聚焦室内定位： 更精准的定位，实现更创新的应用

作者：邵乐峰 文章来源：电子工程专辑 2014年2月

       2013年3月，苹果(Apple)公司斥资2000万美元收购了室内导航技术公司WiFiSLAM。如果你认为这只不过是苹果一次普通的收购行为而已，那就大错特错了。因为9个月后，苹果又宣布在其全美254家零售店全面启动基于蓝牙低功耗技术的iBeacons室内定位方案，这意味着所有到店访客将根据其地理位置实时获得商品信息推送、检测升级资格、自助结账等服务，实现店内导购目的。

       了解一个人在哪里很重要。如果知道一个人的位置，就能更好地为他或和他一起做些事情，这就是基于位置服务(LBS)的基本概念。其实不止是苹果，谷歌、微软、百度最近都加大了对各自地图室内定位功能的支持与拓展。人们甚至开始惊呼，室内定位导航由此开始进入群雄混战的“战国时代”。为什么移动领域开始对室内定位技术产生浓厚兴趣？它兴起的原因又是什么？

室内定位怎么就火了起来？

       在精准LBS技术带来的创新应用方面，有两个案例其实很值得一提：一是“移动地理围栏”(mobile geofencing)，二是最近由360公司发布的采用智能定位(Smart Positioning)技术的首款可穿戴产品“360儿童卫士”。精准定位技术与创新型应用未来应该怎样进行有效整合，才能最大程度提升用户体验与黏性，正成为业界重点思考与讨论的话题。

       “这两个案例确实是围绕智能定位技术做出的非常有趣且有用的应用。”优科无线(Ruckus Wireless)定位服务产品营销总监袁佳良称，当前，该技术发展的关键在于企业和品牌公司必须设计出符合消费者需求的个性化应用/产品。用户群越大，智能定位技术越有用，越能形成规模经济，自然越能获得更好的投资回报和品牌价值。

       CSR公司定位产品线总监Dave Huntingford则表示，人们有70%的时间待在室内，典型的GNSS在此情况下无法提供服务。因此，精准的室内定位技术将是向室内用户提供有用的、有针对性市场与服务内容的关键，是一个需要填补的技术缺口。定位精度越高，服务就越有效用。例如它可用于社交网站，帮助用户寻找拥有相同爱好的人；或是引导用户在商场中找到所需产品。关键是要提供有效的针对性内容，而不是提供毫不相干的推销信息，从而给消费者制造垃圾邮件。

       “定位技术与其实现的应用之间，绝对存在着协同效应。”高通创锐讯(Qualcomm Atheros)产品管理高级总监Leslie Presutti说，“但你得知道，并不是所有应用都要求5米的精度，部分应用可能需要优化，以提供长时间的电池续航能力，其它应用则可能具有非常高的时效性需求。一旦开发者确定应用的使用场景，他们可以利用高通IZat技术平台，成功实现这些应用标准。”

      她认为，推动室内定位技术兴起的最重要因素来自于擅长使用智能手机的消费者。因为更多的移动定位服务，例如各种本地搜索、购物、社交及导航应用，会让他们的生活更轻松、更方便，而这些移动定位体验要能够用于室内外各种环境。

       除了增强消费者的移动生活方式外，移动定位应用的日益普及也带来了许多新的商业机会。机场、购物中心、会议中心、美术馆等公共场所都希望能够更加高效地服务客户，并与客户互动，特别是花费了大量时间和资金的室内环境。帮助客户找到相关的人、物和地点，促进社交网络发展，简化客户的生活。在这些场所提供更优异的体验，可望提高客户忠诚度、业务盈利能力及运营效率。但博通(Broadcom)移动与无线集团产品市场总监Mohamed Awad也提醒业界说，行业标准和室内位置地图(mapped indoor locations)的缺失，将成为阻碍室内定位技术大规模普及的主因。

     让我们把视线聚焦到一个非常引人瞩目的行业—零售业，它当前正在经历的剧烈变革，也许能帮我们更清楚的看到智能、精准定位技术所具备的发展潜力。从以连锁经济为代表的传统实体零售，到以电商为代表的虚拟零售，再到当前虚实结合的线上线下(O2O)模式，全球零售业正向着更加智能、互联、融合的方向演进。当前零售店具备的“展示、体验、广告、销售”模式，正快速向支持“数据收集与分析、社交与社区互动、智能支付、售后服务”，同时整合在线平台+线下店面用户体验功能的未来零售业发展。

       袁佳良表示，零售企业若想优化实体店体验，就需要与线上业务拥有相同的数据：客户数量、停留时间、对话、交易及其他行为数据，从而帮助营销人员更好地理解并与客户互动。另一方面，数字、社交和移动平台上传播、广告和客户参与项目越来越多，随着移动设备的激增，该领域的市场营销与广告投入对更具创新性、创造性的相关解决方案有着强烈的需求，室内定位技术将帮助他们在这一领域不断创新。

       而在和芯星通市场部导航产品线产品经理高静波看来，要实现精确室内定位的广泛应用，需要建立完备的基础设备或网络，无论是蓝牙、Wi-Fi都需要布设足够数量的设备提供定位源。目前室内定位已经在部分试点实现，例如北京首都国际机场、上海浦东和虹桥机场，但远未到普及的程度，基础设施网络的建立是最大前提，也是需要克服的主要困难。

室内定位的“战国时代”

       不同于传统室外依靠GPS、GNSS、北斗等卫星系统进行定位，更精准的室内定位可从多种技术中收集实时信息，包括卫星系统、多种射频系统(蜂窝、Wi-Fi、蓝牙)、多种MEMS传感器(加速计、陀螺仪和指南针)等。

       以苹果的WifiSLAM和iBeacons为例，前者利用智能手机中的多种传感设备进行定位，包括Wi-Fi天线、GPS、陀螺仪、加速计和磁力计，并且通过机器学习和模式识别等算法将这些数据绘制这一张准确的室内地图；iBeacons则是与iOS7一同推出的一项功能，基于蓝牙4.0 LE协议，室内定位精度以厘米级计算。据称在纽约第五大道的Apple零售店中就部署了20个iBeacons基地台，其中不少基地台还是直接用iPhone或iPad来充当。

       Apple也同时考虑到了人们对隐私安全的重视。使用者在升级app之后，可以选择是否接收来自iBeacons的推送。此外，iBeacons基地台不储存用户的位置信息，但它会记住消费者之前是否有来过，并更新到商家的客户关系数据库(CRM)里，商家可以将这个记录与消费者的消费记录结合起来。

       就在苹果宣布启动iBeacons技术后不久，高通也紧随其后发布了名为Gimbal的基于相邻技术的解决方案。作为高通情景感知平台主打产品，Gimbal采用Bluetooth Smart蓝牙定位技术(精确度可达1英尺，约合30.5厘米)，能够让商家综合考虑顾客的位置、活动、时间、兴趣等信息构建营销系统，比如查看顾客入店轨迹、推送促销活动、折扣等。

       为此，高通还专门为开发者提供SDK和管理平台，方便他们利用这款芯片开发短距追踪应用程序。Gimbal传感器目前有两种规格，分别是28 x 40 x 5.6 mm的10系列，以及95 x 102 x 24mm的20系列。值得一提的是，高通把两款芯片的价格分别压缩到了5美元以及10美元，同时10系列的电池寿命长达数月到一年，20系列电池寿命更是长达1-3年。

       除Gimbal外，高通精确室内定位技术还包括基于Wi-Fi的IZat方案，可在室内提供3-5米的精确定位；利用全套GNSS卫星(包括GPS、GNSS及北斗卫星)导航方案，便于由室外转换到室内；以及在有人进入建筑物、但还没有建立Wi-Fi连接时，使用传感器协助定位等。

       CSR的应对之道则是一款融合多种技术的自学式平台SiRFusion，目前包括GNSS、MEMS、BT Smart、Wi-Fi技术以及基于云的后端服务器。Dave Huntingford说，SiRFusion的一大优势在于其全面的信息来源，且无需另外安装新架构，方便用户更加快速地在全球范围内实现精准定位。为了显示SiRFusion室内导航的强大能力，CSR携手ST在含有SiRFstarV和ST MEMS传感器的移动电话中装载了Whatamap.com和VisioGlobe提供的室内应用，这些应用能够使用来自Navteq和Micello的高质量室内地图显示室内的位置、搜索和行走方向。

       “用户在一个物理场所轻松导航是一回事，企业/场地所有者能否对其行为实现全面可视化又是另外一回事。”袁佳良认为，Ruckus的优势在于它提供了一套基于网络的解决方案，可帮助企业、零售店及场地所有者收集、处理并分析移动数据，并同时创造非常有意义的应用(不只是导航应用)，与客户进行互动。

       Ruckus的解决方案主打“简洁”牌——只要当个人所携带的移动设备/智能手机处于开启状态并且Wi-Fi被激活时，服务商就能借助Ruckus提供的智能定位算法检测到独立的个人，并确定其位置。它是根据用户移动设备发出的射频信号对用户位置进行准确预测，尽管这些射频信号经常波动，但智能算法可以根据概率进行准确评估。

       尽管当前仍以提供兼容北斗的GNSS产品为核心业务，但据高静波透露，为了提升用户在定位连续性和精确性上的体验，和芯星通将很快推出MEMS传感器与GNSS组合导航产品，即利用IMU(六轴惯性器件，集成加速度计和陀螺)与卫星信号进行组合导航定位。该方案的优点在于不需要额外的定位网络，依靠惯性器件对卫星信号无法覆盖区域的定位进行补充，能够在地下车库、隧道等室内保持连续、精准定位，非常适用于车载用户。随着惯性器件的集成度越来越高、价格越来越低，有望实现规模化应用。

       作为一家以“连接一切”为使命的公司，博通对室内定位市场自然有着本能的重视。其重要的举措包括：通过对接入点、路由器、移动芯片组和软件的加强，加速驱动零售和企业级WLAN网络从802.11n向802.11ac过渡，从而提高定位精度和可靠性；强化GNSS、触控、传感器与Wi-Fi/BT/NFC技术的集成以实现真实准确的情景感知。

       “情景感知将让生活变得更简单、更方便。”Mohamed Awad说，如果手机知道你在哪里，移动速度有多快，所处位置的海拔有多高，它就可以更准确地监控用户的健康、位置信息，从而为消费者在公共场所带来一种全新的、定制化的用户体验，例如发现新的商店、规划商场、博物馆、医院线路、推送店铺打折信息、联络朋友等。

室内定位，精度不是唯一考虑因素

       GNSS、Wi-Fi与 BT Smart等定位技术因其成熟性、广泛性部署以及全球性覆盖等特点，展现出很好的发展前景。而MEMS则高度适用于手机及平板应用，且支持步行者航位推算(PDR，一种推算步行者行走轨迹的方法)。而在袁佳良看来，选择部署某种室内定位技术，精度并不是考虑的唯一因素，还必须综合考虑硬件设施成本、易用性、技术成熟度等多重因素，尤其是成本与维护。

       高通认为，基于Wi-Fi的定位技术是最经济的解决方案，可以实现最快的产品开发周期。由于Wi-Fi广泛部署于公共场所，在智能手机中非常普遍，因此基于Wi-Fi的定位不会给场所及手机制造商带来太多的成本。此外，消费者已经熟悉Wi-Fi，因此学习曲线不会阻碍采用进程。另一方面，对于希望提供更多基于相邻技术服务的场所，蓝牙LE信标(Bluetooth LE beacons)适合作为基于Wi-Fi的室内定位技术的补充或替代方案。蓝牙也是消费者熟悉且普遍部署的手机技术，对手机OEM来说非常经济。

       博通同样更倾向于采用WLAN接入的布局，理由同上，“属于已经被广泛使用，并可充分利用现有基础架构的成熟技术。”而其他备选技术，由于各自拥有不同标准，往往导致接入点需要进行升级换代才能支持室内定位需求。

北斗商用，SoC中支持multi-GNSS已成趋势

       为了展示各自在手持系统上更精确定位的实力，以高通和博通为代表的芯片巨头在北斗系统上又展开了激烈的竞赛。高通最近在移动芯片组中新增对北斗导航支持的消息引起了业界极大的兴趣。据称，备配高通骁龙(Snapdragon)800移动处理器(MSM8974)的三星GALAXY Note 3(WCDMA 3G公开版SM-N9006及TD-LTE 4G版本SM-N9008V)，将是第一款采用该产品的集成三频定位平台。

       “为了提升在中国及其他地区的导航精确度，尤其是在那些城市中受到建筑物和其它障碍物干扰导航性能的地方，增加北斗的支持非常重要。”Mohamed Awad说。新的GNSS芯片BCM47531被认为是博通反击高通的利器之一，它可从五个卫星同时定位数据，除了支持GPS、GLONASS、QZSS和SBAS(星基增强系统)信号外，博通还为中国的北斗星座集成了额外的频率支持和数字处理能力。据Awad介绍，借助独特的三波段调谐电路，BCM47531可让商业GNSS市场用户获取天上88颗卫星的信息，并同时接收所有三个导航波段的信息：GPS(包含QZSS和SBAS)、GLONASS和北斗星，同时无需在各波段之间进行重新配置和跳跃。

       博通希望凭借自己独特的混合定位技术(Hybrid Universal Location Application, HULA)将自己与竞争对手区别开来。该技术在室外使GPS/GNSS，当进入GNSS信号覆盖不好的室内环境时，则自动切换至WLAN或MEMS传感器(速度计、陀螺仪、磁力计和高度计)。它能够将定位误差缩减至2-5米范围，从而大幅降低在城市中因GPS“位置跳跃(position jumps)”所带来的糟糕体验。目前，博通在所有面向智能手机、平板、PC和便携式导航产品的芯片中均提供了该技术。

       在SoC中支持多重卫星导航系统(multi-GNSS)最为突出的优势是定位有效性、可靠性的提升。高静波认为，在楼宇遮挡严重的区域仅靠单独GPS可能无法定位，而北斗、GPS组合后卫星数量多出了一倍，定位成功率将明显提高。在因遮挡导致定位精度下降的场景中，多系统亦能改善定位精度，华阳的车载终端应用演示直观地证明了这一点。当然，从硬件成本来看，多系统可能会比单系统增加一定成本，但通过巧妙的算法设计可以将其控制在微小范围内，且随着芯片工艺的发展，成本不会成为障碍。

        和芯星通目前高精度GNSS产品的定位精度可以达到1-2cm，后处理定位精度可达2mm左右。这一成果得益于其自主研发的多系统多频点RTK算法，利用北斗、GPS、GLONASS观测值，建立完善的电离层、对流层、多径等误差模型，可在长基线上实现厘米级定位；在中基线上，定位设备可在冷启40秒、热启25秒、重捕10秒内完成RTK初始化、获得厘米级定位结果。

       “支持multi-GNSS的优势主要在于定位精度及定位覆盖范围，而难点则是需要在功耗及所需卫星数量与定位精度及覆盖范围之间实现最佳平衡。” 这是Dave Huntingford给出的观点。他同时指出，实现室内和室外定位转换非常具有技术挑战性。室外GNSS可能不够精准，无法正确定位某个建筑的入口，且还必须确保GNSS与Wi-Fi或其他基于信号的系统之间实现流畅、精准的转换。

       室内室外定位转换面临的另一挑战则是室内地图的可获得性和标准，包括楼层选择API。因此，CSR正在不断集中开发相关技术以提升多路径效应，从而提供最佳的定位性能并实现对跟踪系统资源的动态控制，以均衡功耗与定位精度。此外，尽管不是所有的设备都配备MEMS，但Huntingford强调称，在GNSS定位中使用MEMS将有助于大幅提升许多应用案例中的定位精度。