1.2 室内定位的发展

室内定位技术无论在民用还是军事领域，都具有巨大的应用潜力。近年来国内外已出现了很多具有代表性的研究成果。

1.室内定位在民用领域中的发展

1992年，AT&T剑桥实验室开发出了Active Badge定位系统[14, 15]，此系统是基于红外线定位的方案。待定位目标上装有红外发射器，作为移动站（MS），它周期地发射唯一ID标识。同时，定位区域内布置有若干红外接收器，作为基站（BS）。BS通过线缆或无线方式连接到控制中心，当MS进入相应定位区域并且被该区域的接收器识别出时，控制中心就可以确定目标当前的位置。Active Badge定位系统的缺陷是：室内环境的复杂性会造成很多死角，致使接收器无法收到红外信号；此外，这种方案只能确定一个模糊的定位区域，精度无法满足要求。

1999年，AT&T剑桥实验室又开发出了Bat室内定位系统[16]，此系统是基于超声波定位的方案。待定位目标携带有超声波发生器（作为MS）；布置在定位区域内的超声波接收器的节点作为BS。此外，该系统还有中心服务器。MS通过无线网络与中心服务器相连，中心服务器会定期发送启动信号，移动终端收到信号后会发射一簇超声波作为响应，接收器会先后收到中心服务器发出的射频信号和移动终端发射的超声波信号，比较两者的到达时间差，从而计算出与移动终端的距离，并把结果反馈给中心服务器，中心服务器只要接收到3个或3个以上的反馈距离值，就可以通过三角或三边算法，计算出移动终端当前的位置。Bat室内定位系统的缺陷是：超声波信号极易受到环境干扰，精度很不稳定；而且AT&T提出的方案是采用有线网络方式来连接中心服务器与接收器节点，系统的应用范围很受限制。

2000年，微软研究院提出了RADAR定位系统[17]，此系统是基于RSSI测量的室内定位方案。它的硬件组成是基于802.11协议的WLAN。RADAR定位系统的定位工作主要分为两个阶段：离线建库阶段——实时定位前，在目标区域内广泛采集样本，生成射电地图（radio map），即表示位置信息与信号强度关系的映射表；在线定位阶段——实时定位过程中，移动终端收到无线接入点的信号，存储RSSI值，然后通过与已有的射电地图相比较，找出匹配度最大的结果，完成定位，这个匹配过程也可交由一个中心服务器完成。RADAR定位系统的优势在于它的硬件平台非常成熟，无须再开发新的应用平台。其缺陷是：射电地图对环境的依赖性很大，再加上室内环境存在多变性，一旦环境改变度较大，则原射电地图很可能失效。

2000年，MIT开发出了Cricket[18]室内定位系统，此系统是基于射频+超声波的TDOA定位系统。Cricket室内定位系统也由三部分组成：作为MS的Listener；作为BS的Beacon；服务器。Beacon是安放在已知位置的节点，并周期性地发送射频信号和超声波脉冲；Listener相当于移动终端，接收Beacon发来的射频信号和超声波信号，并记录下时间差，从而计算出与Beacon之间的距离；Listener将距离值传给服务器，由服务器根据三角或三边算法计算出Listener的当前定位。由于该系统基于TDOA定位方案，故可以提供厘米级的定位精度。Cricket室内定位系统的缺陷是：所有Beacon的坐标位置需要事先设定好，一旦环境改变或网络覆盖范围发生了变化，最终得到的定位结果也会存在误差。因为Cricket室内定位系统的高精度定位性能在很大程度上要依靠Beacon的精确放置，故往往需要事先人工测量节点位置以进行校对，这在实际使用时会带来极大的不便。

2003年，洛杉矶加州大学UCLA开发的AHLos定位系统[19]可看做Cricket室内定位系统的改进。它基于超声波通信技术，且完全是分布式的，并采用原子式、协作式和重复式三种最大似然估计定位方法，将已定位移动节点作为锚节点对待，解决了定位网络中信标稀疏的问题。但AHLos定位系统采用的算法较为复杂，需要较强的数据处理能力，否则无法做到实时定位。

国内对室内定位的研究工作起步较晚，但近年来发展迅速，如很多高校和研究所都投入了大量精力和资源到该领域的研究中去。对室内定位领域的算法研究和对室内定位相关硬件等的开发也受到了越来越多的重视。国内的清华大学[20]、中国科学院[21～24]、上海交通大学[25～29]、电子科技大学[30～34]、哈尔滨工业大学[35～47]、北京邮电大学[48～50]、天津大学[51～53]、浙江大学[54, 55]、复旦大学[56～63]、中山大学[64]、南开大学[65]、西安电子科技大学[66]、华中科技大学[67]、华南理工大学[68～71]、大连理工大学[72～74]、武汉理工大学[75]、中国移动通信公司[76]、某军事院校[77～79]、国防科技大学[80]、湘潭大学[81]、中国联合通信有限公司等都提出了一些代表性的室内定位解决方案。

编者在国家自然基金项目“高精度非直达波定位理论和算法研究（项目编号：60372022）”的支持下，研究了严重非直达波传播环境下的室内定位算法，取得了较好的定位效果。为充分利用室内多径信道环境下的时延信息，编者提出了单、多视时延轮廓的高精度室内定位解决方案，以该思路进行主要研究的863 项目“室内多视时延轮廓定位技术研究（项目编号：2008AA12Z306）”已在2008年得到了资助。同时，作为该项目的研究成果，专利技术“一种基于信道频域幅度响应的多用户定位方法”、“一种采用单站多信道的室内定位方法”、“一种利用无线信号的幅度谱对非合作目标的定位方法”和“一种基于无线信道频域幅度响应的匹配定位方法”等十余项与室内定位技术相关的专利也在审批之中，其中的部分专利已得到授权。

在定位系统的研发方面，国内的唐恩科技有限公司利用UWB精确定位技术开发了iLocateTM系统[82]，该系统采用的UWB精确定位技术可以应用在监狱、地下矿井等危险作业场所。该系统的精度可以达到15cm，其无缝链接功能可以有效扩大监控范围，其高刷新率和良好的穿透性为系统的稳定性提供了良好的保障。该系统还可为博物馆、科技楼来访者提供访问路线和展品访问人流数据分析，并为危险环境工作企业提供安全生产监控。

2.室内定位在军事领域中的发展在军事领域中，室内定位技术近年来也得到了十分迅猛的发展。

1）美国的Boomerang狙击手定位系统[83]

2003 年秋季，驻伊美军经常遭到当地狙击手的袭击。袭击者往往埋伏在距离美军车队路线100m左右的建筑物内，当车队经过时突然发起袭击，此时车内人员由于周围噪声及头盔隔音效果的影响，不能够及时察觉并做出反应，以至于造成大量人员伤亡。针对这种情况，美国国防部先期研究计划局（DARPA）开始研究相对应的反制措施，展开了名为Boomerang（“飞去来器”）的应急行动，希望能够迅速部署50 套新型狙击探测系统。BBN公司用了65天时间，顺利完成了50套Boomerang I狙击手定位系统的设计、试验和生产，并于2004年3月开始装备驻科威特美海军陆战队的“悍马”车。该系统在固定式“子弹之耳”狙击手探测系统的基础上增加了一些新功能，使其能够在高速运动的车辆上或嘈杂的环境下正常工作。

Boomerang I型狙击手定位系统（简称I型系统）由声传感器阵列、信号处理单元和用户界面三部分组成。该系统的初始设计目标为：在速度不超过96km/h的车辆上正常工作；在城市的低矮建筑环境内，能够有效探测50～150m范围内的射击；在1s内能够迅速将射击方位锁定在 ±15°的范围内，距离误差为l～30m，误警率小于0.1%；能够适应沙漠作战环境。经过实战检验后，发现I型系统有一些缺陷，如无法精确测定来袭弹丸的仰角和距离、显示系统不够直观精确等。BBN技术公司又在I型系统基础上设计了Boomerang II型狙击手定位系统（简称II型系统）。与I型系统相比，II型系统采用更紧凑的传感器阵列，加强了传感器阵列及其他部件的密封性，提高了抗恶劣环境的能力等方面的性能。II型系统的实物和侧视图如图1-1所示。采用声探测技术的反狙击手系统还有美国AAI的PDCue射弹探测和定位系统，通用动力公司研制的子弹探测指示系统，加拿大迈克唐纳·底特维勒公司的“雪貂”系统，阿连特技术系统公司的“安全”探测定位系统，以及以色列拉斐尔公司研制的SADS反狙击手探测系统。

图1-1 BoomerangⅡ型狙击手定位系统的实物和侧视图

2）激光狙击手定位探测系统[84, 85]

激光狙击手定位探测系统利用了“猫眼”效应。猫的视网膜比其身体其他部位的反射能力强，导致猫眼能在黑暗中发光。同样，当不可见光波段的激光束照射到狙击手的瞄准望远镜的表面时，由于瞄准望远镜的反射能力要强于周围背景，就会产生狙击手不易察觉而激光探测系统可以察觉的反光，从而发现狙击手。因此，激光狙击手定位探测系统是一种主动系统，可以在狙击手开枪之前找出他们的位置。美国、法国、以色列和加拿大等国家都先后开展了该项目的研究工作。

作为一种典型的激光探测系统，法国激光工业公司（CILAS）的狙击手定位探测系统（SLD-400）由3 部分组成：光学传感器、转塔和遥控单元。工作时，激光发射装置发射出编码扫描激光束，每次扫描覆盖5°×4°的区域；同时，激光接收装置随即获得激光图像和该区域的可见光图像。两种图像传送至遥控单元后，由探测系统自动比较两者的细微差别。若有异常，探测系统将在0.1s内启动警报，并在监视器上显示异常的位置和图像。操纵人员可以通过控制手柄放大观察可疑区域，以进一步确认是否存在问题。该系统使用近红外激光，工作波长为0.8～0.9μm，探测范围为水平-175°～+175°、俯仰-20°～+20°，探测距离白天为1000m、夜间为4000m（雾天除外）。该系统可以探测到隐蔽在伪装网后的狙击手步枪的瞄准镜，还能探测到夜视镜、测距仪、望远镜等其他光学部件。该系统在城市环境中的玻璃表面比较多，会产生干扰，但通常可以通过图像处理软件轻易滤除这些干扰。有一种情况比较麻烦，就是新闻记者相机的镜头比较接近瞄准镜，可能会造成误判，目前从技术上还无法有效解决这一问题。

SLD-400系统在萨拉热窝于1994年年底得到首次应用，效果非常显著。据报道，在1992年前，由于未装备反狙击手系统，驻萨拉热窝的法国维和部队在很短时间内就有80多人死于装备精良的狙击手枪下。而装备该系统后，在随后几年内没有因为狙击手损失一名士兵。除了狙击手探测外，SLD-400系统在战场上也可以用来对付敌军车辆，如通过探测敌军车载瞄准装置来记录车辆的运动情况。该系统也有助于特种作战部队的目标识别。