陳銳志：做透“音頻定位”技術擁抱市場服務社會

◎ 關曉晴

陳銳志，武漢大學教授、博士生導師。他提出“手機思維引擎”的新概念，探索手機從智能感知到智慧認知這一創(chuàng)新性技術；建立了基于肌電、視覺等新興傳感器的室內(nèi)定位新體制與新方法，開辟了個人導航定位領域研究新方向；開發(fā)了從數(shù)據(jù)源到可視化的整套智能手機三維無縫導航技術，構(gòu)建手機三維無縫定位的完整技術體系。

2020 年7 月，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式建成開通。我國自主可控的北斗系統(tǒng)從區(qū)域走向全球，面向全球各類用戶提供全天候、全天時，高精度、高可靠的定位、導航、授時服務。

在室外，北斗已經(jīng)可以提供厘米級精度的定位服務，已基本滿足人們在室外場景中對位置服務的需求。但人們的日常活動大多在室內(nèi)進行，個人用戶、服務機器人、新型物聯(lián)網(wǎng)設備等大量的定位需求也發(fā)生在室內(nèi)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)也表明，人們每天大約有70%～90%的時間是在室內(nèi)，有大量的潛在用戶對室內(nèi)位置服務有一定的需求。近年來，位置服務的相關技術和產(chǎn)業(yè)正從室外向室內(nèi)發(fā)展。

室內(nèi)和室外空間定位技術有著很大不同，以室外空間主流的衛(wèi)星定位技術為例，衛(wèi)星定位技術需要通過接收衛(wèi)星測距和導航電文信號來進行定位，衛(wèi)星定位受限于衛(wèi)星信號的傳輸，在信號被遮擋和信號不可達的室內(nèi)區(qū)域會完全失效，導致定位精度低或無法定位。

此外，室內(nèi)空間也遠比室外空間要復雜多變。武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室主任陳銳志教授總結(jié)道：“相較于室外，室內(nèi)空間或地下空間拓撲關系、室內(nèi)信道、用戶行為都更為復雜?！边@無疑給室內(nèi)空間定位技術的研究帶來更多的挑戰(zhàn)。

在陳銳志看來，在室外，我國北斗系統(tǒng)已經(jīng)在GNSS 市場的激烈競爭中脫穎而出，擁有自主可控的室外定位系統(tǒng)和技術。在室內(nèi)，也急需自主可控的室內(nèi)定位技術，搶占室內(nèi)外無縫定位技術的戰(zhàn)略制高點。而室內(nèi)外一體化位置服務也正是“萬物互聯(lián)”的基礎，低成本、簡易、高精度的室內(nèi)定位方案是社會經(jīng)濟發(fā)展的迫切需求。

2016 年開始，陳銳志教授主持了國家重點研發(fā)計劃項目“高可用高精度室內(nèi)智能混合定位與室內(nèi)GIS技術”，依托該項目成果，面向北斗室內(nèi)外無縫定位國家重大需求，針對北斗定位信號無法穿透室內(nèi)空間、大型復雜室內(nèi)空間定位精度低、我國缺乏自主可控的高精度室內(nèi)定位核心技術等難題，開展音頻定位芯片核心技術研究。經(jīng)過數(shù)年的深耕，該技術成果獲得了2022 年測繪科學技術特等獎，這是對該技術成果的極大肯定。

為什么選擇了音頻定位？在研發(fā)過程中又攻克了哪些難關？目前該技術的應用成效如何？陳銳志教授欣然接受了采訪，分享項目背后的點滴。

遵循兩大命題選定聲音定位源

2016 年，陳銳志回到武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室。同年7 月，由他主持的“高可用高精度室內(nèi)智能混合定位與室內(nèi)GIS技術”獲得“十三五”國家重點研發(fā)計劃支持，項目正式立項。

“當時科技部給這個項目的兩大命題就是在不改變手機硬件的前提下做到室內(nèi)空間定位精度優(yōu)于1米?！标愪J志說道。過去主流的室內(nèi)定位技術，如Wi-Fi 指紋匹配、藍牙標簽、地磁等定位技術很難達到優(yōu)于1 米的精度。挖掘手機內(nèi)可用的新的定位源，成為了該項目首要攻克的方向。

陳銳志回憶：“我們在開題的時候，該項目其實立項是面向‘聲光電場’，即聲音、光線、電信號和場，例如視場（攝像頭）。項目的前半程，至2018 年11 月中期評估前，我們都一直基于各種定位源進行不同的探索。”

與此同時，世界格局也在不斷變化中。陳銳志用“百花齊放、百家爭鳴”來形容當下室內(nèi)定位技術的發(fā)展情況。藍牙、UWB、Wi-Fi 等高精度定位技術都是當前國際上的主流技術，但這些都是歐美的技術，國外已經(jīng)在這些技術研發(fā)上占據(jù)一定的先機。這樣的局面堅定了陳銳志團隊去發(fā)掘新定位源的決心。

“在室外，我國已經(jīng)擁有自主可控的室外定位系統(tǒng)和技術，也就是北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)。那么在室內(nèi)定位方面，也急需自主可控的室內(nèi)定位技術，去支撐大型地下空間運維的數(shù)字化、信息化和智能化?！标愪J志說，“就以谷歌和蘋果為例，這兩大巨頭都著眼于室內(nèi)定位，谷歌先采用的相機定位，也就是視覺定位；蘋果則投資了UWB（超寬帶）。兩者有優(yōu)勢也有弊端，視覺定位依賴環(huán)境光線，超寬帶的建設成本則更高，也較難兼容于手機。這不滿足科技部給我們的兩大命題條件?！?/p>

因此，挖掘新的定位源不僅僅是為了“新”而去另辟蹊徑，更是在響應“實現(xiàn)關鍵核心技術自主可控”的號召。項目開展了近三年，陳銳志發(fā)現(xiàn)了聲音可能是這幾個定位源中較為理想的定位信號。通過中期評估后，陳銳志及其團隊決定了——將聲音定位進行重點突破！

基于兩大命題、室內(nèi)定位重點難點以及自主可控的要求，陳銳志團隊明確了目標，即實現(xiàn)包含定位信號設計、芯片、定位模組、定位標簽、定位基站等全鏈條硬件解決方案和跨系統(tǒng)、跨平臺的軟件解決方案。

走出實驗室做透“音頻定位”

在確定沿著聲音這一定位源進行深耕后，陳銳志自己設定了一個目標：“一定要把技術做透?！?/p>

“什么叫做透呢？不是在實驗室環(huán)境里試一試，寫幾篇論文就結(jié)束了。我希望能將這一技術產(chǎn)業(yè)化，將技術切實服務于社會。我希望音頻定位能成為國內(nèi)的品牌定位技術，能夠?qū)⒚绹某瑢拵Ъ夹g進行國產(chǎn)化的替代?！标愪J志坦誠地說，“我們本身起步就晚了幾年，把這個作為目標雖然很艱難，但我們已經(jīng)在奮起直追了，也很有希望可以做得更好?！标愪J志充滿了信心和干勁。

陳銳志給記者介紹道，其實聲音定位研究不是該項目的首創(chuàng)。目前國際上，例如美國的一些高校，一直有對音頻定位進行研究。但是他們都只局限在實驗室環(huán)境下進行小范圍測試。“這些項目組只是將研究做到了產(chǎn)出論文的程度就結(jié)束了，要想真正做到像南京南站56 萬平方米全覆蓋，就要做透，突破兩方面的核心技術，和在實驗室里的科研不大一樣?！标愪J志說。

● 南京南站現(xiàn)場測試

要真正擁抱市場，實現(xiàn)商業(yè)化落地有著兩大技術瓶頸。這也是困擾陳銳志及其團隊許久的難題。首先是音頻信號衰減快，難以得到高精度、長距離的觀測量。“聲波這類信號衰減得非?？?，我們常說聲音離得遠就聽不見了，不像電信號能傳很遠。”許多科研團隊在10 米、8 米或是更短的距離內(nèi)都有不少實驗成果。而陳銳志想要達到的是50 米范圍內(nèi)的精準定位?！斑@是我們面臨的第一個問題。我們花了很長時間，從信號設計到一些信號檢測方式、方法做了很多攻關，才滿足了50 米這個距離要求。50 米和10 米的區(qū)別在哪里？當技術成果可以滿足50 米這個距離要求之后，針對高鐵、機場等交通樞紐有很大的用處。如果這個技術局限在10 米，那在這些公共場所可使用率非常低，甚至說不能用。這對室內(nèi)定位來說是沒有意義的。”

陳銳志指出，長距離覆蓋歸根結(jié)底是弱信號處理的問題。他帶領團隊提出并實現(xiàn)了“粗檢測—信號歸一化—精檢測—粗差剔除”的音頻弱信號檢測方法，解決遠—近效應的難題，實現(xiàn)高精度、長距離（50米）測距技術。

第二個技術瓶頸便是可用帶寬窄，頻帶資源稀缺，難以支撐大規(guī)模定位場景；同時需要解決復雜場景中強噪聲、強多徑、信號覆蓋能力差的難題。陳銳志指出，音頻定位技術落地不能影響他人，發(fā)出噪音；也不能受定位環(huán)境噪音影響，導致定位精度下降?！熬捅热缥以跁隼锩骈_會，大家安安靜靜的，音頻定位發(fā)出聲音就會有影響，體驗感不好；在交通樞紐、公共商場等場所，一定會有很多場景噪聲，如果噪聲影響了定位精度，這個技術同樣也會失去意義?！?/p>

陳銳志坦言這兩點給他們帶來了很大的約束，經(jīng)過測算，不能被人耳所接收又需要讓麥克風精準捕捉的能定位的帶寬大概在16kHz—23kHz 之間，只有6 Khz 的帶寬，可重復利用的頻帶資源很有限。

怎么能用最少的信號、最窄的信號資源來做到廣覆蓋呢？陳銳志團隊利用“時分—空分—頻分”的信號混合調(diào)制機制，解決了這一難題，最終只用6kHz 的帶寬，實現(xiàn)全場景信號覆蓋的漫游方案，為推動該技術的商業(yè)化落地提供了有力技術支撐。

“在商業(yè)化落地的過程中，我們遇到最難的問題就是這兩個。這兩個問題其實并不影響我們寫論文。如果我們不想追求技術商業(yè)化落地，其實不需要去解決這兩個問題。在實驗室環(huán)境下，國際上大部分的研究里10 米定位范圍可以做到很好了?！标愪J志在講述時語調(diào)高昂，似乎這些困難對他而言都不是阻礙。但其實單這兩點，他就帶領團隊里的十多名博士耗費了半年時間才將其攻克。無疑，成果令人欣喜！

實現(xiàn)國產(chǎn)替代挖掘更多應用場景

根據(jù)項目成果檢測，陳銳志及其團隊研制的基于智能手機的音頻智能混合定位系統(tǒng)能實現(xiàn)38 厘米的靜態(tài)定位精度，20Hz 位置更新率和50 米信號覆蓋能力，綜合指標優(yōu)于國際同行，可稱得上是一個“高精度、高可用、廣覆蓋”的智能混合定位系統(tǒng)。

“我們的音頻定位技術，在精度上與美國UWB 定位技術相當，而在手機兼容性、跨平臺、跨系統(tǒng)等方面更占優(yōu)勢。特別是在安裝成本上，由于不需要昂貴的時間同步系統(tǒng)，其運維成本低。音頻定位技術與Wi-Fi、藍牙、5G 等射頻信號互不干擾。最重要的是該技術自主可控，可實現(xiàn)美國UWB 定位技術的國產(chǎn)替代?！标愪J志強調(diào)。

隨著一項項指標的達成，一個個難題的攻克，一項項技術的優(yōu)化，團隊在項目立項時設立的目標都一一實現(xiàn)了，也收獲了意外之喜。據(jù)悉，該項目通過了以楊元喜院士為組長的專家組成果評價，一致認為，研發(fā)的國產(chǎn)自主可控音頻定位技術總體成果達到國際先進水平，其中基于數(shù)模雙驅(qū)動的核心定位技術達到國際領先水平。后該項目榮獲了2022 年測繪科學技術特等獎。此前在各大國際賽事中，項目的相關技術也獲得了不少金獎。

陳銳志為自己設定的目標自然也達成了。團隊研制的音頻定位系統(tǒng)已在南京南站（56 萬平方米）和鄂州機場（45 萬平方米）成功實現(xiàn)商業(yè)化落地，有效支撐了智慧安防和智慧物流應用；同時，系統(tǒng)也部署在了杭州東站、廣州白云機場、德清國際會展中心等大型場景，在智慧樞紐、智慧物流、校園防疫等領域均得到了廣泛應用。

陳銳志介紹，團隊承建了南京南站聯(lián)勤聯(lián)動警力定位系統(tǒng)的建設。目前已經(jīng)服務于智慧安防，為公安民警提供實時位置服務，支撐警勤分配、聯(lián)防聯(lián)控應用等。他也欣喜地透露，待音頻定位系統(tǒng)全部完成后將擇機開放民用，為南京南站廣大旅客提供接站找人、停車找車、室內(nèi)導航、一鍵報警等大眾用戶服務，提高重點站區(qū)的公共交通效率和公共安全水平，進而提升站區(qū)服務能力?！拔易约航?jīng)歷過很多次，落地檢核酸，一檢完核酸你就不知道在哪個出口了。經(jīng)常和來接的朋友彼此‘錯過’?，F(xiàn)在我們就有了完善的室內(nèi)定位系統(tǒng)，再和室外的北斗相配合，發(fā)送一個位置就是最有效的溝通?！标愪J志舉例說道。

而在陳銳志的設想里，音頻定位的效用遠遠不止于此，他一直在思考音頻定位的更多可能性。

首先是繼續(xù)商業(yè)化落地，目前陳銳志正在帶領團隊努力將算法繼續(xù)優(yōu)化，同時和手機商進行對接，力求將音頻定位變成每一部智能手機的標配?！笆謾C這個載體會帶來很多資源上的限制，對內(nèi)存、算力、功耗都有要求。只有進一步優(yōu)化核心技術，才能真正進入個人用戶的市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?！标愪J志又為自己確定了下一個目標。

其次，是將聲音從地上空間擴展到水下?！暗诙€設想就是利用聲音的優(yōu)勢，開展水下的測距研究。用一句土話來講，到了水下就不‘卷’了。在地表空間大家很卷，百家爭鳴。而水這個介質(zhì)，相對其它定位源，對聲音來說是較友好的。”陳銳志表示這個研究還處于起步階段，從科研角度出發(fā)，是值得研究的方向。

正如采訪中陳銳志所說的那樣，將音頻定位做透，實現(xiàn)商業(yè)化落地，真正服務于社會，音頻定位的更多可能性便能在此過程中不斷顯現(xiàn)。

● 音頻定位相關產(chǎn)品