Indoor Positioning and Navigation for First Responders
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來源：大格子GZ
本文作者大格子GZ，格納微科技技術總監，西安電子科技大學碩士，就讀控制理論與控制工程專業。曾作為骨幹參與國家慣導產品重要課題，所研成果已經成功運用於軍工產業。
目前負責團隊技術路線和產品技術研發，對於空間定位的慣導、超寬頻、雷射、視覺SLAM都略有涉及。在本文中，作者結合自己的工作經驗，談了談微慣導定位方案，以及為什麼選擇這個方案背後的緣由。
提起定位導航，大家首先想到的是GPS，對岸中國也推出了自己的衛星定位系統—— 北斗衛星定位系統。但是衛星定位只能用在室外環境，一到室內，由於導航信號衰減太快，衛星定位就無法使用。
那麼，室內定位當前有沒有「必需」呢？答案是肯定的。今天我們不談現在很熱鬧的消費級市場應用，我們談一下室內定位技術在一些特殊，但很重要的場景——消防救援、反恐處突、搶險救災等應急任務中的應用。
消防救援等應急任務，對室內定位技術的特殊需求
試想一下這樣的場景：大火現場，消防員衝進著火的大樓裡，試圖搜救倖存者，火勢越來越猛烈，煙霧瀰漫，消防員迷路找不到出口，氧氣不夠，最終喪失了生命……
如果能精確定位消防員的位置，後方指揮人員掌握了，進入火場施救的消防員即時動向，透過通信設備向現場人員提供準確指揮，避免消防員在火場中迷路，可以最大程度地減少人員傷亡。這對於室內定位技術來說，也是功德一件了。
目前業內主流室內定位技術，普遍需要外部設施，或先驗數據庫，比如UWB、WiFi、藍牙、地磁等，而消防救援等應急任務，通常來不及或環境不允許，佈置外部定位基地台或信標等設備。
因此沒有一種可以滿足緊急任務下，自主定位的要求，所以採用不依賴任何外部設備，或先驗數據庫的慣導定位技術，是目前比較穩妥的手段。
慣導定位技術，是一種完全自主式的導航技術，與普通的定位技術不同的是，它不依賴於導航衛星、無線基地台、電子標籤等任何輔助設備和先驗數據庫。
對於應急任務室內定位需求來說，定位產品是否能達到實際效果，應該從以下幾個方面評估或者實際測試：
1、 是否可以適應多種步態，典型步態有小碎步走、小跑、側移、倒退、上下樓等;
2、 沿長直線走50米以上，到末端轉5個以上圓圈(半徑2米以上)，再沿原直線走回，評估偏移量，偏移量控制在1%以內的則為優秀產品(慣導存在無法消除的固定角度和位置漂移，只能盡可能降低；
3、 反覆上下樓梯，評估高度準確度，尤其是樓層判定，看看會不會出現樓層錯誤，小誤差可以接受，但是樓層判錯會延誤救援，甚至造成致命失誤；
4、 在建築物內進行實地測試，磁場是慣導室內定位的一個重要資訊，可以用來控制慣導的漂移。但是也容易受到外界影響，尤其是建築物比較緊湊，金屬結構比較多，有大型顯示螢幕的環境，應評估定位產品磁場抗干擾特性；
5、 有條件的可以進行點火試驗，大火會造成溫度和氣流的急劇變化，如果氣壓計數據融合沒有處理好，高度會有很大偏差，簡易測試方法是透過空調調節室內外溫差，透過出入室內外測試定位的穩定性；
6、 使用是否便捷、是否需要外部基地台輔助，都可以評估，在消防救援等應急任務中，不能完全依賴於任何外部基地台，微慣導定位產品，在無外部基地台輔助情況下，最好可以保持45分鐘左右的精度可用；
7、 地圖融合算法的優劣，無地圖和有地圖的情況使用評估，我們的iNav智慧定位引擎，提供了地圖輸入接口，在有室內地圖資訊的條件下，可以長時間保持高精度不漂移，做過的典型試驗是在商場內，1小時內精度穩定在2米；
8、 數據通信方式的選擇，大致分為兩類情況，一種是利用電信商網路外傳(利用基礎網路的覆蓋冗餘性，和其穩健的通信機制)，一種是利用專用網路，但是目前還沒有一種可以快速部署，又便捷可穿戴，能夠覆蓋消防救援的專用通訊網路(通常能達到覆蓋地下一層，就已經算性能達標了)，如果產品能相容電信商網路和專用網路，就已經是一種比較好的方式了。
一種比較可行的產品配置方案，是1個主控端 + 4-8個單兵節點配置，如圖：
圖1 應急任務現場指揮系統方案圖
每個單兵配備一個定位模組(足部)和手持終端，模組獲取人員運動數據後，透過藍牙通訊傳給手持終端，手持終端透過遠場通訊設備，將數據傳遞給指揮中心。
系統可融入室內地圖，水平精度達到0.3%，能準確進行樓層辨識。現場、後場多個指揮端可同步顯示，有利於消防員現場指揮調度、減少人員傷亡現場，事後可實現任務回放，進行教學和經驗總結。
微慣導室內定位技術，在應急任務中具有無可替代的優勢
在應急任務場合，業內主流室內定位技術，普遍需要外部設施，大多數無法滿足緊急情況下，自主定位的要求。在這種情況下，首先想到的就是「慣導室內定位技術」。基於此，市場上也湧現了一批做慣導定位的公司。
國際的代表公司有Honeywell、SEER Technology，產品的定位精度基本上為2%-5%，也就是說用戶行走1km，位置誤差為20米，這是無法滿足實際應用需求的，會延誤逃生、救援等和位置精度密切相關的應急任務，整個產品沒有達到真正實戰的技術指標。因此這部分產品，也因技術不成熟而未能打開市場。
對岸中國也有幾家公司在做，如微邁森，和筆者所在的格納微科技等。其中，我們的產品定位精度達到了0.3%，相當於走1公里誤差不到3米，可以適應。<15km font="" h="">
一般人對於0.3%精度仍有質疑，其實產品採用的，是普通的低成本MEMS方案，就是智慧手機中的G-sensor，而且不依靠任何基地台等輔助資訊。
這種低成本的MEMS器件，通常會有極高的方向漂移誤差(≧100°/h)和加速度誤差，如果僅採用普通的航位推算算法，加速度積分帶來的速度和位移誤差，將高達10%以上。
微慣導室內定位技術，目前發展比較快，主要是用於緊急救援或者軍事用途，大概分為兩種：
(1) 佩戴於腰部的慣導模組，採用傳統PDR航位推算方案;
(2) 佩戴於足部的慣導模組，基於足部運動模型開發，精度較高;
腰上的方案實用性更強，但是對於側移、轉彎、原地踏步等步態就會產生明顯的誤差積累。
目前我們的腰部慣導產品的實驗結果是2%的精度，走100米誤差達到2m。業內比較知名的Honeywell的DRM4000(圖2)和SEER Technology的NAViSEER(圖3)，都是採用這類技術方案，實測精度大約在2%～5%。
腰部慣導定位模組，無法適應特殊步態，實際應用受限，希望後期能看到更為優秀的產品和技術出現。
腰部慣導定位模組，無法適應特殊步態，實際應用受限，希望後期能看到更為優秀的產品和技術出現。
不同於對岸中國北斗、GPS，解析室內定位背後的微慣導技術 不同於北斗、GPS，解析室內定位背後的微慣導技術
圖2 DRM4000航位推算模組 圖3 NAViSEER人員精確跟蹤系統
足部的方案精度高，相對穩定，如果能夠穩定在0.3%以內的精度，基本能滿足應急任務的需求了，消防、反恐、救援任務在建築物內行走距離不長，行走1km誤差累計3m，用戶基本都可以接受。
「 微慣導 + 」融合定位解決方案
純慣導定位在室內小場景，經過長時間的行走後，角度和位置漂移並不明顯，因此在很多使用場景中，並沒有使用其它輔助定位手段。但是這種純慣導定位產品，依然有兩個弱點：
一是輸出為相對軌跡，需要將多個人員的軌跡，統一到一個座標系中，目前使用較多的做法，是所有應急任務人員，在出發時經過同一段長直線，在應用層將軌跡旋轉到統一座。
第二種做法大概是部署兩個腳墊(相隔至少10米以上)，所有隊員依次踩兩個腳墊，可以透過後台自動旋轉，將多個隊員統一到一個座標。
第二種做法大概是部署兩個腳墊(相隔至少10米以上)，所有隊員依次踩兩個腳墊，可以透過後台自動旋轉，將多個隊員統一到一個座標。
二是就純慣導定位的精度來說，目前業內0.3%的精度相對比較高，但在大場景長距離情況下，由於慣導固有的漂移率，仍然會有較大的累積誤差(如圖4所示)，需要外部的資訊進行校準。
針對這兩大問題，我這裡分享下我們的兩種解決方案，給大家做個參考：
(1) 透過地圖匹配輔助微慣導定位；
(2) 採用外部藍牙基地台輔助微慣導定位。
如果可以獲取，應急任務場景的建築物室內地圖資訊，結合地圖匹配技術，利用基於地圖資訊的，粒子濾波自動學習路徑算法，校準慣導定位中的殘餘誤差，並標定多個，實現長時間穩定定位，可進一步減少輔助定位基地台數量，降低定位系統複雜度。
採用外部藍牙基地台輔助定位，我們目前是以微慣導定位為主，透過間或獲取的基地台藍牙信號進行校準，被定位人員在建築物內結合自身的慣導數據，和間或獲取的基地台資訊，來獲取一個穩定的高精度定位結果，同時實現了多人軌跡標定，實際測試結果體驗就會比較好。這裡需要考慮一個問題，就是輔助基地台佈設的靈活性和快捷性。
藍牙也可用於室內定位，但是信號發射範圍比較小，而且容易受到環境，包括人體的遮擋和干擾，定位精度不高，一般在3米左右；但藍牙設備輕巧，成本低，佈設起來較為方便，這對於應急任務來說是一大優勢。
所以以高精度慣導定位為主，輔以便於臨時佈設的藍牙信標，有望解決應急任務場合的室內定位，現場快速部署的問題。
下面是採用高精度的微慣導定位模組，結合藍牙信標做的外場試驗，透過自主開發的智慧定位引擎，進行數據融合。
圖4 純慣導定位的結果 圖5 慣導+藍牙定位的結果
在一個大型百貨商場中，面積約200米*300米的範圍內，總共只部署了3個藍牙信標，圖5中紅色所標示的為信標的位置。進行了約1個半小時的自由行走，總計行程約6km，沒有借助任何地圖資訊，可以實現長時間的高精度定位，定位誤差最大的地方達到3.6米，90%以上時間定位誤差均在2米內。
慣導定位精度再高也是有漂移的，尤其在這種大場景下，1～2°的角度偏差，就可以造成6～8米的位移偏差，藍牙信標和慣導的數據，經過引擎融合優化後，將多人相對軌跡，迅速統一到第一個人的座標系，並且實現穩健的高精度定位。
其實講到這裡，我們選擇提出「微慣導+藍牙」室內定位解決方案的原因，就很簡單了——部署簡便，間或校準慣導漂移，自動實現多人軌跡方向對齊，無需任何地圖資訊融合，長時間維持在一個穩定的可接受的精度範圍，是非常適合應急任務室內場景的。
實際使用時，第一個進入室內的應急任務人員，在室內一些關鍵位置(大門、樓梯拐角等)隨意放置3～4個藍牙，即可完成部署，後續隊員的定位結果，都可以依靠這幾個藍牙小標籤起作用。
室內定位技術種類較多，但單靠一種技術，無法完全解決實際問題，也無法同時滿足成本低、精度高、覆蓋廣的需求。
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