誰掌握著室內(nèi)導航的核心？

2013年3月，美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）公布了其針對室內(nèi)定位各技術解決方案集中開展的一系列試驗測試的結果。室內(nèi)定位技術一直是定位、導航與授時（PNT）技術中最難解決的問題，而一旦該問題得以解決，將會給相關定位系統(tǒng)帶來前所未有的性能提升。所以，本次試驗結果不但將影響FCC對手機定位報告要求的制定，而且也將推動所有室內(nèi)定位應用的未來發(fā)展。

1 試驗概述

試驗由FCC通信安全、可靠性和互操作性理事會（CSRIC）第三工作小組（WG3）組織開展，測試環(huán)境涵蓋了密集市區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村這4種場所，并包含了數(shù)以千計的測試地點和各種建筑物類型。

盡管，大規(guī)模的針對室內(nèi)定位的研究與開發(fā)工作都主要致力于商業(yè)應用，也就是手機應用，但是這項工作也將最終影響到專業(yè)和高精度的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的使用。例如機控倉儲、工業(yè)裝配、室內(nèi)和地下測繪、地面和地底采掘，以及林業(yè)等空中視野受限的應用，最終都將會發(fā)現(xiàn)該項技術對其的重要價值。

今時今日，一半以上的移動電話呼叫都發(fā)生在室內(nèi)，而緊急呼叫的比例與之大體相同，并且兩者都只會不斷增加。因此，F(xiàn)CC已經(jīng)于2001年明確授權為室內(nèi)呼叫提供E911緊急求助服務。這項在2001年制定的法案規(guī)定，無論是使用固定電話還是移動電話，所撥打的緊急呼叫都必須能夠提供呼叫者的精確位置信息。該位置信息將被透明地發(fā)送到各個公共安全響應點（PSAPS），以便使911中心派遣的消防、救援或警務人員不僅能夠到達正確的街區(qū)，而且能夠順利地抵達多層建筑的正確樓層。這就是該項技術致力的目標。

一旦滿足室內(nèi)定位要求的技術得以成功開發(fā)并廣泛應用，將會給其參與者帶來可觀的收益，尤其是GNSS的制造商和基于位置服務（LBS）的供應商?！叭蚨ㄎ幌到y(tǒng)”（GPS）以及GPS增強技術只是手機定位方案的一部分。此外，還可以利用其他手段進行定位，如使用蜂窩小區(qū)自身的信號并配合包含信號屬性和網(wǎng)絡位置信息的龐大數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)定位服務等等。

室內(nèi)定位測試中所使用的測試設備

基于智能終端的室內(nèi)定位導航技術應用場景

第三工作組的基于位置服務分組致力于發(fā)掘相關技術，并研究這些技術如何工作，以及如何應用于911服務。在試驗中，共有3家公司的技術方案完成了整個測試過程。其中，北極星無線公司（Polaris Wireless）使用了一種射頻模式匹配/特征識別技術，高通無線技術公司（Qualcomm）采用了混合輔助GPS/先進前向鏈路三角定位系統(tǒng)（AFLT）的技術，下一代導航公司（Nex tNav）則使用了無線信標技術。

第三工作組選擇了舊金山海灣地區(qū)作為第一階段室內(nèi)試驗的測試地點，該地區(qū)涵蓋了最常見的無線使用環(huán)境和建筑物類型，即密集市區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)和鄉(xiāng)村。測試共選取了19幢建筑物，其中6幢位于密集市區(qū)、5幢位于普通城區(qū)、6幢位于郊區(qū)、2幢位于鄉(xiāng)村地區(qū)。在這19幢建筑物中，共選擇了75個測試點。在每一個測試點上，分別對NextNav、Polaris Wireless和Qualcomm三家公司的定位技術進行了固定呼叫測試，并對呼叫測試的結果進行取樣統(tǒng)計分析。

此次測試不僅數(shù)據(jù)充分，而且覆蓋廣泛并具有代表性。針對3種不同的技術，試驗組分別從測試點收集了13000多個有效的呼叫記錄。多家具有代表性的無線技術及運營公司參與試驗，其中Polaris Wireless公司的測試結果主要代表了美國電話電報公司（AT&T）和德國T-Mobile公司的網(wǎng)絡；Qualcomm公司的測試結果則主要代表了美國Sprint公司和Verizon公司的網(wǎng)絡；而Next Nav公司則實際上是作為一個獨立覆蓋的定位網(wǎng)絡進行運營的。

一位經(jīng)過權威認證的土地測量員為本次呼叫定位測試提供精確的室內(nèi)位置數(shù)據(jù)，以便與測試結果進行比較，精確位置數(shù)據(jù)的水平誤差為1cm，垂直誤差為2cm。基于測試結果，可以得到這些定位技術的性能指標，包括水平定位精度、垂直定位精度、合格率、首次定位時間（TTFF）、報告的不確定性等。

2 密集市區(qū)環(huán)境

衛(wèi)星信號（如GPS信號）穿透大型建筑物存在很大挑戰(zhàn)。因此，經(jīng)常需要使用輔助GPS的備用模式，例如前向鏈路三角定位系統(tǒng)。當采用GPS定位時，并沒有出現(xiàn)預期的精度降低現(xiàn)象。然而，使用混合定位時卻出現(xiàn)了令人驚訝的誤差比率。即使在衛(wèi)星信號不能穿透的測試點，混合定位的質量相對于GPS定位也有明顯的差距。

射頻特征識別技術有望在密集城市環(huán)境中展現(xiàn)最好的性能。因為這種測試環(huán)境是一個密閉的空間，而且包含眾多射頻基站和切換邊界，通過大量而廣泛的測量校準，就可以構建出比較理想的射頻特征圖譜。

在密集城市環(huán)境中，測試結果顯示，性能最理想的是地面信標定位系統(tǒng)。然而，由于多徑效應，最終的定位結果可能只是在絕對距離上接近測試點（如相差40m），但是經(jīng)常會出現(xiàn)定位到街對面的建筑物、臨近建筑物，甚至幾個街區(qū)外的建筑物里的情況。

3 普通城區(qū)環(huán)境

普通城區(qū)環(huán)境中，每一種測試建筑物會給定位帶來不同的挑戰(zhàn)，而參與測試的3種技術在不同程度上滿足了試驗要求。在一個聯(lián)盟棒球體育場內(nèi)，由于射頻信號的無遮擋傳輸，將導致輔助GPS的備選定位結果距離被測點非常遠。而在一些測試點上，運動場的特殊結構也將給射頻特征識別技術帶來了極大的挑戰(zhàn)。

在某些情況下，會議中心可以被視為深室環(huán)境，但是其內(nèi)部一般擁有來自室內(nèi)基站的很強的蜂窩信號。在此環(huán)境中，基于地面信標的定位系統(tǒng)將不再像其他環(huán)境中表現(xiàn)的那么理想，因為來自建筑外的信標信號的衰減會很大。而此時，輔助GPS和射頻特征識別技術則能夠依靠建筑物內(nèi)部的蜂窩小區(qū)基站實現(xiàn)定位。

在一幢擁有中央天井的、厚實的舊樓里進行測試時，測試結果會因為距離窗戶和天井的遠近而產(chǎn)生巨大差異。這種環(huán)境下，Nex t Nav公司和Qualcomm公司都出現(xiàn)了定位到街道對面建筑物的現(xiàn)象；而Polaris Wireless公司的射頻特征識別技術的測試結果則相對集中，其多數(shù)定位結果都在目標建筑物的街區(qū)附近。

汽車旅館的特殊結構也為室內(nèi)定位帶來了獨特的挑戰(zhàn)。在這種環(huán)境下，絕對距離（如50m或者150m），這一原來在評估室外定位效果時極其重要的參數(shù)，對于室內(nèi)定位而言其作用將被削弱。因為在這個誤差范圍內(nèi)，緊急派遣的搜救人員很容易進入錯誤的建筑或街區(qū)。盡管定位精確到臨近的街道已經(jīng)要比定位到幾個街區(qū)之外好得多，但這樣的定位精度仍然無法達到某些應用服務或用戶的要求。

在建筑物并不密集的圣何塞市區(qū)的一幢高大公寓樓內(nèi)進行試驗時，發(fā)現(xiàn)輔助GPS的表現(xiàn)相對較差，信標系統(tǒng)的性能不夠穩(wěn)定，而射頻特征識別技術的定位性能則隨著測試點的高度增加而不斷退化?？傊?，上述城區(qū)的特殊環(huán)境，再加上相對稀疏的蜂窩基站，最終導致了普通城區(qū)環(huán)境中的定位效果略差于密集的城市環(huán)境。

4 郊區(qū)環(huán)境

郊區(qū)的建筑物相對于市區(qū)來說建筑結構更為簡單，且建筑物也更大。在這種環(huán)境下，室內(nèi)GPS定位的性能受到的影響將小得多，理想情況下幾乎與室外定位的性能一樣好，可以實現(xiàn)精確定位到某一樓層；在相同的環(huán)境中，從平均性能表現(xiàn)上看，基于信標的定位技術表現(xiàn)也同樣出色；而射頻特征識別技術的性能相比于密集的城市環(huán)境則有所下降。

輔助GPS的性能隨著郊區(qū)建筑物不斷變高、變大而不斷降低；基于地面信標的定位技術則幾乎不受建筑物高低、大小的影響；而射頻特征識別技術也是在相對較小的郊區(qū)建筑測試環(huán)境，定位性能有所提升，但是仍然會有很大一部分結果出現(xiàn)偏差，定位到街道、高速公路或者對面的建筑物上。

5 鄉(xiāng)村環(huán)境

在鄉(xiāng)村，擁有金屬屋頂?shù)膶挸▎螌咏Y構建筑，將會對衛(wèi)星信號的接收帶來極大的挑戰(zhàn)。在這種情況下，多采用混合定位方式，對傳統(tǒng)衛(wèi)星定位結果加以修正。金屬房頂對基于地面信標網(wǎng)絡的定位方式影響較小，因為它對地面信標的影響遠遠小于它對空中衛(wèi)星信號的影響。因此，在這類環(huán)境中，基于信標的定位方式性能優(yōu)于輔助GPS。當然，信標定位的性能優(yōu)劣仍然取決于鄉(xiāng)村地區(qū)部署的信標密度，而在測試中，是保證這一密度足夠的。

在郊區(qū)環(huán)境和鄉(xiāng)村環(huán)境中，由于蜂窩基站密度的減少，射頻特征識別定位技術的性能有所下降。

6 結論

在第一階段的測試中，最終上述3項技術完成了全部測試。而隨著此項測試工作的不斷深入，將會為通信安全、可靠性和互操作性理事會第三工作小組以及相關實驗室提供了更為良好的學習和深入研究機會。但是，目前仍存在大量已有的基于位置服務技術以及即將面世的新定位技術等待評估與測試，以期用于提高室內(nèi)無線E911的性能。而室內(nèi)無線E911是一個重要的公共安全問題，其迫切性只會不斷增加。

該報告并沒有涵蓋所有的地域類型，其中一個關鍵原因就是成本問題。而在時間進度方面，同樣也受到了成本的限制。不過，一些評論家已經(jīng)得出如下結論：NextNav公司技高一籌，相比于其他兩種技術，該公司的解決方案能夠更好的應對更多的挑戰(zhàn)，因為它不像其他兩種技術那樣在很大程度上依賴于現(xiàn)有的基礎設施。