室內導航需要考慮哪些因素_室內導航的好處

什么是室內導航？

室內導航方案也被稱為空間導向方案，常用在GPS效果差的室內環境。但在我們深入了解技術細節之前，不妨先來看一下頂層概念。

用于描述位置相關的方案一般被稱為位置服務。位置服務主要分為兩大類。

1.近距離方案：這是兩者中相對簡單的一種，利用一種或多種技術來確定兩個設備的相對位置。

2.定位系統：用于確定設備的物理位置，涉及更加復雜的基礎設施部署。

近距離方案可以進一步分為兩類：

(1)尋物方案：尋物方案的應用之一就是在鑰匙鏈、行李箱、遙控器和其他個人物品上加入尋物標簽，以便在設備丟失時進行跟蹤和定位。

(2)POI系統：當用戶靠近固定位置的特定設備時，在手機上顯示相關信息的應用系統。比如逛商場時，當用戶接近一個正在打折的商品，他們可以從商場的手機應用中獲取通知。

定位系統也可以被分為兩類：

(1)實時定位系統（RTLS）：用于資產跟蹤和設施內人員跟蹤。實時定位系統是以網絡為中心的系統，位置信息實時提供給后臺服務器，再提供給用戶。但設備本身無法得知自己所在的位置。比如定位和跟蹤倉庫中托盤、叉車和工作人員的位置，或是醫院中超聲波儀和病人的位置，優化緊急響應時間并確保安全。

(2)室內導航系統（IPS）：IPS與RTLS相反，它以設備為核心，設備知道自己的范圍，并向設備使用者報告定位情況（通過手機應用等）。室內導航的例子包括機場、博物館、購物中心、主題公園、醫療機構或會場的室內導航系統，具體應用還有自動導向車（AGV）。

導航尋路的基本原理是利用無線技術來確定用戶在某一區域中的位置，然后在手機上的地圖應用中呈現出來，讓他們了解方位。根據所用技術，有多種不同方法來確定用戶的位置。大多數方法采用信號強度（RSSI）測量或飛行時間（TOF）測量，通過多點定位或三角定位來確定用戶的位置。

多點定位的基本原理是計算物體與多個固定站點間的多個測量距離，從而確定物體位置。三邊測量就是多點定位中利用三個已知固定點來測量距離，從而計算運動物體的位置。而三角定位，則是通過測量角度測量來確定位置以及與固定站點間的距離。

除此之外還有無線電測向等更加先進的技術，確定接收信號的傳輸方向。無線電測向自二十世紀初以來已經被廣泛運用于航空、航海到野生動物追蹤等系統。無線電測向比多點定位和三角定位更加精確，但通常成本較高。在某些應用中，測得用戶位置也會發送給后臺服務器，用于數據分析以及提高空間利用率。

室內導航的好處是什么？

總的來說，室內導航可以提供以下好處：

? 在GPS不實用的室內空間為用戶提供更好的導航體驗

? 提高商用建筑內的員工效率

? 改善擁堵地區的車流量

? 讓用戶在同一設施中找到對方的位置

? 實現并增強智能的建筑工作

? 利用收集的位置數據優化工作流程，提高空間利用率

具體應用場所有：機場、博物館、商場、主題公園、醫療中心、會場和餐館

室內導航無線技術最關鍵的參數

在考慮室內導航中無線技術的使用時，必須要考慮以下幾個參數：

? 擴展性

? 隱私安全

? 定位分辨率（精度和延遲）

? 普及率和適用性

室內導航無線技術對比

最適合室內導航的無線技術有藍牙BLE、超寬帶、UWB、Wi-Fi與超聲波。

接下來讓我們逐個分析這幾項技術在室內導航中的應用

藍牙BLE

藍牙BLE技術是室內導航系統中最常見的技術，其優勢在于：安全與隱私保障，在全球智能手機上的普遍性與適用性高，支持大規模部署。

自蘋果于2013年公布iBeacon標準后，藍牙信標在許多應用案例中普及開來，尤其是零售業和室內導航應用。

BLE信標也是室內導航系統中傳統的流行方案之一。這些系統的基本原理是將藍牙信標安裝在設施內的固定位置，向用戶的手機發射廣播數據包。手機根據收到數據包的信號強度來計算出自己的位置，并呈現在地圖上。

AOD方案 / 藍牙SIG

2019年，藍牙5.1標準中加入了一套全新的功能。該功能允許BLE設備通過出發角（AoD）或到達角（AoA）來提高位置精度。對于室內導航應用來說，AoD是最適合的方案。使用這一方法，正在確定方位的設備（比如定位信標）使用多天線陣列來發射一個特殊信號。接收設備（比如手機）只有單天線。當發射設備的多個信號穿過接收設備的天線時，接收設備收集IQ樣本?；贗Q樣本數據，接收設備可以計算出相對的信號方向。

超寬帶（UWB）

UWB是一種短距無線電技術，工作頻率在3.1到10.6GHz之間，帶寬至少為500MHz?；赨WB的室內導航系統與BLE信標的方案不同，它采用了ToF來測量距離，再用三邊測量來確定設備位置。

飛行時間方法的原理就是通過獲知信號從發射器到接收器所需的時間和信號速度，從而計算一個設備到另一個設備間的距離。最后在三邊測量中利用這些值來計算目標設備的位置。

以下是UWB室內導航系統的優勢：

? 比RSSI技術精度高，因為該技術的工作頻率范圍更寬，測量任何無線電信號的飛行時間都依賴于帶寬。

? UWB信號發射功率低、發射時間短，因此減少了其他信號造成的干擾

其劣勢在于：

? 成本過高

? 智能手機和主流設備中普及率較低，會影響該系統的可用性和用戶體驗

? 全球化標準的缺失，不同區域的規范不同

Wi-Fi

另一個用于室內導航系統的技術就是Wi-Fi。Wi-Fi的優勢就是無處不在的普及率，然而其劣勢過多。

? 精度低

? 與安卓設備相比，iOS設備的支持有限（或不存在）

? 需要專用硬件，系統部署成本較高

Wi-Fi方案并不一定需要設備連接到定位設備節點，但是非連接型方案對系統精度和延遲有影響，該系統的主要參數有：

RSSI - 用于估算距離

MAC地址 – 用于設備辨識

RSSI測量與三邊測量共用，以確定設備在空間內的大致位置。設備指紋是Wi-Fi定位方案的另一套計算方法。它利用歷史RSSI和已知位置來更準確地確定設備位置。

Wi-Fi方案中有時也會用到ToF?；驹硎抢脽o線接入的時間戳來計算信號的ToF，然后利用該信息來估算客戶端設備相對接入點間的距離。ToF需要設備與本地Wi-Fi網絡建立連接，因此可能會對隱私安全產生影響，也會招致擴展性的問題。

超聲波

超聲波技術利用聲波在20kHz以上的頻率范圍內傳輸數字數據。在室內導航系統中，超聲波系統利用ToF來計算物體位置，結合三邊測量可以將探測精度提高至幾厘米內。

與射頻信號不同，超聲波信號更容易被空間內的墻體和物體阻礙。但這在室內導航系統中反而算作為一個優勢，因為這可以精確確定設備所在的房間。超聲波室內導航系統除了要在設施內部部署定位設備外，還需要在待定位設備上貼上標簽。

小結 需要注意的是，某些室內導航應用也許更適合一種或多種技術結合。除了利用RSSI，ToF和其他方法確定位置外，室內導航系統還可以利用先進的軟件算法和傳感器（多傳感器測量）來提高位置計算的精度。

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