漫談室內(nèi)定位 -- 了解室內(nèi)定位各技術(shù)流派的啟蒙文章
一、室內(nèi)定位的源起和現(xiàn)狀
室內(nèi)定位，顧名思義，是與室外定位相對(duì)而言的。
室外定位技術(shù)及應(yīng)用早已走入我們大家的日常生活，從汽車導(dǎo)航、手機(jī)地圖APP到各式各樣的LBS（Location-Based Service基于位置的服務(wù)）應(yīng)用，例如：滴滴打車、大眾點(diǎn)評(píng)、百度外賣等。打開這類APP后的第一步，系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)定位我們的位置。
室外定位技術(shù)以GPS為主，手機(jī)通信基站定位為輔（也叫A-GPS，即Assisted輔助的GPS）。但在室內(nèi)，GPS信號(hào)會(huì)受建筑物的遮擋而嚴(yán)重衰減和反射，幾乎不可用。另一方面，民用GPS的水平面定位精度一般為5～10米，這個(gè)定位精度用于室外導(dǎo)航夠用，但用于室內(nèi)定位并不能滿足所有場(chǎng)景的需求。想象下，有些店鋪/房間的整體寬度還不到5米。而手機(jī)通信基站雖然在室內(nèi)仍有信號(hào)，但其定位精度太低（上百米）無(wú)法滿足室內(nèi)場(chǎng)景的需求。所以傳統(tǒng)室外定位技術(shù)在室內(nèi)基本不可用。
據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，人的一生80%以上的時(shí)間在室內(nèi)，移動(dòng)通信服務(wù)80%發(fā)生在室內(nèi)，80%的信息與時(shí)間和位置有關(guān)，想必室內(nèi)定位也具有做大的潛力。正是看好這個(gè)方向，從2011年前后開始，國(guó)際、國(guó)內(nèi)眾多室內(nèi)定位創(chuàng)業(yè)公司如雨后春筍般出現(xiàn)，頂級(jí)互聯(lián)網(wǎng)公司也開始布局室內(nèi)定位技術(shù)。
然而，后來(lái)一切進(jìn)展的并不順利。到現(xiàn)在2016年下半年已經(jīng)有幾年時(shí)間過(guò)去了，室內(nèi)定位應(yīng)用似乎并沒(méi)有走進(jìn)大家的生活。手機(jī)地圖APP在大型購(gòu)物中心里還是不好用，人們?cè)谕＼噲?chǎng)依然要費(fèi)勁才能找到自己的車。近日，筆者在北京IT公司聚集地附近的清河華潤(rùn)五彩城購(gòu)物中心實(shí)地測(cè)試室內(nèi)定位的效果。用Android手機(jī)打開百度地圖APP進(jìn)行室內(nèi)定位測(cè)試，下圖是筆者在同一點(diǎn)（紅圈）進(jìn)行三次定位得到的結(jié)果（藍(lán)圈范圍），可以看到定位結(jié)果很不穩(wěn)定，甚至?xí)r常會(huì)把我定位到購(gòu)物中心的外面。換成高德地圖（被阿里收購(gòu)）、騰訊地圖，換成其它購(gòu)物中心，效果都類似。用IOS手機(jī)則定位效果更差（原因后文會(huì)講）。定位不穩(wěn)定、結(jié)果不可信，造成室內(nèi)定位應(yīng)用不能進(jìn)入大眾生活，相關(guān)生態(tài)也無(wú)法建立。筆者覺(jué)得這里恰好隱藏著很大的機(jī)會(huì)。
二、主流室內(nèi)定位技術(shù)介紹
當(dāng)前室內(nèi)定位技術(shù)主要有：WIFI、藍(lán)牙、IMU（慣性導(dǎo)航）、LED、地磁、視覺(jué)、激光、UWB（超寬帶）、超聲波等。
這些定位技術(shù)各自有不同的特點(diǎn)：有些可以直接用于手機(jī)定位，有些不行；有些需要預(yù)先在室內(nèi)搭建定位基站（例如WIFI AP），有些不需要；有些成本昂貴，有些幾乎無(wú)額外成本；有些定位精確到毫米，有些比較粗獷；有些對(duì)環(huán)境適應(yīng)性很廣（室外室內(nèi)、白天黑夜），有些對(duì)環(huán)境有特定要求。
筆者將常用的室內(nèi)定位技術(shù)原理分為下文幾類。還有一些應(yīng)用較少的技術(shù)，不再贅述。
三邊定位法（也有叫三角定位）
已知待定位終端（如手機(jī)）分別到n個(gè)已知位置的基站（如固定在室內(nèi)屋角）距離，那么分別以每個(gè)基站為圓心，以終端到該基站距離為半徑，可畫出n個(gè)圓，這n個(gè)圓的交點(diǎn)位置就是手機(jī)的位置。n為3可以定出終端在二維平面上的位置；n為4可定出基站在三維空間的位置。這就是三邊定位的基本原理，如下圖所示。
所以，定位問(wèn)題最終轉(zhuǎn)化為終端和基站間的測(cè)距問(wèn)題，而測(cè)距精度決定了最終的定位精度。實(shí)際上，很多室內(nèi)定位技術(shù)的差異，就體現(xiàn)在用什么方法來(lái)測(cè)距。一種常見方法是用射頻信號(hào)的飛行時(shí)間來(lái)測(cè)距（距離=單程飛行時(shí)間x光速）。
典型技術(shù)：WIFI、藍(lán)牙、UWB定位等。
指紋法
預(yù)先測(cè)試和記錄室內(nèi)環(huán)境中不同點(diǎn)的某物理特征值，存入數(shù)據(jù)庫(kù)。待定位時(shí)，先測(cè)量當(dāng)前位置的特征值，然后與數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)，定位出最可能在的位置。
典型技術(shù)：地磁、WIFI指紋。前者利用建筑物內(nèi)不同點(diǎn)的磁場(chǎng)特性有區(qū)別的特點(diǎn)；后者儲(chǔ)存室內(nèi)場(chǎng)所中多個(gè)WIFI AP在所有位置的WIFI RSSI值待比對(duì)。
圖像匹配
通過(guò)（手機(jī)）攝像頭拍攝周邊場(chǎng)景，或通過(guò)激光傳感器對(duì)周邊環(huán)境掃描建模，然后和數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先儲(chǔ)存的圖像進(jìn)行比對(duì)，確定當(dāng)前所在位置。
典型技術(shù)：視覺(jué)、激光。
下面筆者對(duì)各種主流室內(nèi)定位技術(shù)方案分別做詳細(xì)介紹：
1. WIFI定位
按定位原理不同，分為三邊定位和指紋定位兩種。
在WIFI三邊定位方案中，因?yàn)閺?fù)雜度的原因，并沒(méi)有采用飛行時(shí)間法測(cè)距，而是先測(cè)量終端的RSSI（Received Signal Strength Indication接收信號(hào)強(qiáng)度），再根據(jù)RSSI和距離的關(guān)系公式來(lái)估算距離。而無(wú)論這個(gè)關(guān)系公式本身，還是RSSI的測(cè)量，都有較大誤差，最終造成WIFI定位精度較低。即便在某固定點(diǎn)連續(xù)兩次測(cè)量RSSI，測(cè)量值也會(huì)有不同，更換不同的手機(jī)也會(huì)有差異，且基站和終端的距離越遠(yuǎn)，距離測(cè)量誤差越大。所以一般要提高WIFI定位精度，往往要提高基站的部署密度。
定位精度：典型5米。WIFI指紋定位的精度比三邊定位略高些。
優(yōu)點(diǎn)
可以直接用手機(jī)定位。
可以部分共享室內(nèi)現(xiàn)有的WIFI AP，部署成本較低。
缺點(diǎn)
蘋果已經(jīng)在IOS上關(guān)閉了WIFI RSSI讀取接口，造成IOS手機(jī)不能主動(dòng)使用WIFI定位。
滿足上網(wǎng)需求和滿足定位需求對(duì)WIFI AP的布置要求是有些區(qū)別的。例如房間內(nèi)只要有一個(gè)AP就能上網(wǎng)，但此時(shí)是不能準(zhǔn)確定位的；而一旦增加AP的數(shù)量用于定位，不僅要多花錢，也會(huì)造成多個(gè)WIFI的互相干擾，反而不利于上網(wǎng)。所以，WIFI定位方案部署成本低的優(yōu)勢(shì)，實(shí)際是要打個(gè)折扣的。
因?yàn)閃IFI AP的性能限制，通常可同時(shí)定位的終端數(shù)量較少，一般<100個(gè)。大家也許注意到，在人多的環(huán)境（例如會(huì)展等），WIFI通常是很不穩(wěn)定的，這樣就進(jìn)一步制約了WIFI定位在人員密集環(huán)境下的應(yīng)用。
WIFI指紋定位方式雖然比WIFI三邊定位法精度略高，但缺點(diǎn)也是很明顯的。WIFI指紋易變化，只要有室內(nèi)裝修布局的變化，或某個(gè)AP的開關(guān)，都會(huì)影響到指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的有效性。而WIFI指紋需要人工覆蓋室內(nèi)各點(diǎn)來(lái)采集，所以人工維護(hù)成本太大。
典型公司：
WIFISLAM：蘋果2013年花費(fèi)2000萬(wàn)美金收購(gòu)。
Sensewhere：騰訊2015年投資，主要技術(shù)特點(diǎn)是：眾包 + WIFI/藍(lán)牙等混合定位。
北京智慧圖科技：2011年成立，是國(guó)內(nèi)較早從事室內(nèi)定位的創(chuàng)業(yè)公司。主要技術(shù)是：WIFI/藍(lán)牙等混合定位。
2.藍(lán)牙定位
藍(lán)牙定位主要基于三邊定位的原理。與WIFI定位類似，藍(lán)牙定位通常也采用測(cè)量藍(lán)牙RSSI來(lái)推算距離，因而也存在測(cè)量誤差大的劣勢(shì)。
藍(lán)牙4.0（BLE - Bluetooth Low Energy）的低功耗特性和蘋果的iBeacon發(fā)布，大大推動(dòng)了藍(lán)牙技術(shù)在室內(nèi)定位領(lǐng)域的應(yīng)用。因?yàn)閕Beacon（即BLE基站）低功耗無(wú)源（僅靠一節(jié)紐扣電池供電一年以上，不用外接電源）、成本低廉（一個(gè)iBeacon可以小于50元），所以iBeacon可以遠(yuǎn)比WIFI AP部署的密度高，例如間隔8米部署一個(gè)。因?yàn)椴渴鹈芏雀撸瑤?lái)的直接優(yōu)勢(shì)是藍(lán)牙定位精度可以比WIFI高（因?yàn)镽SSI與距離的對(duì)應(yīng)關(guān)系中，距離越近約精確，越遠(yuǎn)誤差越大）；帶來(lái)的直接缺點(diǎn)就是總體部署成本較高，后續(xù)維護(hù)成本也較高。
定位精度：典型3米
優(yōu)點(diǎn)：
可以直接用手機(jī)定位（要求有藍(lán)牙4.0硬件+相應(yīng)軟件版本）。
定位精度比WIFI定位略高，且沒(méi)有IOS或Android的限制。
不用插網(wǎng)線或電線，iBeacon部署比較方便。
缺點(diǎn)：
iBeacon部署密度高才能實(shí)現(xiàn)更高的定位精度，所以基站總體部署成本比WIFI等其它方案要高。
iBeacon雖然很省電，但電池終有用盡的時(shí)候（有的產(chǎn)品短至1,2年）。而蘋果的iBeacon通信協(xié)議并不包括beacon的電量情況，會(huì)給查詢電量帶來(lái)挑戰(zhàn)。而且因?yàn)閎eacon數(shù)量較多，分散部署在各處，所以對(duì)后期維護(hù)是個(gè)挑戰(zhàn)。
iBeacon方案不易做反向定位(后臺(tái)服務(wù)器查詢手機(jī)的位置)，需要特殊設(shè)計(jì)，增加復(fù)雜度和成本。
典型公司：
Estimote，2012年成立，主打產(chǎn)品是用于商場(chǎng)零售領(lǐng)域的iBeacon。
蘇州尋息電子，2014年成立，主打產(chǎn)品是各類iBeacon。
3. LED定位
利用天花板上安裝的特殊LED燈泡，高頻閃爍傳遞編碼信息，手機(jī)前置攝像頭接收燈光信號(hào)，解析定位。
定位精度：典型約1米
優(yōu)點(diǎn)：
可以直接用手機(jī)定位。
可以比WIFI和藍(lán)牙定位精度更高
缺點(diǎn)：
室內(nèi)燈具的升級(jí)改造成本高，工作量大，燈有各種各樣的規(guī)格不一定匹配。
要定位必須要開燈。
需要手機(jī)開啟前置攝像頭，較費(fèi)電，有泄露隱私風(fēng)險(xiǎn)。
不易做反向定位。
通常要與藍(lán)牙iBeacon方案結(jié)合才能做更多商業(yè)應(yīng)用（例如靠近就推送優(yōu)惠），而手機(jī)在口袋中無(wú)法定位，進(jìn)一步影響推送效果。 典型公司：
AcuityBrands(品牌Byteh5ght)，這是個(gè)成立多年的燈光產(chǎn)品大廠，紐交所上市公司。
華策光通信，2013年成立，主打LED定位。
利用加速度計(jì)+陀螺儀等慣性傳感器，記錄進(jìn)入室內(nèi)后的動(dòng)作，完成定位。因?yàn)榇嬖陔y以避免的累積誤差，運(yùn)動(dòng)越久累積誤差越大，所以這種方法很少獨(dú)立用于室內(nèi)定位。通常IMU定位作為多傳感器融合定位的重要內(nèi)容，與其它定位方式（例如WIFI、藍(lán)牙等）配合使用。例如在能接收到藍(lán)牙beacon的有效信號(hào)時(shí)，以藍(lán)牙定位為準(zhǔn)，否則以IMU定位為準(zhǔn)，當(dāng)藍(lán)牙定位有效時(shí)同步對(duì)IMU進(jìn)行誤差歸0校準(zhǔn)。
定位精度：有累積誤差，運(yùn)動(dòng)越久，累積誤差越大。
優(yōu)點(diǎn)：
可以直接用手機(jī)定位。
不需要在室內(nèi)部署基礎(chǔ)設(shè)施。
缺點(diǎn)：
長(zhǎng)時(shí)間、長(zhǎng)距離運(yùn)行后有累積誤差，需要與其它定位技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。
因?yàn)镃PU是間隔對(duì)傳感器采樣的，如果運(yùn)動(dòng)太快，可能會(huì)錯(cuò)過(guò)細(xì)節(jié)造成誤差
5. 地磁
現(xiàn)代建筑使用的鋼筋混凝土等結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)地磁場(chǎng)造成擾動(dòng)，導(dǎo)致室內(nèi)各個(gè)位置的地磁特性各不相同。地磁定位技術(shù)，通過(guò)測(cè)量室內(nèi)某位置的地磁場(chǎng)，與預(yù)先人工采集的室內(nèi)磁場(chǎng)分布數(shù)據(jù)庫(kù)做比對(duì)，從而大致判斷所處位置。
定位精度：約1米量級(jí)
優(yōu)點(diǎn)：
可以直接用手機(jī)定位（使用手機(jī)磁力傳感器）。
不需要在室內(nèi)部署基礎(chǔ)設(shè)施。
缺點(diǎn)：
室內(nèi)各處的磁力數(shù)據(jù)需要預(yù)先人工覆蓋式采集，工作量大。一旦室內(nèi)的裝修和布局變化，甚至室內(nèi)用電器的電磁場(chǎng)變化，都可能影響磁力分布，磁力數(shù)據(jù)需要定時(shí)人工測(cè)試更新，維護(hù)工作量很大。
定位不穩(wěn)定，容易受干擾。一旦因?yàn)槭覂?nèi)裝修布局或電器變化造成磁場(chǎng)變化，而并未來(lái)得及人工更新地磁數(shù)據(jù)庫(kù)，此時(shí)室內(nèi)定位就是不準(zhǔn)的。
典型公司：
IndoorAtlas，2014年獲得百度投資。
北京識(shí)途科技，2013年成立。
6. 超聲波
超聲波定位技術(shù)通過(guò)在室內(nèi)安裝多個(gè)超聲波揚(yáng)聲器，發(fā)出能被定位終端麥克風(fēng)檢測(cè)到的超聲波信號(hào)。通過(guò)不同聲波的到達(dá)時(shí)間差，推測(cè)出終端的位置。
定位精度：分米級(jí)
優(yōu)點(diǎn)：
可以直接用手機(jī)定位
精度較高
缺點(diǎn)：
超聲波信號(hào)傳輸距離近，所以需要密集布置揚(yáng)聲器，才能覆蓋足夠的面積。
超聲波信號(hào)易受室內(nèi)多徑效應(yīng)（信號(hào)反射）的影響，給定位帶來(lái)不穩(wěn)定性。
典型公司：
Shopkick，2010年成立，該公司主要通過(guò)在商場(chǎng)部署其超聲波定位系統(tǒng)，用于商戶簽到積分。
7. 激光雷達(dá)
激光雷達(dá)（h5DAR）通過(guò)自身旋轉(zhuǎn)進(jìn)行水平或豎直平面的激光掃描。發(fā)射激光到目標(biāo)，接收反射信號(hào)，計(jì)算飛行時(shí)間，從而精確測(cè)距。
精度：毫米級(jí)
優(yōu)點(diǎn)：
測(cè)距精度目前是各種方法中最高的。
幾乎不需要在室內(nèi)部署基礎(chǔ)設(shè)施。
缺點(diǎn)：
激光雷達(dá)的激光強(qiáng)度沒(méi)有穿透性，只能用于視線內(nèi)(LOS – h5ne of Sight)測(cè)距。意味著在人多有彼此遮擋的場(chǎng)景下，不太好用。
激光雷達(dá)成本較高，用于服務(wù)機(jī)器人的最普通型號(hào)也普遍在上千元RMB，用于無(wú)人駕駛汽車上的激光雷達(dá)甚至超過(guò)10萬(wàn)元RMB。因?yàn)槭謾C(jī)上沒(méi)有激光雷達(dá)，所以激光定位目前主要用于機(jī)器人、無(wú)人車等成本相對(duì)不很敏感的設(shè)備對(duì)自身精確定位。
僅靠激光雷達(dá)定位的機(jī)器人是有些缺陷的，例如在下列場(chǎng)景容易丟失位置：
當(dāng)機(jī)器人在重復(fù)場(chǎng)景中運(yùn)行，例如相似的長(zhǎng)廊或房間；
當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行中被搬走，或被人群圍觀；
當(dāng)機(jī)器人在大的開闊區(qū)域運(yùn)行，超出激光雷達(dá)范圍（例如一款服務(wù)機(jī)器人常用h5DAR探測(cè)距離僅6米）
典型公司：
Velodyne,國(guó)際激光雷達(dá)領(lǐng)域頂級(jí)廠商，大部分無(wú)人駕駛汽車都選用該廠的激光雷達(dá)。產(chǎn)品價(jià)格昂貴，百度2016年8月剛投資。
思嵐科技，2014年成立，主打高性價(jià)h5DAR的創(chuàng)業(yè)公司，產(chǎn)品主要用于服務(wù)機(jī)器人。
北醒光子，與思嵐科技產(chǎn)品定位類似。
8. UWB（Ultra-Wideband超寬帶）
UWB信號(hào)的時(shí)域波形如上圖所示。不同于傳統(tǒng)的無(wú)線射頻信號(hào)有固定頻率的載波（如藍(lán)牙2.4G），UWB在不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)是完全靜態(tài)的，要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)送寬度很窄（如1ns）的脈沖信號(hào)。因該窄脈沖在頻域上是很寬的，所以叫超寬帶。因?yàn)閁WB時(shí)域信號(hào)脈沖較窄，所以在時(shí)間、空間上有較大分辨力，比較容易抵抗室內(nèi)信號(hào)傳輸常見的多徑效應(yīng)（信號(hào)因?yàn)榉瓷湓斐傻亩嗦窂絺鞑ィ┑挠绊憽?/p>
UWB定位通常是通過(guò)在固定的基站和待定位終端之間發(fā)送無(wú)線脈沖來(lái)測(cè)量飛行時(shí)間，進(jìn)而測(cè)距，或通過(guò)終端到各基站之間的飛行時(shí)間差來(lái)測(cè)距，然后通過(guò)三邊定位法定位。由于UWB特有的抗多徑效應(yīng)強(qiáng)的物理特性，測(cè)距和定位精度較高。
因?yàn)槭謾C(jī)未集成UWB收發(fā)器，所以UWB定位目前主要應(yīng)用在B端。在特定領(lǐng)域?qū)ε宕髁薝WB標(biāo)簽的人員和設(shè)備進(jìn)行定位，例如對(duì)廠區(qū)人員和資產(chǎn)的定位。將UWB應(yīng)用到機(jī)器人、無(wú)人機(jī)、VR/AR等新興領(lǐng)域做為輔助定位手段，也是逐漸興趣的研究熱點(diǎn)。
定位精度：<30厘米
優(yōu)點(diǎn)：
精度高，穩(wěn)定性高。抗多徑效應(yīng)。
抗電磁干擾能力強(qiáng)，不易受常見無(wú)線電信號(hào)影響，對(duì)其它無(wú)線電信號(hào)的干擾也小。
因?yàn)椴挥冒l(fā)射載波，所以功耗可以做低，定位終端可以使用電池長(zhǎng)期供電。
選擇合適的算法下，同時(shí)定位的終端設(shè)備可以很多（至少2K個(gè)）。
缺點(diǎn)：
不能直接用于手機(jī)定位。
定位終端要有UWB收發(fā)器，成本比藍(lán)牙終端略高。
常見方案中，各基站還需要連接有線或WIFI網(wǎng)絡(luò)來(lái)配合回傳定位數(shù)據(jù)。
典型公司：
Ubisense，老牌公司，產(chǎn)品主要用于工業(yè)領(lǐng)域，價(jià)格貴。
9. 視覺(jué)
用手機(jī)攝像頭或雙目攝像頭拍攝周邊畫面，并和已經(jīng)預(yù)先儲(chǔ)存的環(huán)境圖像進(jìn)行匹配，確定自己的位置。
定位精度：<1米
優(yōu)點(diǎn)：
可以直接用手機(jī)定位。
不需要在室內(nèi)部署基礎(chǔ)設(shè)施。
缺點(diǎn)：
技術(shù)不成熟，穩(wěn)定性不高。
圖像處理耗費(fèi)大量CPU和電量資源，定位操作方式怪異，用戶體驗(yàn)不好。
理論上有不可避免的問(wèn)題，例如在環(huán)境單一的長(zhǎng)走廊或類似場(chǎng)景中，僅靠機(jī)器視覺(jué)是難以準(zhǔn)確定位的。
典型公司：
Google：Project Tango
三、室內(nèi)定位在C端的商業(yè)考量
