无处不在的室外位置感知技术正慢慢延伸到室内

今天，你在一座陌生的城市也可以很容易地找到前往最近的星巴克的路线，这得益于三十多年前开始的一连串事件，当时一架苏联苏霍伊拦截机飞越日本海上空，发射了两枚热寻导弹。其长远的结果是：你现在可以很轻松地找到喝卡布奇诺的地方。

当然，并非是咖啡发出的热量让你找到它。最有可能的情况是，智能手机或仪表盘上的GPS接收器像热寻导弹一样，引导你找到咖啡。这种无处不在的消费电子技术之所以能够存在并发挥作用，原因就是美国国防部允许将其卫星定位系统投入民用。但这并非最初的计划。全球定位系统原本应该专供士兵、船员和飞行员使用，直到里根总统突然下令更改政策。里根此举是针对1983年9月1日韩国客机坠毁事件作出的回应。该客机在行进中偏离航线，进入苏联境内，苏联空军误认为它是一架执行间谍任务的军用飞机，将其击落，机上269名乘客全部遇难。 国防部尽职地执行里根总统的指示，将GPS信号投入民用，但起初有所防范，在非军用的GPS设备可获取的卫星信号上添加随机时序错误，使误差不小于100米。然后在2000年，克林顿总统下令停止这一有目的的降级行为，误差范围缩减到10米左右。突然之间，GPS在车辆甚至行人导航方面开始发挥极其重要的作用。美国政策的这些转变，以及GPS芯片组成本的直线下跌和智能手机的日益普及，最终让强大的卫星导航功能成为人人可用的寻常功能。所面临的困难是，在天空视野受阻的情况下，来自远方卫星的无线电信号无法起到作用，导致很难在狭窄的峡谷、城市或其他地区进行导航。并且这些高频信号在碰到金属后会四处反射，所以想在室内获得良好的GPS定位通常是不可能的。无线电工程师们都热衷于解决这一巨大的难题。他们尝试各种不同的策略，帮助我们实现室内导航以及跟踪可移动资产——医院设备、工厂车间内的专业工具、移动机器人、家畜等等。以下是一些主要可行方案的基础技术，以及一些有关如何实现这些方案的合理猜想。 “室内导航非常、非常棘手。”马萨诸塞州伍斯特理工学院的电气与计算机工程教授卡韦赫•帕尔哈文（Kaveh Pahlavan）说道。作为无线信息网络研究中心的主任，他一直密切关注过去提出的各种无线电定位方法，并观察这些技术如何演变。他注意到，通常情况下，进展并非仅取决于技术的发展，商业现实的作用通常更大。“事实上，产业作出的选择非常重要，”帕尔哈文指出，“目前，Wi-Fi定位最为普遍。”帕尔哈文为总部位于波士顿的Skyhook Wireless公司提供有关技术问题的咨询，该公司是众多提供基于Wi-Fi（以及蜂窝信号和GPS——在这两种技术可用的情况下）的定位服务的公司之一。该公司通过雇佣大批“扫站客”（驾车四处游走，记录Wi-Fi信号和GPS位置的人）维持一个庞大的、包含Wi-Fi接入点及其地理位置的数据库。用户在手机上运行Skyhook公司的应用程序，可以利用该公司的各种专有算法，根据范围内的映射接入点和所收到的信号强度测定位置。这种方法的优点是不需要额外的基础设施，任何配有Wi-Fi功能的手机、平板电脑或笔记本电脑都可以直接使用，无需修改。这就是为什么第一代iPhone和iPod Touch机型（缺少GPS接收器）使用Skyhook进行定位。定位的效果如何？Skyhook的测试表明，典型的室内精度为3至10米。这优于GPS的室外定位表现，但仍会很容易误判你所在的房间和楼层。通过增加更多接入点，以及仔细记录目标建筑内的无线电环境，可以提高精度。例如，加拿大不列颠哥伦比亚省维多利亚市的Wifarer公司就制作了针对特定站点的安卓和iOS应用，用于显示位置相关信息。该公司曾在皇家不列颠哥伦比亚博物馆展出了其系统，令人惊叹的是，其应用程序的定位精度平均约为1.5米。

能够在数米范围内确定室内位置对于在博物馆、机场、会议中心或商场内找寻路线非常有效，但还不足以应对许多其他情况。试想一下，你正在设计一款邮件递送机器人，只有2米的误差会让你和机器人都感到无比兴奋；而Wi-Fi策略对于“第一响应人”却根本不起作用——比如困在着火建筑物内的消防员。但是，如果你愿意安装专门设有定位功能的无线电设备，大量方案可供选择。

总部设在阿拉巴马州亨茨维尔的Q‑Track公司可提供这方面的帮助。该公司声称其室内无线电定位系统能够提供亚米级的精度。该系统采用大约1兆赫兹的频率，大大低于Wi-Fi。为什么？“我们希望信号能够穿过杂乱的传播环境。”Q-Track公司的联合创始人汉斯•尚茨（Hans Schantz）说道。低频率可以更容易地穿透室内的许多障碍。它们在障碍物周围发出较少衍射，并且没有多径现象，这种现象是指建筑物内四处碰撞反弹的各种电波互相干扰。Q-Track公司系统与Wi-Fi定位的另一根本不同之处在于：不使用信号强度来测定发射器与接收器之间的距离。它也不像GPS一样测量信号从发射器传送到接收器所需的时间。相反，该系统巧妙地利用以下事实：在大约1兆赫兹的频率上，在建筑物大小的距离内（例如说长达100米），接收器在无线电工程师所说的“发射器的近场”内工作。在这个特殊区域内，无线电天线的发射颇为奇特。电场磁场和无线电波不同，并不同步变化。并且非常方便的是，它们的时间差（相对相位）随着发射天线的距离而变化。Q-Track公司使用距离相关的相位差，以及仅在近场内存在的其他功能，计算发射器标签相对于固定接收器的位置。这些接收器都配有天线，可以单独测量电场和磁场。在室外，该系统可精确到15厘米，而在室内，建筑物的结构元件会造成多达数米的误差。但是通过首先映射该站点的无线电环境，系统能够将其室内标签定位到40厘米范围内，尚茨如是说。尽管这可能已达到你所需要的精度，但机器人导航等应用的要求更高。另外，Q-Track公司的接收设备体积庞大，标签非常耗电。即便配备可充电的锂离子电池，它们也最多持续几周。因此，尽管该系统在某些环境中运行良好，但很难用于密匙卡、手机、RFID标签以及无线接入点，而真正实现无处不在的室内定位，这些设备都是必须的。 总部设在都柏林的DecaWave公司希望克服这些障碍。该公司是一家无晶圆厂半导体制造商，曾推出旨在提供极其精确的室内定位的无线网络芯片。该芯片利用非常短暂的无线电能量束（类似于雷达发射能束），能够测量这些脉冲往返于无线电的时间，可以精确到不到一纳秒，将定位误差控制在10厘米以内。所发射的脉冲的短暂性确保多径干扰不会造成问题，因为所反射的脉冲与那些在发射器和接收器之间采用直接路径的脉冲在时间上很好地隔开了。这也意味着，这些传输具有非常大的光谱带宽，DecaWave的新产品大约有500兆赫的带宽，这就是为什么其芯片属于被称为“超宽带”的无线电技术。短脉冲发射让人回想起无线电的早期，当时来自原始的火花隙发射器的脉冲信号将能量散布在整个频谱上，只能传递一点点信息，却会造成巨大的电磁破坏。无线电的首个监管机构赶忙施加了一些规则，在一个世纪前制止了这种公然浪费带宽的行为。此后的运行范式一直将频谱分割成狭窄的部分，分配给这样或那样的应用，各家公司往往要付出可观的费用，以获得无线电权限。因此，要找到一个合适的500兆赫频谱带，在今天拥挤的频谱中运行，看起来似乎并不现实。事实上并非如此。如果超宽带传输的功率水平保持足够低，分散在整个频率上时，便可以与传统的无线电服务分享电波，而不会造成干扰。这些无线电服务长期以来不得不应对电动机、汽车点火系统以及各类数码产品产生的意外能量，尽管这些设备本不应该发射无线电波。低功率的超宽带传输不再具有威胁性，这就是全世界的无线电监管部门接纳这一技术的原因。美国联邦通信委员会在1998年就率先允许使用超宽带无线电，当时该技术被推广用于短距离高速数据链接。频谱用户高声抗议，声称这将会对他们的设备造成干扰。该机构自此开始进行系统的审查，并已经驳回了这些反对意见，但超宽带长期缺乏行业标准化，因此它一直缺乏发展推动力。DecaWave期望在ZigBee低功率无线网络中使用一个超宽带版本的IEEE 802.15.4标准，以推动其向前发展。该版本融合了DecaWave联合创始人兼首席技术官迈克尔•麦克劳克林（Michael McLaughlin）在2005年左右提出的想法。由此产生的802.15.4a标准，于2007年首次批准，包括有关发送数据和准确测量距离的规定。DecaWave并非唯一将超宽带无线电技术用于室内定位的公司，但它却是唯一将全部资本押在低成本收发器芯片的开发和大规模营销上的公司。这种芯片足够小且价格低廉，易于让手机和接入点厂商采用。“当我们创建公司时，我们曾说希望成为下一个高通，”DecaWave的联合创始人兼首席执行官塞伦•康奈尔（Ciaran Connell）说道，“我们因此被大肆嘲笑。于是我们开始说希望成为下一个剑桥硅晶无线电，人们似乎可以接受这一说法。”若DecaWave的芯片有朝一日进入每个人的手机和接入点，则需要移除一大障碍，即在无数个建筑物中安装可以实现室内定位的特殊无线电设备时所面临的麻烦和费用。

尽管DecaWave发布的超宽带芯片作出了一定承诺（并且市面上存在着各家公司的早期超宽带定位设备，例如总部设在柏林的Nanotron公司、阿拉巴马州亨茨维尔的Time Domain公司以及伊利诺伊州林肯郡的Zebra Technologies公司），帕尔哈文仍持怀疑态度。“室内定位还没有一个很好的解决方案，包括超宽带在内。”他说道。他的这一观点在某种程度上基于历史发展情况。

1993年索马里摩加迪沙战役（同名小说和电影《黑鹰坠落》基于这一大灾难改编）结束后，一个非常明显的事实是，如果在城市环境内作战，士兵们需要比GPS更好的工具来指引方向。次年，美国国防部高级研究计划署开始研发“小单元操作态势感知系统”。这引发了对于超宽带无线电的巨大兴趣，该技术在原则上可以同时为士兵提供低功耗、难以阻塞的通信和精准定位能力。美国政府在这一计划上投入了数百万资金，但从未研发出理想的定位系统。在帕尔哈文看来，最根本的问题是，超宽带信号太容易被阻塞。在他和他的学生测试过的各类室内环境中，这种情况发生的概率平均为40%。因此，超宽带接收器根本无法确定检测到的第一个脉冲是沿着来自发射器的直线路径，还是首先在一个或多个曲面反弹。后者当然使得计算位置出现极大偏差。在意大利博洛尼亚大学的WiLab实验室内进行的一项超宽带定位系统研究中，研究人员发现，缺少沿着直接路径传播的信号（或者直线信号在经过厚砖石墙时经历的延迟）很容易造成1 ～2米的误差。这与TimeDomain和霍尼韦尔公司在测试一个旨在为应急响应人员提供的超宽带定位系统时发现的情况类似，后者结果略好，大约为1米。尽管这种级别的精度对于大多数应用都已足够，但相对于测量Wi-Fi信号强度的系统，优势并不明显。因此，尚不清楚超宽带定位系统是否会广泛应用于除了视线应用程序以外的情况，或者一些罕见的室内环境——其中没有Wi-Fi信号，必须设置无线电信标。 如果不采用超宽带，那么该怎么办？“没有人知道解决方案，”帕尔哈文说道，“人们都在等待‘圣杯’的出现。”他认为最可能的情况是，大众市场的室内定位技术将继续缓慢改进，使用混合方案充分利用各种无线电波源，尤其是Wi-Fi，但也包括蜂窝信号、蓝牙、电视节目，甚至是超宽带来源（前提是这些资源已变得常见）。并且这些混合定位系统需要不仅限于使用无线电。它们可能会融合智能手机中加速度计和陀螺仪得出的测量结果，为组合增加惯性导航——高通和苹果公司都对这种策略表示出了兴趣。压力传感器也可以用于确定离地高度，至少有一家公司——总部设在芬兰奥卢的IndoorAtlas认为，智能手机的磁力仪测量结果可能有助于确定室内位置。“室内定位涉及多个学科。”帕尔哈文说道。因此不要寄望于单一的“万能”技术解决室内导航问题。相反，应期望大量小心谨慎的活动，让移动设备以所有可能的方式感知周围环境，将结果上传至云中的位置计算引擎，然后持续地汇报它们的位置。并且这种实时室内定位技术不会仅供人们在手机上使用——物联网毫无疑问也将具备定位能力。你正在找寻的“那杯咖啡”很快将无处可藏。来源：悦智网 作者：David Schneider

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