漫談室內(nèi)定位

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,、百度外賣等,。打開這類APP后的第一步，系統(tǒng)都會自動定位我們的位置,。

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信號會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,，但其定位精度太低（上百米）無法滿足室內(nèi)場景的需求。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%以上的時間在室內(nèi)，移動通信服務(wù)80%發(fā)生在室內(nèi),，80%的信息與時間和位置有關(guān),，想必室內(nèi)定位也具有做大的潛力。正是看好這個方向,，從2011年前后開始,，國際、國內(nèi)眾多室內(nèi)定位創(chuàng)業(yè)公司如雨后春筍般出現(xiàn),，頂級互聯(lián)網(wǎng)公司也開始布局室內(nèi)定位技術(shù),。

然而，后來一切進(jìn)展的并不順利,。到現(xiàn)在2016年下半年已經(jīng)有幾年時間過去了,，室內(nèi)定位應(yīng)用似乎并沒有走進(jìn)大家的生活。手機(jī)地圖APP在大型購物中心里還是不好用,，人們在停車場依然要費(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五彩城購物中心實(shí)地測試室內(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常會把我定位到購物中心的外面,。換成高德地圖（被阿里收購）、騰訊地圖,，換成其它購物中心,，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)也無法建立,。筆者覺得這里恰好隱藏著很大的機(jī)會,。

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、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,，有些幾乎無額外成本；有些定位精確到毫米,，有些比較粗獷,；有些對環(huán)境適應(yīng)性很廣（室外室內(nèi)、白天黑夜）,，有些對環(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,。

1）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，那么分別以每個基站為圓心,，以終端到該基站距離為半徑,，可畫出n個圓，這n個圓的交點(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,，定位問題最終轉(zhuǎn)化為終端和基站間的測距問題，而測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)在用什么方法來測距,。一種常見方法是用射頻信號的飛行時間來測距（距離=單程飛行時間x光速）,。

典型技術(shù)：WIFI、藍(lán)牙,、UWB定位等,。

2）指紋法

預(yù)先測試和記錄室內(nèi)環(huán)境中不同點(diǎn)的某物理特征值，存入數(shù)據(jù)庫,。待定位時,，先測量當(dāng)前位置的特征值，然后與數(shù)據(jù)庫比對,，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)的磁場特性有區(qū)別的特點(diǎn)；后者儲存室內(nèi)場所中多個WIFI AP在所有位置的WIFI RSSI值待比對,。

3）圖像匹配

通過（手機(jī)）攝像頭拍攝周邊場景,，或通過激光傳感器對周邊環(huán)境掃描建模，然后和數(shù)據(jù)庫中預(yù)先儲存的圖像進(jìn)行比對,，確定當(dāng)前所在位置,。

典型技術(shù)：視覺、激光SLAM,。

下面筆者對各種主流室內(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,，并沒有采用飛行時間法測距，而是先測量終端的RSSI（Received SignalStrength Indication接收信號強(qiáng)度）,，再根據(jù)RSSI和距離的關(guān)系公式來估算距離,。而無論這個關(guān)系公式本身，還是RSSI的測量,，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)兩次測量RSSI,，測量值也會有不同,，更換不同的手機(jī)也會有差異,，且基站和終端的距離越遠(yuǎn)，距離測量誤差越大,。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)不能主動使用WIFI定位,。

• 滿足上網(wǎng)需求和滿足定位需求對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AP就能上網(wǎng)，但此時是不能準(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，也會造成多個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,，實(shí)際是要打個折扣的,。

• 因?yàn)閃IFI AP的性能限制，通?？赏瑫r定位的終端數(shù)量較少,，一般<>

• 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AP的開關(guān),，都會影響到指紋數(shù)據(jù)庫的有效性,。而WIFI指紋需要人工覆蓋室內(nèi)各點(diǎn)來采集，所以人工維護(hù)成本太大,。

典型公司：

• WIFISLAM：蘋果2013年花費(fèi)2000萬美金收購,。

• 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量藍(lán)牙RSSI來推算距離，因而也存在測量誤差大的劣勢,。

藍(lán)牙4.0（BLE - BluetoothLow Energy）的低功耗特性和蘋果的iBeacon發(fā)布,，大大推動了藍(lán)牙技術(shù)在室內(nèi)定位領(lǐng)域的應(yīng)用。因?yàn)?/span>iBeacon（即BLE基站）低功耗無源（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,。因?yàn)椴渴鹈芏雀撸瑤淼闹苯觾?yōu)勢是藍(lán)牙定位精度可以比WIFI高（因?yàn)?/span>RSSI與距離的對應(yīng)關(guān)系中,，距離越近約精確,，越遠(yuǎn)誤差越大）；帶來的直接缺點(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,，會給查詢電量帶來挑戰(zhàn),。而且因?yàn)閎eacon數(shù)量較多，分散部署在各處,，所以對后期維護(hù)是個挑戰(zhàn),。

• iBeacon方案不易做反向定位(后臺服務(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,，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)在口袋中無法定位,，進(jìn)一步影響推送效果。

典型公司：

• AcuityBrands(品牌Bytelight),，這是個成立多年的燈光產(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。

4）IMU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)后的動作,，完成定位。因?yàn)榇嬖陔y以避免的累積誤差,，運(yùn)動越久累積誤差越大,，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的有效信號時,，以藍(lán)牙定位為準(zhǔn),，否則以IMU定位為準(zhǔn)，當(dāng)藍(lán)牙定位有效時同步對IMU進(jìn)行誤差歸0校準(zhǔn),。

定位精度：有累積誤差,，運(yùn)動越久，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)：

• 長時間、長距離運(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是間隔對傳感器采樣的，如果運(yùn)動太快,，可能會錯過細(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)會對地磁場造成擾動,，導(dǎo)致室內(nèi)各個位置的地磁特性各不相同。地磁定位技術(shù),，通過測量室內(nèi)某位置的地磁場,，與預(yù)先人工采集的室內(nèi)磁場分布數(shù)據(jù)庫做比對，從而大致判斷所處位置,。

定位精度：約1米量級

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)用電器的電磁場變化,，都可能影響磁力分布,，磁力數(shù)據(jù)需要定時人工測試更新，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變化,，而并未來得及人工更新地磁數(shù)據(jù)庫,，此時室內(nèi)定位就是不準(zhǔn)的。

典型公司：

• IndoorAtlas,，2014年獲得百度投資,。

• 北京識途科技,，2013年成立,。

6）超聲波

超聲波定位技術(shù)通過在室內(nèi)安裝多個超聲波揚(yáng)聲器，發(fā)出能被定位終端麥克風(fēng)檢測到的超聲波信號,。通過不同聲波的到達(dá)時間差,，推測出終端的位置。

定位精度：分米級

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。

• 超聲波信號易受室內(nèi)多徑效應(yīng)（信號反射）的影響,，給定位帶來不穩(wěn)定性,。

典型公司：

• Shopkick,，2010年成立，該公司主要通過在商場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)

應(yīng)用激光定位也有不同的方案，有HTC VIVE的光塔VR定位方案,，更多的是應(yīng)用激光雷達(dá)（LiDAR）運(yùn)行SLAM（Simultaneous Localization And Mapping）算法做定位,。激光雷達(dá)通過自身旋轉(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,，計(jì)算飛行時間，從而精確測距,。

精度：毫米級

優(yōu)點(diǎn)：

• 測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)度沒有穿透性,，只能用于視線內(nèi)(LOS – Line of Sight)測距,。意味著在人多有彼此遮擋的場景下，不太好用,。

• 激光雷達(dá)成本較高,，用于服務(wù)機(jī)器人的最普通型號也普遍在上千元RMB，用于無人駕駛汽車上的激光雷達(dá)甚至超過10萬元RMB,。因?yàn)槭謾C(jī)上沒有激光雷達(dá),，所以激光定位目前主要用于機(jī)器人、無人車等成本相對不很敏感的設(shè)備對自身精確定位,。

• 僅靠激光雷達(dá)定位的機(jī)器人是有些缺陷的,，例如在下列場景容易丟失位置：

        當(dāng)機(jī)器人在重復(fù)場景中運(yùn)行，例如相似的長廊或房間,；

        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LiDAR探測距離僅6米）

典型公司：

• Velodyne,國際激光雷達(dá)領(lǐng)域頂級廠商,，大部分無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)LiDAR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信號的時域波形如上圖所示,。不同于傳統(tǒng)的無線射頻信號有固定頻率的載波（如藍(lán)牙2.4G），UWB在不發(fā)送數(shù)據(jù)時是完全靜態(tài)的,，要發(fā)送數(shù)據(jù)時才發(fā)送寬度很窄（如1ns）的脈沖信號,。因該窄脈沖在頻域上是很寬的，所以叫超寬帶,。因?yàn)閁WB時域信號脈沖較窄,，所以在時間、空間上有較大分辨力,，比較容易抵抗室內(nèi)信號傳輸常見的多徑效應(yīng)（信號因?yàn)榉瓷湓斐傻亩嗦窂絺鞑ィ┑挠绊憽?/span>

UWB定位通常是通過在固定的基站和待定位終端之間發(fā)送無線脈沖來測量飛行時間,，進(jìn)而測距，或通過終端到各基站之間的飛行時間差來測距,，然后通過三邊定位法定位,。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,，例如對廠區(qū)人員和資產(chǎn)的定位,。將UWB應(yīng)用到機(jī)器人、無人機(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：<>

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),，不易受常見無線電信號影響，對其它無線電信號的干擾也小,。

• 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期供電,。

• 選擇合適的算法下,，同時定位的終端設(shè)備可以很多（至少2K個）。

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：

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)先儲存的環(huán)境圖像進(jìn)行匹配,，確定自己的位置。

定位精度：<>

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題,，例如在環(huán)境單一的長走廊或類似場景中，僅靠機(jī)器視覺是難以準(zhǔn)確定位的,。

典型公司：

• Google：Project Tango

總結(jié)：以上各種定位技術(shù)中,，筆者看好藍(lán)牙、UWB,、激光雷達(dá)的推廣應(yīng)用,。其它幾種方式或多或少存在些不好繞過的嚴(yán)重問題。

三,、室內(nèi)定位在C端的商業(yè)考量

室內(nèi)定位技術(shù)在倉儲物流,、工廠醫(yī)院、礦井監(jiān)獄等B端主要用于人員和資產(chǎn)管理,，這些需求是切實(shí)存在的,，基本上可以用新興的UWB定位技術(shù)有效滿足。筆者在這里不展開聊,，我們看看潛力更大的C端,。

參考了一位知乎網(wǎng)友的想法，筆者試著把室內(nèi)定位按精度分級：

Level 1: 把你從同一個購物中心的海底撈帶到西貝,，WIFI定位精度勉強(qiáng)滿足（精度約3～10米）,；

Level 2: 把你從同一個百貨店的化妝品區(qū)帶到體育用品區(qū)，藍(lán)牙iBeacon定位精度勉強(qiáng)滿足（精度約1～5米）,；

Level 3: 把你從同一個超市賣糖的貨架帶到賣鹽的貨架,，市場空白（精度要求<>

筆者認(rèn)為,，室內(nèi)定位應(yīng)用場景的多樣性和定位精度成正比。在一定范圍內(nèi),，精度越高,，可能的應(yīng)用場景越多，商業(yè)價(jià)值也越大,。Level3比Level 1有高的多的商業(yè)價(jià)值,。按前面筆者的親身體驗(yàn)，筆者認(rèn)為現(xiàn)在商場里的室內(nèi)定位體驗(yàn),，僅勉強(qiáng)達(dá)到Level 1,，局部達(dá)到Level 2，且定位穩(wěn)定性很糟糕,。坦率說,，這樣差的用戶體驗(yàn)，是無法被C端用戶接受的,。當(dāng)前,，室內(nèi)定位技術(shù)本身實(shí)際已經(jīng)成為制約C端應(yīng)用的瓶頸。

另外,，室內(nèi)定位的意義不應(yīng)僅局限為室內(nèi)導(dǎo)航,，精確的室內(nèi)定位能力可以讓線下的人和物也能像線上信息一樣被快速搜索、定位和聯(lián)接,，這實(shí)際上提供了關(guān)鍵的線上和線下的連接通道,。

雖然現(xiàn)在看上去室內(nèi)定位在C端的需求度還不高，但筆者相信：高精度室內(nèi)定位是一項(xiàng)戰(zhàn)略性的基礎(chǔ)設(shè)施,，基礎(chǔ)設(shè)施建好了,，作為人們花80%以上時間待的室內(nèi)，自會有各種剛需的創(chuàng)新應(yīng)用誕生,。想象下：分米級別精度的室內(nèi)定位,、精確位置共享、精確商超購物,、精確位置社交,，再也不用為購物中心/停車場/機(jī)場迷路、找不到泊車,、兒童位置發(fā)愁,。

可以說，LBS應(yīng)用已是手機(jī)和移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)先PC機(jī)時代的一大優(yōu)勢,。正如室外定位技術(shù)成就了LBS,，誰能說室內(nèi)定位技術(shù)不能成就下一個大市場呢？