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基于UWB的室内定位技术研究
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基于UWB的室内定位技术研究
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10种室内定位技术原理深度解析
智能家居－全文略读：设备体积小、易集成、易普及传播距离短、稳定性差惯性低不依赖外部环境存在累计误差、不适合长期使用红外线高精度高直线视距、传输距离短、易干扰超声波高精度高受环境温度影响、传输距离短UWB高精度高、穿透性强成本高、覆盖范围小可见光高通讯速率高、抗干扰能力...
浏览量1540110种室内定位技术原理深度解析物联网水产养殖监控o
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【导读】 ------
人类为了不让自己迷失在茫茫大自然中，先后发明罗盘、指南针等工具，卫星定位的问世，解决了“我在哪里”的问题。在高度城市化的今天，室内空间越来越庞大复杂。人类战胜了大自然，却在自己构筑的钢筋水泥中迷了路。
东晋高僧法显西行求法乘船回国时写道：大海弥漫无边，不识东西，唯望日、月、星宿而进。大意就是说，大海辽阔无边，分不清东西南北，只能看星星，盼月亮来进行定位。
人类为了不让自己迷失在茫茫大自然中，先后发明罗盘、指南针等工具，卫星定位的问世，解决了“我在哪里”的问题。在高度城市化的今天，室内空间越来越庞大复杂。人类战胜了大自然，却在自己构筑的钢筋水泥中迷了路。
在医院，即使有楼层分布图以及引导标志，但看病的大部分时间仍然会浪费在寻找科室上。在停车场，找不着停车位而四处乱转的人也比比皆是。
在越来越迫切的需求下，近年室内定位引起了高度的关注。
室内定位顾名思义就是在室内环境中实现定位。其意义，诺基亚在多年前阐述他们为什么要做室内定位时，把问题说得很明白了。
数据来源：诺基亚
卫星无法在室内定位，人们大部分的时间又在室内度过，而相关服务并未普及，可以说室内定位隐藏着巨大商机。
商业应用中，根据不同的应用场景，室内定位技术又分消费级和工业级。
消费市场应用有：商场导购、停车场反向寻车、家人防走散等。对定位精度要求不高，1m的精度已经可以满足大多数应用，不过它要求系统兼容现已普及的移动智能终端。
企业市场应用有：人流监控和分析、智能制造、紧急救援和人员资产管理等。工业级技术的定位精度要求更高，要区分操作对象、人群中的个人等，与专用标签和传感器配套使用，一般不考虑与现有智能终端的兼容性。
与室外卫星定位一统天下的情况不一样，室内定位各种技术呈现出百花齐放的场景。
室内定位百花齐放
室内定位的商业价值跟精度成正比。当精度是3-5米的时候，能判定你是站在7-11便利店门口还是杰克琼斯门口。当精度是1米的时候，则能判定你是站在可口可乐的货架前还是杜蕾斯的货架前。
目前，室内定位常用的定位方法，从原理上来说，主要分为：邻近探测法、质心法、极点法、多边定位法、指纹法和航位推算法。
主要室内定位方法对比
邻近探测法
通过一些有范围限制的物理信号的接收，从而判断移动设备是否出现在某一个发射点附近。
操作简单，精度不高，依赖参考点分布密度
质心定位法
根据移动设备可接收信号范围内所有已知的信标位置，计算其质心坐标作为移动设备的坐标
精度不高，依赖参考点分布密度
多边定位法
通过测量待测目标到已知参考点之间的距离，从而确定待测目标的位置。
精度高，应用广
测量相对某一已知参考点的距离和角度从而确定待测点的位置
测量简单，精度高，应用不广
在定位空间中建立指纹数据库，通过将实际信息与数据库中的参数进行对比来实现定位
精度高，前期工作大，不适合环境变化区域
航位推算法
根据预先确定的位置、估计或已知的速度和时间来估计当前的位置
数据稳定，无依赖，误差随时间积累
全球物联网观察制表
各种原理各有优劣，在不同应用场景、不同预算要求下，也可将不同的原理组合使用。主流技术有以下几种：
WiFi定位技术
目前WiFi是相对成熟且应用较多的技术，这几年有不少公司投入到了这个领域。WiFi室内定位技术主要有两种。
WiFi定位一般采用“近邻法”判断，即最靠近哪个热点或基站，即认为处在什么位置，如附近有多个信源，则可以通过交叉定位（三边定位），提高定位精度。
由于WiFi已普及，因此不需要再铺设专门的设备用于定位。用户在使用智能手机时开启过Wi-Fi、移动蜂窝网络，就可能成为数据源。该技术具有便于扩展、可自动更新数据、成本低的优势，因此最先实现了规模化。
不过，WiFi热点受到周围环境的影响会比较大，精度较低。为了做得准一点有公司就做了WiFi指纹采集，事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库，来确定位置。
由于采集工作需要大量的人员来进行，并且要定期进行维护，技术难以扩展，很少有公司能把国内的这么多商场定期的更新指纹数据。
WiFi定位可以实现复杂的大范围定位，但精度只能达到2米左右，无法做到精准定位。因此适用于对人或者车的定位导航，可以于医疗机构、主题公园、工厂、商场等各种需要定位导航的场合。
代表公司有：WIFISLAM、Sensewhere、图聚智能
另，地磁定位技术是利用室内不同位置的地磁场差异，来确定室内位置。与WiFi指纹类似，故不再作介绍。
惯性导航技术
这是一种纯客户端的技术，主要利用终端惯性传感器采集的运动数据，如加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息，基于航位推测法，经过各种运算得到物体的位置信息。
随着行走时间增加，惯性导航定位的误差也在不断累积。需要外界更高精度的数据源对其进行校准。所以现在惯性导航一般和WiFi指纹结合在一起， 每过一段时间通过WiFi请求室内位置，以此来对MEMS产生的误差进行修正。该技术目前的商用得也比较成熟，在扫地机器人中得到广泛应用。
蓝牙信标技术
蓝牙信标技术目前部署的也比较多，也是相对比较成熟的技术。蓝牙跟WiFi的区别不是太大，精度会比WiFi稍微高一点。
该技术最先由诺基亚最先发起，但影响不大。2013年，苹果发布了基于蓝牙4.0低功耗协议（BLE）的iBeacon协议，主要针对零售业应用，引起广泛关注。
iBeacon蓝牙信标技术的正常运作，需要蓝牙信标硬件、智能终端上的应用、云端上的应用后台协同工作。
信标通过蓝牙向周围广播自身的ID，终端上的应用在获得附近信标的ID后会采取相应行动，如从云端后台拉取此ID对应的位置信息、营销资讯等。终端可以测量其所在处的接收信号强度，以此估算与信标间的距离。因此，只要终端附近有三个或以上信标，就可以用三边定位方法计算出终端的位置。
在苹果强大的号召力影响下，大量创业公司争先恐后涌入iBeacon应用的开发和推广。目前主要问题在于beacon电池更换，如果一个厂家部署了几万个beacon装置，一年之后或者电池耗尽之后的电池更换工作量是很繁重的。
代表公司：Estimote、寻息电子
另，ZigBee技术和蓝牙类似，故不再作介绍。
RFID定位的基本原理是，通过一组固定的阅读器读取目标RFID标签的特征信息（如身份ID、接收信号强度等），同样可以采用近邻法、多边定位法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。
射频识别室内定位技术作用距离很近，但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且由于电磁场非视距等优点，传输范围很大，而且标识的体积比较小，造价比较低。但其不具有通信能力，抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中，且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。
目前有大量成熟的商用定位方案基于RFID技术，广泛应用于紧急救援、资产管理、人员追踪等领域。
红外定位主要有两种具体实现方法，一种是将定位对象附上一个会发射红外线的电子标签，通过室内安放的多个红外传感器测量信号源的距离或角度，从而计算出对象所在的位置。
这种方法在空旷的室内容易实现较高精度，可实现对红外辐射源的被动定位，但红外很容易被障碍物遮挡，传输距离也不长，因此需要大量密集部署传感器，造成较高的硬件和施工成本。此外红外易受热源、灯光等干扰，造成定位精度和准确度下降。
该技术目前主要用于军事上对飞行器、坦克、导弹等红外辐射源的被动定位，此外也用于室内自走机器人的位置定位。
另一种红外定位的方法是红外织网，即通过多对发射器和接收器织成的红外线网覆盖待测空间，直接对运动目标进行定位。
这种方式的优势在于不需要定位对象携带任何终端或标签，隐蔽性强，常用于安防领域。劣势在于要实现精度较高的定位需要部署大量红外接收和发射器，成本非常高，因此只有高等级的安防才会采用此技术。
超声波技术
超声波定位主要采用反射式测距法，通过多边定位等方法确定物体位置，系统由一个主测距器和若干接收器组成，主测距仪可放置在待测目标上，接收器固定于室内环境中。定位时，向接收器发射同频率的信号，接收器接收后又反射传输给主测距器，根据回波和发射波的时间差计算出距离，从而确定位置。
超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，且超声波频率受多普勒效应和温度影响，同时也需要大量基础硬件设施，成本较高。
代表公司：Shopkick
超宽带技术
超宽带（UWB）定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯，并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。
从技术上看，无论是从定位精度、安全性、抗干扰、功耗等角度来分析，UWB无疑是最理想的工业定位技术之一。
UWB其他几种技术的综合比较：
不过UWB的劣势也很突出，一方面难以实现大范围室内覆盖，另一方面系统建设成本远高于RFID、蓝牙信标等技术，这也限制了该技术的推广和普及。
代表公司：Ubisense、中海达子公司联睿电子、清华系公司清研讯科。
LED可见光技术
可见光是一个新兴领域，通过对每个LED灯进行编码，将ID调制在灯光上，灯会不断发射自己的ID，通过利用手机的前置摄像头来识别这些编码。利用所获取的识别信息在地图数据库中确定对应的位置信息，完成定位。
根据灯光到达的角度进一步细化定位的结果，高通公司做到了厘米级定位精度。由于不需要额外部署基础设施，终端数量的扩大对性能没有任何的影响，并且可以达到一个非常高的精度，该技术被高通公司所看好。
目前，可见光技术在北美有很多商场已经在部署。用户下载应用后，到达商场里的某一个货架，通过检测货架周围的灯光即可知晓具体位置，商家在通过这样的方法向消费者推动商品的折扣等信息。
代表企业：华策光通信
技术融合是趋势
室内定位技术处在不断的发展中，是当前热门研究领域，有着良好的应用前景。不过，当前还缺乏特别大规模的商用案例。行业主要存在以下难点：
1. 室内环境复杂
室内环境布局复杂多变，障碍物很多，包括家具、房间和行人等。同时室内环境干扰源多，灯光、温度、声音等干扰源都会对定位造成一定影响。
各技术综合比较
网络广泛、通信能力强
易受环境干扰
成本不高、精度高
标识没有通信能力、距离短
设备体积小、易集成、易普及
传播距离短、稳定性差
不依赖外部环境
存在累计误差、不适合长期使用
直线视距、传输距离短、易干扰
受环境温度影响、传输距离短
精度高、穿透性强
成本高、覆盖范围小
通讯速率高、抗干扰能力强
覆盖范围小
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申请/专利权人：
公开/公告号：CNA
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分类号：;;;
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该专利技术资料仅供研究查看技术是否侵权等信息，商用须获得专利权人授权。该专利全部权利属于北京国泰星云科技有限公司，未经北京国泰星云科技有限公司许可，擅自商用是侵权行为。如果您想购买此专利、获得商业授权和技术合作，请联系【】
【说明书】：
技术领域本发明涉及一种北斗导航与UWB(Ultra Wideband)技术结合的室内外无缝定位系统及方法。背景技术目前近年来市场上对室内外无缝定位技术需求日益增加。伴随着商场室内定位及无人驾驶汽车的发展，室内外无缝定位的市场将爆发。通过室内外定位技术解决了北斗导航定位、RFID定位、Zigbee定位等只能用于室内或室外定位技术的不足，将其几种组成一个有机整体，能够应用于各种环境场景。对于散杂货码头来说，存在作业设备在室内外高精度连续定位需求。北斗卫星导航系统(Beidou NavigationSatellites System，BDS)是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，是国家略性重大空间基础设施。在港口导航中，卫星定位凭借其精度高，使用和维护简单，不受外界气候条件影响等因素，应用极为普遍。但目前常用的港口导航都是针对GPS系统，而随着北斗卫星导航系统的逐步建设与完善，北斗卫星在港口导航中的应用条件也逐渐成熟。采用我国自主建设的北斗卫星导航系统、实现精确可靠的导航定位对港口的安全保障具有重要意义。超宽频实时定位系统，包括传感器、网络交换机、定位处理器、网线等组成部分。其中，传感器是定位单元的最重要组成部分，在软件平台中有主、从传感器之分，主传感器通过时间同步线连接到每台从传感器，每台从传感器接收主传感器的时间同步信号。从传感器将定位数据传输到主传感器共同处理数据，每个从传感器有时间同步线连接到主传感器。传感器定位单元是由一个或多个传感器组成的区域。在定位单元注册过的标签进入定位单元时，标签发出的UWB信号会被一个或多个传感器接收，从传感器解码UWB信号和发送到达的角度及时间差信息，并将这些数据传输到主传感器，主传感器汇集所有数据最终计算出标签的位置信息。目前市场上针对散货码头机械高精度定位多为室外定位，并没有针对室内外的连续高精度定位产品。发明内容为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种室内外无缝定位系统及方法，利用北斗导航定位、超宽频实时定位系统的最新技术，结合室内外的作业设备实时作业，旨在解决以下问题：(1)室内的作业设备实时高精度定位应用；(2)室外的作业设备实时高精度定位应用；(3)室内外的作业设备连续实时高精度定位应用。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种室内外无缝定位系统，包括数据处理中心分系统和分别与数据处理中心分系统连接的北斗基准站分系统、室内UWB定位分系统、北斗/UWB移动站分系统和系统监控分系统，其中：所述北斗基准站分系统用于接收北斗卫星定位观测数据，生成差分改正数，并通过数据处理中心分系统转发给北斗/UWB移动站分系统；所述室内UWB定位分系统用于确定UWB标签位置，并通过数据处理中心分系统转发给北斗/UWB移动站分系统；所述北斗/UWB移动站分系统接收数据处理中心分系统转发的数据实现北斗定位和UWB定位功能，确定作业设备当前位置坐标，并将坐标发送到数据处理中心系统；所述数据处理中心分系统将北斗定位和UWB定位确定的作业设备当前位置坐标发送给系统监控分系统进行可视化显示，同时根据作业设备当前位置坐标计算作业设备与入口标识点、出口标识点和切换判断标识区的空间位置关系，实现室内外组合定位的双向自适应切换。本发明还提供了一种室内外无缝定位方法，包括如下步骤：步骤一、将室内外空间坐标系统一到WGS-84坐标系统；步骤二、根据室内外定位覆盖及切换区域特点，确定定位切换过程中的入口标识点、出口标识点和切换判断标识区；步骤三、根据北斗定位功能模块或UWB定位功能模块确定的作业设备当前位置坐标计算作业设备与入口标识点或出口标识点的距离值；步骤四、根据作业设备与入口标识点或出口标识点的距离值变化趋势判断作业设备是否逐步从室外向室内或从室内向室外运行，当确定作业设备正在从室外向室内或从室内室外运行时，则继续判断该距离值是否小于从室外到室内或从室内到室外切换时的距离阀值，如果小于，则判断作业设备即将从室外到室内或从室内到室外，则进行室外到室内定位或室内到室外定位的自动切换。与现有技术相比，本发明的积极效果是：通过北斗导航定位、超宽频实时定位系统的融合，实现室内外机械设备的连续定位，从而实现机械设备的不间断定位与监控。具体表现如下：1.采用UWB技术实现室内高精度定位；2.采用北斗导航定位技术实现室外高精度定位；3.采用UWB与北斗导航定位技术实现室内外连续无缝定位。附图说明本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1是本室内外无缝定位系统的结构示意图；图2为室内超宽频定位系统示意图；图3是WGS84坐标系定义示意图。具体实施方式基于北斗导航与UWB技术结合的室内外无缝定位系统，如图1所示，包括北斗基准站分系统、数据处理中心分系统、北斗/UWB移动站分系统、室内UWB定位分系统、系统监控分系统。北斗基准站分系统设备主要包括北斗基准站接收机，北斗天线和电源模块。北斗基准站接收机选用高精度北斗接收机；电源模块将220V交流市电转换为稳压的直流电源，向北斗基准站接收机供电。北斗基准站天线安装在开阔地点，如码头办公楼楼顶。安装时应保证其周围两百米范围内没有较高的遮拦物和影响北斗正常工作的电磁干扰源。实现高精度RTK定位的基准站差分有效距离约10Km，一个基准站可满足整个码头作业区的差分需要。北斗/UWB移动站包括北斗定位与UWB定位功能，主要包含定位控制器、北斗天线、UWB定位标签、电源模块等，定位控制器集成高精度北斗板卡与逻辑运算单元、存储单元及WIFI通讯模块。北斗/UWB移动站接收数据处理中心系统转发的差分改正数，确定当前位置坐标，并将坐标发送到数据处理中心系统。室内UWB定位分系统包含多个分布安装在室内建筑顶棚的UWB定位信号接收器及一个UWB定位处理器，定位处理器具有多个以太网接口与信号接收器网线连接，并与数据处理中心通过网络相连。UWB定位信号接收器用于标定位置并接收UWB定位标签信号，并将信息发送到UWB定位处理器。UWB定位处理器结合UWB定位信号接收器位置及UWB定位标签信息，确定UWB定位标签位置，并将其发送到数据处理中心系统。系统监控分系统部署在码头中控室，用于在码头地图上可视化显示北斗/UWB移动站位置。数据处理中心分系统部署在码头机房，通过码头工业网络与北斗基准站分系统、北斗/UWB移动站分系统、室内UWB定位分系统、系统监控分系统连接，负责数据转发与北斗/UWB定位数据融合处理，是系统的核心处理单元。一、北斗定位(室外定位)北斗基准站接收北斗卫星定位观测数据，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出修正数，即差分改正数，并通过数据处理中心系统转发到北斗/UWB移动站。北斗/UWB移动站的定位控制器通过WiFi技术实现无线网络连接，接收北斗基准站分系统播发的观测数据及测站坐标信息等北斗差分数据，并转发给移动站内部的高精度北斗板卡，高精度北斗板卡收到差分改正数后与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到高精度定位数据，包括经度、纬度、高度，从而实现北斗高精度定位。二、UWB定位(室内定位)当作业设备进入室内后，实时高精度定位无法使用卫星导航技术，且RFID、WIFI等定位手段无法达到分米级定位精度的要求。所以采用北斗导航与超宽频无线定位技术结合。在室内顶棚上以格状安置UWB定位信号接收器，并将北斗/UWB移动站中的UWB标签固定在作业设备上顶部，通过定位接收器实时接收标签的信息，并转发到UWB定位处理器进行处理，通过接收到标签位置信息的至少3个接收器位置信息、到标签的距离及角度信息，可以计算其中每个标签的实时三维位置，然后根据车辆上所有标签的位置，实时计算出作业设备的位置及姿态数据，从而实现移动站在室内的定位。将定位接收器安装在顶棚下，间隔50米形成格状分布，接收器使用防尘罩保护，并且固定在一个安装箱上，安装箱内放置电源设备，现场的各个定位接收器使用屏蔽电缆串联连接，最后连接到现场的定位处理器。在100MX460M的棚内大致安装28个接收器。有源定位标签：将有源定位标签安装于作业设备的顶部的方便部位，大型的作业设备如堆取料机等，可以在大机的尾端，机顶、悬臂上每10米左右放一个，这样有效地进行位置检测。标签全封闭封装，安装非常简便。每台大机可安装4-5个标签。如图2所示。三、室内外无缝定位1、室内外空间坐标系统一
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