隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，定位技術(shù)正在深刻地影響著人們生活的各個(gè)方面。本書(shū)主要介紹定位技術(shù)，重點(diǎn)是介紹室內(nèi)定位技術(shù)，首先概述了位置服務(wù)與定位技術(shù)，介紹了位置服務(wù)定義、應(yīng)用情況、歷史背景、發(fā)展現(xiàn)狀，介紹了定位技術(shù)的發(fā)展情況；接著介紹了衡量定位算法的主要性能指標(biāo)、影響定位的主要因素，深入闡述了目前主流的定位算法，包括基于測(cè)距的定位算法和基于非測(cè)距的定位算法；*后詳細(xì)介紹室內(nèi)定位技術(shù)，在闡述室內(nèi)定位技術(shù)前，本書(shū)也花了一定的篇幅介紹室外定位技術(shù)，包括基于衛(wèi)星的室外定位技術(shù)、基于基站的室外定位技術(shù)和混合定位技術(shù)。
定位，即確定方位，無(wú)論對(duì)于人還是地球上的其他生物來(lái)說(shuō)，都太重要了。例如，經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的警犬可以通過(guò)嗅覺(jué)來(lái)確定毒品或者武器的位置，其他很多哺乳動(dòng)物也可以在短距離范圍內(nèi)靠嗅覺(jué)定位；蠑螈、海龜?shù)葍蓷珓?dòng)物也可以通過(guò)嗅覺(jué)也確定產(chǎn)卵水域的位置；信鴿可通過(guò)體內(nèi)生物鐘精確計(jì)算太陽(yáng)位置，可以在遠(yuǎn)隔數(shù)百千米之外的陌生地方定位家的位置；很多遷徙的候鳥(niǎo)，在做長(zhǎng)途飛行時(shí)都能利用地球磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行定位和導(dǎo)航，保持其飛行路線不發(fā)生偏離；大馬哈魚(yú)能夠穿越大洋返回自己原來(lái)孵化所在的同一條河流里產(chǎn)卵，其大部分旅程依靠太陽(yáng)的位置、海流、地磁來(lái)定位和導(dǎo)航，最后到達(dá)淡水附近時(shí)，能根據(jù)河水的氣味物質(zhì)回憶起自己的出生地；蝙蝠、海豚等擁有基于超聲波的聲吶系統(tǒng)，通過(guò)回聲定位來(lái)覓食、逃避敵害和求偶繁殖。
而對(duì)于生活在現(xiàn)代社會(huì)中的人們來(lái)說(shuō)，確定自己及相關(guān)事物的位置也是至關(guān)重要的。事實(shí)上，除了通常我們一般所熟知的確定我們自身在地球上的位置外，仔細(xì)想想，廣義的定位其實(shí)是無(wú)所不在的。我們?cè)偈褂檬髽?biāo)時(shí)，移動(dòng)鼠標(biāo)來(lái)尋找和點(diǎn)擊屏幕上的圖標(biāo)，這難道不也是在定位嗎？我們使用智能手機(jī)、平板電腦時(shí)，觸摸屏也在通過(guò)電容、超聲波或紅外等方式來(lái)確定我們手指或者手寫(xiě)筆的位置。我們?cè)谟脭?shù)碼相機(jī)或智能手機(jī)來(lái)拍照時(shí)，也會(huì)通過(guò)激光、紅外等方式進(jìn)行對(duì)焦，而所謂對(duì)焦，也是在確定被攝主體的位置。
當(dāng)然，本書(shū)重點(diǎn)還是在探討人或物體在地球上的位置這一狹義范疇。隨著對(duì)衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)研究的不斷深入，人們對(duì)基于位置的服務(wù)（Location Based Service，LBS）已不再陌生，其中最為人所熟知的最著名的LBS應(yīng)用就是基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的定位和導(dǎo)航服務(wù)。近十年來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展使得智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)智能終端也得到了廣泛的普及，基于LBS的應(yīng)用也呈現(xiàn)了多樣化發(fā)展的趨勢(shì)。
根據(jù)定位應(yīng)用中所應(yīng)用的定位場(chǎng)景的不同，一般的定位技術(shù)可據(jù)此分為兩種：室外定位和室內(nèi)定位。在室外定位中，主要是利用衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行定位和導(dǎo)航的服務(wù)，其中應(yīng)用最為廣泛的就是GPS技術(shù)，民用級(jí)GPS的定位精度在15 m左右。目前，隨著我國(guó)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）的建設(shè)和迅速發(fā)展，BDS已經(jīng)與美國(guó)開(kāi)發(fā)研制的GPS、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，GLONASS）以及歐盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Galileo Satellite Navigation System，GSNS）一起，并稱為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。
同時(shí)，隨著城市化進(jìn)程的加快，人際活動(dòng)大多發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景中，人們對(duì)于LBS的需求也漸漸從室外延伸到了室內(nèi)。由于衛(wèi)星信號(hào)在有障礙物遮擋的情況下衰減嚴(yán)重，因而在高樓林立、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的城市間以及室內(nèi)環(huán)境下定位精度很低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位及相關(guān)的LBS服務(wù)，單純的基于GPS的定位和導(dǎo)航已不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的室內(nèi)LBS的需要。因此，定位技術(shù)，特別是室內(nèi)定位和室內(nèi)的LBS服務(wù)，已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研發(fā)重點(diǎn)。在室內(nèi)定位的研究領(lǐng)域中，早期的研究方向主要集中在Wi-Fi定位技術(shù)、移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)（Cell）定位技術(shù)、紅外線（Infrared）技術(shù)、超聲波（Ultrasound）技術(shù)、射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）定位技術(shù)等。由于通信技術(shù)和電子制造技術(shù)的不斷發(fā)展，研究人員對(duì)低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy，BLE）技術(shù)、超寬帶（Ultra Wideband，UWB）技術(shù)、傳感器與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)、激光技術(shù)等新技術(shù)展開(kāi)了研究，并將這些技術(shù)與定位和導(dǎo)航的研究相結(jié)合，提出了一些定位精度更高或能耗更低的定位和導(dǎo)航方案。
近年來(lái)，世界范圍內(nèi)的高校、研究機(jī)構(gòu)以及各大IT企業(yè)巨頭也都掀起了室內(nèi)定位熱：在國(guó)外，杜克大學(xué)對(duì)生活中的諸多路標(biāo)進(jìn)行研究，提出了UnLoc定位系統(tǒng)，美國(guó)蘋(píng)果公司推出了基于BLE的iBeacon室內(nèi)定位技術(shù)，美國(guó)谷歌公司推出了基于Wi-Fi技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)，芬蘭的IndoorAtlas公司推出了基于純地磁技術(shù)的室內(nèi)定位應(yīng)用；在國(guó)內(nèi)，我國(guó)以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出了通用于室內(nèi)和室外定位的全天候的定位系統(tǒng)羲和，清華大學(xué)劉云浩團(tuán)隊(duì)提出了LiFS定位系統(tǒng)，高德地圖、百度地圖也都相繼推出了具體的室內(nèi)定位地圖和多種定位技術(shù)融合的室內(nèi)定位應(yīng)用等。城市化進(jìn)程的加快和互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，使得人們?cè)谑覂?nèi)的活動(dòng)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，越來(lái)越多的人際活動(dòng)都發(fā)生在室內(nèi)場(chǎng)景中，室內(nèi)定位和室內(nèi)LBS的應(yīng)用具有很大的潛力，值得深入地學(xué)習(xí)和研究。
隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力發(fā)展，定位技術(shù)已不再局限于單純的室外和室內(nèi)導(dǎo)航領(lǐng)域，物流運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)管理、醫(yī)療健康、重要物資監(jiān)控、特種作業(yè)人員定位、消防救援等都需要高效的定位技術(shù)，并且上述的這些應(yīng)用領(lǐng)域大多長(zhǎng)時(shí)間都是處于室內(nèi)場(chǎng)景中的。
目前的室內(nèi)定位算法及技術(shù)在定位精確度、抗噪聲能力、硬件成本及魯棒性等方面仍有較大的提升空間，特別是在定位精度和設(shè)備成本開(kāi)銷之間總是難以取得一個(gè)良好的平衡。大多數(shù)室內(nèi)定位機(jī)制仍然在使用單一的定位技術(shù)，如Wi-Fi、RFID、ZigBee等來(lái)進(jìn)行定位，并且對(duì)于單一技術(shù)的室內(nèi)定位機(jī)制，僅以定位算法為切入點(diǎn)使得定位系統(tǒng)的定位性能得到提高十分困難。一種思路是以多種定位技術(shù)的融合定位為研究主題，從定位算法和定位模型兩個(gè)方面為切入點(diǎn)，以提出多源數(shù)據(jù)融合的定位算法和定位模型，降低定位設(shè)備成本，降低定位誤差，提高定位精度。
本書(shū)作者在移動(dòng)計(jì)算、信息網(wǎng)絡(luò)、位置服務(wù)、室內(nèi)定位等技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)有了多年的研究，具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本書(shū)的內(nèi)容主要源于作者所領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)承擔(dān)的國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部專項(xiàng)研究基金、江蘇省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、江蘇省高校自然科學(xué)基金等資助項(xiàng)目的研究工作和相關(guān)成果。
針對(duì)目前國(guó)內(nèi)對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)的研究需求，本書(shū)取材國(guó)內(nèi)外最新資料，是在認(rèn)真總結(jié)作者主持相關(guān)科研項(xiàng)目等相關(guān)科研成果的基礎(chǔ)上，精心組織編寫(xiě)的。本書(shū)詳細(xì)、深入地介紹了定位技術(shù)和位置服務(wù)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀、主流的定位算法、室外定位技術(shù)及室內(nèi)定位技術(shù)，特別詳細(xì)地介紹了我們自己提出的一系列室內(nèi)定位領(lǐng)域的研究成果，集中反映了室內(nèi)定位技術(shù)的新思路、新觀點(diǎn)、新方法和新成果，具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。本書(shū)包含以下內(nèi)容：首先概述了位置服務(wù)與定位技術(shù)，介紹了位置服務(wù)定義、應(yīng)用情況、歷史背景、發(fā)展現(xiàn)狀，然后介紹了定位技術(shù)的發(fā)展情況；其次著，介紹了衡量定位算法的主要性能指標(biāo)、影響定位的主要因素，深入闡釋了目前主流的定位算法，包括基于測(cè)距的定位算法和基于非測(cè)距的定位算法；最后在闡釋室內(nèi)定位技術(shù)前，本書(shū)也花了一定的篇幅介紹室外定位技術(shù)，包括基于衛(wèi)星的室外定位技術(shù)、基于基站的室外定位技術(shù)和混合定位技術(shù)。本書(shū)的重點(diǎn)是全面、深入地闡述室內(nèi)定位技術(shù)，本書(shū)介紹了定位場(chǎng)景，然后分析了基于RFID、藍(lán)牙、Wi-Fi、UWB、WSN等電信號(hào)的室內(nèi)定位技術(shù)，以及基于地磁場(chǎng)、慣性傳感器、超聲波、紅外線和視覺(jué)信息等非電信號(hào)的室內(nèi)定位技術(shù)。本書(shū)最大的特色在于介紹了本書(shū)作者所領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊(duì)在室內(nèi)定位領(lǐng)域的研究成果，包括基于方差修正指紋距離的室內(nèi)定位算法、基于混合Wi-Fi熱點(diǎn)室內(nèi)定位算法、基于Wi-Fi和RFID數(shù)據(jù)融合的室內(nèi)定位算法、基于慣性測(cè)量單元的多源定位模型等。
本書(shū)注意從實(shí)際出發(fā)，采用讀者容易理解的體系和敘述方法，深入淺出、循序漸進(jìn)地幫助讀者把握室內(nèi)定位技術(shù)的主要內(nèi)容，富有啟發(fā)性。與國(guó)內(nèi)外已出版的同類書(shū)籍相比，本書(shū)選材新穎、學(xué)術(shù)思想新、內(nèi)容新，體系完整、內(nèi)容豐富，范例實(shí)用性強(qiáng)、應(yīng)用價(jià)值高，表述深入淺出、概念清晰、通俗易懂。本書(shū)既可作為計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)科、電子信息學(xué)科以及信息網(wǎng)絡(luò)專業(yè)的大學(xué)高年級(jí)學(xué)生、碩士及博士研究生教材，同樣對(duì)從事移動(dòng)計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)研究和開(kāi)發(fā)工作的科研人員也具有重要的參考價(jià)值。
參與本書(shū)編寫(xiě)的還有唐瑀、王屹進(jìn)、戎漢中、袁豪、張雷、楊春春，本書(shū)融合了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)相關(guān)研究人員的研究成果。此外，本書(shū)還引用了國(guó)內(nèi)外研究人員的諸多研究成果以及網(wǎng)絡(luò)上的相關(guān)資料，在此一并衷心感謝！
由于編寫(xiě)時(shí)間倉(cāng)促，加上作者水平有限，書(shū)中的錯(cuò)誤及不妥之處在所難免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。
作 者
2017年7月
徐小龍，南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。"通信與信息系統(tǒng)專業(yè)博士，"電子科學(xué)與技術(shù)博士后流動(dòng)站博士后（出站），國(guó)家卓越工程師計(jì)劃專業(yè)負(fù)責(zé)人。2011年獲得國(guó)家留學(xué)基金委資助赴英國(guó)從事博士后研究，一直從事分布式計(jì)算、移動(dòng)計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、信息網(wǎng)絡(luò)與信息安全等技術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)和科研工作。
書(shū)單推薦
