刘儿兀：下一代室内定位技术的现状与研发趋势

　　2016年12月15日，由图聚智能和上海产业技术研究院主办的2016全球室内定位产业峰会在上海国家会议中心召开。本次峰会汇聚了室内定位行业内的领先企业以及1000多名行业人士参与，共同探讨室内定位技术的应用发展。

　　同济大学刘儿兀教授通过多年在室内定位行业的实践和研究，并结合近三年微软大赛的观察，对目前国内外室内定位技术的发展进行了剖析。目前的室内定位技术发展到什么样的水平？之后哪些方面可以做进一步的研发？

　　同室外的GPS、北斗一统天下的情况不一样，室内有各种主流技术呈现出百花齐放的场景。主要有磁电光声，WIFI、iBeacon、地磁、超声波，还有超宽带，可见光、激光定位技术以及目前慢慢出现的惯导技术，如PDR。从这些技术上来看，WIFI、iBeacon、地磁及超声波是目前手机、Pad可以支持的，而超宽带、可见光、激光是需要专用设备或者硬件来支持的。

　　目前基于手机，不需要额外的设备，不需要专门的基站或者额外的硬件支持的手机定位方式有哪些？

　　一、目前主流的是WIFI和iBeacon

　　WIFI和iBeacon两者在定位技术上区别不是太大，两者都是基于信号强度的定位原理。两种方式一种是路损模型，这两个技术在进步，WIFI方面是到达时间，或者时间戳方式，基于时间的方式。因为电磁波在空间的传播的速度我们知道，精度会比较准一点。iBeacon是基于蓝牙5.0，主要是是到达角和离开角（音）的方式定位。

　　二、地磁

　　利用天然的地磁场，不同的建筑有不同的结构。有大功率的位置，会对地磁场造成一些天然的变形。刚好可以做地磁场的特征就像我们的房间一样有一些特征，我们地磁场做完采集后会做一些处理，把相近或者类似特征的点去掉。

　　三、可见光

　　对于可见光技术，大家听的比较多的是飞利浦在欧洲布了可见光做定位。通过在LED灯里面放一些控制模块，使得LED发出很高频率的闪烁。这种闪烁满足安全规范，人眼看不到，但是手机摄像头可以捕捉到。通过灯的闪烁，手机可以捕捉到条纹，条纹可以做编码，查找云端数据库就可以查找它的位置。首先要看到LED灯，至少看到两盏，如果手机放在口袋，或者LED被遮掉的场合不太适合。

　　四、惯导技术

　　惯导技术是利用惯性传感器，基本的收集都有的，包括加速度、陀螺仪把这些数据进行滤波、矫正，获取的精确的传感数据进行航位推算。

　　目前主流室内定位技术的主要挑战

　　前面没有谈到超宽带因为手机不支持，接下来我们看一下用手机支持的方式从精度、部署、成本上做一些探讨。

　　一、WiFi面临的挑战

　　WIFI目前的话取决于部署的密度。因为WIFI是基础设施，用作通信用的。但是如果用定位的话，靠这种完全是做通信的WIFI部署是不够的，充其量只能作为指纹。

　　WIFI布点采集指纹的方式，分两种：主动和被动。主动的方式可以用手机直接来计算，通过取得WIFI的信号来算。这种主动的方式有一个问题，苹果的手机不支持的，苹果底层的信号强度接口没有开放，主动的方式只适合安卓的系统。

　　另外一种方式是被动的。简单的WIFI的AP不需要提供联网的功能，可以探测到手机发出来的信号。但是有一些问题，别人没有通过我们的同意可以扫我的引号，有一些法律上的风险。WIFI有这两个问题，主动方式苹果手机不支持，被动方式有一些法律风险，而且被动的方式的精度比主动方式精度稍微低一点。目前WIFI取决于部署的密度，大概是5到10米的范围是差不多的，8米是比较常见的，也有人通过一些增加的部署密度，但是会带来额外的问题，干扰各种现象。

　　二、iBeacon面临的挑战

　　iBeacon是苹果推的一个东西，它首先自己的不开放，就用iBeacon的方式。也是用蓝牙的，蓝牙跟WIFI的区别不是太大，蓝牙的iBeacon信号，更稳定，所以说精度会比WIFI稍微高一点，一般3到5米这样的水平。但是仍然有很大的问题，就是很多人并不是要把蓝牙打开，蓝牙并不是一个必备的基础设施，但是WIFI是，WIFI大家都打开的，蓝牙不一定都打开。

　　三、地磁面临的挑战

　　地磁也有问题的，地磁的话像刚才说的，这个会场可能地磁不同点特征可以区分出来，但是隔一个会场，可能有一些点跟这里的点是相近的，地磁也相当做指纹，做地磁有一个关键点，你把这些点采集到之后，如何规避、利用这些可能相近的点，不同的算法就有大的区别。

　　四、超宽带面临的挑战

　　超宽带有部署成本的问题，地磁可以做到几米的精度，超宽带UWB的话，它的脉冲宽度很小，第二个脉冲过来之前不会覆盖住。超宽带技术主要问题是需要部署基站，而且终端不支持，精度可以达到厘米级，在微软大赛上我们可以看到最好的是几个厘米，8、9个厘米。很多人利用DecaWave开发。

　　五、可见光定位面临的挑战

　　另外一个可见光，厘米分米量级是可以做的。还有指纹，指纹的问题是需要定时采集，指纹不是不变的，不只采一次需要后续的更新，所以需要算法来做这件事情。

　　所以不管是WIFI、iBeacon或者是地磁，因为室内和室外环境不一样，室内环境相对复杂，不同的商业场所特征完全不一样，目前来看单一技术无法同时满足这些需要的。

　　通过微软大赛看室内定位技术发展趋势

　　微软室内定位大赛是国际盛名的室内定位大赛，从2014年开始举办，每年都会吸引大量的公司和高校团体参加。各个团队在同一场地，利用自己的技术技能，来达到力所能及的定位精度。

　　据刘教授对微软大赛的分析，目前主研的单位有中国、俄罗斯、美国、欧洲的一些单位。2014年的时候WIFI大家不用，惯导逐渐出现，地磁基本上没有人用，数据融合也基本上没有人用。其它技术，包括到达时间的、磁发射和接收的技术，而那时美国微软亚研院到2厘米精度，其次还有美国的Rutgers，牛津大学，德国DFKI。

　　到2015年的时候，有增加了两个东西：地磁和数据融合。惯导逐渐被大多数人采用了，也有了多种定位，不管是WIFI、惯导、地磁。数据融合变得重要了，地图匹配、机器学习慢慢出现。

　　2016年大家基本上围绕数据融合来做，各家不同的技术拿到不同的定位精度，包括2016年有地图匹配，包括有机器学习等。

　　从三年的大赛，看到需要使用多种定位技术，利用了磁场指纹、WIFI、蓝牙、信号强度、可见光、惯导、数据挖掘机器学习、地图匹配。WIFI无线信号有衰落，磁没有无线那么衰落，小尺度的会比WIFI好很多。还有用可见光的一些场合以及机器学习，但机器学习对手机会造成比较大负担。

　　刘教授最后表示从他们的经验来看，数据融合的方面效率会更高一点，地图匹配是对精度有所提高的。

　　最后，2017苏州国际物联网博览会将于2017年3月29日-31日在苏州国际博览中心举行，将展出无线定位领域产业链上下游产品以及最新的应用解决方案。同期还有关于无线定位的高峰论坛，和定位领域大咖探讨无线定位的最新发展与应用趋势。