什么是室內(nèi)導(dǎo)航？

室內(nèi)導(dǎo)航方案也被稱為空間導(dǎo)向方案，常用在GPS效果差的室內(nèi)環(huán)境。但在我們深入了解技術(shù)細(xì)節(jié)之前，不妨先來看一下頂層概念。

用于描述位置相關(guān)的方案一般被稱為位置服務(wù)。位置服務(wù)主要分為兩大類。

1.近距離方案：這是兩者中相對(duì)簡(jiǎn)單的一種，利用一種或多種技術(shù)來確定兩個(gè)設(shè)備的相對(duì)位置。

2.定位系統(tǒng)：用于確定設(shè)備的物理位置，涉及更加復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施部署。

近距離方案可以進(jìn)一步分為兩類：

(1)尋物方案：尋物方案的應(yīng)用之一就是在鑰匙鏈、行李箱、遙控器和其他個(gè)人物品上加入尋物標(biāo)簽，以便在設(shè)備丟失時(shí)進(jìn)行跟蹤和定位。

(2)POI系統(tǒng)：當(dāng)用戶靠近固定位置的特定設(shè)備時(shí)，在手機(jī)上顯示相關(guān)信息的應(yīng)用系統(tǒng)。比如逛商場(chǎng)時(shí)，當(dāng)用戶接近一個(gè)正在打折的商品，他們可以從商場(chǎng)的手機(jī)應(yīng)用中獲取通知。

定位系統(tǒng)也可以被分為兩類：

(1)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS）：用于資產(chǎn)跟蹤和設(shè)施內(nèi)人員跟蹤。實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)是以網(wǎng)絡(luò)為中心的系統(tǒng)，位置信息實(shí)時(shí)提供給后臺(tái)服務(wù)器，再提供給用戶。但設(shè)備本身無法得知自己所在的位置。比如定位和跟蹤倉庫中托盤、叉車和工作人員的位置，或是醫(yī)院中超聲波儀和病人的位置，優(yōu)化緊急響應(yīng)時(shí)間并確保安全。

(2)室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)（IPS）：IPS與RTLS相反，它以設(shè)備為核心，設(shè)備知道自己的范圍，并向設(shè)備使用者報(bào)告定位情況（通過手機(jī)應(yīng)用等）。室內(nèi)導(dǎo)航的例子包括機(jī)場(chǎng)、博物館、購物中心、主題公園、醫(yī)療機(jī)構(gòu)或會(huì)場(chǎng)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，具體應(yīng)用還有自動(dòng)導(dǎo)向車（AGV）。

導(dǎo)航尋路的基本原理是利用無線技術(shù)來確定用戶在某一區(qū)域中的位置，然后在手機(jī)上的地圖應(yīng)用中呈現(xiàn)出來，讓他們了解方位。根據(jù)所用技術(shù)，有多種不同方法來確定用戶的位置。大多數(shù)方法采用信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）測(cè)量或飛行時(shí)間（TOF）測(cè)量，通過多點(diǎn)定位或三角定位來確定用戶的位置。

多點(diǎn)定位的基本原理是計(jì)算物體與多個(gè)固定站點(diǎn)間的多個(gè)測(cè)量距離，從而確定物體位置。三邊測(cè)量就是多點(diǎn)定位中利用三個(gè)已知固定點(diǎn)來測(cè)量距離，從而計(jì)算運(yùn)動(dòng)物體的位置。而三角定位，則是通過測(cè)量角度測(cè)量來確定位置以及與固定站點(diǎn)間的距離。

除此之外還有無線電測(cè)向等更加先進(jìn)的技術(shù)，確定接收信號(hào)的傳輸方向。無線電測(cè)向自二十世紀(jì)初以來已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于航空、航海到野生動(dòng)物追蹤等系統(tǒng)。無線電測(cè)向比多點(diǎn)定位和三角定位更加精確，但通常成本較高。在某些應(yīng)用中，測(cè)得用戶位置也會(huì)發(fā)送給后臺(tái)服務(wù)器，用于數(shù)據(jù)分析以及提高空間利用率。

室內(nèi)導(dǎo)航的好處是什么？

總的來說，室內(nèi)導(dǎo)航可以提供以下好處：

? 在GPS不實(shí)用的室內(nèi)空間為用戶提供更好的導(dǎo)航體驗(yàn)

? 提高商用建筑內(nèi)的員工效率

? 改善擁堵地區(qū)的車流量

? 讓用戶在同一設(shè)施中找到對(duì)方的位置

? 實(shí)現(xiàn)并增強(qiáng)智能的建筑工作

? 利用收集的位置數(shù)據(jù)優(yōu)化工作流程，提高空間利用率

具體應(yīng)用場(chǎng)所有：機(jī)場(chǎng)、博物館、商場(chǎng)、主題公園、醫(yī)療中心、會(huì)場(chǎng)和餐館

室內(nèi)導(dǎo)航無線技術(shù)最關(guān)鍵的參數(shù)

在考慮室內(nèi)導(dǎo)航中無線技術(shù)的使用時(shí)，必須要考慮以下幾個(gè)參數(shù)：

? 擴(kuò)展性

? 隱私安全

? 定位分辨率（精度和延遲）

? 普及率和適用性

室內(nèi)導(dǎo)航無線技術(shù)對(duì)比

最適合室內(nèi)導(dǎo)航的無線技術(shù)有藍(lán)牙BLE、超寬帶、UWB、Wi-Fi與超聲波。

接下來讓我們逐個(gè)分析這幾項(xiàng)技術(shù)在室內(nèi)導(dǎo)航中的應(yīng)用

藍(lán)牙BLE

藍(lán)牙BLE技術(shù)是室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)中最常見的技術(shù)，其優(yōu)勢(shì)在于：安全與隱私保障，在全球智能手機(jī)上的普遍性與適用性高，支持大規(guī)模部署。

自蘋果于2013年公布iBeacon標(biāo)準(zhǔn)后，藍(lán)牙信標(biāo)在許多應(yīng)用案例中普及開來，尤其是零售業(yè)和室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用。

BLE信標(biāo)也是室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)中傳統(tǒng)的流行方案之一。這些系統(tǒng)的基本原理是將藍(lán)牙信標(biāo)安裝在設(shè)施內(nèi)的固定位置，向用戶的手機(jī)發(fā)射廣播數(shù)據(jù)包。手機(jī)根據(jù)收到數(shù)據(jù)包的信號(hào)強(qiáng)度來計(jì)算出自己的位置，并呈現(xiàn)在地圖上。

AOD方案 / 藍(lán)牙SIG

2019年，藍(lán)牙5.1標(biāo)準(zhǔn)中加入了一套全新的功能。該功能允許BLE設(shè)備通過出發(fā)角（AoD）或到達(dá)角（AoA）來提高位置精度。對(duì)于室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用來說，AoD是最適合的方案。使用這一方法，正在確定方位的設(shè)備（比如定位信標(biāo)）使用多天線陣列來發(fā)射一個(gè)特殊信號(hào)。接收設(shè)備（比如手機(jī)）只有單天線。當(dāng)發(fā)射設(shè)備的多個(gè)信號(hào)穿過接收設(shè)備的天線時(shí)，接收設(shè)備收集IQ樣本。基于IQ樣本數(shù)據(jù)，接收設(shè)備可以計(jì)算出相對(duì)的信號(hào)方向。

超寬帶（UWB）

UWB是一種短距無線電技術(shù)，工作頻率在3.1到10.6GHz之間，帶寬至少為500MHz。基于UWB的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)與BLE信標(biāo)的方案不同，它采用了ToF來測(cè)量距離，再用三邊測(cè)量來確定設(shè)備位置。

飛行時(shí)間方法的原理就是通過獲知信號(hào)從發(fā)射器到接收器所需的時(shí)間和信號(hào)速度，從而計(jì)算一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備間的距離。最后在三邊測(cè)量中利用這些值來計(jì)算目標(biāo)設(shè)備的位置。

以下是UWB室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：

? 比RSSI技術(shù)精度高，因?yàn)樵摷夹g(shù)的工作頻率范圍更寬，測(cè)量任何無線電信號(hào)的飛行時(shí)間都依賴于帶寬。

? UWB信號(hào)發(fā)射功率低、發(fā)射時(shí)間短，因此減少了其他信號(hào)造成的干擾

其劣勢(shì)在于：

? 成本過高

? 智能手機(jī)和主流設(shè)備中普及率較低，會(huì)影響該系統(tǒng)的可用性和用戶體驗(yàn)

? 全球化標(biāo)準(zhǔn)的缺失，不同區(qū)域的規(guī)范不同

Wi-Fi

另一個(gè)用于室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)就是Wi-Fi。Wi-Fi的優(yōu)勢(shì)就是無處不在的普及率，然而其劣勢(shì)過多。

? 精度低

? 與安卓設(shè)備相比，iOS設(shè)備的支持有限（或不存在）

? 需要專用硬件，系統(tǒng)部署成本較高

Wi-Fi方案并不一定需要設(shè)備連接到定位設(shè)備節(jié)點(diǎn)，但是非連接型方案對(duì)系統(tǒng)精度和延遲有影響，該系統(tǒng)的主要參數(shù)有：

RSSI - 用于估算距離

MAC地址 – 用于設(shè)備辨識(shí)

RSSI測(cè)量與三邊測(cè)量共用，以確定設(shè)備在空間內(nèi)的大致位置。設(shè)備指紋是Wi-Fi定位方案的另一套計(jì)算方法。它利用歷史RSSI和已知位置來更準(zhǔn)確地確定設(shè)備位置。

Wi-Fi方案中有時(shí)也會(huì)用到ToF。基本原理是利用無線接入的時(shí)間戳來計(jì)算信號(hào)的ToF，然后利用該信息來估算客戶端設(shè)備相對(duì)接入點(diǎn)間的距離。ToF需要設(shè)備與本地Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)建立連接，因此可能會(huì)對(duì)隱私安全產(chǎn)生影響，也會(huì)招致擴(kuò)展性的問題。

超聲波

超聲波技術(shù)利用聲波在20kHz以上的頻率范圍內(nèi)傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)中，超聲波系統(tǒng)利用ToF來計(jì)算物體位置，結(jié)合三邊測(cè)量可以將探測(cè)精度提高至幾厘米內(nèi)。

與射頻信號(hào)不同，超聲波信號(hào)更容易被空間內(nèi)的墻體和物體阻礙。但這在室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)中反而算作為一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@可以精確確定設(shè)備所在的房間。超聲波室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)除了要在設(shè)施內(nèi)部部署定位設(shè)備外，還需要在待定位設(shè)備上貼上標(biāo)簽。

小結(jié) 需要注意的是，某些室內(nèi)導(dǎo)航應(yīng)用也許更適合一種或多種技術(shù)結(jié)合。除了利用RSSI，ToF和其他方法確定位置外，室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)還可以利用先進(jìn)的軟件算法和傳感器（多傳感器測(cè)量）來提高位置計(jì)算的精度。

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