不同于北斗、GPS,解析室内定位背后的微惯导技术

提起定位导航,大家首先想到的是 GPS,中国也推出了自己的卫星定位系统北斗卫星定位系统。但是卫星定位只能用在室外环境,一到室内,由于导航讯号衰减太快,卫星定位就无法使用。

那幺,室内定位当前有没有「刚性需求」呢?答案是肯定的。今天我们不谈现在很热闹的消费级市场应用,我们谈室内定位技术在一些特殊但很重要的场景──消防救援、反恐、救灾等应急任务中的应用。

消防救援等应急任务对室内定位技术的特殊需求

试想一下这样的场景:大火现场,消防员冲进着火的大楼里试图搜救倖存者,火势越来越猛烈,烟雾瀰漫,消防员迷路找不到出口,氧气不够,最终丧失了生命……

如果能精确定位消防员的位置,后方指挥人员掌握了进入火场施救的消防员实时动向,透过通讯设备準确指挥现场人员,避免消防员在火场中迷路,可以最大程度地减少人员伤亡。这对于室内定位技术来说,也是功德一件了。

目前业内主流室内定位技术普遍需要外部设施或先验数据库,比如 UWB、Wi-Fi、蓝牙、地磁等,而消防救援等应急任务通常来不及、或环境不允许布置外部定位基地台或信标等设备,因此没有一种可以满足紧急任务下自主定位的要求,所以採用不依赖任何外部设备或先验数据库的惯导定位技术,是目前比较稳当的手段。惯导定位技术是一种完全自主式的导航技术,与普通的定位技术不同的是,它不依赖于导航卫星、无线基地台、电子标籤等任何辅助设备和先验数据库。

对于应急任务室内定位需求来说,定位产品是否能达到实战效果应该从以下几个方面评估或者实际测试:

    是否可以适应多种步态,典型步态有小碎步走、小跑、侧移、倒退、上下楼等。沿长直线走 50 公尺以上,到末端转 5 个以上圆圈(半径 2 公尺以上),再沿原直线走回,评估偏移量,偏移量控制在 1% 以内的则为优秀产品(惯导存在无法消除的固定角度和位置飘移,只能尽可能降低。反覆上下楼梯,评估高度準确度,尤其是楼层判定,看看会不会出现楼层错误,小误差可以接受,但是楼层判错会延误救援甚至造成致命失误。在建筑物内进行实地测试,磁场是惯导室内定位的一个重要资讯,可以用来控制惯导的飘移。但是也容易受到外界影响,尤其是建筑物比较紧凑,金属结构比较多,有大型显示萤幕的环境,应评估定位产品磁场抗干扰特性。有条件的可以进行点火试验,大火会造成温度和气流的急剧变化,如果气压计数据融合没有处理好,高度会有很大偏差,简易测试方法是透过空调调节室内外温差,经由出入室内外测试定位的稳定性。使用是否便捷、是否需要外部基地台辅助都可以评估,在消防救援等应急任务中不能完全依赖于任何外部基地台,我们的微惯导定位产品 GNW-FOEM 在无外部基地台辅助情况下可以保持 45 分钟左右的精度可用,在同类产品中比较出众。地图融合演算法的优劣,无地图和有地图的情况使用评估,我们的 iNav 智慧定位引擎提供了地图输入接口,在有室内地图资讯的条件下,可以长时间保持高精度不飘移,做过的典型试验是在商场内,1 小时内精度稳定在 2 公尺。数据通讯方式的选择,大致分为两类情况,一种是利用营运商网路外传(利用基础网路的覆盖冗余性和其稳健的通讯机制);一种是利用专用网路,但是目前还没有一种可以快速部署又便捷可穿戴,能够覆盖消防救援的专用通讯网路(通常能达到覆盖地下一层就已经算性能达标了),如果产品能兼容营运商网路和专用网路就已经是一种比较好的方式了。

一种比较可行的产品配置方案是 1 个主控端 + 4-8 个单兵节点配置,如图:

不同于北斗、GPS,解析室内定位背后的微惯导技术

图 1:应急任务现场指挥系统方案图。

每个单兵配备一个定位模组(足部)和手持终端,模组获取人员运动数据后,透过蓝牙通讯传给手持装置,手持装置透过远场通讯设备将数据传递给指挥中心。系统可融入室内地图,水平精度达到 0.3%,能準确进行楼层辨识。现场、后场多个指挥端可同步显示,有利于消防员现场指挥调度、减少人员伤亡现场,事后可达到任务回放、进行教学和经验总结。

微惯导室内定位技术在应急任务中具有无可替代的优势

在应急任务场合,业内主流室内定位技术普遍需要外部设施,大多数无法满足紧急情况下自主定位的要求。在这种情况下,首先想到的就是惯导室内定位技术。基于此,市场上也涌现了一批做惯导定位的公司。

国外的代表公司有 Honeywell、SEER Technology,产品的定位精度基本上为 2%-5%,也就是说用户行走 1km,位置误差为 20 公尺,这是无法满足实际应用需求的,会延误逃生、救援等和位置精度密切相关的应急任务,整个产品没有达到真正实战的技术指标。因此这部分产品也因技术不成熟而未能打开市场。

中国也有几家公司在做,如微迈森,和笔者所在的格纳微科技等。其中,我们的产品定位精度达到了 0.3%,相当于走 1 公里误差不到 3 公尺,可以适应 <15km/h 的走路、小跑、侧移、后退等任意步行姿态,基本可以满足实际应用需求了。

一般人对于 0.3% 精度仍有质疑,其实产品採用的是普通的低成本 MEMS 方案,就是智慧手机中的 G-sensor,而且不依靠任何基地台等辅助资讯。这种低成本的 MEMS 器件,通常会有极高的方向飘移误差(≥100°/h)和加速度误差,如果仅採用普通的航位推算演算法,加速度积分带来的速度和位移误差将高达 10 %以上。

微惯导室内定位技术目前发展比较快,主要是用于紧急救援或者军事用途,大概分为两种:

    配戴于腰部的惯导模组,採用传统 PDR 航位推算方案。配戴于足部的惯导模组,基于足部运动模型开发,精度较高。

腰上的方案实用性更强,但是对于侧移、转弯、原地踏步等步态就会产生明显的误差积累。目前我们的腰部惯导产品的实验结果是 2% 的精度,走 100 公尺误差达到 2 公尺。业内比较知名的 Honeywell 的 DRM4000(图 2)和 SEER Technology 的 NAViSEER(图 3)都是採用这类技术方案,实测精度大约在 2%~5%。腰部惯导定位模组无法适应特殊步态,实战应用受限,希望后期能看到更为优秀的产品和技术出现。

不同于北斗、GPS,解析室内定位背后的微惯导技术

图 2:DRM4000 航位推算模组;图 3:NAViSEER人员精确追蹤系统。

足部的方案精度高,相对稳定,如果能够稳定在 0.3% 以内的精度,基本能满足应急任务的需求了,消防、反恐、救援任务在建筑物内行走距离不长,行走 1 公里误差累计 3 公尺,用户基本都可以接受。

「微惯导 +」融合定位解决方案

纯惯导定位在室内小场景,经过长时间的行走后,角度和位置飘移并不明显,因此在很多使用场景中并没有使用其他辅助定位手段。但是这种纯惯导定位产品依然有两个弱点:

一是输出为相对轨迹,需要将多个人员的轨迹统一到一个坐标系中,目前使用较多的做法是所有应急任务人员在出发时经过同一段长直线,在应用层将轨迹旋转到统一坐标。第二种做法大概是部署两个脚垫(相隔至少 10 公尺以上),所有队员依次踩两个脚垫,可以透过后台自动旋转将多个队员统一到一个坐标。

二是就纯惯导定位的精度来说,目前业内 0.3% 的精度相对比较高,但在大场景长距离情况下,由于惯导固有的飘移率,仍然会有较大的累积误差(如图 4 所示),需要外部的资讯进行校準。

针对这两大问题,这里分享我们的两种解决方案,给大家做个参考:

    透过地图匹配辅助微惯导定位。採用外部蓝牙基地台辅助微惯导定位。

如果可以获取应急任务场景的建筑物室内地图资讯,结合地图匹配技术,利用基于地图资讯的粒子滤波自动学习路径演算法,校準惯导定位中的残余误差并标定多个,达到长时间稳定定位,可进一步减少辅助定位基地台数量,降低定位系统複杂度。

採用外部蓝牙基地台辅助定位,我们目前是以微惯导定位为主,透过间或获取的基地台蓝牙讯号校準,被定位人员在建筑物内结合自身的惯导数据和间或获取的基站资讯,来获取一个稳定的高精度定位结果,同时完成多人轨迹标定,实际测试结果体验就会比较好。这里需要考虑一个问题,就是辅助基地台布设的灵活性和快捷性。

蓝牙也可用于室内定位,但是讯号发射範围比较小,而且容易受到环境包括人体的遮挡和干扰,定位精度不高,一般在 3 公尺左右;但蓝牙设备轻巧,成本低,布设起来较为方便,这对于应急任务来说是一大优势。所以以高精度惯导定位为主,辅以便于临时布设的蓝牙信标,有望解决应急任务场合的室内定位现场快速部署的问题。

下面是採用高精度的微惯导定位模组结合蓝牙信标做的外场试验,透过自主开发的i Nav 智慧定位引擎进行数据融合。

不同于北斗、GPS,解析室内定位背后的微惯导技术

图 4:纯惯导定位的结果;图 5:惯导 + 蓝牙定位的结果。

在一个大型百货商场中,面积约 200 公尺×300 公尺的範围内总共只部署了 3 个蓝牙信标,图 5 中红色所标示信标的位置。进行了约 1 个半小时的自由行走,总计行程约 6 公里,没有藉助任何地图资讯,可以达到长时间的高精度定位,定位误差最大的地方达到 3.6 公尺,90% 以上时间定位误差均在 2 公尺内。惯导定位精度再高也是有飘移的,尤其在这种大场景下,1~2° 的角度偏差就可以造成 6~8 公尺的位移偏差,蓝牙信标和惯导的数据经过 iNav 引擎融合优化后,将多人相对轨迹迅速统一到第一个人的坐标系,并且完成稳健的高精度定位。

其实讲到这里,我们选择提出「微惯导 + 蓝牙」室内定位解决方案的原因就很简单了──部署简便,间或校準惯导飘移,自动完成多人轨迹方向对齐,无需任何地图资讯融合,长时间维持在一个稳定、可接受的精度範围,是非常适合应急任务室内场景的。

实际使用时,第一个进入室内的应急任务人员,在室内一些关键位置(大门、楼梯拐角等)随意放置 3~4 个蓝牙,即可完成部署,后续队员的定位结果都可以依靠这几个蓝牙小标籤发挥作用。

室内定位技术种类较多,但单靠一种技术无法完全解决实际问题,也无法同时满足成本低、精度高、覆盖广的需求。在未来相当长一段时间内,微惯导定位将是应急任务室内定位解决方案中的核心技术。

作者大格子 GZ,格纳微科技技术总监,西安电子科技大学硕士,就读控制理论与控制工程专业。曾作为骨干参与国家惯导产品重要课题,所研究成果已经成功运用于军工产业。目前负责团队技术路线和产品技术研发,对于空间定位的惯导、超宽频、雷射、视觉 SLAM 都略有涉略。