羅輝，殷鋒，袁平

（1.四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都610065；2.西南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610041；3.重慶大學(xué)數(shù)學(xué)與信息工程學(xué)院，重慶400044）

0 引言

基于指紋的定位技術(shù)是當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題。室內(nèi)定位主要分為兩種：基于測距和基于指紋。基于指紋技術(shù)的優(yōu)勢在于不需要部署特別的基礎(chǔ)設(shè)備，且具有較高的定位精度。尤其是近些年來智能手機(jī)的普及，智能手機(jī)上的磁力傳感器、加速度傳感器等設(shè)備為基于指紋的研究打開了新的研究方向。

目前。基于指紋的定位技術(shù)主要包括基于地磁指紋和基于Wi-Fi 指紋[4,6]兩種。Wi-Fi 指紋技術(shù)在室內(nèi)無線局域網(wǎng)（WLAN）下的應(yīng)用已經(jīng)成為室內(nèi)定位研究的熱點(diǎn)。但由于接入點(diǎn)（Aps）發(fā)出的信號可能移動或功率調(diào)整等原因而改變，導(dǎo)致Wi-Fi 指紋存在不穩(wěn)定的情況。Wi-Fi 指紋的采集需要能夠收集CSI[5]信道信息的特殊設(shè)備。相比之下，地磁指紋的采集只需要普通的智能手機(jī)且地磁是天然形成的，地磁指紋庫相比Wi-Fi 指紋庫具有更好的穩(wěn)定性，且不依賴其他特殊的基礎(chǔ)設(shè)備。然而，基于指紋庫的定位技術(shù)均存在指紋庫構(gòu)建困難的難題。

1 理論基礎(chǔ)

基于指紋的定位技術(shù)的核心思想：將不易測量的位置信息轉(zhuǎn)化成能夠?qū)嶋H測量的其他信號信息如：地磁信號、FM 信號[8]、Wi-Fi 信號，等等。這種思想主要基于以下兩個(gè)假設(shè)：

（1）信號信息與地理位置相關(guān)。在理想的情況下，如果信號信息之間的區(qū)分度夠高，那么每一個(gè)特定的地理位置都能用一個(gè)唯一的信號信息來表示。從而信號信息能夠轉(zhuǎn)化成位置指紋，當(dāng)收集到足夠的位置指紋就能形成位置指紋庫。

（2）位置指紋的相似度和地理之間的距離存在正相關(guān)的關(guān)系。當(dāng)兩者的地理位置越近，其位置指紋的相似度越高。在實(shí)際的指紋采集過程中，不可能采集完全充足的位置指紋，在對錨節(jié)點(diǎn)定位時(shí)，需要借助信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來估測錨節(jié)點(diǎn)的位置。

基于指紋的定位技術(shù)通常包含兩個(gè)階段：離線訓(xùn)練階段和在線定位階段。離線訓(xùn)練階段：在工作環(huán)境下，人工標(biāo)記某些特定的位置，并給這些位置插入語義標(biāo)簽。利用終端設(shè)備在特定的位置周圍采集位置信號信息，將所有采集到位置信息形成指紋后儲存到指紋庫中。在線定位階段：利用終端采集當(dāng)前位置的信號信息形成指紋后，上傳到服務(wù)器端。服務(wù)器端通過指紋相似度的匹配算法，與指紋庫中的每一條指紋進(jìn)行相似度的匹配最終估算出當(dāng)前位置的大概位置，并向給移動終端回傳結(jié)果。

基于地磁信號的定位技術(shù)[7]是指利用地磁場在不同地理位置表現(xiàn)出不同的地磁特征從而可以關(guān)聯(lián)到具體的地理位置上的方案。一般的，其定位原理如下：首先需要建立地磁特征指紋數(shù)據(jù)庫，將定位區(qū)域每個(gè)位置的地磁特征獲取到，然后建立地磁特征和地理位置的映射關(guān)系，存儲到數(shù)據(jù)庫中。然后，在定位使用階段，利用帶有地磁計(jì)或者其他地磁測量設(shè)備的運(yùn)動物體在運(yùn)動的過程中不斷的測量自身所在位置的地磁信號特征，與數(shù)據(jù)庫中的地磁指紋庫進(jìn)行匹配，依照某種匹配策略尋找到最優(yōu)匹配結(jié)果，其對應(yīng)的具體的地理位置即為定位系統(tǒng)評估出來的定位點(diǎn)。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

2015 年，Zhang 等人提出了基于地磁和眾包（Crowdsource）思想的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)GROPING。GROPING 主要解決了以下幾個(gè)在地磁定位中的難題：

（1）指紋庫構(gòu)建

傳統(tǒng)基于指紋的定位系統(tǒng)需要耗費(fèi)大量人力去定點(diǎn)采集，采集過程要求高且操作限制多，為了解決指紋庫建立難的問題，GROPING 采取了“眾包”的思想，能夠讓所有用戶都參與到指紋庫的構(gòu)建工作中，每個(gè)人既是定位功能的主體使用者，也是定位系統(tǒng)的主體構(gòu)建者，達(dá)到簡化指紋庫采集和更新過程，降低指紋庫構(gòu)建難度。

（2）虛擬地圖生成

首先利用用戶智能手機(jī)上的陀螺儀和加速度計(jì)來采取初始的地磁指紋序列段。GROPING 利用不同軌跡之間的重疊縫合在一起。當(dāng)采集足夠的軌跡后，覆蓋整個(gè)地板，相互重疊，就能得到整個(gè)虛擬平面地圖。然而，不同用戶的步行速度不同，地磁指紋序列段存在時(shí)間偏差，因此，我們使用DTW 算法[9]計(jì)算相似度。GROPING 的虛擬地圖的生成從某個(gè)單一的軌跡開始，

（3）指紋匹配定位算法

指紋匹配實(shí)際上是一個(gè)分類的過程。GROPING通過傳感器采集的數(shù)據(jù)與指紋庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，返回相似度最高的指紋。GROPING 主要使用了蒙特卡洛算法（Monte Carlo Localization）[10]來進(jìn)行位置估計(jì)。GROPING 的定位精度達(dá)到了5m 左右。

2016 年，Bai 等人提出了基于的Wi-Fi 和地磁指紋的室內(nèi)定位系統(tǒng)WMLoc[11]。WMLoc 整合了Wi-Fi信息和地磁信息。在離線訓(xùn)練階段，WMLoc 在用戶的當(dāng)前位置利用智能手機(jī)的傳感器手機(jī)地磁信息（主要是地磁南北方向）和Wi-Fi 的RSSI 值。之后對地磁數(shù)據(jù)和Wi-Fi 數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，之后存儲到指紋數(shù)據(jù)庫中。在實(shí)時(shí)位置檢測階段，WMLoc 將用戶實(shí)時(shí)收集到的數(shù)據(jù)與紋數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。WMLoc 主要使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（Artificial Neural Network Algorithm）來結(jié)合磁場數(shù)據(jù)和Wi-Fi 數(shù)據(jù)。WMLoc 利用回溯算法（Back Tracing Algorithm）以及已知建筑平面圖來實(shí)時(shí)對用戶的位置進(jìn)行追蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：WMLoc 的定位精度能達(dá)到2.6m。

2018 年，Namkyoung Lee 等人提出了基于深度學(xué)習(xí)的精確室內(nèi)定位AMID[13]。AMID 首次使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行地磁指紋序列分類和匹配。AMID 通過在平面的特定位置上插入地磁路標(biāo)。AMID 提取地磁指紋序列的特征，包括地磁指紋序列之間的重疊部分等信息，之后，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對地磁路標(biāo)附近的地磁指紋序列進(jìn)行分類。AMID 通過地磁路標(biāo)附近的地磁指紋序列和用戶實(shí)際測量的地磁指紋序列匹配來估算用戶的實(shí)際位置。實(shí)驗(yàn)證明：AMID 適用于一維場景和二維場景的室內(nèi)定位。AMID 在走廊的定位精度能達(dá)到0.8m，在中庭的定位精度能達(dá)到2.3m。

3 實(shí)際產(chǎn)品

2012 年，IndoorAtlas 是由芬蘭奧盧大學(xué)（University of Oulu）開發(fā)的室內(nèi)定位導(dǎo)航的App。

IndoorAtlas 的工作原理如下：IndoorAtlas 主要由API、Location Service 和Maps 組成。應(yīng)用程序通過IndoorAtlas API 與Location Service 進(jìn)行通信。IndoorAtlas 通過IndoorAtlas API 將采集的傳感器數(shù)據(jù)傳給Location Service，Maps 是存儲了地磁指紋數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，Location Service 與由Maps 相連，由Location Service 計(jì)算用戶的當(dāng)前位置，并將當(dāng)前位置回傳給應(yīng)用程序。實(shí)驗(yàn)證明：在現(xiàn)在建筑中，IndoorAtlas 的定位精度能夠達(dá)到0.1m-2m。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了幾種基于地磁的室內(nèi)定位系統(tǒng)以及一個(gè)實(shí)際的產(chǎn)品IndoorAtlas。從上述的資料中我們可以看出基于地磁指紋的定位的通常包含以下兩個(gè)核心階段：地磁指紋庫的構(gòu)建和地磁指紋序列的匹配。由于地磁的天然性和穩(wěn)定性，地磁指紋將在室內(nèi)定位領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用場景。目前對地磁指紋室內(nèi)定位的研究的文章較多，但仍有諸多問題等待學(xué)者研究和解決。如：指紋庫構(gòu)建和更新、高精度的實(shí)時(shí)定位等問題。