随着物联网应用的发展，时空大数据对智慧城市等物联网应用具有决定性的意义。现在的物联网已经不是万物互联了，而是包含时空数据的、融合位置/时间/信息的事联网。人们的生活有70%的活动发生在室内，因此室内的定位就是物联网不可或缺的部分。详细分析了各种室内定位技术，并且对室内定位技术进行了对比分析，最后得出伪卫星是实现室内室外无缝定位的较好的方法。
随着物联网应用的发展，人们已经摈弃了万物互联的概念，采用了事联网的概念。不是万物互联，而是感知世界。就是说物联网包含三要素: 通信+时间+位置。感知时空数据是物联网的第一要务。以时空数据为代表的城市动态感知能力，正在成为智慧城市市场竞争能力天平上最重要的筹码。通过“时空一张图”展现对城市全要素、全状态的全景洞察。多维、高频、高精度的时空数据将是未来发展的趋势，目前一些应用场景都采用BIM模型为基础来标识时空数据，比如机场、工厂、商场等场合。随着北斗建网完成，以北斗为代表的定位与授时，是实时采集时空数据的基础。在时空数据的采集中，室内是很大的一部分，这就对室内定位系统的需求与日俱增，为此，人们探索了很多技术方法以满足无线室内定位的需求。目前，室内定位技术主要包括伪卫星 ( 室内北斗) 、ZigBee、 ＲFID、地磁、IＲ、UWB、WLAN、蓝牙以及视频等，它们都有各自的优缺点。但是这些技术还不能完全满足实际应用的需求。随着北斗建网的完成，采用北斗伪卫星的室内定位方法，将是一个可行的方法，可以实现室内室外的无缝定位，这是其他的室内定位技术不能够达到的。特别是在室外，天基北斗增强伪卫星，可以实现厘米级的定位，还可以组成没有北斗情况下的自主定位星座。
一、室内定位技术介绍
1) A － GPS
A － GPS( Assistant － GPS) 最先由高通公司提出，通过基站发送定位报文的方式增强 GPS 卫星在室内的信号。由于占用移动通信资源，并存在网络拥堵情况，并没有得到大面积的应用。
2) 超声波( Ultrasonic Positioning )
通过适当布置传感器的位置，利用发射超声波并接受反射信号进行测距，使用三角定位等算法确定物体的位置。超声波定位系统可用于一定范围的无接触定位，定位精度可达1cm。
3) 地磁
使用手机的感应器测量环境中的地磁信号，然后与标准的地磁场基准图比对来实现定位。由于不需要铺设基础硬件设施，成本低。缺点是稳定性较差。
4) 惯导
惯性导航与 GNSS 紧密联系。在 GNSS信号好的时候使用GNSS，在GNSS信号不好的时候，使用惯性导航，比如室内和隧道等。一般手机都有相关的MEMS器件，极大地扩展了惯性导航在室内定位领域的应用。
5) 红外线( IＲ)
红外定位是通过在要定位的对象上防止一个发射红外线标签，并在室内防止的多个红外传感器来监测标签的距离或角度，计算出对象位置。部署复杂，成本高，主要用于安防。
6) 蓝牙( Bluetooth)
蓝牙定位原理与 WiFi 定位原理类似，通过测量信号强度( ＲSSI) 进行定位。由于室内环境复杂和信号的多径问题，蓝牙系统的稳定性稍差。
7) ＲFID
通过标识检测信号强弱来表示标识之间的距离，采用聚合算法对三维空间进行定位。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便整合到其他的系统之中。
8) 视频
通过对视频进行分析，可以进行精确定位。但视频定位需要复杂的设备和算法，同时只有定位，无法授时。另外视频定位是一种被动定位，被定位的对象本身的信息是未知的。因此，视频定位无法满足广泛的物联网应用需求。
9) 超宽带( UWB)
超宽带技术是近年来发展起来的一种无线电技术，源于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术，由于脉冲时间宽度极短，因此可以实现频谱上的超宽带。定位成本低、抗多径干扰、穿透能力强等特点，但是相对蓝牙定位，功耗较高。
10) WLAN/WiFi
与蓝牙定位类似，WiFi 技术通过 ＲSSI 等方式实 现复杂环境下的定位，同时也使用指纹方法，就是测量 各个区域的信号强度。WiFi 的信号传输易受到多径效应和环境影响，但仍然是各大公司角力的焦点。
11) ZigBee
ZigBee 是一项无线技术标准，采用ＲSSI 技术和指纹技术定位。同样，ZigBee 的信号传输易受到多径效应和环境影响。
12) Z － Wave
Z － Wave 是由丹麦公司 Zensys 所一手主导的无线组网规格，采用ＲSSI技术和指纹技术定位。Z － Wave技术在最初设计时，就定位于智能家居无线控制领域。
二、室内定位技术比较
目前主流室内定位技术还是WiFi和蓝牙定位的主要原因是大量使用。WiFi 和蓝牙同属于802．11协议。最早的 WiFi 定位是微软开发的ＲADAＲ系统。作为IT企业的主要支柱，自然要在定位上与CT企业竞争。微软开发的ＲADAＲ系统可得到平均约3m的定位精度。2001年，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校开发的一种室内 WLAN 定位的Nibble系统，利用WiFi 信号信噪比( Signal to Noise Ｒadio，SNＲ) 作为特征量来建立数据库来进行定位。2002 年，由美国马里兰大学研制的一种WiFi 定位系统 Horus，采用概率模型，使用聚类分块方法，大大降低了计算复杂度。2012年，诺基亚、三星、高通等21家公司组成了室内位置联盟( In － Location Alliance，ILA) ，主推的室内定位技术就是蓝牙4．0 和 WiFi联合定位，但收效甚微。2013 年WWDC大会上苹果发布了iBeacon平台，蓝牙技术才真正从实验走向实践。2015 年7月14日，谷歌发布了开源的 Eddystone平台，该信标平台具 有诸多实用优点，比如无需安装 APP，支持多种操作 系统等。在国内，近年来运用 WiFi 技术发布相关室内定位方案和产品的公司有阿里巴巴旗下的高德地图、百度地图、腾讯、上海图聚( palmap) 、四维、智慧图、金智科技、云景智维等。在蓝牙定位技术中，“寻鹿”“广发easy go”等 APP也采用了类似苹果 iBeacon 协议技术。
WiFi 和蓝牙技术由于使用广泛，使得在室内定位上成为主要方式，但是自身的缺陷也是非常大的: ①作为一种相对 4G/5G 的卸载，WiFi 在公共场合，比如商场等，作为热点覆盖，可以部分解决基础设施布设密度大问题。 ②后期维护成本高，需要经常更换电池，蓝牙发射端电池使用寿命在6个月左右。如果采用指纹定位算法，数据库建立和维护困难。在环境变化以后，比如仓库环境，仓库的货物是经常变动后的，这就需要对数 据库进行更新维护，十分复杂繁琐。③由于采用现有的 WiFi 和蓝牙设备，使用ＲSSI 等方式实现复杂环境下的定位，定位精度可以达到米级。要达到更高的定位，就必须部署更多的WiFi 和蓝 牙设备。与所有无线网络技术定位一样，在室内环境下，信号的多径问题是主要问题。尽管 WiFi 大量使用，具有天生的优势，但是 WiFi 信号带宽较窄，时间分辨率低。④无法实现室内外无缝导航定位。室外手机用户使用的是 GNSS技术，而到室内需要打开或者切换成 WiFi 或蓝牙模式。⑤WiFi 和蓝牙定位无法完成精确的授时服务。 也就是说，无法完成物联网需要的时空数据的采集。⑥无法适应大范围的应用场景。在复杂的港口、 码头、工厂等环境中，由于各种管道和高楼，北斗信号 有时无法到达，这可以视为一种特殊的室内定位。这 种定位，、由于地域广大，无法使用 WiFi 和蓝牙这种室 内定位方法。
三、室内伪卫星定位系统
北斗卫星处于 2 万 km 的太空，到达地面的信号非常微弱，无法传播到室内，因此，在室内无法象在室外一样直接接收导航卫星广播的导航数据和时间信息。这个时候就需要对北斗卫星的信号进行增强。因此，就出现了伪卫星。从本质上看，伪卫星是导航卫星的信号增强卫星，可以天基部署，也可以地面部署。对导航卫星的信号增强有许多方式，伪卫星( Pseudolites) 是其中之一。伪卫星最简单的形式是北斗信号产生器和发射装置。天基部署的伪卫星可以快速在全球部署增强系统，特定情况下甚至可以替代北斗卫星星座。米风感知的地基增强伪卫星，由于采用 UHF 波段播发增强信号，可以有效到达室内，使室内定位精度大大提高。在一些场合，比如室内、地下等无法接收到北斗卫星信号的场合下能完全替代北斗卫星。
在进行卫星定位的时候，一般选择 3 颗或4 颗卫星，选择的3颗或4颗卫星的几何分布情况影响定位精度，在卫星几何配置不好或某个卫星故障时，伪卫星就可以替代空中的一颗北斗卫星，同时又改善了GDOP，提高北斗的定位精度。进一步人们又把差分技术和伪卫星技术结合在一起，即伪卫星差分技术( PDT) 。伪卫星可以是地面上的，也可以是天基的。不管是信息增强还是信号增强，采用地基增强 GNSS 的系统的覆盖范围有限，无法提供全球无缝统一的高精度服务。目前国内常用的地基增强是ＲTK( Ｒeal － time kinematic，实时动态载波相位差分) 系统。但是 ＲTK 系统需要区域密集参考站网的支持。 PPP( 广域精密单点定位) 是另外一种高精度定位技术，PPP 不依赖于密集的参考站，但 PPP 首次定位时间大约 30 min，且信号失锁后的重新初始化时间也需要 30 min 左右，几乎与首次定位的时间一样长，无法满足实时定位要求。ＲTK 和 PPP 定位的一个共同的特点，就是无法满足高楼和立交桥日益增加的城市环境，也无法满足复杂地形的需求。这些地方，大部分卫星信号被遮挡，ＲTK 和PPP 都无法提供连续可用的导航定位服务。 因此，需要北斗星基增强。
武汉大学的珞珈一号 01 星就是一颗天基的实验伪卫星。珞珈一号总质量 20 kg，使用的太阳同步轨道 高度为 645 km，单次过顶时间为 10 min。通过使用 OCXO 代替原子钟而大大降低成本。珞珈一号接收北 斗和 GPS 双频信号，用来进行实时自主精密确定自己 的轨道和授时，并生成双频测距信号向地面播发，供地 面终端定位使用。 实验结果表明: 星历内符合精度为 0．1 m，时钟稳 定度为 3 × 10 － 10，伪距测量精度为 2．6 m，高仰角条件 下优于 1．5 m。载波差分测量精度为 1．3 cm，高仰角 条件下优于 1．7mm。这就是说，在高仰角条件下，可以满足毫米级定位需求。 当伪卫星采用北斗相近的频谱的时候，由于北斗卫星与用户之间的相对距离变化不大，而伪卫星相对于北斗卫星离用户机要近得多，这样伪卫星存在的一 个远近效应，使得用户机接收北斗卫星信号的强度相对稳定。而伪卫星离用户机较近，相对距离变化较大。近距离区域，伪卫星的信号过强就干扰北斗信号; 距离较远的区域，伪卫星的信号又太弱，用户机无法跟踪和捕获。所以在一定区域内，如何部署伪卫星是一个问题。根本的解决方案是采用不同的频谱，特别是使用 UHF 频点发射增强报文，有更好的室内穿透能力。但是，采用与北斗不同的频谱，除非特定的应用芯片支持，一般是不会的。伪卫星存在的另一个问题是多路效应。在室内定位，空间狭小，测量数据质量将受到严重的多路径误差影响，伪卫星设备一般位于地面，仰角较低 ( 低 于 15°) ，信号受地面物体的遮挡将更为严重，其多路径干扰信号在观测量上呈高度相关性。
四、结论
目前室内定位技术还没有突破性的进展，采用伪卫星是一个很好的方式，主要优势是:
可以实现室内室外无缝定位。其他的定位技术无 法实现与北斗的完美融合。可以实现“位置 + 时间 + 信息”的完美融合。特别在时间上，其他定位技术无法有效实现。 通过提供天基北斗伪卫星，可以实现全球北斗信号增强，这对北斗的全球应用意义巨大。通过地基伪卫星，可以组建脱离北斗的伪卫星导航系统，客户已应变特殊情况。通过搭载其他载具，比如飞机、无人机和气球等，可以快速形成一个区域定位系统，这对于应急、战场等有巨大的意义。