普及室内导航需要考虑哪些因素，常用无线技术有何优劣？

什么是室内导航？

室内导航方案也被称为空间导向方案，常用在GPS效果差的室内环境。但在我们深入了解技术细节之前，不妨先来看一下顶层概念。

用于描述位置相关的方案一般被称为位置服务。位置服务主要分为两大类。

1.近距离方案：这是两者中相对简单的一种，利用一种或多种技术来确定两个设备的相对位置。

2.定位系统：用于确定设备的物理位置，涉及更加复杂的基础设施部署。

近距离方案可以进一步分为两类：

(1)寻物方案：寻物方案的应用之一就是在钥匙链、行李箱、遥控器和其他个人物品上加入寻物标签，以便在设备丢失时进行跟踪和定位。

(2)POI系统：当用户靠近固定位置的特定设备时，在手机上显示相关信息的应用系统。比如逛商场时，当用户接近一个正在打折的商品，他们可以从商场的手机应用中获取通知。

定位系统也可以被分为两类：

(1)实时定位系统（RTLS）：用于资产跟踪和设施内人员跟踪。实时定位系统是以网络为中心的系统，位置信息实时提供给后台服务器，再提供给用户。但设备本身无法得知自己所在的位置。比如定位和跟踪仓库中托盘、叉车和工作人员的位置，或是医院中超声波仪和病人的位置，优化紧急响应时间并确保安全。

(2)室内导航系统（IPS）：IPS与RTLS相反，它以设备为核心，设备知道自己的范围，并向设备使用者报告定位情况（通过手机应用等）。室内导航的例子包括机场、博物馆、购物中心、主题公园、医疗机构或会场的室内导航系统，具体应用还有自动导向车（AGV）。

导航寻路的基本原理是利用无线技术来确定用户在某一区域中的位置，然后在手机上的地图应用中呈现出来，让他们了解方位。根据所用技术，有多种不同方法来确定用户的位置。大多数方法采用信号强度（RSSI）测量或飞行时间（TOF）测量，通过多点定位或三角定位来确定用户的位置。

多点定位的基本原理是计算物体与多个固定站点间的多个测量距离，从而确定物体位置。三边测量就是多点定位中利用三个已知固定点来测量距离，从而计算运动物体的位置。而三角定位，则是通过测量角度测量来确定位置以及与固定站点间的距离。

除此之外还有无线电测向等更加先进的技术，确定接收信号的传输方向。无线电测向自二十世纪初以来已经被广泛运用于航空、航海到野生动物追踪等系统。无线电测向比多点定位和三角定位更加精确，但通常成本较高。在某些应用中，测得用户位置也会发送给后台服务器，用于数据分析以及提高空间利用率。

室内导航的好处是什么？

总的来说，室内导航可以提供以下好处：

• 在GPS不实用的室内空间为用户提供更好的导航体验

• 提高商用建筑内的员工效率

• 改善拥堵地区的车流量

• 让用户在同一设施中找到对方的位置

• 实现并增强智能的建筑工作

• 利用收集的位置数据优化工作流程，提高空间利用率

具体应用场所有：机场、博物馆、商场、主题公园、医疗中心、会场和餐馆

室内导航无线技术最关键的参数

在考虑室内导航中无线技术的使用时，必须要考虑以下几个参数：

• 扩展性

• 隐私安全

• 定位分辨率（精度和延迟）

• 普及率和适用性

室内导航无线技术对比

最适合室内导航的无线技术有蓝牙BLE、超宽带、UWB、Wi-Fi与超声波。

接下来让我们逐个分析这几项技术在室内导航中的应用

蓝牙BLE

蓝牙BLE技术是室内导航系统中最常见的技术，其优势在于：安全与隐私保障，在全球智能手机上的普遍性与适用性高，支持大规模部署。

自苹果于2013年公布iBeacon标准后，蓝牙信标在许多应用案例中普及开来，尤其是零售业和室内导航应用。

BLE信标也是室内导航系统中传统的流行方案之一。这些系统的基本原理是将蓝牙信标安装在设施内的固定位置，向用户的手机发射广播数据包。手机根据收到数据包的信号强度来计算出自己的位置，并呈现在地图上。

AOD方案 / 蓝牙SIG

2019年，蓝牙5.1标准中加入了一套全新的功能。该功能允许BLE设备通过出发角（AoD）或到达角（AoA）来提高位置精度。对于室内导航应用来说，AoD是最适合的方案。使用这一方法，正在确定方位的设备（比如定位信标）使用多天线阵列来发射一个特殊信号。接收设备（比如手机）只有单天线。当发射设备的多个信号穿过接收设备的天线时，接收设备收集IQ样本。基于IQ样本数据，接收设备可以计算出相对的信号方向。

超宽带（UWB）

UWB是一种短距无线电技术，工作频率在3.1到10.6GHz之间，带宽至少为500MHz。基于UWB的室内导航系统与BLE信标的方案不同，它采用了ToF来测量距离，再用三边测量来确定设备位置。

飞行时间方法的原理就是通过获知信号从发射器到接收器所需的时间和信号速度，从而计算一个设备到另一个设备间的距离。最后在三边测量中利用这些值来计算目标设备的位置。

以下是UWB室内导航系统的优势：

• 比RSSI技术精度高，因为该技术的工作频率范围更宽，测量任何无线电信号的飞行时间都依赖于带宽。

• UWB信号发射功率低、发射时间短，因此减少了其他信号造成的干扰

其劣势在于：

• 成本过高

• 智能手机和主流设备中普及率较低，会影响该系统的可用性和用户体验

• 全球化标准的缺失，不同区域的规范不同

Wi-Fi

另一个用于室内导航系统的技术就是Wi-Fi。Wi-Fi的优势就是无处不在的普及率，然而其劣势过多。

• 精度低

• 与安卓设备相比，iOS设备的支持有限（或不存在）

• 需要专用硬件，系统部署成本较高

Wi-Fi方案并不一定需要设备连接到定位设备节点，但是非连接型方案对系统精度和延迟有影响，该系统的主要参数有：

RSSI - 用于估算距离

MAC地址 – 用于设备辨识

RSSI测量与三边测量共用，以确定设备在空间内的大致位置。设备指纹是Wi-Fi定位方案的另一套计算方法。它利用历史RSSI和已知位置来更准确地确定设备位置。

Wi-Fi方案中有时也会用到ToF。基本原理是利用无线接入的时间戳来计算信号的ToF，然后利用该信息来估算客户端设备相对接入点间的距离。ToF需要设备与本地Wi-Fi网络建立连接，因此可能会对隐私安全产生影响，也会招致扩展性的问题。

超声波

超声波技术利用声波在20kHz以上的频率范围内传输数字数据。在室内导航系统中，超声波系统利用ToF来计算物体位置，结合三边测量可以将探测精度提高至几厘米内。

与射频信号不同，超声波信号更容易被空间内的墙体和物体阻碍。但这在室内导航系统中反而算作为一个优势，因为这可以精确确定设备所在的房间。超声波室内导航系统除了要在设施内部部署定位设备外，还需要在待定位设备上贴上标签。

小结

需要注意的是，某些室内导航应用也许更适合一种或多种技术结合。除了利用RSSI，ToF和其他方法确定位置外，室内导航系统还可以利用先进的软件算法和传感器（多传感器测量）来提高位置计算的精度。