室內(nèi)定位背后的微慣導技術(shù)解析 與北斗、GPS有何不同？

　　編者按：作者大格子GZ，格納微科技技術(shù)總監(jiān)，西安電子科技大學碩士，就讀控制理論與控制工程專業(yè)。曾作為骨干參與國家慣導產(chǎn)品重要課題，所研成果已經(jīng)成功運用于軍工產(chǎn)業(yè)。目前負責團隊技術(shù)路線和產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)，對于空間定位的慣導、超寬帶、激光、視覺SLAM都略有涉及。在本文中，作者結(jié)合自己的工作經(jīng)驗談了談微慣導定位方案，以及為什么選擇這個方案背后的緣由。

　　提起定位導航，大家首先想到的是GPS，中國也推出了自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)。但是衛(wèi)星定位只能用在室外環(huán)境，一到室內(nèi)，由于導航信號衰減太快，衛(wèi)星定位就無法使用。

　　那么，室內(nèi)定位當前有沒有“剛需”呢？答案是肯定的。今天我們不談現(xiàn)在很熱鬧的消費級市場應用，我們談下室內(nèi)定位技術(shù)在一些特殊但很重要的場景——消防救援、反恐處突、搶險救災等應急任務中的應用。

　　試想一下這樣的場景：大火現(xiàn)場，消防員沖進著火的大樓里試圖搜救幸存者，火勢越來越猛烈，煙霧彌漫，消防員迷路找不到出口，氧氣不夠，最終喪失了生命……

　　如果能精確定位消防員的位置，后方指揮人員掌握了進入火場施救的消防員實時動向，通過通信設備向現(xiàn)場人員提供準確指揮，避免消防員在火場中迷路，可以最大程度地減少人員傷亡。這對于室內(nèi)定位技術(shù)來說，也是功德一件了。

　　目前業(yè)內(nèi)主流室內(nèi)定位技術(shù)普遍需要外部設施或先驗數(shù)據(jù)庫，比如UWB、WiFi、藍牙、地磁等，而消防救援等應急任務通常來不及或環(huán)境不允許布置外部定位基站或信標等設備，因此沒有一種可以滿足緊急任務下自主定位的要求，所以采用不依賴任何外部設備或先驗數(shù)據(jù)庫的慣導定位技術(shù)是目前比較穩(wěn)妥的手段。慣導定位技術(shù)是一種完全自主式的導航技術(shù)，與普通的定位技術(shù)不同的是，它不依賴于導航衛(wèi)星、無線基站、電子標簽等任何輔助設備和先驗數(shù)據(jù)庫。

　　對于應急任務室內(nèi)定位需求來說，定位產(chǎn)品是否能達到實戰(zhàn)效果應該從以下幾個方面評估或者實際測試：

　　1、 是否可以適應多種步態(tài)，典型步態(tài)有小碎步走、小跑、側(cè)移、倒退、上下樓等；

　　2、 沿長直線走50米以上，到末端轉(zhuǎn)5個以上圓圈（半徑2米以上），再沿原直線走回，評估偏移量，偏移量控制在１%以內(nèi)的則為優(yōu)秀產(chǎn)品（慣導存在無法消除的固定角度和位置漂移，只能盡可能降低；

　　3、 反復上下樓梯，評估高度準確度，尤其是樓層判定，看看會不會出現(xiàn)樓層錯誤，小誤差可以接受，但是樓層判錯會延誤救援甚至造成致命失誤；

　　4、 在建筑物內(nèi)進行實地測試，磁場是慣導室內(nèi)定位的一個重要信息，可以用來控制慣導的漂移。但是也容易受到外界影響，尤其是建筑物比較緊湊，金屬結(jié)構(gòu)比較多，有大型顯示屏的環(huán)境，應評估定位產(chǎn)品磁場抗干擾特性；

　　5、 有條件的可以進行點火試驗，大火會造成溫度和氣流的急劇變化，如果氣壓計數(shù)據(jù)融合沒有處理好，高度會有很大偏差，簡易測試方法是通過空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)外溫差，通過出入室內(nèi)外測試定位的穩(wěn)定性；

　　6、 使用是否便捷、是否需要外部基站輔助都可以評估，在消防救援等應急任務中不能完全依賴于任何外部基站，我們的微慣導定位產(chǎn)品GNW-FOEM在無外部基站輔助情況下可以保持45分鐘左右的精度可用，在同類產(chǎn)品中比較出眾；

　　7、 地圖融合算法的優(yōu)劣，無地圖和有地圖的情況使用評估，我們的iNav智能定位引擎提供了地圖輸入接口，在有室內(nèi)地圖信息的條件下，可以長時間保持高精度不漂移，做過的典型試驗是在商場內(nèi)，1小時內(nèi)精度穩(wěn)定在2米；

　　8、 數(shù)據(jù)通信方式的選擇，大致分為兩類情況，一種是利用運營商網(wǎng)絡外傳（利用基礎網(wǎng)絡的覆蓋冗余性和其穩(wěn)健的通信機制），一種是利用專用網(wǎng)絡，但是目前還沒有一種可以快速部署又便捷可穿戴，能夠覆蓋消防救援的專用通訊網(wǎng)絡（通常能達到覆蓋地下一層就已經(jīng)算性能達標了），如果產(chǎn)品能兼容運營商網(wǎng)絡和專用網(wǎng)絡就已經(jīng)是一種比較好的方式了。

　　一種比較可行的產(chǎn)品配置方案是1個主控端 + 4-8個單兵節(jié)點配置，如圖：

圖1 應急任務現(xiàn)場指揮系統(tǒng)方案圖

　　每個單兵配備一個定位模塊（足部）和手持終端，模塊獲取人員運動數(shù)據(jù)后，通過藍牙通訊傳給手持終端，手持終端通過遠場通訊設備將數(shù)據(jù)傳遞給指揮中心。系統(tǒng)可融入室內(nèi)地圖，水平精度達到0.3%，能準確進行樓層識別?，F(xiàn)場、后場多個指揮端可同步顯示，有利于消防員現(xiàn)場指揮調(diào)度、減少人員傷亡現(xiàn)場，事后可實現(xiàn)任務回放，進行教學和經(jīng)驗總結(jié)。