室内定位技术应用于游泳运动测量的可行性分析
于向怀 向政 孟祥涛
【摘 要】为将室内定位技术应用于游泳运动测量，论文对几种主流室内定位技术的原理和国内发展情况展开介绍，包括无线保真（Wi-Fi）、蓝牙、ZigBee、蜂窝网络、超宽带、伪卫星、惯性导航和水声定位系统。论文基于国内定位技术原理及最新精度，讨论无额外设备辅助的室内定位技术应用于游泳运动测量的可行性，并在此基础上总结提出多传感器组合导航定位方案应用于游泳运动测量的方案。
【Abstract】In order to apply indoor positioning technology to swimming measurement， this paper introduces the principle and domestic development of several mainstream indoor positioning technologies， including Wi-Fi， Bluetooth， ZigBee， cellular network， UWB， pseudo-satellite， inertial navigation and underwater acoustic positioning system. Based on the principle of domestic positioning technology and the latest precision， this paper discusses the feasibility of indoor positioning technology applied to swimming measurement without the assistance of additional equipment， and on this basis summarizes the scheme of multi-sensor combined navigation and positioning scheme applied to swimming measurement.
【关键词】室内定位;游泳运动测量;应用可行性分析
【Keywords】indoor positioning; swimming measurement; feasibility analysis of application
【中图分类号】TP391.4 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2021）06-0171-03
1 研究背景及意义
基于位置的服务（location-based service，LBS）已经成为人们生活中必不可少的一部分，LBS服务应用前提是提供准确的定位信息。目前，人们可依赖全球卫星导航系统（global navigation satellite system， GNSS）主要是美国的GPS（Global Positioning System），可以达到亚米级的室外定位精度。但是建筑物对卫星信号的遮挡效果极强，室内定位无法利用GNSS技术实现。大多数人群的70%～90%的活动时间均在室内，且室内环境下的其他定位服务应用，如扫地机器人等对LBS服务的需求十分迫切。在无法使用卫星定位的情况下，开展精确室内定位技术研究是整个室内定位市场的迫切需求。
2011年谷歌通过无线保真（wireless fidelity， Wi-Fi）信息和通信基站信息等发布室内地图指纹，覆盖包括商场超市、机场、车站等建筑物，实现室内定位的方案; 我国在“十二五”期间启动并开展了“羲和”计划，目的是构建室内精度3m、室外精度1m的精密定位服务系统;“十三五”规划也对室内定位进行了支持。
本文以国内外主流的室内定位技术作为参考，总结现有技术方案的优缺點，探讨其在游泳运动中应用的可行性，并且对国内室内定位技术的发展作了一定的分析和展望。
2 室内定位技术方案
定位方案室外大尺度环境下有GPS、天文、地貌等，不作赘述。室内方案有：无线局域网（Wi-Fi）定位、蓝牙定位、ZigBee定位、蜂窝网络定位、超宽带（UWB）定位、伪卫星室内定位、射频识别定位、超声波定位、雷达定位、红外定位等方案。以下对室内定位方案按照原理、特点、产品、可行性的方向进行分析介绍。
2.1 无线局域网定位
无线局域网部署方便，成本较低，且不需要外部辅助设备，定位精度是亚米级，相对较高，被广泛应用于室内定位中。MinhTuHoang等人基于递归神经网络提出Wi-Fi-RSSI指纹室内定位方法，与传统的RNN解决方案不同，针对移动的轨迹进行计算定位，同时结合RSSI信号进行计算，定位精度可达0.75m。从可行性分析角度，因为水对频率2.4GHz波长125mm和频率5GHz波长60mm波长的电磁波都有吸收作用，并且对5GHz频率吸收更多，所以认为技术路线不可行。
2.2 蓝牙定位
蓝牙室内定位技术部署的成本比较低，使用安全性很高，但蓝牙信号容易被干扰，导致整个系统的稳定性比较差。常用的定位方法包含了质心法、近邻探测法和指纹定位方法等。由北京邮电大学牵头的“曦和”室内外高精度位置服务平台采用的是蓝牙方案，定位精度可以达到1～3m。蓝牙定位成本低、功耗小，但容易被干扰。从可行性分析角度，认定其不可行，因为蓝牙使用的也是2.4GHz电磁波。
2.3 ZigBee
ZigBee定位技术适用于距离比较近、定位频率要求较低的场景，ZigBee是通过多个ZigBee节点之间相通信计算通信时间，从而实现定位，优点是功耗低、成本低，常用的ZigBee定位方法是质心定位法、近邻探测法等。ZheDong提出基于指纹识别定位的ZigBee室内定位技术方案，在定位区域中按点不断收集RSSI数据，对数据进行处理后构建成指纹数据库，为定位打下基础。之后采用面积加权的K近邻方法，实现了1.5m的定位精度。从可行性角度分析，因为信号被水吸收以及定位精度问题，认定其不可行。
2.4 蜂窝网络
蜂窝定位方式是依托手机作为定位终端，通过测量手机和多个运营商基站的通讯距离，从而获得手机的位置，其功耗低、成本低，常用的定位方法主要是TDOA和近邻探测法。Varshavsky等人提出的基于蜂窝网络的室内定位方法，通过计算信号RSSI进行定位，定位精度可以达到2～4m。从可行性角度分析同上，被吸收以及定位精度不符合需求。其波长频率分布较复杂，根据不同运营商有不同的频率波段，暂不分析。
2.5 超宽带（Ultra Wide Band，UWB）
超宽带（Ultra Wide Band，UWB）依然是基于无线信号的定位方式，但其通过对纳秒量级的脉冲进行调制到GHz的方案进行定位，根据美国联邦通信委员会的规范，规定3.110.6GHz为UWB的工作频率，主要优势是抗干扰能力强、穿透能力强，具有很高的定位准确度和定位精度。Dongchen Ni等提出一种基于卡尔曼滤波算法结合3-DTOA的UWB定位系统方案，定位精度在5～10cm。UWB定位系统有定位精度高、穿透性强等众多优点，但其设备成本较为昂贵，不适合大面积推广部署。从可行性分析角度，因为UWB技术是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术，根据水的吸收谱，认定其不可行。
2.6 伪卫星室内定位
伪卫星定位技术的原理类似于室外的GPS技术，将卫星信号引入室内，但定位精度受限于伪卫星与接收机构成的几何图形强度。LOCATA公司开发了利用TimeLoc技术进行时间同步的Locata Net伪卫星定位，室内定位精度可以达到厘米级。伪卫星定位技术目前的不足主要是伪卫星和GNSS卫星时间同步、信号传播的多径衰落问题。较为成熟的产品暂无，从游泳应用可行性分析角度来看，该方案因为水的吸收问题不可行。
2.7 射频识别
RFID采用射频的方式进行通信，计算传输时间从而定位，作用距离很短，但是可以在毫秒级时间内达到厘米级精度，并且布局简单，成本较低，广泛应用于仓库管理中。Andrea Motroni提出基于相位的UHF-RFID无源标签室内定位法，定位精度可以达到20cm。但从可行性角度分析来看，其定位距离过短，并且频率为135kHz～2.45GHz，也会被水吸收。
2.8 超声波定位
超声波定位方案利用反射式测距方法结合多边方案从而确定物体位置，系统由测距器和接收器组成。定位時，由测距器向接收器发送信号，接收器接收到后反向传输会测距器，从而获取传播时间，确定位置。超声波定位精度较高，可达到厘米级，且结构简单。从可行性分析角度，超声波在水下可以传播，原理上可行，但定位精度与体积相关，但精度越高，其产品越大，不可应用于游泳运动。
2.9 红外定位
红外线室内定位方案主要采用2种方法：第一种方法采用被红外线IR标识作为定位目标，通过室内的接收器接收红外射线，从而进行定位;第二种方案是将红外线信号组成红外线网布置在整个待测空间，通过对信号的反射等对目标进行定位。但目前仅适用于实验室内对简单物体的轨迹精确定位记录以及室内自走机器人的位置定位。从可行性分析角度，布置场景花费较大，游泳馆场景布置需要定制，从光的吸收角度，水对红外线有一定的吸收作用，所以认定方案不可行。
2.10 雷达定位
雷达定位的原理是通过发射机将电磁波能量定向射出，物体对电磁波进行反射，雷达通过接收到反射的电磁波信号，计算传播时间和方向，从而获取定位物体的位置。雷达定位方案在室外场景下已经广泛应用，尤其在军事中，室内定位可以利用小型的雷达方案。其现有产品众多，暂不一一列举。因从可行性分析角度来看，雷达使用的信号依然是电磁波，水对电磁波的吸收作用很强，认定方案不可行。
2.11 视觉定位
视觉定位是利用两帧图像之间的差异进行分析，从而获得相对位置偏移。其方案较多，有单目、多目以及RGBD等，使用较为灵活。现有产品无，方案具有一定的可行性，但无现成产品可直接使用，需要开发或者定制，水下定位需要注意的是水对光的折射作用。
3 游泳池内测速方案的设计
3.1 设计方案
由于水对各种信号的吸收以及佩戴传感器体积限制，最后设计方案采用视觉定位和惯性导航定位作为分部件平台，采用卡尔曼滤波方法进行数据融合。
3.2 技术实现
本文设计并实现了1个游泳池测速定位系统，主要技术要求为：在长宽尺寸为50m×25m，水深不超过3m的标准游泳池内，系统响应时间小于1s，定位误差1m以内。设计思路如下。
3.2.1 硬件方案
视觉方案硬件部分需要的仅为1个高清摄像头和游泳运动员颜色鲜明的衣服。惯性导航硬件部分采用MTI-3作为主要测量单元，使用CC3200作为主控制器，进行数据存储和收发。
3.2.2 算法方案
采用Yolo v5算法进行主体跟踪，同时进行计算定位;惯性导航按照航位推算方法进行测姿测速，但容易发散;结合二者优势和劣势，采用卡尔曼滤波方法对二者数据进行融合，从而得到高精度的定位结果。
3.2.3 软件方案
基于C语言开发平台开发显示界面，同时实现相机的开关机、图像采集、图像定位的启停工作，并且对位置进行计算，游泳结束后还可以对数据进行动画反演，同时与视觉图像进行互补与对比，为游泳运动员提供更直观的参考。
4 结论
本文对无线保真（Wi-Fi）、蓝牙、ZigBee、蜂窝网络、超宽带、伪卫星、惯性导航和水声定位系统等几种主流室内定位技术的原理和国内发展情况进行了介绍，并在此基础上总结提出多传感器组合导航定位方案应用于游泳运动测量的方案，并就方案的算法方面、硬件方面及软件方案进行了介绍。
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