从10米迈向1米定位精度-室内定位技术详解

从10米迈向1米定位精度室内定位技术详解现代人智能手机里的GPS导航地图愈发不可缺少，但仅仅支持室外定位，当你进到室内，由于导航信号衰减太快，卫星定位根本无法使用。就算使用了现在的AGPS辅助全球卫星定位系统，国内最热的两款热门地图如百度地图和高德地图的定位缺点依然很明显，精度只能够达到民用的10m级别，而且在AP地址位置发生变化时也容易出错。而我们下面要说的室内定位技术对精度的要求更高，需要米级1m的定位精度，并能够判断楼层，我们用什么技术可以实现呢？传统GPS工作原理图AGPS辅助定位工作原理室内定位技术的应用前景室内定位技术在定位搜救、公共安全、商业等方面有非常良好的应用前景，我们可以想象一些比较常见的应用场景：比如在大型商场里面借助室内导航快速找到出口、电梯；家长用来跟踪小孩的位置避免小孩在超市中走丢；房屋根据你的位置打开或关闭电灯；重要的随身物品丢了，当自己走出几米远时手机就发出提醒；商店根据用户的具体位置向用户推送更多关于商品的介绍等等。这种技术已经吸引了一波国内外创新的高潮，各种基于此技术的应用将出现在我们的面前，其规模和影响绝不会亚于GPS。这一切都标志着发展室内定位技术有着广阔的应用前景。室内定位技术工作原理全球行业内大咖们的解决方案如今谷歌、微软、苹果、博通等在内的一些科技巨头，还有一些世界有名的大学都在研究室内定位技术，首先来看看科技巨头公司和各大学的室内定位技术解决方案：①谷歌方案谷歌手机地图6.0版的时候已经在一些地区加入了室内导航功能，此方案主要依靠GPS（室内一般也能搜索到2～3颗卫星）、WiFi信号、手机基站以及根据一些“盲点”，如室内无GPS、Wi-Fi或基站信号的地方的具体位置完成室内的定位。目前此方案的精度还不是很满意，所以谷歌后来又发布了一个叫“GoogleMapsFloorPlanMarker”的手机应用，号召用户按照一定的步骤来提高室内导航的精度。谷歌一直在努力解决两个问题：获取更多的建筑平面图；提高室内导航的精度。建筑平面图是室内导航的基础，就如同GPS车用导航需要电子导航地图一样。谷歌目前想通过“众包”的方式解决数据源的问题，就是鼓励用户上传建筑平面图。另外，用户在使用谷歌的室内导航时，谷歌会收集一些GPS、Wi-Fi、基站等信息，通过服务器进行处理分析之后为用户提供更准确的定位服务。谷歌6.0地图室内和室外导航对比图②诺基亚方案（诺基亚已经被微软收购）诺基亚采用的是HAIP技术，诺基亚正在努力使它成为蓝牙协议的一部分，这样只要你的设备带有蓝牙模块，就能够使用这种技术进行定位。当然，仅有一个蓝牙模块还不能完成定位，还需要在室内安装一种定位发射台，通过这两者之间的通信完成定位。这种发射台可以覆盖100m×100m的范围，定位精度在30cm～100cm，据说这种发射台还有成本低、功耗低等特点，一台或多台都能完成定位。③博通方案博通公司研制了一种用于室内定位的新芯片BCM4752，具备三维定位功能能把你所在位置的高度也算出来。这种芯片可以通过WiFi、蓝牙或NFC等技术来提供室内定位系统支持。更强大的是，该芯片可以结合其它传感器，例如手机里的陀螺仪、加速度传感器、方位传感器等，将你位置的变化实时计算出来，甚至做到没有死角。博通公司的如意算盘是将这种芯片内置到智能手机里。④IndoorAtlas方案IndoorAtlas是一家专注于室内导航解决方案的公司。IndoorAtlas的方案基于地球磁场，是依据每一个具体位置的磁场信息都不一样而设计。不过使用这种技术进行导航比较麻烦，首先用户需要上传建筑平面图，然后还需要你拿着移动设备绕室内一圈，记录下各个位置的地磁信号特征，这些信息需要上传到IndoorAtlas的服务器。最后，你需要使用IndoorAtlas提供的工具包开发一个应用才能使用定位功能，IndoorAtlas的开发工具包可以在线申请。商场定位效果图⑤Qubulus方案跟IndoorAtlas不同的是，Qubulus公司根据无线电信号（RadioSignature）来定位。每一个位置的无线电信号数量、频度、强度等也是不同的，Qubulus根据这些差异计算出你的具体位置。使用Qubulus的方案，你同样需要收集室内的无线电信号。Qubulus也提供了开发工具包，很容易申请下来。开发工具包里有一个例子，可以使用Eclipse直接编译通过。⑥杜克大学方案杜克大学则借助现实生活中路标（landmarks）的思想，正在开发一个叫做UnLoc的应用。此应用通过感知Wi-Fi、3G信号死角，以及一些运动特征，如电梯、楼梯等，并根据这些位置已知的路标来计算你的位置。当你移动的时候，就根据其他感应器，如陀螺仪、加速度传感器、方位传感器等来跟踪你的位置。这一过程精度会逐渐降低，但当你到达下一个路标时，位置就会被校准。室内定位手机端APP演示介绍完各大公司和大学的室内定位技术解决方案，再来看看其他常见的技术解决方案。超宽带室内定位原理图超宽带定位的代表是Ubisense，其定位方案采用UWB超宽带脉冲信号，由多个传感器采用TDOA和AOA定位算法对标签位置进行分析，多路径分辨能力强、精度高，定位精度可达亚米级。但UWB难以实现大范围室内覆盖，且手机不支持UWB，定位成本非常高。超声波室内定位原理图超声波定位应用案例的代表是Shopkic，在店铺安装超声波信号盒，能够被手机麦克风检测到，从而实现定位，主要用于店铺的签到。手机自主惯性传感器定位导航手机自主惯性传感器定位导航的代表是Broadcom和Intel，他们推出利用手机的惯性传感器数据进行定位计算的硬件解决方案，但由于手机初始姿态的不确定性和手机惯性传感器精度问题，室内定位效果不佳。现在越来越多的人用自主惯性传感器定位导航进行辅助导航，特别是iOS手机不开放RSSI等接口的情况下。Bytelight的LED室内定位技术LED定位的代表是Bytelight，LED定位系统通过往天花板上的LED灯具实现，灯具发出像莫斯电报密码一样的闪烁信号，再由用户智能手机照相机接收并进行检测，而且用户不需要将手机相机对准某一个特定方向，亦可以接收到反馈过来的直接光源信号，定位精度可以在1米之内。LED定位需要改造LED灯具，增加芯片，增加成本，尽管如此，LED定位是一种很有潜力的室内定位技术。RFID定位技术工作图许多公司也推出了基于射频标签RFID的定位，采用刷卡方式，根据阅读器位置对刷卡人员或设备进行区间定位。主要应用在仓库、煤矿、货物跟踪、安检、ETC、办公考勤等，无法进行实时定位，定位精确度低。WiFi室内定位工作图WiFi定位由于WiFi网络的普及，变得非常流行。WiFi定位可以达到米级定位（1~10米），传统的WiFi定位产品主要应用在专业行业领域，如矿井、监狱、医院、石油石化等，使用Aeroscout和Ekahau公司的WiFi定位产品。一些WiFi网络设备厂商如Cisco、Motorola等公司也有自己的WiFi定位产品，并随着其WiFi网络设备的推广，已经有很多应用。随着市场，特别是大众消费相关行业对室内定位需求的增加，Google把WiFi室内定位和室内地图引入了Google地图，一年多来已经覆盖了北美和欧洲一万多家大型场馆。近期也涌现出一批WiFi定位很有特色的公司，如Wifislam、Meridian、智慧图、wifarer、wifront等公司。百度、高德、四维等公司也在研发Wi-Fi室内定位产品。ZigBee室内定位工作网还有许多公司推出了ZigBee的定位产品，主要用于工业的传感领域和智能家居方面。蓝牙、RFID/WiFi与GPS的协同使用还有许多机构推出了地磁和计算机视觉定位的产品，目前这两类产品大多用于军事及科学探测，如军事上的水下导航常用地磁导航，火星车的导航用到了计算机视觉导航。面对这么多技术解决方案可能大家有点眼花缭乱，这里简单成一句话：很多信号都有可能被用于室内定位，如：蓝牙、超宽带脉冲、超声波等等。不过大家也可能注意到了，Wi-Fi因为上网的需要变得非常普及，除了Wi-Fi信号，其余都必须单独铺设信号发生器，甚至有些技术还要求从新在前端上也铺设信号接收设备，这给商用大面积推广带来了巨大的阻力。各种室内定位技术的精度我们可以通过上图直观地看到满足米级定位精度的定位技术，从规模上推广角度来看由易到难，依次是Wi-Fi、LED、RFID、ZigBee、超声波、蓝牙、计算机视觉、激光、超宽带等。虽然Wi-Fi定位技术的定位精度仅到米级，相比于蓝牙、超宽带、激光等技术的亚米级、甚至分米级的定位方案要逊色很多，但是定位精度的提高会带来成本的提高，甚至是指数关系，但是精度带来的商业价值却未必呈现指数关系。而且随着Wi-Fi的不断普及，势必会覆盖更多的生活区域，也可能未来每个建筑旁或者内部都有Wi-Fi网络，这将是WiFi室内定位技术全面应用的春天。智能定位影响下一个十年目前的物联网已经面临着云计算、大数据时代发展机遇，云计算平台将会进一步推动物联网的发展和日常应用，而大数据则会进一步提升物联网给智慧地球带来的智能化、效率化和高附加值。基于日益发展的物联网和云计算平台，云计算平台将为各个行业：能源、电力、医疗、城市、交通、教育等提供数据采集、分析、处理和报告。未来十年，世界将被人工智能云计算技术改变。而室内定位技术的发展与应用，正是人工智能云技术的一个组成部分，随着室内智能定位技术的不断进步，势必会给我们的生活带来意想不到的便利。