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无需依赖卫星导航：解析室内定位背后的微惯导技术
来源：作者：大格子GZ责编：马卡
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，由于导航信号衰减太快，卫星定位就无法使用。那么，室内定位当前有没有“刚需”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，我们谈下室内定位技术在一些特殊但很重要的场景——消防救援、反恐处突、抢险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幸存者，火势越来越猛烈，烟雾弥漫，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，通过通信设备向现场人员提供准确指挥，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、WiFi、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站或信标等设备，因此没有一种可以满足紧急任务下自主定位的要求，所以采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妥的手段。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、无线基站、电子标签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：1、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；2、沿长直线走50米以上，到末端转5个以上圆圈（半径2米以上），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漂移，只能尽可能降低；3、反复上下楼梯，评估高度准确度，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；4、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信息，可以用来控制惯导的漂移。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，有大型显示屏的环境，应评估定位产品磁场抗干扰特性；5、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，简易测试方法是通过空调调节室内外温差，通过出入室内外测试定位的稳定性；6、使用是否便捷、是否需要外部基站辅助都可以评估，在消防救援等应急任务中不能完全依赖于任何外部基站，我们的微惯导定位产品GNW-FOEM在无外部基站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；7、地图融合算法的优劣，无地图和有地图的情况使用评估，我们的iNav智能定位引擎提供了地图输入接口，在有室内地图信息的条件下，可以长时间保持高精度不漂移，做过的典型试验是在商场内，1小时内精度稳定在2米；8、数据通信方式的选择，大致分为两类情况，一种是利用运营商网络外传（利用基础网络的覆盖冗余性和其稳健的通信机制），一种是利用专用网络，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络（通常能达到覆盖地下一层就已经算性能达标了），如果产品能兼容运营商网络和专用网络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：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块（足部）和手持终端，模块获取人员运动数据后，通过蓝牙通讯传给手持终端，手持终端通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%，能准确进行楼层识别。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，事后可实现任务回放，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米，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。国内也有几家公司在做，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米，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，其实产品采用的是普通的低成本MEMS方案，就是智能手机中的G-sensor，而且不依靠任何基站等辅助信息。这种低成本的MEMS器件，通常会有极高的方向漂移误差（≥100°/h）和加速度误差，如果仅采用普通的航位推算算法，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：(1)佩戴于腰部的惯导模块，采用传统PDR航位推算方案；(2)佩戴于足部的惯导模块，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米误差达到2m。业内比较知名的Honeywell的DRM4000（图2）和SEER Technology的NAViSEER（图3）都是采用这类技术方案，实测精度大约在2%～5%。腰部惯导定位模块无法适应特殊步态，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。图2&DRM4000航位推算模块&&&&&图3&NAViSEER人员精确跟踪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1km误差累计3m，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，角度和位置漂移并不明显，因此在很多使用场景中并没有使用其它辅助定位手段。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米以上），所有队员依次踩两个脚垫，可以通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，由于惯导固有的漂移率，仍然会有较大的累积误差（如图4所示），需要外部的信息进行校准。针对这两大问题，我这里分享下我们的两种解决方案，给大家做个参考：(1)通过地图匹配辅助微惯导定位；(2)采用外部蓝牙基站辅助微惯导定位。如果可以获取应急任务场景的建筑物室内地图信息，结合地图匹配技术，利用基于地图信息的粒子滤波自动学习路径算法，校准惯导定位中的残余误差并标定多个，实现长时间稳定定位，可进一步减少辅助定位基站数量，降低定位系统复杂度。采用外部蓝牙基站辅助定位，我们目前是以微惯导定位为主，通过间或获取的基站蓝牙信号进行校准，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信息，来获取一个稳定的高精度定位结果，同时实现了多人轨迹标定，实际测试结果体验就会比较好。这里需要考虑一个问题，就是辅助基站布设的灵活性和快捷性。蓝牙也可用于室内定位，但是信号发射范围比较小，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米左右；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。下面是采用高精度的微惯导定位模块结合蓝牙信标做的外场试验，通过自主开发的iNav智能定位引擎进行数据融合。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米*300米的范围内总共只部署了3个蓝牙信标，图5中红色所标示的为信标的位置。进行了约1个半小时的自由行走，总计行程约6km，没有借助任何地图信息，可以实现长时间的高精度定位，定位误差最大的地方达到3.6米，90%以上时间定位误差均在2米内。惯导定位精度再高也是有漂移的，尤其在这种大场景下，1～2°的角度偏差就可以造成6～8米的位移偏差，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，并且实现稳健的高精度定位。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，间或校准惯导漂移，自动实现多人轨迹方向对齐，无需任何地图信息融合，长时间维持在一个稳定的可接受的精度范围，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签起作用。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。
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红苹果, 积分 374, 距离下一级还需 126 积分
本帖最后由 rivervie 于
11:32 编辑
4.15：原文部分描述不准确，已重新修改。
本人5号入手的小6，昨晚在宿舍想发微博，意外发现死活没办法定位地点，随后我打开自带地图、QQ、百度贴吧等应用，并切换3G/4G网络，反复开关定位服务，还原网络设置。始终无法定位…而处于同位置同时间的备用机htc one m7却始终秒定。下面上图。
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先说一下我所处的位置情况，福州近郊，某大学宿舍楼的3楼（总高6楼），使用联通4G卡，移动网络信号很好。
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偶尔（2次）定位成功了，位置偏差却十数公里…这样一来，包括美团外卖，大众点评等众多本地生活应用都武功尽废（图上的起点是小6定位的位置，而终点是我的实际位置，相差十多公里）
怀疑是否是定位模块硬件问题，当时真的是非常郁闷，因为刚把上一部小6给退货了（京东自营，别人拆封过的机子重新打包发给我！还好被我辨识出来，妈蛋！）然后重新下的单，刚到手还没几天呢，又要退换货了？！于是下载一个硬件检测app检测，结果显示定位模块正常工作，然后我试着走到宿舍阳台，结果发现GPS可以定位了，而且位置也非常准确（这里应该是格洛纳斯的硬件模块发挥作用了，不过我们现在讨论的主要是AGPS室内无法辅助定位），回宿舍里没多久，定位又失败！（室内无法接收到格洛纳斯/GPS的信号，目前还没有很好的解决方法，一般只能依靠AGPS辅助定位）可是我们总不能每次要定位都跑去室外吧？要是在KTV里面唱K呢？溜冰场滑冰呢？也要跑出来？
于是开始上网搜索，看看有没有相同遭遇的FY，结果还真看到了不少同学说出现这个问题，但是呢很多人又说定位正常，没问题……唉，搞不懂了。
经过努力，终于在网上找到了某些环境下室内无法定位的解决方法：只要开启WIFI开关（只要开启开关，连不连得上WIFI网络无所谓），再配合移动网络，基本上就可以准确定位了！
经过两天的测试，我总结出了一些特征：
什么条件下不开启WIFI只开启移动数据无法定位？————长时间处在楼房中间楼层的地方，或者地下停车场，KTV，仓库等比较封闭的区域。
什么条件下不开启WIFI只开启移动数据可以定位？————处于较高的楼层（下图是我在总高为6层的教学楼的5楼所测试的结果，定位的非常准确）、窗户旁、阳台、马路大街等室外区域），或者你刚从室外回来室内不长时间。
什么条件下开启WIFI并开启移动数据也无法定位？————你把系统的定位服务或者权限关了。
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14:11 上传
至于为什么在某些环境下非得开启WIFI开关才可以利用移动网络定位，我不知道，问苹果的工程师吧，我不懂。
PS：对于来讨论的和提供解决方案的以及拿一些比较专业的知识来科普和教育本人的，我非常欢迎，也愿意学习，本来论坛就是一个相互交流和学习的地方。而那些一进帖子就满嘴喷粪的，请自觉右上角，我这边不用你来凑热闹增加人气。对于那些认为我是事逼，是小题大做的，我无话可说。毕竟苹果是你爹，拉的屎都是香的，容不得说一句不好。
帖子里就已经有好几位FY遇到相同的问题了，说明这已经不是极个别的个例了。还是希望苹果能改善这方面的用户体验，现在已经不是纯粹拼硬件的时代了。
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网络环境问题
感谢分享^_^
一点破事还出来装博士，怎么我和朋友的没问题？
什么乱七八糟的，自己不懂还上来乱写一大串，我都懒得吐槽.
威锋有你更精彩：）
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对rivervie于 15:28:24在楼主发表的内容评分：人气:+5;
本人5号入手的小6，昨晚在宿舍想发微博，意外发现死活没办法定位地点，随后我打开自带地图、QQ、百度贴吧等应用，并切换3G/4G网络，开关定位服务，还原网络设置。
发现始终无法定位…而处于同位置同时间的备用机htc one m7却始终秒定！下面上……精品文章^_^
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图片编排的不怎么好，不好意思。手机截图不好弄。
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我只想说一个现象，6P不开WIFI，在楼层中间用的移动4G也是秒定。。。。。。。。开启WIFI只是精度有提升，跟定不定位没必然联系吧。。。。。
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iPhone 6，8.1系统，也是经常定位漂移几十公里远，时而不时的，工作场所在一楼店面，家住三楼，也一直没找到原因
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本帖最后由 l 于
18:01 编辑
真想扣你分
美国的GPS由24颗卫星组成，精度10米，军民两用，统治全球定位二十多年。
俄罗斯的GLONASS也由24颗卫星组成，精度也在10米左右，军民两用，而且服务范围现在已拓展到全球，性能不比GPS差。
欧盟的Galileo看他们的进度到现在还只是个计划，什么时候完工谁也不知道。不过话说回来欧盟干个什么事情要是能快才怪了。
中国的BDS由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，BDS一号精度在10米之内，而二号可以精确到厘米之内，现在已经发了16颗卫星（2009年以后发的都是2号），区域组网已顺利完成，为亚太地区提供媲美GPS的导航定位服务已经不在话下，剩下的就是推广和全球布局了。
苹果从4S开始就已经开始用GLONASS了好不人家GLONASS的性能已经不弱于GPS了好不
这算什么BUG？算什么设计缺陷？
虽然GPS和GLONASS都是免费的
但苹果有本国的GPS不用而选用俄罗斯的GLONASS系统让我脑洞大开
别忘了棱镜计划苹果可是参与的
我只是在想苹果以后会不会支持中国的BDS
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我用【威锋网论坛客户端】支持你!
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1.目前GPS室内定位技术还没有开放。
2.楼主不知道目前是室内定位只是WIFI和基站的计算位置，和GPS半毛钱关系没有。
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ailvie 发表于
1.目前GPS室内定位技术还没有开放。
2.楼主不知道目前是室内定位只是WIFI和基站的计算位置，和GPS ...
为什么相同位置htc等其他品牌只需要开启移动数据利用agps定位而苹果却需要开启移动数据和无线网络才能定位呢？难道这不是苹果自身的设计体验不佳？
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港行6……34g联通室内确实不能定位。开了Wi-Fi（自动联网，不通过移动数据联网了）就能秒定。我也不知道如何解决，室内都是开Wi-Fi连的
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開Wi-Fi只是更精準 與其他無關
我在室內表示蠻正常的 你不說我都不留意
室內用流動網絡一般是學校 餐廳等公開場所 學校和餐廳 定位表示沒問題 等幾秒就OK
附上在家只用流動網絡的定位 幾乎秒定
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发表于 15-11-19 12:08:31
在网上看到一篇文章，讲的是无人机室内视觉定位技术的，不知道可不可行？
如果可以在室内爽飞，就不用受冬天天气下雨、寒冷的影响了，想想都乐了。
之前看到大疆的精灵3也是以这个作为卖点的，口碑还不错。
以下文章纯属转载，大家一起拍砖:
2015年，无人机迎来爆发元年，同时各种层出不穷的新技术也相继登场。随着DJI Phantom 3 Professional 的发布，室内视觉定位系统作为Phantom 3最大的技术卖点获得了极大的关注。同时，也因为Phantom 3的火爆，室内视觉定位获得了很好的市场反响。
什么是室内视觉定位?
无人机室内视觉定位系统，一般俗称“光流”，大多是采用光流、IMU(惯性测量)和声波三个单元综合对室内无人机进行定位，其中光流技术实现室内定位，超声波传感器控制室内定高，IMU检测飞行器的姿态变化并实时进行调整。
15-11-19 12:06 上传
GPS信号质量高的室外环境用GPS定位，在无GPS信号的室内环境将自动切换成视觉定位模式，内置的光流传感器，将像素分布及颜色、亮度等信息转变为数字信号传送给图像处理系统进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制飞行器的动作，超声波传感器来判别相对高度，通过高效的视觉处理器计算让无人机实现精确室内定位悬停和平稳飞行。
室内视觉定位有何作用?
在室外GPS信号不好及室内无GPS信号的环境下低空飞行，无人机依然能够通过光流及超声波传感器感知地面纹理和相对高度，实现精确的定位悬停和平稳飞行。
目前，配备室内视觉定位系统的无人机在一些室内航拍中发挥着重要作用，在需要室内定点又不方便架构摄影设备的条件下，比如活动赛事航拍，婚礼航拍等，非常实用。当然，在室外无人机GPS信号不好的情况下，比如野外航拍的时候也能发挥极大的作用。
15-11-19 12:07 上传
此外，室内视觉定位系统的应用，对于喜欢室内飞行的玩家，尤其是新手而言，是绝对的福利。在比较狭窄的室内空间飞行，室内视觉定位系统不仅可以大大降低操作难度，也能给新手一个炫酷的机会。
室内视觉定位技术能否获得市场青睐?
目前，能将室内视觉定位技术应用于无人机的企业并不多，所以对于这一市场的预估很难确切把握，但是从业内最早将这一技术集成在无人机的大疆来看，市场前景不容小觑。
大疆去年首次将室内定位系统高度集成在Inspire 1上，随后又移植到Phantom 3。这两款无人机是大疆名气最大的产品，同时也是今年最热销的整机产品。特别是随着Phantom 3的热销，室内视觉定位也获得了很好的市场评价。从目前的市场需求看，将室内视觉定位系统集成在无人机中是市场及技术发展的趋势。
15-11-19 12:07 上传
哪些企业拥有室内视觉定位技术?
提到室内视觉定位，相信一般用户都会想到大疆。在这项技术上，大疆可谓是第一个吃螃蟹的企业，率先将室内视觉定位系统应用在Inspire1和Phantom 3上，产品与技术互相推动，产品在市场上收获好评，也让室内视觉定位技术获得广泛关注。
紧随其后，极翼也成功推出室内视觉定位系统，是业内第二家将光流和超声波传感器应用于无人机的企业。极翼光流和超声波传感器的组合实现了良好的室内定点效果，其有效高度甚至要比大疆Phantom 3高出2米。同时，极翼将光流和超声波传感器高度集成在一个独立的模块(光流声呐模块)中，结合极翼飞控室内飞行，能让无人机实现高精度的室内定位与平稳飞行。
大疆与极翼室内视觉定位系统的部分参数对比：
15-11-19 12:08 上传
据了解，目前市场上具备室内视觉定位系统及量产能力的公司除了大疆，第二个就是极翼。大疆把室内视觉定位系统应用在他的Inspire1和Phantom 3上，成为
其独有的产品亮点，同时为大疆打开消费级市场立下汗马功劳。而随着极翼的室内视觉定位系统的量产，给无人机厂家提供配套技术，可以想象，大疆通过该项卖点垄断市场的能力将被打破，这就真的形成了众多厂家“围剿”大疆的局面了。
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发表于 15-11-20 09:39:04
再附上视频
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发表于 15-11-30 09:33:46
可惜不零售
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发表于 15-12-10 17:17:04
这东西在室内飞很稳，不过我想说其实这东西真的没啥大用
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发表于 15-12-10 17:19:36
就连精u&#的轴距，室内根本没啥可飞的，除非有特殊用途
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发表于 15-12-30 18:14:06
度过困境 发表于 15-12-10 17:17
这东西在室内飞很稳，不过 ...
冬天外面天气变幻不定，就可以在家里面爽飞啊
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发表于 15-12-30 18:15:00
度过困境 发表于 15-12-10 17:19
就连精灵3都是350的轴距，室内 ...
当GPS信号差的时候也可以用啊
