Opportunities in Location Based Services (LBS) Market
【3S Market】這篇定位技術不看，你說想進物聯網市場，根本就是鬧著玩的……
來源：自和桥机构
早在15世紀，當人類開始探索海洋的時候，定位技術也隨之催生。當時的定位方法十分粗糙，就是是運用航海圖和星象圖，以確定自己的位置。
隨著社會的進步和科技的發展，定位技術在技術手段、定位精度、可用性等方面，均取得優質的飛越，並且逐步從航海、航天、航空、測繪、軍事、自然災害預防等「高大上」的領域，逐步滲透社會生活的方方面面，成為人們日常中不可或缺的重要應用——比如人員搜尋、位置找查、交通管理、車輛導航與路線規劃等等……
總體來說，定位可以按照使用場景的不同，劃分為室內定位和室外定位兩大類，因為場景不同，需求也就不同，所以分別採用的定位技術，也不盡相同。
成熟的室外定位技術
目前應用於室外定位的主流技術，主要有衛星定位和基地台定位兩種。
1.衛星定位
衛星定位即是透過接收衛星，提供的經緯度坐標信號，來進行定位，衛星定位系統主要有：美國全球定位系(GPS)、俄羅斯格洛納斯(GLONASS)、歐洲伽利略(GALILEO)系統、對岸中國北斗衛星導航系統，其中GPS系統是現階段應用最為廣泛、技術最為成熟的衛星定位技術。
GPS全球衛星定位系統由三部分組成：空間部分、地面控制部分、用戶設備部分。
空間部分是由24 顆工作衛星組成，它們均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆)，衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間，都可觀測到4 顆以上的衛星，並能保持良好定位解算精度的幾何圖象；
控制部分主要由監測站、主控站、備用主控站、資訊注入站構成，主要負責 GPS 衛星陣的管理控制；
用戶設備部分主要是GPS接收機，主要功能是接收GPS衛星發射的信號，獲得定位資訊和觀測量，經數據處理實現定位。
GPS的定位原理說白了，就是透過四顆已知位置的衛星，來確定GPS接收器的位置。
要達到這一目的，衛星的位置可以根據星載時鐘，所記錄的時間，在衛星星歷中查出。而用戶到衛星的距離，則透過記錄衛星信號，傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到(由於大氣層電離層的干擾，這一距離並不是用戶與衛星之間的真實距離，而是偽距)。
當GPS衛星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元，組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發射導航電文。導航電文包括衛星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等資訊。
然而，由於用戶接受機使用的時鐘與衛星星載時鐘，不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標x、y、z外，還要引進一個變量 t ，即衛星與接收機之間的時間差作為未知數，然後用4個方程將這4個未知數解出來。
所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛星的信號。如下圖所示：
圖：GPS定位原理
衛星定位雖然精度高、覆蓋廣，但其成本昂貴、功耗大，並不適合於所有用戶。
2.基地台定位
基地台定位一般應用於手機用戶，手機基地台定位服務又叫做行動位置服務(LBS，Location Based Service)，它是透過行動電信商的網路(如GSM網)獲取行動終端用戶的位置資訊。
手機等行動設備在插入SIM卡開機以後，會主動搜索周圍的基地台資訊，與基地台建立聯繫，而且在可以搜索到信號的區域，手機能搜索到的基地台不止一個，只不過遠近程度不同，再進行通信時，會選取距離最近、信號最強的基地台，作為通信基地台。
其餘的基地台並不是沒有用處了，當你的位置發生移動時，不同基地台的信號強度會發生變化，如果基地台A的信號不如基地台B了，手機為了防止突然間中斷鏈接，會先和基地台B進行通信，協調好通信方式之後，就會從A切換到B。
這也就是為什麼同樣是待機一天，你在火車上比在家裡耗電要多的原因，手機需要不停的搜索、連接基地台。
基地台定位的原理也很簡單：我們知道，距離基地台越遠，信號越差，根據手機收到的信號強度，可以大致估計距離基地台的遠近，當手機同時搜索到至少三個基地台的信號時(現在的網路覆蓋這是很輕鬆的一件事情)，大致可以估計出距離基地台的遠近；
基地台在行動網路中是唯一確定的，其地理位置也是唯一的，也就可以得到三個基地台(三個點)距離手機的距離，根據三點定位原理，只需要以基地台為圓心，距離為半徑多次畫圓即可，這些圓的交點就是手機的位置。
圖：基地台「三點定位」原理
由於基地台定位時，信號很容易受到干擾，所以先天就決定了它定位的不準確性，精度大約在150米左右，基本無法開車導航。
定位條件是必須在有基地台信號的位置，手機處於SIM卡註冊狀態(飛行模式下開WiFi和拔出SIM卡都不行)，而且必須收到3個基地台的信號，無論是否在室內。但是，定位速度超快，一旦有信號就可以定位，目前主要用途是沒有GPS且沒有WiFi的情況下，快速大體瞭解下你的位置。
表：兩種室外定位技術的對比
定位技術
| GPS定位 | LBS定位 |
| 原理 |
衛星定位
| 基地台定位 |
| 精度 | 精度高（5-10m） |
精度較低（市區20-200m；郊區1000-2000m）
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耗電量
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很大，需要手機為GPS模組提供高壓供電
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基地台採集數據即可，不消耗手機電量
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優點
| 室外定位精度高；
覆蓋廣 |
定位速度超快；
不受天氣、高樓、位置等等的影響；
功耗低 |
缺點
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1.GPS系統的天線必須在室外並且能看到大面積天空，否則無法定位，受天氣和位置影響很大；
2.比較耗電；3.成本較高 |
1.定位條件是必須在有基地台信號的位置，手機處於sim卡註冊狀態），且必須收到3個基地台的信號；
2.定位精度低 |
定位技術從室外走向室內
GPS和基地台定位技術，基本滿足了用戶在室外場景中，對位置服務的需求。然而，人的一生當中有80%的時間是在室內度過的，個人用戶、服務機器人、新型物聯網設備等大量的定位需求，也發生在室內；而室內場景受到建築物的遮擋，GNSS信號快速衰減，甚至完全拒止，無法滿足室內場景中，導航定位的需要。
近年來，位置服務的相關技術和產業，正從室外向室內發展，以提供無所不在的，基於位置的服務，其主要推動力是室內位置服務，所能帶來的巨大的應用和商業潛能。
許多公司包括OS提供商、服務提供商，設備和晶片提供商，都在競爭這個市場。
1.室內定位應用
室內定位即透過技術手段，獲知人們在室內所處的即時位置，或者行動軌跡。基於這些資訊能夠實現多種應用。
大型商場中的商店，能夠透過室內定位技術，獲知哪些地方人流量最大，客人們通常會選擇哪些行動路線等，從而更科學地佈置櫃台，或者選擇舉辦促銷活動的地點。
客人也可以利用室內定位技術，更方便地找到所需購買物品的擺放區域，並獲得前往該處的最佳路線。
家長不用再擔心孩子在商場中走失，透過室內定位技術可以即時定位孩子的位置。
公司的管理者則可以運用室內定位技術，即時獲知室內的人員狀況，從而更好地優化空調的使用等，達到節能減碳的目的，還能夠有效提高安全保全的水準。
透過部署室內定位技術，電信商能夠更好地找到室內覆蓋的「盲點」和「熱點」區域，更好地在室內為用戶，提供通信服務。
......
2.室內定位面臨的挑戰
和室外定位相比，室內定位面臨很多獨特的挑戰， 比如說室內的環境動態性很強，可以說是多種多樣，不同的大廈會有不同的室內佈局；室內的環境更加精細，由此也需要更高的精度來分辨不同的特徵。
那麼實用的室內定位解決方案，都需要滿足那些要求呢？主要包括以下幾個方面：精度、覆蓋範圍、可靠性、成本、功耗、可擴展性和響應時間。
精度：對精度的要求不同的應用差別很大，比如在超市或倉庫，找一個特定的商品，可能需要1米，甚至更低的精度，如果在購物中心尋找一個特定的品牌或餐館，5-10米的精度就能滿足要求。
覆蓋範圍：覆蓋範圍主要是指一個技術和解決方案，可以在多大的範圍內，提供滿足精度的覆蓋。有些技術需要相應或專用的基礎設施支撐，並結合相應的定位終端使用，這樣它的覆蓋就只是佈局了相應技術的環境範圍。
可靠性：前面提到室內環境動態性很強，會經常發生改變，比如商場的設置和隔斷，會經常發生變化。另一方面，定位所依賴的基礎設施，也會經常發生變化。
舉個例子，一些大型的會議，參展商會架設自己的WiFi 熱點， 這些設施會動態變化位置，甚至有時開有時關，如果定位技術是基於WiFi的，可靠的系統應該不會受到這些因素的影響。
成本和複雜度：成本和複雜度指標涵蓋兩個方面。一個是定位終端的成本，是不是可以用終端已有的硬體，而不添加新的硬體。另一方面是佈局和維護的成本，及其複雜度，包括佈局與維護定位所需要的設施，和採集相關的數據庫。
功耗：定位所產生的功耗，是一個很重要的指標。尤其對使用電池的行動設備，如果功耗大很快使設備沒電了，就限制了用戶的使用。有調查顯示，電池消耗過快，是很多用戶不開啓定位功能的一個主要因素。所以，如果要實現隨時隨地的位置感知，必須降低定位所增加的設備額外功耗。
可擴展性：可擴展性指一個解決方案，擴展到更大的覆蓋範圍使用的能力，和方便地移植到不同的環境和應用的能力。
響應時間：系統給出一個位置更新，所需的時間是響應時間，不同的應用需求不同，比如行動用戶和導航應用，需要快的位置更新。
蓬勃發展的室內定位技術
室內定位的技術分支多樣，下圖是各種室內定位方案的對比圖：
目前室內定位常用的定位方法，從原理上主要分為七種：鄰近探測法、質心定位法、多邊定位法、三角定位法、極點法、指紋定位法和航位推算法。
| 定位原理 | 描述 |
特點
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臨近探測法
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透過一些有範圍限制的物理信號的接收，從而判斷行動設備，是否出現在某一個發射點附近。
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該方法雖然只能提供大概的定位資訊，但其布設成本低、易於搭建，適合於一些對定位精度要求不高的應用，例如自動辨識系統，用於公司的員工簽到。
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質心定位法
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根據行動設備可接收信號範圍內，所有已知的信標（beacon）位置，計算其質心座標作為行動設備的座標。
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該方法易於理解，計算量小，定位精度取決於信標的布設密度。
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多邊定位法
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透過測量待測目標到已知參考點之間的距離，從而確定待測目標的位置。
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精度高、應用廣。
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| 三角定位法 |
該方法是在獲取待測目標相對２個已知參考點的角度後，結合兩參考點間的距離資訊，可以確定唯一的三角形，即可確定待測目標的位置。
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精度高、應用廣。
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極點法
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透過測量相對某一已知參考點的距離和角度，從而確定待測點的位置。
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該方法僅需已知一個參考點的位置座標，因此使用非常方便，已經在大地測量中得到廣泛應用。
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指紋定位法
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在定位空間中建立指紋數據庫，通過將實際資訊與數據庫中的參數，進行比對來實現定位。
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指紋定位的優勢是幾乎不需要參考測量點，定位精度相對較高；但缺點是前期離線建立指紋庫的工作量巨大，同時很難自適應於環境變化較大的場景。
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| 航位推算法 |
是在已知上一位置的基礎上，透過計算或已知的運動速度和時間計算得到當前的位置。
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數據穩定，無依賴，但該方法存在累積誤差，定位精度隨著時間增加而惡化。
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不同的室內定位方法，選擇不同的觀測量，透過不同的觀測量提取算法所需要的資訊。下表對主要的觀測量進行簡要的介紹。
觀測量
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簡介
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RSSI測量
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它是透過計算信號的傳播損耗，可以使用理論或者經驗模型，來將傳播損耗轉化為距離，也可以用於指紋定位建立指紋庫。
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TOA測量
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該方法主要測量信號在基地台和移動台之間的單程傳播時間，或來回傳播時間。前者要求基地台與移動台間的時鐘同步。
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TDOA測量
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該方法同樣是測量信號到達時間，但使用到達時間差進行定位計算，可利用雙曲線交點，確定移動台位置，故可以避免對基地台和移動台的精確同步。
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AOA測量
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該方法是指接收機，透過天線陣列測出電磁波的入射角度，包括測量基地台信號到移動台的角度或者移動台信號，到達基地台的角度。每種方式均會產生從基地台到移動台的方向線。2個基地台可以得到2條方向線，其交點即為移動台位置。因此，AOA方法只需要2個基地台即可確定移動台位置。
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方向和距離
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獲取方向和距離多用於航位推算定位，採用自包含傳感器記錄載體的實體資訊，計算得到方向和距離，從而在已知上一位置的基礎上，計算得到當前的位置。
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根據上面介紹的定位原理和觀測量，衍生出了多種室內定位技術，下面將對主流的室內定位技術，進行簡要介紹。
1.WiFi定位技術
目前WiFi是相對成熟且應用較多的技術，這幾年有不少公司投入到了這個領域。WiFi室內定位技術主要有兩種。
WiFi定位一般採用「近鄰法」判斷，即最靠近哪個熱點或基地台，即認為處在什麼位置，如附近有多個信源，則可以透過交叉定位(三角定位)，提高定位精度。
由於WiFi已普及，因此不需要再鋪設專門的設備用於定位。用戶在使用智慧手機時開啓過WiFi、行動蜂窩網路，就可能成為數據源。該技術具有便於擴展、可自動更新數據、成本低的優勢，因此最先實現了規模化。
不過，WiFi熱點受到周圍環境的影響會比較大，精度較低。為了做得準一點，有公司就做了WiFi指紋採集，事先記錄巨量的確定位置點的信號強度，透過用新加入的設備的信號強度，比對擁有巨量數據的數據庫，來確定位置。
由於採集工作，需要大量的人員來進行，並且要定期進行維護，技術難以擴展，很少有公司能把市場上的這麼多商場，定期的更新指紋數據。
WiFi定位可以實現複雜的大範圍定位，但精度只能達到2米左右，無法做到精準定位。因此適用於對人或者車的定位導航，可以於醫療機構、主題公園、工廠、商場等，各種需要定位導航的場合。
2.RFID定位
RFID定位的基本原理是，透過一組固定的閱讀器，讀取目標RFID標籤的特徵資訊(如身份ID、接收信號強度等)，同樣可以採用近鄰法、多邊定位法、接收信號強度等方法，確定標籤所在位置。
這種技術作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內，得到釐米級定位精度的資訊，且傳輸範圍很大，成本較低。同時由於其非接觸和非視距等優點，可望成為優選的室內定位技術。
目前，射頻辨識研究的熱點和難點，在於理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標準化等問題。
優點是標識的體積比較小，造價比較低，但是作用距離近，不具有通信能力，而且不便於整合到其他系統之中，無法做到精準定位，佈設讀卡器和天線，需要有大量的工程實踐經驗難度大。
3.紅外線技術
紅外線是一種，波長在無線電波和可見光波之間的電磁波。紅外線定位主要有兩種具體實現方法，一種是將定位對象，附上一個會發射紅外線的電子標籤，透過室內安放的多個紅外線感測器測量信號源的距離或角度，從而計算出對象所在的位置。
這種方法在空曠的室內，容易實現較高精度，可實現對紅外線輻射源的被動定位，但紅外線很容易被障礙物遮擋，傳輸距離也不長，因此需要大量密集部署感測器，造成較高的硬體和施工成本。此外紅外線易受熱源、燈光等干擾，造成定位精度和準確度下降。
該技術目前主要用於軍事上對飛行器、坦克、導彈等紅外線輻射源的被動定位，此外也用於室內自走機器人的位置定位。
另一種紅外線定位的方法是紅外線織網，即透過多對發射器和接收器，織成的紅外線網覆蓋待測空間，直接對運動目標進行定位。
這種方式的優勢，在於不需要定位對象，攜帶任何終端或標籤，隱蔽性強，常用於安全監控領域。缺點在於要實現精度較高的定位，需要部署大量紅外線接收和發射器，成本非常高，因此只有高等級的安全監控才會採用此技術。
4.超音波技術
超音波定位，目前大多數採用反射式測距法。系統由一個主測距器和若干個電子標籤組成，主測距器可放置於移動機器人本體上，各個電子標籤放置於室內空間的固定位置。
定位過程如下：先由上位機發送同頻率的信號，給各個電子標籤，電子標籤接收到後，又反射傳輸給主測距器，從而可以確定各個電子標籤，到主測距器之間的距離，並得到定位座標。
目前，比較流行的基於超音波室內定位的技術，還有兩種：一種為將超音波與射頻技術結合進行定位。由於射頻信號傳輸速率接近光速，遠高於射頻速率，那麼可以利用射頻信號先激活電子標籤，而後使其接收超音波信號，利用時間差的方法測距。這種技術成本低，功耗小，精度高。
另一種為多超音波定位技術。該技術採用全局定位，可在移動機器人身上4個朝向安裝4個超音波感測器，將待定位空間分區，由超音波感測器測距形成座標，總體把握數據，抗干擾性強，精度高，而且可以解決機器人迷路問題。
超音波定位精度可達釐米級，精度比較高。缺陷是超音波在傳輸過程中衰減明顯，從而影響其定位有效範圍。
5.藍牙技術
藍牙定位基於RSSI(Received Signal Strength Indication，信號場強指示)定位原理。根據定位端的不同，藍牙定位方式分為網路側定位和終端側定位。
網路側定位系統由終端(手機等頻寬低功耗藍牙的終端)、藍牙beacon節點，藍牙網關（Gateway），無線局域網，及後端數據伺服器構成。其具體定位過程是：
1)首先在區域內鋪設beacon和藍牙Gateway。
2)當終端進入beacon信號覆蓋範圍，終端就能感應到beacon的廣播信號，然後測算出在某beacon下的RSSI值，透過藍牙Gateway經過WiFi網路，傳送到後端數據伺服器，透過伺服器內置的定位算法，測算出終端的具體位置。
終端側定位系統由終端設備(如嵌入SDK軟體包的手機)和beacon組成。其具體定位原理是：
1)首先在區域內鋪設藍牙信標
2)beacon不斷的向周圍廣播信號和數據包
3)當終端設備進入beacon信號覆蓋的範圍，測出其在不同基地台下的RSSI值，然後再透過手機內置的定位算法，測算出具體位置。
終端側定位一般用於室內定位導航，精準位置行銷等用戶終端；而網路側定位主要用於人員跟蹤定位，資產定位及客流分析等情境之中。
藍牙定位的優勢在於實現簡單，定位精度和藍牙信標的鋪設密度，及發射功率有密切關係。並且非常省電，可透過深度睡眠、免連接、協議簡單等方式，達到省電目的。
6.慣性導航技術
這是一種純客戶端的技術，主要利用終端慣性感測器採集的運動數據，如加速度感測器、陀螺儀等，測量物體的速度、方向、加速度等資訊，基於航位推測法，經過各種運算，得到物體的位置資訊。
隨著行走時間增加，慣性導航定位的誤差，也在不斷累積。需要外界更高精度的數據源，對其進行校準。
所以現在慣性導航一般和WiFi指紋結合在一起， 每過一段時間，透過WiFi請求室內位置，以此來對MEMS產生的誤差，進行修正。該技術目前的商用也比較成熟，在掃地機器人中得到廣泛應用。
7.超寬頻(UWB)定位技術
超寬頻技術是近年來新興的一項全新、與傳統通信技術，有極大差異的無線通信新技術。
它不需要使用傳統通信體制中的載波，而是透過發送和接收具有奈秒或微秒級以下的，極窄脈衝來傳輸數據，從而具有3.1~10.6GHz量級的頻寬。
目前，包括美國，日本，加拿大等在內的國家，都在研究這項技術，在無線室內定位領域，具有良好的前景。
UWB技術是一種傳輸速率高，發射功率較低，穿透能力較強，並且是基於極窄脈衝的無線技術，無載波。正是這些優點，使它在室內定位領域，得到了較為精確的結果。
超寬頻(UWB)定位技術，利用事先佈置好的，已知位置的錨節點和橋節點，與新加入的盲節點進行通訊，並利用三角定位或者「指紋」定位方式，來確定位置。
超寬頻可用於室內精確定位，例如戰場士兵的位置發現、機器人運動跟蹤等。
超寬頻系統與傳統的窄頻系統相比，具有穿透力強、功耗低、抗干擾效果好、安全性高、系統複雜度低、能提供精確定位精度等優點。
因此，超寬頻技術可以應用於室內靜止或者移動物體，以及人的定位跟蹤與導航，且能提供十分精確的定位精度。根據不同公司使用的技術手段或算法不同，精度可保持在0.1 m~0.5 m。
8.LED可見光技術
可見光是一個新興領域，透過對每個LED進行編碼，將ID調制在燈光上，燈會不斷發射自己的ID，透過利用手機的前置攝影機，來辨識這些編碼。利用所獲取的辨識資訊，在地圖數據庫中，確定對應的位置資訊，完成定位。
根據燈光到達的角度，進一步細化定位的結果，高通公司做到了釐米級定位精度。
由於不需要額外部署基礎設施，終端數量的擴大，對性能沒有任何的影響，並且可以達到一個非常高的精度，該技術被高通公司所看好。
目前，可見光技術在北美、歐洲有很多商場已經在部署。用戶下載應用後，到達商場裡的某一個貨架，透過檢測貨架周圍的燈光，即可知曉具體位置，商家在透過這樣的方法，向消費者推播商品的折扣等資訊。
9.地磁定位技術
地球可視為一個磁偶極，其中一極位在地理北極附近，另一極位在地理南極附近。地磁場包括，基本磁場和變化磁場，兩個部分。
基本磁場是地磁場的主要部分，起源於地球內部，比較穩定，屬於靜磁場部分。變化磁場包括地磁場的各種短期變化，主要起源於地球內部，相對比較微弱。
現代建築的鋼筋混凝土結構，會在局部範圍內對地磁產生干擾，指南針可能也會因此受到影響。原則上來說，非均勻的磁場環境，會因其路徑不同，產生不同的磁場觀測結果。
而這種被稱為 Indoor Atlas的定位技術，正是利用地磁在室內的這種變化進行室內導航，並且導航精度已經可以達到 0.1 米到 2 米。
不過使用這種技術進行導航的過程，還是稍顯麻煩。你需要先將室內樓層平面圖，上傳到 Indoor Atlas 提供的地圖雲中，然後你需要使用其行動客戶端，實地記錄目標地點不同方位的地磁場。記錄的地磁數據，都會被客戶端上傳至雲端，這樣其他人才能利用已記錄過的地磁，進行精確室內導航。
對岸中國的百度，於2014年策略投資了地磁定位技術開發商Indoor Atlas，並於2015年6月宣佈，在自己的地圖應用中，使用其地磁定位技術，將該技術與WiFi熱點地圖、慣性導航技術聯合使用。
精度高， 宣傳商業應用中，可以達到米級定位標準，但磁信號容易受到環境中不斷變化的電、磁信號源干擾，定位結果不穩定，精度會受影響。
10.視覺定位
視覺定位系統可以分為兩類，一類是透過移動的感測器(如攝影機)採集圖像，確定該感測器的位置，另一類是固定位置的感測器，確定圖像中待測目標的位置。根據參考點選擇不同，又可以分為參考三維建築模型、圖像、預部署目標、投影目標、參考其他感測器和無參考。
參考3D建築模型和圖像，分別是以已有建築結構數據庫，和預先標定圖像進行比對。而為了提高強健性，參考預部署目標使用佈置好的特定圖像標誌(如二維碼)，作為參考點；投影目標則是在參考預部署目標的基礎上，在室內環境投影參考點。參考其他感測器，則可以融合其他感測器數據，以提高精度、覆蓋範圍或強健性。
除了以上提及的，目前來看定位技術的種類，有幾十甚至上百種，而每種定位技術都有自己的優缺點，和適合的應用場景，沒有絕對的勝負之分。
根據不用的需求，因地制宜的部署解決方案，方為上策~
