不同於北鬥、GPS,解析室內定位背後的微慣導技術

雷鋒網(公眾號：雷鋒網)按：作者大格子GZ，格納微科技技術總監，西安電子科技大學碩士，就讀控制理論與控制工程專業。曾作為骨幹參與國家慣導產品重要課題，所研成果已經成功運用於軍工產業。目前負責團隊技術路線和產品技術研發，對於空間定位的慣導、超寬帶、雷射、視覺SLAM都略有涉及。在本文中，作者結合自己的工作經驗談了談微慣導定位方案，以及為什麼選擇這個方案背後的緣由。

提起定位導航，大家首先想到的是GPS，中國也推出了自己的衛星定位系統北鬥衛星定位系統。但是衛星定位只能用在室外環境，一到室內，由於導航信號衰減太快，衛星定位就無法使用。

那麼，室內定位當前有沒有「剛需」呢？答案是肯定的。今天我們不談現在很熱鬧的消費級市場應用，我們談下室內定位技術在一些特殊但很重要的場景——消防救援、反恐處突、搶險救災等應急任務中的應用。

消防救援等應急任務對室內定位技術的特殊需求

試想一下這樣的場景：大火現場，消防員衝進著火的大樓裡試圖搜救倖存者，火勢越來越猛烈，煙霧瀰漫，消防員迷路找不到出口，氧氣不夠，最終喪失了生命……

如果能精確定位消防員的位置，後方指揮人員掌握了進入火場施救的消防員實時動向，通過通信設備向現場人員提供準確指揮，避免消防員在火場中迷路，可以最大程度地減少人員傷亡。這對於室內定位技術來說，也是功德一件了。 

目前業內主流室內定位技術普遍需要外部設施或先驗資料庫，比如UWB、WiFi、藍牙、地磁等，而消防救援等應急任務通常來不及或環境不允許布置外部定位基站或信標等設備，因此沒有一種可以滿足緊急任務下自主定位的要求，所以採用不依賴任何外部設備或先驗資料庫的慣導定位技術是目前比較穩妥的手段。慣導定位技術是一種完全自主式的導航技術，與普通的定位技術不同的是，它不依賴於導航衛星、無線基站、電子標籤等任何輔助設備和先驗資料庫。

對於應急任務室內定位需求來說，定位產品是否能達到實戰效果應該從以下幾個方面評估或者實際測試：

1、 是否可以適應多種步態，典型步態有小碎步走、小跑、側移、倒退、上下樓等；

2、 沿長直線走50米以上，到末端轉５個以上圓圈（半徑２米以上），再沿原直線走回，評估偏移量，偏移量控制在１%以內的則為優秀產品（慣導存在無法消除的固定角度和位置漂移，只能儘可能降低；

3、 反覆上下樓梯，評估高度準確度，尤其是樓層判定，看看會不會出現樓層錯誤，小誤差可以接受，但是樓層判錯會延誤救援甚至造成致命失誤；

4、 在建築物內進行實地測試，磁場是慣導室內定位的一個重要信息，可以用來控制慣導的漂移。但是也容易受到外界影響，尤其是建築物比較緊湊，金屬結構比較多，有大型顯示屏的環境，應評估定位產品磁場抗幹擾特性；

5、 有條件的可以進行點火試驗，大火會造成溫度和氣流的急劇變化，如果氣壓計數據融合沒有處理好，高度會有很大偏差，簡易測試方法是通過空調調節室內外溫差，通過出入室內外測試定位的穩定性；

6、 使用是否便捷、是否需要外部基站輔助都可以評估，在消防救援等應急任務中不能完全依賴於任何外部基站，我們的微慣導定位產品GNW-FOEM在無外部基站輔助情況下可以保持45分鐘左右的精度可用，在同類產品中比較出眾；

7、 地圖融合算法的優劣，無地圖和有地圖的情況使用評估，我們的iNav智能定位引擎提供了地圖輸入接口，在有室內地圖信息的條件下，可以長時間保持高精度不漂移，做過的典型試驗是在商場內，1小時內精度穩定在2米；

8、 數據通信方式的選擇，大致分為兩類情況，一種是利用運營商網絡外傳（利用基礎網絡的覆蓋冗餘性和其穩健的通信機制），一種是利用專用網絡，但是目前還沒有一種可以快速部署又便捷可穿戴，能夠覆蓋消防救援的專用通訊網絡（通常能達到覆蓋地下一層就已經算性能達標了），如果產品能兼容運營商網絡和專用網絡就已經是一種比較好的方式了。

一種比較可行的產品配置方案是1個主控端 + 4-8個單兵節點配置，如圖：

圖1 應急任務現場指揮系統方案圖

每個單兵配備一個定位模塊（足部）和手持終端，模塊獲取人員運動數據後，通過藍牙通訊傳給手持終端，手持終端通過遠場通訊設備將數據傳遞給指揮中心。系統可融入室內地圖，水平精度達到0.3%，能準確進行樓層識別。現場、後場多個指揮端可同步顯示，有利於消防員現場指揮調度、減少人員傷亡現場，事後可實現任務回放，進行教學和經驗總結。

微慣導室內定位技術在應急任務中具有無可替代的優勢

在應急任務場合，業內主流室內定位技術普遍需要外部設施，大多數無法滿足緊急情況下自主定位的要求。在這種情況下，首先想到的就是慣導室內定位技術。基於此，市場上也湧現了一批做慣導定位的公司。

國外的代表公司有Honeywell、SEER Technology，產品的定位精度基本上為2%-5%，也就是說用戶行走1km，位置誤差為20米，這是無法滿足實際應用需求的，會延誤逃生、救援等和位置精度密切相關的應急任務，整個產品沒有達到真正實戰的技術指標。因此這部分產品也因技術不成熟而未能打開市場。

國內也有幾家公司在做，如微邁森，和筆者所在的格納微科技等。其中，我們的產品定位精度達到了0.3%，相當於走1公裡誤差不到3米，可以適應<15km/h的走路、小跑、側移、後退等任意步行姿態，基本可以滿足實際應用需求了。

一般人對於0.3%精度仍有質疑，其實產品採用的是普通的低成本MEMS方案，就是智慧型手機中的G-sensor，而且不依靠任何基站等輔助信息。這種低成本的MEMS器件，通常會有極高的方向漂移誤差（≥100°/h）和加速度誤差，如果僅採用普通的航位推算算法，加速度積分帶來的速度和位移誤差將高達10%以上。

微慣導室內定位技術目前發展比較快，主要是用於緊急救援或者軍事用途，大概分為兩種：

(1) 佩戴於腰部的慣導模塊，採用傳統PDR航位推算方案；

(2) 佩戴於足部的慣導模塊，基於足部運動模型開發，精度較高；

腰上的方案實用性更強，但是對於側移、轉彎、原地踏步等步態就會產生明顯的誤差積累。目前我們的腰部慣導產品的實驗結果是2%的精度，走100米誤差達到2m。業內比較知名的Honeywell的DRM4000（圖2）和SEER Technology的NAViSEER（圖3）都是採用這類技術方案，實測精度大約在2%～5%。腰部慣導定位模塊無法適應特殊步態，實戰應用受限，希望後期能看到更為優秀的產品和技術出現。

  

     圖2  DRM4000航位推算模塊           圖3  NAViSEER人員精確跟蹤系統

足部的方案精度高，相對穩定，如果能夠穩定在0.3%以內的精度，基本能滿足應急任務的需求了，消防、反恐、救援任務在建築物內行走距離不長，行走1km誤差累計3m，用戶基本都可以接受。

「 微慣導 + 」融合定位解決方案

純慣導定位在室內小場景，經過長時間的行走後，角度和位置漂移並不明顯，因此在很多使用場景中並沒有使用其它輔助定位手段。但是這種純慣導定位產品依然有兩個弱點：

一是輸出為相對軌跡，需要將多個人員的軌跡統一到一個坐標系中，目前使用較多的做法是所有應急任務人員在出發時經過同一段長直線，在應用層將軌跡旋轉到統一坐標。第二種做法大概是部署兩個腳墊（相隔至少10米以上），所有隊員依次踩兩個腳墊，可以通過後臺自動旋轉將多個隊員統一到一個坐標。

二是就純慣導定位的精度來說，目前業內0.3%的精度相對比較高，但在大場景長距離情況下，由於慣導固有的漂移率，仍然會有較大的累積誤差（如圖4所示），需要外部的信息進行校準。

針對這兩大問題，我這裡分享下我們的兩種解決方案，給大家做個參考：

(1) 通過地圖匹配輔助微慣導定位；

(2) 採用外部藍牙基站輔助微慣導定位。

如果可以獲取應急任務場景的建築物室內地圖信息，結合地圖匹配技術，利用基於地圖信息的粒子濾波自動學習路徑算法，校準慣導定位中的殘餘誤差並標定多個，實現長時間穩定定位，可進一步減少輔助定位基站數量，降低定位系統複雜度。

採用外部藍牙基站輔助定位，我們目前是以微慣導定位為主，通過間或獲取的基站藍牙信號進行校準，被定位人員在建築物內結合自身的慣導數據和間或獲取的基站信息，來獲取一個穩定的高精度定位結果，同時實現了多人軌跡標定，實際測試結果體驗就會比較好。這裡需要考慮一個問題，就是輔助基站布設的靈活性和快捷性。

藍牙也可用於室內定位，但是信號發射範圍比較小，而且容易受到環境包括人體的遮擋和幹擾，定位精度不高，一般在3米左右；但藍牙設備輕巧，成本低，布設起來較為方便，這對於應急任務來說是一大優勢。所以以高精度慣導定位為主，輔以便於臨時布設的藍牙信標，有望解決應急任務場合的室內定位現場快速部署的問題。

下面是採用高精度的微慣導定位模塊結合藍牙信標做的外場試驗，通過自主開發的iNav智能定位引擎進行數據融合。

 圖4  純慣導定位的結果                                  圖5  慣導+藍牙定位的結果

在一個大型百貨商場中，面積約200米*300米的範圍內總共只部署了3個藍牙信標，圖5中紅色所標示的為信標的位置。進行了約1個半小時的自由行走，總計行程約6km，沒有藉助任何地圖信息，可以實現長時間的高精度定位，定位誤差最大的地方達到3.6米，90%以上時間定位誤差均在2米內。慣導定位精度再高也是有漂移的，尤其在這種大場景下，1～2°的角度偏差就可以造成6～8米的位移偏差，藍牙信標和慣導的數據經過iNav引擎融合優化後，將多人相對軌跡迅速統一到第一個人的坐標系，並且實現穩健的高精度定位。

其實講到這裡，我們選擇提出「微慣導+藍牙」室內定位解決方案的原因就很簡單了——部署簡便，間或校準慣導漂移，自動實現多人軌跡方向對齊，無需任何地圖信息融合，長時間維持在一個穩定的可接受的精度範圍，是非常適合應急任務室內場景的。

實際使用時，第一個進入室內的應急任務人員，在室內一些關鍵位置（大門、樓梯拐角等）隨意放置3～4個藍牙，即可完成部署，後續隊員的定位結果都可以依靠這幾個藍牙小標籤起作用。

室內定位技術種類較多，但單靠一種技術無法完全解決實際問題，也無法同時滿足成本低、精度高、覆蓋廣的需求。在未來相當長一段時間內，微慣導定位將是應急任務室內定位解決方案中的核心技術。

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