高精度与低成本难兼顾，对比优势各异的室内定位技术

来源:电子发烧友网发布时间:2023-05-211080浏览

电子发烧友网报道（文/李宁远）在物料堆积如山的工厂、人来人往的商场医院、设备分散的仓库，如何在这些室内空间里准确地定位人员或者设备这种需求一直存在。

不同于室外移动设备能提供的位置服务，可以采用全球导航卫星系统GNSS和低功耗蓝BLE测距在室外有效地确定人员和物体之间的相对位置。在室内GPS是无法工作的，室内的定位服务还有着很大的拓展空间。

百花齐放的室内定位技术

室内定位技术可以说是百花齐放，没有哪种技术和室外的卫星定位一样统一了整个应用场景。有采用Wi-Fi的定位方案，有采用Beacon（Bluetooth）的定位方案，还有采用UWB的定位方案，这些都是采用无线通信设备并通过接收其信号来进行定位的方案。
也有不少室内采用红外线、超声波、激光雷达等传感器来实现定位的方案。这些百花齐放的室内定位技术在定位精度、部署难易程度和成本上各不一样，有些室内定位技术更适合消费级场景，有些室内定位技术更适合工业级场景。
首先精度肯定是和应用价值成正比的，越高的室内定位精度肯定有更广阔的应用前景和价值。但技术实现成本也制约了相当一部分高精度室内定位技术的应用，毕竟在消费级室内定位市场大规模部署高成本的定位设备也是不现实的，所以机器视觉、激光雷达等这种高成本工业级的室内定位手段这里就不关注了。

蓝牙室内定位：前景巨大的定位技术

得益于蓝牙技术的发展，基于蓝牙AOA/AOD技术的室内定位新框架，以及蓝牙测向算法，该技术的室内定位日趋精准简单。
早期的基于蓝牙信标或者基于RSSI的定位是和蓝牙AoX不同的，比较具有代表性的蓝牙信标定位厂商是Estimote，是最早开始做零售行业室内定位服务的。基于蓝牙信标或者基于RSSI的定位精度算不上很高，虽然也能到米级别的定位，但是精度一般在3—10米。
发展到AoX蓝牙测向技术，定位精度和功耗又提升了一大步。AoX蓝牙测向理论上能够做到1m以内的室内定位精度，功耗相比此前的蓝牙定位技术功耗更低，在一颗纽扣电池供电的情况下，能维持五到十年的工作寿命。
另一个更敏感的考量点还是在BOM成本上，设计这种蓝牙tags的成本，根据Silicon Labs的测算目前的芯片组件市场价格不超过1美金，当然前提是量要足够大。这种室内定位技术，最核心的器件自然是蓝牙SoC芯片。高通、TI、Nordic、Silicon Labs、u-blox、MTK、英飞凌、ST、泰凌微、炬力、乐鑫等等厂商都有相关产品提供。
但是基于蓝牙的定位，受限于蓝牙信号功率低，穿透力弱，在复杂空间内需要高密度的Bluetooth作为锚点，部署量不小，如果有盲区或需要更高精度，就需要再增加锚点部署。部署量的增加无疑给了成本很大压力。另一方面，其稳定性也有待提高，虽然电磁干扰信号只要没有造成整个频段的阻塞，就不会显著影响定位精度，但肯定会受到影响。ZigBee技术和蓝牙类似，不单独列举。
蓝牙定位服务能力增强后虽然离大规模商用还有一定距离，但蓝牙测向室内定位的前景是巨大的，不少做蓝牙芯片的厂商都在这个方向上布局。

Wi-Fi室内定位：受益于普及率高的多领域泛定位应用

Wi-Fi网络不仅是室内网络基础设施，也可以用于室内定位，作为应用普及率最高的室内无线接入通信系统，在定位技术的生态对比中优势是明显的，因为无需部署额外的定位基础设施。不过如果把原本的基站也算入到成本里，其实成本优势也不明显。
Wi-Fi定位主要包含两种定位算法，指纹算法和三角定位法。总的来看，指纹算法前期准备工作量较大，尤其是算法层面，需要建立数据指纹库。而且该库要定期更新数据库的信息，对信息准确度要求很高。
三角定位法则无需如此繁杂的准备工作，但是其信号强度衰减模型与室内环境高度相关，在室内环境较为复杂的情况下，信号强度衰减非常明显，因此产生的漂移最后导致定位结果不准确。
Wi-Fi定位技术的精度一般处于3—30米，在各种室内的泛定位场景里，精度不高的Wi-Fi定位技术还是有着应用空间的，想提升精度，就要增大AP的部署密集度，成本也会显著上升并不划算。在不额外增加基站的情况下做泛定位，Wi-Fi定位技术虽然精度不高，但优势也很突出。
Wi-Fi定位技术的核心器件自然是Wi-Fi芯片，根据Global Market Insights数据，2021年全球Wi-Fi芯片市场规模超过200亿美元，到2025年，全球Wi-Fi芯片市场规模将达到220亿美元。上面提到的做蓝牙芯片的厂商大多数都覆盖了Wi-Fi芯片的业务，而且不少厂商在Wi-Fi6、Wi-Fi7芯片上进展频频，成本会上升，但也能够进一步巩固Wi-Fi定位方案已有的优势。

UWB室内定位：成本尚未完全下探的高精度定位

UWB技术以其厘米级定位精度和无缝互联特性逐渐在消费电子、精准定位、汽车互联等相关领域实现广泛应用。UWB信号不适合远距离传输，因为衰减比较严重，而其工作频率远离2.4GHz等繁忙的窄带通信频段，因此UWB信号具有强大的抗干扰能力，同时在复杂环境中具有极强的抗多径能力。这也体现了UWB室内定位两个特点，一是需要多点部署，二则是稳定性极高。
精度自然是无可挑剔，目前市面上已经商业的UWB定位应用基本上在10厘米精度级别，相关UWB芯片厂商的理论定位精度级别更是已经提高到3厘米甚至是1厘米。精度是UWB在各种室内定位手段中最具优势的。
UWB芯片，UWB室内定位的核心器件，不同于Wi-Fi、蓝牙芯片，UWB芯片设计难度更大，想要实现定位高精度，大带宽和高采样率是最基础的。UWB芯片内部射频和模拟模块需要能够支持更高的带宽，延迟部分也需要计算得非常精确。另一方面，UWB芯片的定位需要大量算法的优化迭代作为基础，开发难度和成本自然也就更高。目前市占较高的是Qorvo和NXP，在UWB应用的多个垂直场景中占据绝大部分市场份额，ST、瑞萨也在不断跟进UWB芯片领域。国内也有不少UWB芯片厂商，纽瑞芯、优智联、驰芯半导体、瀚巍微电子等厂商都在UWB芯片高精度和低功耗性能上不断突破。
成本是UWB室内定位应用的难题，虽然近几年UWB发展风生水起，出货量的提升促进了成本的下探，但是相比于Wi-Fi、蓝牙芯片，其价格仍然较高。而且UWB定位需要定制发射器、中继器、转发器，总成本还是处于高位。

室内定位技术对比

除了上面提到的室内定位技术，市面上也有使用惯导传感器技术来做定位的方案，扫地机器人就是很成熟的一类用例。地磁也是常见的室内定位解决方案，同样是消费级传感器定位的一种技术。
地磁传感利用地球磁场，可以为导航定位提供天然的坐标系，在导航系统中实现定位定向。地磁定位的优点在于适用于所有大型场地，是不需要基础设施的一种室内定位方法，单一地磁精度范围可以达到3米左右。地磁可以结合其他传感来实现共同室内定位，比如融合IMU，然后再通过Wi-Fi、蓝牙加以辅助。地磁加IMU是在精准度、可靠性以及开发和维护成本之间保持较好平衡的一种室内定位技术手段。这种融合手段，想要做更高的精度，会受限于IMU硬件的误差以及算法能力，和传感相关的定位技术都是如此。

小结

众多室内定位技术各自都有优势的地方，也都有局限性。高精度的室内定位目前很难将成本控制在较低的范围内，而成本较低的定位技术在精度上也很难有突破。室内定位领域也一直在尽可能提供高精度定位的基础下将成本下探。
想要兼顾高精度和低成本，除了技术的各自发展，融合室内定位也是一个解决方向。当下室内定位需求很难仅用单一技术就可以满足定位和成本上的各种需求，取长补短的各种融合室内定位技术组合会越来越多。