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本文作者：銀匠

毫無(wú)疑問(wèn)，數(shù)字化是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展最主要的主題的之一，目前已有的千行百業(yè)都可以結(jié)合數(shù)字化升級(jí)重新做一遍，這就是產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

而從數(shù)字化這個(gè)名字就可以聽(tīng)出，“數(shù)據(jù)”是數(shù)字化的核心，而眾多的數(shù)據(jù)中，空間位置數(shù)據(jù)是一個(gè)最基本的維度，這是定位技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)邏輯。

但如果你真的想從事定位這個(gè)行業(yè)，那么就會(huì)知道，原來(lái)定位技術(shù)的種類(lèi)有這么多！且每種定位技術(shù)都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)。

尤其是目前市場(chǎng)環(huán)境之下，融合定位方案無(wú)論在C端的消費(fèi)產(chǎn)品還是在B端的行業(yè)應(yīng)用方案中，逐漸成為主流，因此，想要做好定位產(chǎn)業(yè)，就需要對(duì)市場(chǎng)各種定位技術(shù)都有一定的了解與認(rèn)知。

第一個(gè)維度：從是否需要有定位基礎(chǔ)設(shè)施投入的角度來(lái)分，可以分為兩種：需要有基礎(chǔ)設(shè)施以及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位測(cè)距。

本文梳理匯總了市場(chǎng)上主流的定位技術(shù)。

01 UWB

技術(shù)介紹：

UWB(Ultra Wideband)是一種無(wú)載波通信技術(shù)，利用納秒至微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)。

2002 年，美國(guó)FCC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）正式將 3.1 GHz- 10.6 GHz 頻帶作為室內(nèi)通信用途對(duì)UWB 開(kāi)放，標(biāo)志著 UWB 開(kāi)始用于民用無(wú)線(xiàn)通信。

在中國(guó)，2023年初，工信部無(wú)線(xiàn)電管理局發(fā)布了《超寬帶（UWB）設(shè)備無(wú)線(xiàn)電管理規(guī)定（征求意見(jiàn)稿）》，根據(jù)新版《規(guī)定》，未來(lái)國(guó)內(nèi)UWB技術(shù)的使用頻段為：7235-8750MHz。

UWB有三大能力：

1、通信

作為一種通信技術(shù)，UWB的特點(diǎn)有：傳輸數(shù)據(jù)大，可達(dá)幾百M(fèi)bit/s、傳輸距離可達(dá)上百米，不過(guò)傳輸距離遠(yuǎn)了之后傳輸能力會(huì)大幅衰減、安全性能高，對(duì)一般通信系統(tǒng)而言，UWB 信號(hào)相當(dāng)于白噪聲信號(hào)，很難被其他設(shè)備所獲取。

2、雷達(dá)

UWB作為雷達(dá)技術(shù)源具有的特點(diǎn)有：UWB具有較高的空間分辨能力、使其具有較強(qiáng)的目標(biāo)識(shí)別能力等，可用于短距離雷達(dá)，車(chē)載活體檢測(cè)等。

3、高精度定位

UWB作為一種高精度定位能力其特點(diǎn)有：精度高，定位精度可達(dá)厘米級(jí)，這是目前市場(chǎng)上以射頻信號(hào)做定位源定位精度做高的幾乎，其次還有容量大，相較于其他的無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)，有更大的容量，時(shí)延低等特點(diǎn)。

UWB定位算法有三類(lèi)：

1、ToA（或ToF）

TOA 通過(guò)分別測(cè)量移動(dòng)終端與三個(gè)或更多基站之間信號(hào)的傳播時(shí)間來(lái)定位，它采用了圓周定位。

2、TDOA

TDOA 是基于到達(dá)時(shí)間差定位，系統(tǒng)中需要有精確時(shí)間同步功能。

時(shí)間同步有兩種，一種是通過(guò)有線(xiàn)做時(shí)間同步，有線(xiàn)時(shí)間同步可以控制在 0.1ns 以?xún)?nèi)，同步精度非常高，但由于采用有線(xiàn)，所有設(shè)備要么采用中心網(wǎng)絡(luò)的方式，要么采用級(jí)聯(lián)的方式，但增加了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的復(fù)雜度，也增加了施工的復(fù)雜度，成本升高。并且，系統(tǒng)中還有一個(gè)專(zhuān)用的有線(xiàn)時(shí)間同步器，綜合價(jià)格比較昂貴。

3、AOA

AOA 定位一般是基于相位差的方式計(jì)算出到達(dá)角度，一般不單獨(dú)使用，由于 AOA 涉及到角度分辨率的問(wèn)題，若單純 AoA 定位，若離基站越遠(yuǎn)，定位精度就越差。

市場(chǎng)介紹：

目前，UWB定位技術(shù)正多點(diǎn)開(kāi)花，我們將UWB定位市場(chǎng)分為了4大類(lèi)：

第一類(lèi)市場(chǎng)：IoT企業(yè)級(jí)應(yīng)用。包括化工廠(chǎng)、發(fā)電廠(chǎng)、煤礦、公檢法司、倉(cāng)儲(chǔ)物流等等。

第二類(lèi)市場(chǎng)：IoT消費(fèi)級(jí)應(yīng)用。包括各種加入了UWB芯片的智能硬件，比如電視遙控器、寵物項(xiàng)圈、尋物Tag、智能機(jī)器人等。

第三類(lèi)市場(chǎng)：汽車(chē)市場(chǎng)。典型的產(chǎn)品就是汽車(chē)數(shù)字鑰匙等。

第四類(lèi)市場(chǎng)：手機(jī)市場(chǎng)。就是手機(jī)里面加入U(xiǎn)WB芯片。

02 BLE（低功耗藍(lán)牙）定位技術(shù)

BLE定位技術(shù)是指用BLE做信號(hào)源從而實(shí)現(xiàn)定位功能，根據(jù)其定位方式的差異，可以分為四類(lèi)。

第一類(lèi)：藍(lán)牙AoA/AoD定位

藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)引入了AoA和AoD的角度定位算法，通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備感知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號(hào)的到達(dá)/發(fā)送方向，計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)方位或角度，定位精度可以做到亞米級(jí)（1m以?xún)?nèi)）。

AoA與AoD技術(shù)示意圖

AoA是利用單一天線(xiàn)發(fā)射尋向信號(hào)，而接收終端內(nèi)置天線(xiàn)陣列，當(dāng)信號(hào)通過(guò)時(shí)，會(huì)因陣列天線(xiàn)接收的距離不同而產(chǎn)生相位差，進(jìn)而計(jì)算出信號(hào)的方向。

AoD則正好相反，由具備陣列天線(xiàn)的設(shè)備來(lái)發(fā)射信號(hào)，傳給單一天線(xiàn)終端，接收終端可以通過(guò)接收到的信號(hào)計(jì)算出來(lái)波的方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)定位。

第二類(lèi)：藍(lán)牙Beacon定位

藍(lán)牙Beacon是基于RSSI（信號(hào)強(qiáng)度）做定位，不同于網(wǎng)關(guān)單基站定位，藍(lán)牙Beacon的方案是三邊定位，即通過(guò)三個(gè)（及以上）基站交叉測(cè)算出更為精準(zhǔn)的位置信息，精度范圍在1-3m之間。

第三類(lèi)：消費(fèi)類(lèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位產(chǎn)品

所謂點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位產(chǎn)品指的是以手機(jī)為核心，不需要布置定位網(wǎng)絡(luò)，只需要被定位的產(chǎn)品與手機(jī)進(jìn)行連接即可。

其定位原理包括了藍(lán)牙RSSI與AoA，因?yàn)镽SSI與AoA現(xiàn)在基本都是藍(lán)牙芯片的標(biāo)配，具體到產(chǎn)品到底有沒(méi)有AoA，最主要的是看有沒(méi)有加AoA天線(xiàn)。

而以手機(jī)為核心的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)藍(lán)牙定位場(chǎng)景最有代表就是尋物Tag以及汽車(chē)鑰匙。

第四類(lèi)：藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)房間級(jí)定位

即核心設(shè)備是藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，通過(guò)藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)，結(jié)合RSSI做到房間級(jí)別的定位，這個(gè)方案非常適合資產(chǎn)管理場(chǎng)景。

因?yàn)橐话愕钠髽I(yè)庫(kù)存或者重要的資產(chǎn)管理只需要做到房間級(jí)別的精度就夠了，而如果要管理的設(shè)備數(shù)量不是特別大的話(huà)，采用藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)定位是成本最低的方案。

而根據(jù)我們調(diào)研了解，BLE還有第五類(lèi)定位技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計(jì)會(huì)在未來(lái)幾年之內(nèi)正式發(fā)布，本文也對(duì)其進(jìn)行提前預(yù)告：

第五類(lèi)：藍(lán)牙信道探測(cè)（Channel Sounding）

BLE CS提供一種相位測(cè)距 （PBR：phase?based ranging）方案，主要用于兩個(gè) BLE 設(shè)備之間的高精度距離測(cè)量 (HADM: high accuracy distance measurements)。

在頻率f上，PBR測(cè)量信號(hào)通過(guò)距離D傳播時(shí)的相移來(lái)計(jì)算距離的。當(dāng)使用兩個(gè)或多個(gè)不同頻率的信號(hào)時(shí)，可以測(cè)量信號(hào)之間的相位差來(lái)測(cè)算距離。

當(dāng)使用信道探測(cè)估計(jì)距離時(shí)，一個(gè)設(shè)備啟動(dòng)程序(initiator)，第二個(gè)設(shè)備在不修改相位的情況下重復(fù)信號(hào)傳輸(reflector)。

對(duì)于頻率為fi 的每次傳輸， initiator測(cè)量發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)之間的相位變化。

未編碼的窄帶恒定包信號(hào)可以使用單個(gè)天線(xiàn)發(fā)送或接收，以便支持標(biāo)準(zhǔn)低功耗藍(lán)牙芯片。

03 5G定位技術(shù)

5G定位即用5G信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位功能的技術(shù)，其核心思想是復(fù)用當(dāng)前的5G基礎(chǔ)設(shè)施，而不增加額外的布網(wǎng)成本，從而讓5G在實(shí)現(xiàn)高性能連接能力的基礎(chǔ)之上，再增加較高的精準(zhǔn)定位能力（定位精度亞米級(jí)）。

從5G定位原理的角度來(lái)看，定位技術(shù)大致可以分為三種類(lèi)型：基于三角關(guān)系和運(yùn)算的定位技術(shù)、基于場(chǎng)景分析的定位技術(shù)和基于臨近關(guān)系的定位技術(shù)。

基于三角關(guān)系的定位技術(shù)

這種定位技術(shù)根據(jù)測(cè)量得出的數(shù)據(jù)，利用幾何三角或雙曲線(xiàn)關(guān)系計(jì)算被測(cè)物體的位置，它是最主要的、也是應(yīng)用最為廣泛的一種定位技術(shù)。

基于場(chǎng)景分析的定位技術(shù)

這種定位技術(shù)對(duì)定位的特定環(huán)境進(jìn)行抽象和形式化，用一些具體的、量化的參數(shù)描述定位環(huán)境中的各個(gè)位置，并用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)把這些信息集成在一起。業(yè)界習(xí)慣上將上述形式化和量化后的位置特征信息形象地稱(chēng)為信號(hào)“指紋”。觀察者根據(jù)待定位物體所在位置的“指紋”特征查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)，并根據(jù)特定的匹配規(guī)則確定物體的位置。

基于臨近關(guān)系的定位技術(shù)

基于臨近關(guān)系進(jìn)行定位的技術(shù)原理是：根據(jù)待定位物體與一個(gè)或多個(gè)已知位置參考點(diǎn)的臨近關(guān)系來(lái)定位。這種定位技術(shù)通常需要標(biāo)識(shí)系統(tǒng)的輔助，以唯一的標(biāo)識(shí)來(lái)確定已知的各個(gè)位置。這種定位技術(shù)最常見(jiàn)的例子是移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)中的Cell ID。假設(shè)待定位物體分別位于三個(gè)Cell中。由于各個(gè)Cell中參考點(diǎn)的位置已知，所以根據(jù)待定位物體所在Cell可以粗略確定其位置（即Cell中參考點(diǎn)的位置）。

04 聲波定位技術(shù)分析

基于音頻信號(hào)的室內(nèi)定位技術(shù)，具有成本低、精度高、兼容性好的特點(diǎn)，非常適合消費(fèi)級(jí)智能手機(jī)的室內(nèi)定位場(chǎng)景。直接使用智能手機(jī)內(nèi)置的麥克風(fēng)，無(wú)需增加額外的設(shè)備。

可擴(kuò)展至智能手機(jī)的音頻定位系統(tǒng)可以大致分為兩大類(lèi)：基于音頻信號(hào) TOA 和 TDOA 的定位系統(tǒng)。

音頻定位原理

基于音頻的室內(nèi)定位技術(shù)利用聲學(xué)器件如麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器實(shí)現(xiàn)定位具有如下特點(diǎn)：

1、精準(zhǔn)定位：定位精度可達(dá)分米級(jí)（0.5-1m）；

2、維護(hù)方便：基站通電即可用，單基站可覆蓋 30-50 米 ；

3、由于音頻的傳播速度遠(yuǎn)低于射頻，實(shí)現(xiàn)高精度的音頻定位對(duì)時(shí)鐘的同
步精度要求不高；

4、對(duì)于位置服務(wù)提供商，雖然實(shí)現(xiàn)音頻定位需要在室內(nèi)布設(shè)音頻節(jié)點(diǎn)，但由于商用音頻元器件的成本低廉，有望通過(guò)低成本的基礎(chǔ)設(shè)施投入，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的高精度定位（分米級(jí)）；

5、對(duì)于用戶(hù)，麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器是手持智能移動(dòng)終端的標(biāo)配，可在無(wú)需用戶(hù)額外開(kāi)銷(xiāo)的情況下提供高精度的位置服務(wù)；

6、不限用戶(hù)容量：采用類(lèi)似衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣播模式，基站和終端無(wú)需交互，不限用戶(hù)容量；

7、數(shù)據(jù)安全：終端側(cè)解算，基站不主動(dòng)掃描用戶(hù)信息。

05 室內(nèi)北斗定位技術(shù)分析

室內(nèi)北斗顧名思義，就是在室內(nèi)有遮擋環(huán)境中的北斗衛(wèi)星定位技術(shù)。眾所周知，目前全球幾大GNSS定位系統(tǒng)已經(jīng)很完善，但是GNSS有個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是地面如果有遮擋就沒(méi)有信號(hào)，在這樣的市場(chǎng)條件下，在室內(nèi)定位場(chǎng)景中的北斗定位技術(shù)（也叫偽衛(wèi)星）就應(yīng)運(yùn)而生。

大致原理是在室內(nèi)場(chǎng)景模擬真實(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)，讓所有的衛(wèi)星導(dǎo)航終端實(shí)現(xiàn)在導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)盲區(qū)（室內(nèi)、地下、隧道、高架下等）的定位導(dǎo)航，在同源信號(hào)下實(shí)現(xiàn)無(wú)縫銜接室內(nèi)外導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化高精度定位導(dǎo)航。

主要的產(chǎn)品有：北斗衛(wèi)星微型基站及配套天線(xiàn)，標(biāo)簽產(chǎn)品與現(xiàn)有的北斗終端產(chǎn)品完全復(fù)用。

室內(nèi)北斗技術(shù)原理圖

06 地磁技術(shù)分析

地磁場(chǎng)在地球近地空間連續(xù)分布，受地球磁性物質(zhì)分布不同，各個(gè)地域的地磁場(chǎng)存在差異。地磁場(chǎng)已廣泛應(yīng)用于艦船和飛機(jī)的方位導(dǎo)航，利用指南針、磁羅盤(pán)等測(cè)量地磁場(chǎng)方位信息，以獲得穩(wěn)定的地球北指向。

與磁航向測(cè)量技術(shù)不同，地磁定位技術(shù)利用地磁場(chǎng)強(qiáng)度隨地理空間位置變化具有不同分布的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)載體的定位。通過(guò)安裝在運(yùn)動(dòng)載體上的磁場(chǎng)傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量運(yùn)動(dòng)航跡（軌跡）上的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，并提取磁場(chǎng)特征，與事先獲得并存儲(chǔ)的地磁場(chǎng)模型或地磁圖進(jìn)行匹配，以確定運(yùn)動(dòng)載體的實(shí)時(shí)位置，用于導(dǎo)航或者定位跟蹤。

因?yàn)榈卮艌?chǎng)的廣泛分布，地磁定位技術(shù)可以應(yīng)用于飛行器、地面車(chē)輛、水下潛航器等不同的運(yùn)動(dòng)載體，特別在建筑內(nèi)等封閉空間內(nèi)，除了地球磁場(chǎng)外，人工建筑的鐵磁性材料進(jìn)一步豐富了地磁場(chǎng)的空間分布特征，使磁場(chǎng)的空間差異分辨率可達(dá)到10cm，為室內(nèi)位置測(cè)量提供了一個(gè)天然的坐標(biāo)系。

在使用磁場(chǎng)定位技術(shù)前，需要采集定位區(qū)域的磁場(chǎng)分布，并把采集過(guò)的磁場(chǎng)分布制作成地磁圖；當(dāng)來(lái)到有地磁圖的區(qū)域時(shí)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)體攜帶（或安裝）定位終端內(nèi)的磁傳感器，測(cè)量運(yùn)動(dòng)體經(jīng)過(guò)區(qū)域的磁場(chǎng)，將實(shí)際測(cè)量的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)與已知的地磁圖進(jìn)行對(duì)比，在地磁圖內(nèi)找到和測(cè)量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)最相似的數(shù)據(jù)所在的位置，即是運(yùn)動(dòng)體所在的位置。

從上述定位原理看出，地磁定位的最大優(yōu)勢(shì)是不依賴(lài)于外部環(huán)境、不需要事先部署硬件、不需要維護(hù)、可以分辨樓層、不易受遮擋和干擾，能夠取得定位精度、成本、可靠性和兼容性的良好平衡，具有非常廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

但是，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高精度的地磁定位性能，并不是一件容易的事情，除了需要重點(diǎn)考慮四個(gè)方面的因素：第一，地磁圖的制作和定位特征的應(yīng)用；第二，選擇適合的磁傳感器；第三，與磁傳感器和運(yùn)動(dòng)載體相適配的實(shí)時(shí)測(cè)量方法；第四，與應(yīng)用場(chǎng)景和運(yùn)動(dòng)載體相適配的定位算法。

07 Wi-Fi定位技術(shù)分析

Wi-Fi指紋定位原理：

基于Wi-Fi指紋的定位，其主要思想是將難以直接測(cè)量的位置信息與容易直接測(cè)量的Wi-Fi信號(hào)，形成一種映射關(guān)系。主要基于以下兩個(gè)基本假設(shè)：

第一：無(wú)線(xiàn)信號(hào)指紋特征與地理位置相關(guān)。理想情況下，Wi-Fi覆蓋的室內(nèi)環(huán)境中每一個(gè)地理位置中的無(wú)線(xiàn)信號(hào)指紋特征都是唯一的，可以用來(lái)進(jìn)行位置區(qū)分。Wi-Fi指紋的差異性越大，定位系統(tǒng)的定位精度就越高。理想情況下只考慮Wi-Fi指紋特征與位置信息的關(guān)系，而不考慮人員的移動(dòng)、溫度的變化、移動(dòng)終端的差異以及采樣時(shí)間等因素對(duì)Wi-Fi指紋的影響。

第二：不同采樣點(diǎn)之間的Wi-Fi指紋的匹配度與它們之間距離的遠(yuǎn)近具有很大關(guān)系。在離線(xiàn)訓(xùn)練階段，采集部分特定參考點(diǎn)的Wi-Fi指紋，由于采集的Wi-Fi指紋數(shù)量有限，不可能覆蓋所有的室內(nèi)位置，在在線(xiàn)定位階段，用戶(hù)的位置也不會(huì)正好處于采集的離線(xiàn)指紋中間，因此需要利用近鄰參考點(diǎn)來(lái)估計(jì)用戶(hù)的位置。無(wú)線(xiàn)信號(hào)的衰減特性，可以保證相鄰位置的無(wú)線(xiàn)信號(hào)差異不會(huì)太大，但是在具體的室內(nèi)環(huán)境中，由于墻壁的阻隔、人員的移動(dòng)、信號(hào)傳播的多徑效應(yīng)等因素的影響，也可能出現(xiàn)實(shí)際位置相近的兩個(gè)指紋，但它們的匹配度很低，或者實(shí)際位置比較遠(yuǎn)的兩個(gè)指紋（比如處于不同的樓層），它們的匹配程度卻比較高。

基于Wi-Fi指紋的定位算法原理如圖所示。

Wi-Fi指紋定位算法原理圖

前面較為詳細(xì)的介紹了市場(chǎng)上常見(jiàn)的高精度定位技術(shù)，為了方便讀者匯總與記憶，我們將每種定位技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)做成了一個(gè)匯總表格：

常見(jiàn)的高精度定位技術(shù)介紹表

審核編輯：湯梓紅