內環(huán)境下不受多路效應的影響，并具有極佳的障礙物穿透能力，定位精度可以達到10cm級別。
但是，UWB技術標準的制定發(fā)展較為緩慢，因此其并未推廣到消費電子領域，普通的移動智能設備并不支持UWB協(xié)議，僅用于少數(shù)要求較高的特殊工業(yè)場景。
此外，基于UWB技術的室內定位系統(tǒng)的搭建需要極高的硬件花費和部署成本
Zigbee
Zigbee技術基于IEEE 802.15.4協(xié)議，主要用于低成本、低數(shù)據(jù)傳輸、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡領域。一般商業(yè)領域的絕大多數(shù)用戶智能設備并不支持這一協(xié)議，因此在商業(yè)室內定位領域內應用不多。
LED光
可見光通信技術利用LED光源發(fā)出的高頻閃爍信號來編碼LED發(fā)射源的位置坐標信息，感光傳感器將接收到的可見光信號解碼并計算出移動設備的位置信息。
其優(yōu)點是可以依托室內已經(jīng)部署的LED燈光，且不受無線電波干擾的影響。其缺點是，要求LED燈光具備閃爍編碼功能，并且會由于非視線通信問題造成定位精度急劇下降。
地磁
基于地磁的室內定位技術是近幾年逐漸在商業(yè)場景落地的一種新型定位技術。地球磁場是無處不在的，地球上任何一點的地磁場數(shù)據(jù)可以根據(jù)國際地磁和高空大氣物理協(xié)會（IAGA）發(fā)布的國際地磁參考場模型（IGRF）和地點經(jīng)緯度信息計算得出。
在鋼筋水泥混凝土的建筑物結構內，地磁場曲線受到鐵元素磁化后的影響而發(fā)生扭曲。這種扭曲只與室內空間的相對位置相關，從而形成獨特的地磁指紋特征。
如果預先采集室內地磁指紋特征并生成地磁指紋數(shù)據(jù)庫，那么就可以在定位時通過地磁數(shù)據(jù)信號解算出室內位置。
其優(yōu)點是，地磁信號不存在非視線通信問題，也沒有無線電波的陰影效應及多路效應等的干擾，只要室內空間結構保持大體不變，地磁信號就是相對穩(wěn)定的。其缺點是，并非所有室內位置的地磁指紋特征具備較強的特異性，因此會有相似特征的問題，這就對算法的特征提取能力和魯棒性提出了更高的要求。通常情況下，當?shù)卮胖讣y特異性不足時，可以通過融合其他室內定位技術的方式提高算法整體的收斂性。
二、藍牙AoX定位原理
原理上無線信號都可以用來定位，可以使用不同的定位技術，所以我們看到目前市場上有多種基于不同無線協(xié)議的，以及基于不同定位原理的解決方案。我們在公眾號往期相關的短文中有過介紹，這里再簡單介紹一下。
基于信號強度的定位RSSI
因為無線信號遵循一定的衰減規(guī)律，所以利用發(fā)射源到被測地點信號的衰減程度就可以計算得到被測物體到信號源之間的距離。可以參考如下的公式：
RSSI=10lg（P）=A-10n*lg（R）
其中P是距離R時的信號接收強度，A是信號在一米遠時的接受信號強度，n是傳輸因子，那么被測位置R就可以計算出來。如果有平面上有3個信號源，那么根據(jù)三點定位的原理就可以計算出被測物體的具體位置了。
由于無線信號在環(huán)境中有非常多的干擾，所以這種測距的方法一般只能精確到幾米的距離。
基于角度的定位AoA，AoD
我們就基于AoA介紹一下原理。電磁波具有不同的波長，一個2.4G的無線信號的波長大概是125mm，那么兩個相距60mm的天線接收到的信號就相差半個波長，也就是相位相差180度。
根據(jù)信號到達不同天線的相位差，以及兩個天線之間的距離，就可以測算出信號源同兩個天線之間的夾角，這里假設到達天線的波前為理想的平面波。為了測量到這個相位差，兩根天線就必須根據(jù)一定的時間規(guī)范進行切換，這就是AoA的基本原理。同理，如果有兩組位于不同基站的天線分別檢測到了信號源到基站的夾角，那么從平面的角度看，信號源就可以被定位了。
當然了，這只是原理，現(xiàn)實中為了消除無線信號的多徑，折射，極化，信號噪聲等各種干擾，天線和算法的實現(xiàn)是很復雜的。
基于時間的定位TDOA ，TOA（ToF）
到達時間差測距法（TDOA），是根據(jù)一個無線電波從發(fā)送到接收之間的時間差計算二者之間的距離。如圖A到B，可以在AB時鐘嚴格同步的情況下用A到B的時間乘以光速就得到二者之間的距離。信號到不同的參考基站有不同的時間，意味著不同的距離，這樣也就可以測算出具體位置。這種方案需要基站時間嚴格同步，但信號源復雜度低。
到達時間測距法（ToA）也可以讓B把信號重新發(fā)回A，這樣二者之間的時間差，減去B的時間開銷，就也能算出AB之間的距離。同樣，利用三角定位的原理就可以定位出信號源同不同基站之間的距離，從而達到定位的目的。這種方案下，信號源的復雜度稍微就高了一些，好處是不用非常同步的統(tǒng)一系統(tǒng)時鐘。
下圖簡單的對比了一下不同定位原理的相對特性（來自中國移動《室內定位白皮書》），不過具體的實現(xiàn)中的實際差別需要根據(jù)具體的解決方案確定。
藍牙采用AoA，AoD的定位原理
在藍牙定位解決方案中，Q公司是相對來說應用比較廣泛的，這跟他在該領域的積累時間有很大關系。早期在藍牙5.1標準出來之前，Q公司就利用藍牙4.0做AoA的定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)要求4.0藍牙芯片能夠按照Q公司的要求發(fā)出一組用于定位的pattern，而Q公司的基站將根據(jù)這一pattern實現(xiàn)AoA定位。
在藍牙5.1的標準發(fā)布以后，國際廠商陸陸續(xù)續(xù)發(fā)布芯片的消息。但截止今天，還沒有商業(yè)的基于5.1芯片的商用定位系統(tǒng)問世。Q公司協(xié)同N，S公司預計將在2020年底發(fā)布相關的解決方案。
