来源：《导航定位与授时》2018年5月
作者：邓中亮，尹露，唐诗浩，刘延旭，宋汶轩
第一作者简介：邓中亮(1965-)，男，北京邮电大学教授，博导，主要从事室内定位方面的研究。
本文整理排版：勘测联合网
摘 要：近年来，位置服务需求不断增长，催生了定位技术的不断发展。针对室内定位，首先介绍了目前广泛应用的几种室内定位系统及其定位原理，并分析了它们的优缺点。然后，针对室内定位中常见的几类关键问题，做出了介绍分析。最后，通过分析现有定位技术，给出了室内定位技术的发展趋势，表明融合定位及导航通信一体化定位是提高定位精度及鲁棒性的有效方法，毫米波及MIMO技术的应用可有效提高测距精度并提高抗多径能力。
关键词：室内定位;定位系统;定位技术;TC-OFDM
0 引言
近年来，位置服务(Location Based Services，LBS)产业发展迅猛，高精度位置信息是提供高质量位置服务的基础。传统卫星定位系统，如全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、北斗定位系统，在室外空旷环境拥有较高的定位精度，但是，受制于信号强度，卫星定位信号很容易受到遮挡或干扰，导致卫星定位系统在城市峡谷及室内环境定位不准甚至无法定位[1]。为了解决室内环境下的定位问题，近年来出现了很多室内定位技术，如基站定位、无线局域网(Wi-Fi)定位等[2-3]。对室内定位相关理论方法的研究已经成为了定位导航领域的热点问题之一。
为了解决室外定位导航的“最后一公里”问题，众多学者在室内定位技术方面展开了大量的研究工作，如基站定位、Wi-Fi定位、无线射频标签(Radio Frequency Identification，RFID)定位[4]、蓝牙(Bluetooth)定位、超宽带无线电(Ultra-Wideband，UWB)定位[5]、基于移动通信网络的辅助GPS[6]、ZigBee定位[7]、地磁定位[8]、地面数字通信及广播信号定位[9]、伪卫星定位[10]、计算机视觉定位[11]、可见光定位等[12]。这些定位技术有些是以定位导航为主要用途，例如伪卫星定位等;有些技术则是以通信为主要用途，但是仍然可以提供定位服务，例如基站定位、Wi-Fi定位等。
目前室内定位技术发展可以分成2个方向：局域室内定位技术和广域室内定位技术。局域室内定位可在局域网中实现局部区域的覆盖，代表技术有Wi-Fi定位、蓝牙定位、RFID定位、ZigBee定位等;广域室内定位技术可在广域网上实现广域覆盖，代表技术有我国的TC-OFDM[13]、澳大利亚的Locata[14]和美国高通公司QPoint定位系统等。局域室内定位技术具有成本较低、部署时间周期短的特点，但是可定位场所有限且各个局域室内定位区域采用的技术目前仍然没有标准，即无法使用统一的用户终端;广域室内定位技术可以通过同一标准来获得大范围的使用，但是目前仍然没有统一的标准，并且广域室内定位技术一般需要改造基站和手机芯片等，成本巨大、时间周期长。
本文首先介绍了目前的主流定位技术，然后讨论了室内定位中存在的几项关键技术，并对当前室内定位技术进行了较为全面的分析介绍。
1 主流室内定位技术
目前，主流室内定位技术可分为广域室内定位和局域室内定位。不同定位手段或定位系统作用范围和定位精度不同，如图1所示。
图1 主流室内定位技术
1.1 基站定位技术
基站定位是一种由手机运营商提供的定位服务，不需要借助全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)，也不需要专业的定位装置，可以通过测量终端与多个基站的距离对用户进行定位。基站定位具有低功耗、低成本的优势，如图2所示。
图2 基站定位系统原理
基站定位技术的定位精度随着通信系统的不断发展得到了很大的提高[15]。其中，Varshavsky等提出了一种基于手机基站的室内定位方法，该方法通过收集多层建筑物信号的RSSI，来区分多层建筑物的楼层数，其定位精度可以达到2～4m[16]。Ingensand和Bitzi论述了基站定位在采用Cell-ID、RSSI指纹、RSSI测距、AOA、TOA、TDOA 等方法的优劣[17]。
1.2 伪卫星定位技术
伪卫星定位技术通过卫星信号生成器和发射器构成的伪卫星进行定位。因此伪卫星装置相当于位置可以灵活放置的模拟导航卫星，通过发射类似于卫星导航的信号提高局部地区的定位和导航功能。在卫星数过少，或者信号遮挡严重等不利于观测的场合可以通过应用伪卫星定位技术来改善卫星星座结构，从而改善卫星定位精度;甚至在卫星导航系统不能正常使用的特殊条件下，伪卫星也可以完全代替导航卫星，进行单独定位导航，实现伪卫星的单独组网布局定位[18]。
早在GPS初期研究阶段，众多学者就已经开始了对伪卫星问题的研究。美国为了验证GPS系统理论的可行性和进行信号体制实验，搭建了伪卫星Yuma卫星导航测试场[19]。Klein和Parkinson创新提出了伪卫星可以作为一种辅助工具，在某些对定位精度有特殊要求的场合中增强GPS系统的可用性和几何特性[20]。Parkinson和Fitzgibbon提出并论证了一种距离修正伪卫星设置地点的最优配置方法[21]。2002年欧盟在德国建成了伽利略试验测试环境GATE 并通过6 个地面伪卫星发射Galileo信号，开展了接收机在真实地理信号环境中的定位测试。欧盟针对无缝位置服务市场在Galileo项目中提出了伽利略本地技术计划(GILT)，专门研究室内外Galileo 伪卫星在定位方面的应用。由LOCATA公司和新南威尔士大学合作研制的LOCATA伪卫星满足了自动控制、采矿业、港口精密定位、室内定位等领域的自组网用户的定位需求，水平定位精度可以达到cm 级[22]。此外芬兰的SPACE SYSTEMS公司为了验证伪卫星在室内环境的定位性能，研究生产了一套基于GPS L1信号的伪卫星信号发射系统。德国的Anchalee Puengnim等提出了一种基于伪卫星虚拟同步的高精度定位方案，通过实时差分的方式有效地将定位精度提高到cm级[23]。
在国内方面，随着我国北斗定位产业的迅猛发展，基于伪卫星的相关技术也受到学者的广泛关注。尽管发展时间较短，但却得到了很大的进展，如中电54所的伪卫星技术已在战区导航增强、无人机着陆等领域开展了应用，同时部分北斗伪卫星定位产品的应用已成功增强了九寨沟风景区的山区道路导航。除此之外西北工业大学、上海交通大学、武汉大学和哈尔滨工程大学等著名高校对伪卫星定位基础理论展开了研究，其中罗益、魏海涛等对基于伪卫星的GNSS星地时间不同步问题进行了进一步研究[24]，刘超、高井祥等对空间伪卫星优化布局进行了进一步分析研究[25]。
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