從軍事走向民用，慣導(dǎo)定位能否破解室內(nèi)導(dǎo)航難題

“整整20分鐘了，車還是沒有找到。”老王的車并沒丟，只是停在商場(chǎng)地下停車場(chǎng)里忘記了位置，兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)沒有頭緒。

想必大家都有在地下停車場(chǎng)找車的經(jīng)歷，有些人在停車前甚至?xí)匾饬粜淖约和＼嚨膮^(qū)域，不放心的還會(huì)在車前拍張照片，害怕萬一迷路還能“按圖索驥”，但最后回家前的“找車游戲”還是難以避免。此時(shí)，那些號(hào)稱能夠精準(zhǔn)定位的導(dǎo)航軟件們也集體失靈，軟件界面右上角“信號(hào)弱”的紅色警示只能增加你的煩悶和無力感。

在戶外，衛(wèi)星定位導(dǎo)航軟件可以非常輕松的定位和尋找方向，然而到了室內(nèi)，隨著導(dǎo)航信號(hào)的衰減，我們常用的那些導(dǎo)航軟件就開始“抓瞎”。為了解決室內(nèi)定位的難題，人類進(jìn)行了大量的研究，在此背景下，Wi－Fi定位、藍(lán)牙定位、RFID定位、UWB（超寬帶）定位、紅外技術(shù)、超聲波等技術(shù)紛紛進(jìn)入市場(chǎng)，也提供了不少各有特色的解決方案?，F(xiàn)在的問題是，在室內(nèi)定位的眾多方案中，人類并沒有達(dá)成共識(shí)——究竟哪種才是室內(nèi)定位的最佳方案。

室內(nèi)定位方案琳瑯滿目，沒有一個(gè)最佳方案

早在15世紀(jì)，當(dāng)人類開始探索海洋的時(shí)候，定位技術(shù)也隨之誕生。當(dāng)時(shí)的定位方法十分粗糙，就是是運(yùn)用航海圖和星象圖來確定自己的位置。

隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，定位技術(shù)在技術(shù)手段、定位精度、可用性等方面均取得質(zhì)的飛越，并且逐步從航海、航天、航空、測(cè)繪、軍事、自然災(zāi)害預(yù)防等“高大上”的領(lǐng)域逐步滲透到我們的生活中來，特別是GPS定位軟件的普及，給人類的城市生活帶來了極大的便利?？墒窃谑覂?nèi)定位上，雖然人類研發(fā)出的定位技術(shù)的種類有幾十甚至上百種，但這些技術(shù)方案都有著特別明顯的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，每一種技術(shù)方案都只是擁有適合自己的特定場(chǎng)景，并沒有出現(xiàn)像“GPS定位”這樣“一統(tǒng)天下”的解決方案。究其原因，室內(nèi)定位尚有3個(gè)難題一直沒有解決。

1、復(fù)雜多變的室內(nèi)空間

在室內(nèi)定位中，信號(hào)發(fā)射器和接收機(jī)之間的相通是定位的基礎(chǔ)。任何遮擋都會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減或直接阻擋信號(hào)的傳播。像GPS信號(hào)就無法穿透建筑物的墻面，我們?cè)诩抑械腤IFI信號(hào)也會(huì)因?yàn)閴γ娴淖钃醵霈F(xiàn)信號(hào)死角。

室內(nèi)空間內(nèi)部信號(hào)遮擋是室內(nèi)定位無法避免的問題，大大限制了很多室外定位技術(shù)在室內(nèi)普及的可能性，也把有效定位范圍限制在很小的范圍內(nèi)。此外，如何感知和認(rèn)知室內(nèi)幾何環(huán)境和信號(hào)環(huán)境的時(shí)空變化，提高對(duì)定位環(huán)境的自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)圖像特征庫(kù)、地標(biāo)信息庫(kù)的自動(dòng)更新，也是室內(nèi)定位至今還沒解決的問題。

2、異源異構(gòu)的定位源頭

我們?cè)谑褂?a target="_blank">手機(jī)作為室內(nèi)定位的數(shù)據(jù)采集終端和定位源時(shí)，根據(jù)室內(nèi)定位方案的不同，會(huì)用到WIFI和藍(lán)牙這兩類短距離射頻信號(hào)，以及加速度計(jì)、磁力計(jì)、陀螺儀、氣壓計(jì)、光強(qiáng)度傳感器、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器和相機(jī)等傳感器。

手機(jī)中內(nèi)置的這些傳感器和射頻信號(hào)通常都不是為定位用途而設(shè)置的，再加上不同品牌手機(jī)硬件上的差異，這就會(huì)產(chǎn)生不同的信號(hào)源就可能引發(fā)信號(hào)測(cè)量值不同步，信號(hào)采樣頻率不一致，信號(hào)測(cè)量精度有差異，不同定位終端測(cè)量有偏差等問題……這些都影響著室內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展和成熟。

3、移動(dòng)終端上有限的計(jì)算資源

目前，人類理想中的室內(nèi)定位方案都是以手機(jī)作為解決終端來進(jìn)行，但手機(jī)為了保證其主流功能如打電話、微信、拍照等正常工作，注定只能給定位功能讓出小部分的CPU處理時(shí)間。此外由于室內(nèi)定位復(fù)雜性的存在，一些定位算法、圖像處理和深度學(xué)習(xí)算法等也需要在手機(jī)端完成，此時(shí)手機(jī)的存儲(chǔ)能力將受到極大的考驗(yàn)，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)算工作，也將大大增加手機(jī)電池的消耗。手機(jī)計(jì)算資源上的先天不足，難以滿足部分室內(nèi)定位方案的技術(shù)需求。

通過下圖的對(duì)比可以看出，目前每一種室內(nèi)定位技術(shù)都有其可以獨(dú)當(dāng)一面的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也有難以解決的缺點(diǎn)，總之，沒有一項(xiàng)是最佳解決方案。

并不新鮮的慣導(dǎo)定位，如何在室內(nèi)導(dǎo)航賽道脫穎而出？

慣導(dǎo)定位方案表示“不服”。

在不久前舉行的“2018中國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全·智能制造大會(huì)”上，長(zhǎng)沙一家初創(chuàng)企業(yè)格納微表示，通過優(yōu)化算法，其采用慣導(dǎo)定位技術(shù)產(chǎn)品的定位精度達(dá)到了0．3％，相當(dāng)于走1公里誤差不到3米，大大低于行業(yè)2％—5％的精度標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)慣性運(yùn)動(dòng)追蹤與人體動(dòng)作捕捉系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商VMSENS也曾公開表示，其研發(fā)的微型慣性追蹤系統(tǒng)，配合ZVU步行導(dǎo)航算法，可將定位精度控制到小于0．4％的水平。在AI的幫助下，慣導(dǎo)定位會(huì)產(chǎn)生累積誤差的問題似乎得到了很好的解決。

其實(shí)，慣導(dǎo)定位并不是什么新技術(shù)，其工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息，從而實(shí)現(xiàn)定位。早在二戰(zhàn)期間，德國(guó)人馮·布勞恩就使用慣導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于V－2火箭的制導(dǎo)。

2013年時(shí)，為了替代易受干擾的GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，美國(guó)軍方將慣導(dǎo)系統(tǒng)集成在以立方毫米為單位的超小芯片上，通過芯片上的原子陀螺儀、加速器和原子鐘精確測(cè)量載體平臺(tái)相對(duì)慣性空間的角速率和加速度信息，利用牛頓運(yùn)動(dòng)定律自動(dòng)計(jì)算出載體平臺(tái)的瞬時(shí)速度、位置信息并為載體提供精確的授時(shí)服務(wù)。從慣導(dǎo)系統(tǒng)被軍方用于導(dǎo)彈導(dǎo)航來看，這項(xiàng)技術(shù)本身就具有較高的可靠性。

2014年慣導(dǎo)系統(tǒng)從軍事走向民用，國(guó)防科技大學(xué)在當(dāng)年宣布成功研制了“基于微慣導(dǎo)的人員自主定位系統(tǒng)”，能夠在沒有衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)精確定位。

實(shí)際上，在年8月份在湖南長(zhǎng)沙北辰時(shí)代廣場(chǎng)A1區(qū)寫字樓舉行的一場(chǎng)“超高層建筑跨區(qū)域滅火救援實(shí)戰(zhàn)演練”中，慣導(dǎo)定位就已經(jīng)表現(xiàn)出在應(yīng)急處置方面相比其他室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)秀之處：不光定位精準(zhǔn)，還能判斷消防員是否“倒地”或“站立”兩種姿態(tài)，通過可穿戴設(shè)備，還能掌握消防員的氧氣消耗量情況、心跳次數(shù)以及體溫等生命特征。

除了室內(nèi)導(dǎo)航，慣導(dǎo)定位還有更廣舞臺(tái)

慣導(dǎo)定位的應(yīng)用，并不只用在室內(nèi)導(dǎo)航，在室外，還有慣導(dǎo)定位更加廣闊的舞臺(tái)。

早在2011年5月，美國(guó)的SEER Technology公司就宣布在無法使用全球定位系統(tǒng)的環(huán)境中成功利用基于慣導(dǎo)定位技術(shù)的“NAViSEER高精度人員跟蹤系統(tǒng)”，進(jìn)行有史以來首次跨洲人員跟蹤。只要人員配戴NAViSEER裝備，不論身處戶外或戶內(nèi)，環(huán)境可用或無法使用全球定位系統(tǒng)，NAViSEER都可以在數(shù)秒鐘內(nèi)得出高度準(zhǔn)確的地理位置數(shù)據(jù)。只要利用SEER的平面和立體軟件，便可以在數(shù)秒鐘內(nèi)繪制位于世界任何地方的建筑物或設(shè)施的線框圖，即使對(duì)該建筑物毫無認(rèn)識(shí)或根本沒有任何資料亦可辦到。這令觀察人員能夠隨時(shí)準(zhǔn)確推定有關(guān)人員的所在位置。對(duì)消防員、警員、軍事人員和其它先遣人員來說，這是一種能夠拯救生命的技術(shù)。

知名科技企業(yè)霍尼韋爾則利用慣導(dǎo)定位技術(shù)在無人機(jī)和汽車導(dǎo)航方面發(fā)力。我們平時(shí)在城市開車時(shí)，經(jīng)常會(huì)經(jīng)過高層建筑、地下隧道、多層高架橋，建筑物的阻隔會(huì)影響GPS的信號(hào)接收，形成俗稱的“城市峽谷”?；裟犴f爾研發(fā)的HGuide n580慣導(dǎo)設(shè)備的尺寸只有一副撲克牌大小，卻能在衛(wèi)星覆蓋受限的區(qū)域提供精確導(dǎo)航，該設(shè)備還結(jié)合GPS作為汽車導(dǎo)航的備用解決方案，這意味著即使在GPS信號(hào)微弱甚至丟失的城市峽谷也不會(huì)迷航。

值得注意的是，目前大熱的無人駕駛技術(shù)中的導(dǎo)航定位，慣導(dǎo)定位技術(shù)是其導(dǎo)航系統(tǒng)不可缺少的一部分，除了可以填補(bǔ)GPS因信號(hào)丟失留下的空缺外，還能與GPS配合一起為激光雷達(dá)的空間位置和脈沖發(fā)射姿態(tài)提供高精度的定位。

此外，慣導(dǎo)技術(shù)還可在不需要攝像頭的情況下，在3D動(dòng)畫制作、虛擬仿真與訓(xùn)練、人體運(yùn)動(dòng)科學(xué)、體育競(jìng)技、康復(fù)醫(yī)療、動(dòng)作捕捉等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用場(chǎng)景。

技術(shù)逐漸成熟的慣導(dǎo)定位，如何解決2C難點(diǎn)？

其實(shí)微軟每年都會(huì)舉行一場(chǎng)室內(nèi)定位競(jìng)賽，參賽選手在50m＊50m的室內(nèi)空間內(nèi)對(duì)事先測(cè)定好坐標(biāo)的20個(gè)點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，錯(cuò)誤低的獲勝。中國(guó)就曾在手機(jī)組中奪冠，他們利用手機(jī)上的慣性傳感器，使用PDR算法來測(cè)算用戶的行進(jìn)距離和朝向，再結(jié)合Wi－Fi指紋來做修正。

不少室內(nèi)定位研究者都認(rèn)同，慣導(dǎo)＋WIFI的融合方案會(huì)將成為商業(yè)化室內(nèi)定位的主流。通過大量的使用者指紋庫(kù)識(shí)別結(jié)果、行走習(xí)慣和慣性傳感器融合，反向定位糾正錯(cuò)誤熱點(diǎn)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的自我穩(wěn)定和自我修復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)較為精準(zhǔn)的定位。

納微聯(lián)合創(chuàng)始人閔濤也表示，定位技術(shù)中，每一個(gè)定位技術(shù)都有自己的特點(diǎn)，慣性導(dǎo)航的應(yīng)用范圍會(huì)更廣一些，而且成本相對(duì)會(huì)更低。針對(duì)慣導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生累積誤差的特性，可以通過采取多源數(shù)據(jù)融合，多維度智能學(xué)習(xí)的方案，獲取所有可識(shí)別的信號(hào)用于修正慣導(dǎo)的偏移，并且通過地圖數(shù)據(jù)來自動(dòng)糾偏。在未來相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，微慣導(dǎo)定位將是室內(nèi)定位解決方案中的核心技術(shù)。

雖然說慣導(dǎo)技術(shù)在室內(nèi)導(dǎo)航定位這一領(lǐng)域確實(shí)有著不俗的表現(xiàn)，但可以注意到，目前這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用大多還是集中在B端，現(xiàn)在的問題是，技術(shù)逐漸成熟的慣導(dǎo)定位，是什么阻止了它在C端的大范圍普及？

在解決了技術(shù)方案之后，誰來買單？是慣導(dǎo)定位2C面臨的第一步。不同于室外導(dǎo)航，所有的城市、區(qū)域、道路都是通聯(lián)的，像高德、百度這類企業(yè)，只需一個(gè)APP就可將所有的C端流量進(jìn)行收割，有了流量之后再通過其他方式進(jìn)行商業(yè)變現(xiàn)。而室內(nèi)導(dǎo)航，面臨的是一個(gè)個(gè)割裂的建筑物，每一個(gè)建筑物都需要單獨(dú)一張地圖，這對(duì)于室內(nèi)導(dǎo)航企業(yè)來說，流量難以集中，變現(xiàn)的難度也就大大增加了。

讓用戶自己買單？這一招在到處充滿“免費(fèi)思維”的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代顯然不行。

讓建筑內(nèi)的商家買單？這將取決于室內(nèi)導(dǎo)航軟件的流量上限，或者更加創(chuàng)新的營(yíng)銷思路。

讓建筑管理方或者物業(yè)買單？這個(gè)辦法不錯(cuò)，但其中需要經(jīng)歷一段長(zhǎng)期而曲折的行業(yè)教育過程。

實(shí)際上，室內(nèi)導(dǎo)航賽道的終點(diǎn)已經(jīng)出現(xiàn)，就看參賽選手們是否還有存貨，能夠在最后的沖刺階段殺出重圍，率先撞線。

文 ｜ 魏?jiǎn)P(yáng)

審核編輯：符乾江