RTLS即 Real Time Location Systems的簡稱，實時定位系統(tǒng)。

RTLS是一種基于信號的無線電定位手段，可以采用主動式，或者被動感應式。其中主動式分為AOA(到達角度定位)以及TDOA(到達時間差定位)、TOA(到達時間)、TW-TOF(雙向飛行時間)、NFER(近場電磁測距)等。

談到定位，大家首先會想到GPS，基于GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))衛(wèi)星定位已無處不在，但衛(wèi)星定位有其關(guān)鍵弊端：就是信號無法穿透建筑物實現(xiàn)室內(nèi)定位。

那么，室內(nèi)定位問題如何解決呢?

隨著室內(nèi)定位市場需求驅(qū)動和無線通信技術(shù)、傳感器識別技術(shù)及大數(shù)據(jù)互聯(lián)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷發(fā)展，此難題也逐漸迎刃而解了，產(chǎn)業(yè)鏈不斷豐富和成熟中。

室內(nèi)定位從用途方向可以劃分消費類和工業(yè)類。

消費類主要實現(xiàn)室內(nèi)人員引導、消費推送、安全監(jiān)控、智能家居等商業(yè)應用;

工業(yè)類主要實現(xiàn)消防安全、人員監(jiān)控、設備引導、財產(chǎn)安全、智能工廠、智慧工地等應用。

一、藍牙室內(nèi)定位

藍牙室內(nèi)技術(shù)是利用在室內(nèi)安裝的若干個藍牙局域網(wǎng)接入點，把網(wǎng)絡維持成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡連接模式，并保證藍牙局域網(wǎng)接入點始終是這個微網(wǎng)的主設備，然后通過測量信號強度對新加入的盲節(jié)點進行三角定位。

目前藍牙 iBeacon 定位的方式主要有兩種：基于 RSSI(接收信號強度指示)和基于定位指紋，或者兩者結(jié)合。

基于距離最大的問題在于，室內(nèi)環(huán)境復雜，而藍牙作為2.4GHZ高頻信號，會受到很大的干擾。加上室內(nèi)的各種反射折射，手機所獲取的 RSSI 值并沒有太大的參考價值;而與此同時，為了提高定位精度，就不得不對 RSSI 值進行多次獲取來平滑結(jié)果，這就意味著時延的增加。而基于定位指紋的最大問題在于，前期獲取指紋數(shù)據(jù)的人力成本和時間成本非常高，數(shù)據(jù)庫維護困難。而且如果商場增添了新的基站，或者進行了其他改造，原始的指紋數(shù)據(jù)可能就不再適用。所以，如何在定位精度、延時和成本之間進行權(quán)衡和取舍，就成了藍牙定位的核心的問題。

市場上主流的藍牙定位精度是70%的地段在2米以內(nèi)，部分公司可以做到90%的地段在2米以內(nèi)。目前市場上主流的藍牙定位技術(shù)都是基于三角定位算法，通過手機獲取周圍藍牙基站的信號強度，再通過其他的一些輔助方法比如加權(quán)平均算法，時間加權(quán)算法，慣性導航算法，卡爾曼濾波算法，高斯濾波算法等來計算出當前位置。

優(yōu)勢：設備體積小、短距離、低功耗，容易集成在手機等移動設備中;

缺點：藍牙傳輸不受視距的影響，但對于復雜的空間環(huán)境，藍牙系統(tǒng)的穩(wěn)定性稍差，受噪聲信號干擾大且在于藍牙器件和設備的價格比較昂貴;

適用：藍牙室內(nèi)定位主要應用于對人的小范圍定位，例如單層大廳或商店。

二、室內(nèi)WiFi定位

Wi-Fi定位技術(shù)有兩種，一種是通過移動設備和三個無線網(wǎng)絡接入點的無線信號強度，通過差分算法，來比較精準地對人和車輛的進行三角定位。另一種是事先記錄巨量的確定位置點的信號強度，通過用新加入的設備的信號強度對比擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，來確定位置。

優(yōu)勢：總精度較高，硬件成本低，傳輸速率高;可應用于實現(xiàn)復雜的大范圍定位、監(jiān)測和追蹤任務。

缺點：傳輸距離較短，功耗較高，一般是星型拓撲結(jié)構(gòu)。

適用：Wi-Fi定位適用于對人或者車的定位導航，可以于醫(yī)療機構(gòu)、主題公園、工廠、商場等各種需要定位導航的場合。

▲ Wi-Fi室內(nèi)定位模式

三、RFID室內(nèi)定位

射頻識別(RFID)室內(nèi)定位技術(shù)利用射頻方式，固定天線把無線電信號調(diào)成電磁場，附著于物品的標簽進過磁場后感應電流生成把數(shù)據(jù)傳送出去，以多對雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到識別和三角定位的目的。

射頻識別(英語：Radio Frequency IDentification，縮寫：RFID)是一種無線通信技術(shù)，可以通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或者光學接觸。

無線電的信號是通過調(diào)成無線電頻率的電磁場，把數(shù)據(jù)從附著在物品上的標簽上傳送出去，以自動辨識與追蹤該物品。某些標簽在識別時從識別器發(fā)出的電磁場中就可以得到能量，并不需要電池;也有標簽本身擁有電源，并可以主動發(fā)出無線電波(調(diào)成無線電頻率的電磁場)。標簽包含了電子儲存

的信息，數(shù)米之內(nèi)都可以識別。與條形碼不同的是，射頻標簽不需要處在識別器視線之內(nèi)，也可以嵌入被追蹤物體之內(nèi)。

優(yōu)勢：射頻識別室內(nèi)定位技術(shù)作用距離很近，但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息;標簽的體積比較小，造價比較低。

缺點：不具有通信能力，抗干擾能力較差，不便于整合到其他系統(tǒng)之中，且用戶的安全隱私保障和國際標準化都不夠完善。

適用：射頻識別室內(nèi)定位已經(jīng)被倉庫、工廠、商場廣泛使用在貨物、商品流轉(zhuǎn)定位上。

四、Zigbee室內(nèi)定位

ZigBee(基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議)室內(nèi)定位技術(shù)通過若干待測節(jié)點和參考節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間形成組網(wǎng)，網(wǎng)絡中的待測節(jié)點發(fā)出廣播信息，并從各相鄰的參考節(jié)點采集數(shù)據(jù)，選擇信號最強的參考節(jié)點的 X 和 Y 坐標。然后，計算與參考節(jié)點相關(guān)的其他節(jié)點的坐標。最后，對定位引擎中的數(shù)據(jù)進行處理，并考慮距離最近參考節(jié)點的偏移值，從而獲得待測節(jié)點在大型網(wǎng)絡中的實際位置。

ZigBee協(xié)議層從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問層(MAC)、網(wǎng)絡層(NWK)、應用層(APL)等。網(wǎng)絡設備的角色可分為ZigBee Coordinator、ZigBee Router、ZigBee End Device等三種。支持網(wǎng)絡拓撲有星型、樹型、網(wǎng)型等三種。

▲ Zigbee網(wǎng)絡拓撲

優(yōu)勢：功耗低、成本較低、延時短、高容量以及高安全，傳輸距離較長;可支持網(wǎng)狀拓撲，樹狀拓撲和星型拓撲

結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)靈活，可實現(xiàn)多跳傳輸。

缺點：傳輸速率低，定位精度對算法要求較高。

適用：目前zigbee系統(tǒng)定位已廣泛應用于室內(nèi)定位、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、智能家居控制等領(lǐng)域。

▲ Zigbee室內(nèi)定位模式

五、UWB定位技術(shù)

超寬帶(UWB)定位技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信定位技術(shù)有極大差異的新技術(shù)。它利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點和橋節(jié)點，與新加入的盲節(jié)點進行通訊，并利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置。

超寬帶無線(UWB)技術(shù)是近年來提出的室內(nèi)高精度無線定位技術(shù)，具有高達納秒級別的時間分辨能力，結(jié)合基于到達時間的測距算法，理論上可以達到厘米級的定位精度，可以滿足工業(yè)應用的定位需求。

整個系統(tǒng)劃分為三層：管理層、服務層、現(xiàn)場層。系統(tǒng)層次劃分明確，架構(gòu)清晰。

現(xiàn)場層由定位錨點/Anchor、定位標簽/Tag組成：

定位錨點/Anchor

定位錨點計算Tag和自己的距離，通過有線或WLAN方式回傳報文給位置計算引擎。

定位標簽/Tag

標簽與被定位的人、物品進行關(guān)聯(lián)，和Anchor通訊并廣播自己的位置。

優(yōu)勢：具有GHz量級的帶寬，定位精度高;穿透力強，抗多徑效果好、安全性高。

缺點：但由于新加入的盲節(jié)點也需要主動通信使得功耗較高，同時該系統(tǒng)成本高;

適用：超寬帶技術(shù)可用于雷達探測，同時應用于各個領(lǐng)域的室內(nèi)精確定位和導航。

▲ UWB室內(nèi)定位模式

▲ 基于UWB的人員定位系統(tǒng)架構(gòu)圖

六、紅外線室內(nèi)定位

紅外線室內(nèi)定位有兩種，第一種是被定位目標使用紅外線IR標識作為移動點，發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過安裝在室內(nèi)的光學傳感器接收進行定位;第二種是通過多對發(fā)射器和接收器織紅外線網(wǎng)覆蓋待測空間，直接對運動目標進行定位。

優(yōu)勢：較高的室內(nèi)定位精度，抗干擾能力強;

缺點：紅外線只能視線傳播，穿透性能極差，當標識被遮擋時就無法正常工作，也極易受燈光、煙霧等環(huán)境因素影響明顯;

傳輸距離不長，使其在布局上，無論哪種方式，都需要在每個遮擋背后、甚至轉(zhuǎn)角都安裝接收端，布局復雜，成本較高。

適用：適用于實驗室對簡單物體的軌跡精確定位記錄以及室內(nèi)自走機器人的位置定位。

▲ 紅外室內(nèi)定位模式

七、超聲波定位

超聲波定位技術(shù)是基于超聲波測距系統(tǒng)而開發(fā)，由若干個應答器和主測距器組成：主測距器放置在被測物體上，向位置固定的應答器發(fā)射同無線電信號，應答器在收到信號后向主測距器發(fā)射超聲波信號，利用反射式測距法和三角定位等算法確定物體的位置。

優(yōu)勢：定位整體精度很高，達到了厘米級;結(jié)構(gòu)相對簡單，有一定的穿透性而且超聲波本身具有很強的抗干擾能力。

缺點：空氣中的衰減較大，不適用于大型場合;反射測距時受多徑效應和非視距傳播影響很大，造成需要精確分析計算的底層硬件設施投資，成本太高。

適用：超聲波定位技術(shù)在數(shù)碼筆上已經(jīng)被廣泛利用，而海上探礦也用到了此類技術(shù)，室內(nèi)定位技術(shù)還主要用于無人車間的物物定位。

▲ 超聲波室內(nèi)定位模式

八、iBeacon

iBeacon定位

iBeacon是一種新型基于藍牙4.0的精準室內(nèi)微定位技術(shù)，目前iOS、Android、Windows和黑莓系統(tǒng)設備，均具備了藍牙低能耗技術(shù)(BLE)。當你的手持設備靠近一個iBeacon基站時，設備就能夠感應到iBeacon信號(UUID和RSSI)，范圍可以從幾毫米到50米，通過加權(quán)三環(huán)定位算法即可得到精確的位置，常規(guī)可達到2m的精度。

▲ iBeacon

iBeacon是蘋果公司提出的“一種可以讓附近手持電子設備檢測到的一種新的低功耗、低成本信號傳送器”的一套可用于室內(nèi)定位系統(tǒng)的協(xié)議。 這種技術(shù)可以使一個智能手機或其他裝置在一個iBeacon基站的感應范圍內(nèi)執(zhí)行相應的命令。

這是幫助智能手機確定他們大概位置或環(huán)境的一個應用程序。在一個iBeacon基站的幫助下，智能手機的軟件能大概找到它和這個iBeacon基站的相對位置。iBeacon能讓手機收到附近售賣商品的通知，也可以讓消費者不用拿出錢包或信用卡就能在銷售點的POS機上完成支付。iBeacon技術(shù)通過低功耗藍牙(BLE)，也就是智能藍牙來實現(xiàn)。

iBeacon為利用低功耗藍牙可以近距離感測的功能來傳輸通用唯一識別碼的一個app或操作系統(tǒng)。這個識別碼可以在網(wǎng)上被查找到用以確定設備的物理位置或者可以在設備上觸發(fā)一個動作比如在社交媒體簽到或者推送通知。

▲ iBeacon室內(nèi)定位模式

以上是成型的主流的室內(nèi)定位方案，每種定位模式均有其優(yōu)勢和劣勢，隨著室內(nèi)定位和科技的發(fā)展，未來必定是多模式融合定位的結(jié)果，同時更大的難題是室內(nèi)外無縫切換定位解決方案。

常用定位原理介紹。

一、TOA定位技術(shù)原理

TOA也被稱為圓周定位技術(shù)，實際定位過程中通過設備發(fā)射電磁波測量得到當前定位點到三個標定點的時間：t1、t2、t3。根據(jù)電磁波的傳播速度是光速的知識，很容易得到三邊距離r1,r2,r3。利用平面幾何的兩點距離公式，我們構(gòu)建方程組，求解出定位位置。

仔細看一下上圖，大家都會發(fā)現(xiàn)，定位過程中需要對兩個時間點進行測量，就是開始時間t0和到達時間t1，t2，t3，這四個時間變量直接影響測量距離。由此可見，TOA算法對系統(tǒng)的時間同步要求很高，因為即使有很小的時間誤差，但是乘以光速，誤差就會被放大很多倍。因此，如何保持各設備間的時鐘高精度同步問題，是很多專業(yè)定位設備包括GPS系統(tǒng)中需要解決的重要問題。

二、TDOA定位技術(shù)原理

TDOA也被稱為雙曲線定位技術(shù)，其所依賴的幾何知識是，如果測定待定位點到周圍兩個標定點的傳播距離差，則待定位點肯定在以這兩個標定點為焦點，點到兩個焦點的距離差值為傳播距離差的雙曲線上。

如上圖，ri1為距離差值，通過對其計算公式化簡，很容易將公式中t0消除，避免了對t0的測量誤差引入，這樣定位系統(tǒng)只要保證同時發(fā)送測量信號，然后精確測量到達時間差即可，減少了時間測量誤差影響。TDOA技術(shù)常用的算法有Fang算法、Chan算法、Taylor級數(shù)展開算法。若大家對這些算法感興趣，可以通過維基百科進一步了解。

三、AOA定位技術(shù)原理

AOA也被稱為方位角定位技術(shù)。根據(jù)平面幾何知識，兩條射線平行或相交于一點，通過設備測量待定位點到兩個標定點間的入射角，很容易確定待定位點的位置。

如上圖，通過變化公式，很容易消除變量r，直接求解二元一次方程，很容易得到待定位點位置。

相比TOA、TDOA等，AOA機制不需要時間同步，實現(xiàn)同維度的定位任務所需要的參考節(jié)點數(shù)量最少，例如二維平面定位只需要兩個基站。但該方法必須有方向性較強的天線陣列支持。

四、RSSI定位技術(shù)原理

RSSI為信號強度，基于信號強度進行定位。根據(jù)物理知識，我們能夠知道一些信號在自由空間傳播遵循固定的衰減模型，通過該模型我們能夠給出信號強度與距離遠近的準確關(guān)系。如下圖。

其中，pd為待定位點接收到的信號強度。p0為距離輻射源d0處的信號強度。n 為信號衰減系數(shù)?，F(xiàn)階段藍牙室內(nèi)定位技術(shù)就是基于該原理。

附加幾張各個定位技術(shù)對照表。