什么是行人航位推算 (PDR)？

作者：Charles Pao, CEVA

您有没有过这样的经历：您正跟着手机的 GPS 在街上行走，突然间 GPS 系统无法确定您的位置？也许此时您刚好在城市中的一排摩天大楼附近，或是在树林里一条人迹罕至的小路上。无论如何，此时周边环境遮挡了您的 GPS 信号。行人航位推算技术就是专门针对此类情景的一项有用技术。

航位推算就是指在没有任何外部参考的情况下，利用已知起始位置，结合随着时间的推移而估算的移动速度和前进方向，来推定未来到达位置的过程。将这个概念延伸到人类运动领域，特别是行走或跑步的情况，就是行人航位推算。

行人航位推算 (PDR) 是怎样运作的？

行人航位推算使用惯性感应（加速度计、陀螺仪，有时也会使用磁力计）来估计速度和方向。步行的基本模型包括步数、步长和方向。如果您知道步长和步数，就可以推断出距离。再加上方向，就能得到一个完整的航位推算输出结果。

通过融合多个传感器输出，PDR/行人航位推算算法即可计算出基本构成元素。这包括步数检测、步长、步行方向和设备方向（您是将手机握在手里，还是放在口袋里？）这些基本构成元素拼凑在一起，就能确定总体轨迹。与其他有关计步和活动分类（您在走路、跑步还是静止不动？）的输出结果相结合，就能了解您已经行进的距离。

PDR 有哪些局限性，解决方案是什么

在 GPS 不可靠的情况下了解自己的位置，这是行人航位推算的主要好处之一。而且，由于它基于惯性感应，因此不必依赖外部测量源（如卫星）。但如果 PDR 如此出色，为什么还要费心费力去使用 GPS 呢？

我们得承认，PDR 有其自身的局限性。不依赖外部资源是一把双刃剑。这意味着它不会迷失方向，但也意味着它无法自行纠错。它可以做出估计（也就是航位推算的“推算”部分）。使用 GPS，在信号较好时，系统可以随着时间的推移校正定位。

要在短期内确定方向，IMU 的陀螺仪角位置信息比加速度计或磁力计更可靠。它能在短期内输出一致、可用的数据。磁力计或加速度计也可以确定方向，但需要更长时间、更稳定的测量。同样，航位推算在短期内也很有用。GPS 则可以在更长的时间内提供稳定的位置测量。主要优点是测量能力的补充。PDR 算法是可靠定位解决方案中不可或缺的组成部分。

实时定位系统 (RTLS) 和其他优点/缺点

实时定位系统 (RTLS) 是另一种用于确定位置的系统。GPS 在室外环境中非常有用，RTLS 在建筑物或其他密闭空间内有着类似的实用价值。比如追踪商品在库房里的位置、顾客在购物中心内的位置或患者在医院中的位置，这都是 RTLS 非常有用并且 GPS 无法可靠覆盖的应用场景。

实时定位系统最常用的技术包括超宽带、蓝牙和 Wi-Fi。每种技术的信号各有不同，但基本原理保持不变。选定信号类型都有许多固定参考点。随后用户携带一个标签（例如小型收发器或手机），该标签可以在这些参考点之间来回发送信号，以便实现定位。

大多数 RTLS 的工作原理是确定相对于标签的信号强度，随后在至少有 3 个参考点的情况下即可确定位置。但有些技术不需要多个参考点或锚点。超宽带可使用单个锚点确定位置，无需进行三角定位。蓝牙可以确定到达角和离开角。如果使用更多的参考点，系统的准确性将进一步提高。这些系统相对一致且具有确定性；但与惯性系统相比，它们的功耗也很高。而在这方面，PDR 再度显现出显著优势。如果 RTLS 与 PDR 配合，打造成一种更为全面的解决方案，它就能降低自身系统更新的频率，并依靠 PDR 来“填补空白”。

省电是一项非常重要的优势，但 PDR 对 RTLS 或 GPS 系统还有其他好处。为完整起见，我在下面再次给出优势列表，不过这次汇总的是在任何基于位置的系统中添加 PDR 的好处：

• 更低的功耗：降低 RTLS/GPS 更新的频率，并依靠功耗较低的 PDR 算法，从而为标签/设备省电。

• 填补信号覆盖空白：如果系统找不到标签（原因可能是存在遮挡、延迟问题、超出范围）设备无法连接到卫星，则可以使用 PDR 估算值来填补缺失的数据。

• 更高的系统精度：RTLS 和 GPS 系统专门关注定位，但不会直接跟踪方向或速度。与其他系统相比，行人航位推算可通过更高的频率提供更高级的粒度层，从而产生更平滑的路径。例如，在条件最优的情况下，GPS 的精度为 3 米。

• 降低安装成本：使用 PDR 解决方案时，RTLS 工作所需的信标更少。

切记，PDR 确实是一项出色的技术，但最适合作为各种基于位置的技术的补充。它可以单独使用，但是如果没有任何真实信号为其提供支持，随着时间的推移，它将不再可靠。但如果在短期内使用，它可以为其他系统增添不少好处