2022年室内定位技术与室内定位方案比较

驱动室内定位系统 (IPS) 的信息大致分为三类。固定锚点指纹惯性。-室内定位方案

 

固定锚

固定锚是室内环境中 GPS(全球定位系统)的直接替代品。

许多系统依赖于知道发射器或接收器的位置。固定锚点和移动设备之间的信号可以告诉我们它们之间的距离或角度。一旦您知道到多个固定锚点的距离或角度,您就可以确定移动设备的室内位置。

发射器或接收器必须安装在建筑物内,因为所使用的信号没有到达建筑物外部的范围。将来,很有可能使用一个跨越广阔区域的固定锚网络进行室内定位——比如地面 GPS。

信号类型

经常使用射频信号,例如蓝牙、WiFi 或 UWB。但也有使用超声波的系统。

发射器或接收器

有时固定锚点是发射器,信号由移动设备接收。示例是低功耗蓝牙 (BLE) 信标和超声波信标。

有时固定锚是接收器,接收移动设备发送的信号。一个例子是 Cisco 和 Aruba 提供的 WiFi 室内定位。

信号强度范围测量

许多系统使用接收信号强度 (RSSI) 来测量距离。这总是容易出现相当大的错误。仅基于 RSSI 的室内定位系统总是不太准确。

 

蓝牙信标

可能是信号强度定位的最常见示例。

需要安装。但信标成本低且由电池供电,电池寿命以耳朵为单位。因此,安装和持续维护都很少。

越来越多的接入点具有蓝牙无线电,允许接入点兼作蓝牙定位信标。这有可能显着减少需要安装的额外信标的数量。

与许多其他技术相比,蓝牙能够进行更远的操作,这可能是有利的。普通信标的范围在几十米。使用射频放大器级的大功率信标在室内的实际范围可以达到 100m。这意味着智能手机通常可以同时看到数十个信标,提供大量信息以尝试确定准确的位置。

单独的蓝牙信标不能提供很高的准确性。但是当结合惯性数据时,对于大多数用例来说,准确性已经足够好了。

无线上网

WiFi 定位的巨大潜力在于它利用了现有的基础设施。

但是,iOS 不允许访问 WiFi 信号强度。所以定位必须在基础设施上进行,而不是在手机上。这意味着无法获得惯性信息。这极大地限制了WiFi信号强度定位所能达到的精度。

在 WiFi 基础设施上进行定位的另一个含义是增加了相当大的延迟。对于涉及蓝点导航的用例,我们从客户那里听说,有限的准确性和高延迟(滞后)使用户体验很差。

如果 802.11mc (RTT) 或 8.2.11az 达到大规模采用,这一切都可能改变。这些技术使用飞行时间测距而不是信号强度,使其更加准确。惯性信息仍然有用,但不是那么重要。因此,基于 WiFi 的定位可能会成为一项更具吸引力的技术。到 2022 年,这些技术还不可行,主要是因为 iOS 不支持 RTT。

飞行距离测量时间

如果精确测量锚点和移动设备之间的距离,则可以实现更准确的室内定位。技术选择正在增加,并且开始在智能手机上可用。例如,WiFi RTT 对信号进行计时而不是使用信号强度,并且能够达到亚米级的精度。它现在可以在 Android 手机上使用。

WiFi RTT

WiFi RTT 作为一种室内定位技术在 2022 年看起来会更有趣,但它仍然没有得到足够广泛的支持以实现显着采用。

在手机方面,它仍然只在 Android 上受支持,没有迹象表明 Apple 是否以及何时支持它。2022 年第一季度和第二季度使用 Crowd Connected SDK 的应用表明,大约 30% 的 Android 用户具有 RTT 功能。这大约占应用程序用户总数的 10%。

从接入点来看,现在所有现代 Aruba AP 都支持 RTT。Aruba 约占全球企业 WiFi 市场的 14%。)但我们仍在等待思科支持该标准。(思科占据了全球企业 WiFi 市场约 40% 的份额。)

Crowd Connected 一直在扩大在更大的真实环境中对 WiFi RTT 定位的测试。存在一些可能会限制性能的关键技术难题,特别是在办公楼中,墙壁限制了具有视线可见性的接入点的数量。可以成功测距的接入点数量很少。并且可以测量范围的频率很低。此外,许多接入点并未完美校准,因此可能需要对范围应用偏移量,这必须在校准阶段确定。

单面 WiFi RTT

Android 12 悄悄引入了一项有趣的全新室内定位技术——单面 WiFi RTT。

该技术目前仅适用于极少数的移动设备——支持 Android 12 的 Android 手机。

然而,它适用于任何接入点,而不仅仅是那些在硬件和软件中启用了 802.11mc 功能的接入点。这是一个巨大的优势,它向全球每个 WiFi 安装开放 WiFi RTT,而不仅仅是具有现代接入点的 Aruba 网络。

单侧 RTT 的缺点是到每个接入点的范围未针对处理时间进行校正。这意味着距离测量值有一个非常大的偏移量(通常超过 2 公里),需要进行校正。因此,从单侧 RTT 生成可靠位置很复杂,并且需要彻底的校准步骤或一些复杂的动态优化技术。

准确的蓝牙测距

有两种技术值得注意,可以使蓝牙设备比使用信号强度 (RSSI) 更准确地测量到信标的距离。

首先是Dialog的WiRa技术。这是专有的(不是蓝牙规范的一部分),需要使用特定的支持 WiRa 的射频芯片组。所以它不会很快出现在 Android 或 iOS 手机上。但这是一项有趣的技术。它使用相位测量而不是往返时间,并且能够准确地测量范围。

在博通的参与下,蓝牙规范也有望推出新的“高精度距离测量”扩展。这还不可用,但如果它成为蓝牙标准的一部分,那么它最终可能会在 Android 和 iOS 手机上实现,并可以解锁智能手机室内定位的真正改进。

超声波

超声波是一种有趣的室内定位技术。测量从手机到信标的距离应该比使用蓝牙信号强度更准确,因为信号传播的速度足够慢,可以进行非常准确的飞行时间测量。

超宽带

最后值得一提的飞行时间技术是超宽带 (UWB)。

在我们之前的更新中,UWB 是一项仅限 iOS 的技术。但现在三星最新的 Android 手机以及最新的 iOS 手机都支持它。因此,随着时间的推移,它有望达到关键的采用水平,成为一种可行的室内定位技术。必须安装UWB信标,方式与蓝牙信标大致相同。与使用蓝牙信标相比,最大的优势在于通过飞行时间测量而不是信号强度可以实现更高的测距精度。

角度测量

其他技术测量从锚点到移动设备的角度,而不是距离。一个示例蓝牙 5.1,它支持 AoA 和 AoD。

对于智能手机定位,蓝牙 5.1 的离去角看起来很有趣。固定锚(信标)变得更加复杂,涉及到向不同方向广播不同信号的天线阵列。但是手机端的硬件可以保持简单,使用标准天线。

在 2022 年,我们还没有看到能够使用蓝牙 5.1 出发角定位 iOS 或 Android 手机的系统。

对于资产跟踪,可以使用到达角。该资产只需要使用一个简单的蓝牙发射器进行标记。安装了接收器,并容纳了复杂的天线阵列。

指纹识别

指纹识别是一种完全不同的方法。指纹识别不是知道固定锚点的确切位置,而是依赖于映射要覆盖的区域的信号波动。信号可能已经存在于环境中(例如地球的地磁场,或来自现有装置的 WiFi 信号)。或者,可以通过安装额外的发射器(如蓝牙信标)来补充现有信号,但无需记录其精确位置。

指纹识别的巨大优势在于它避免了固定锚的安装和映射。然而,为了达到所需的精度,在构建和维护指纹图方面有相当多的工作。

解决方案很少完全没有基础设施。大多数适用于 iOS 和 Android 手机的解决方案仍然需要至少安装一些蓝牙信标。

 

许多供应商在这个领域经营。

惯性

数据的最终来源是惯性数据,来自移动设备上的运动传感器。

可以仅通过这些传感器定位人员(行人航位推算)。但是您需要知道他们的起点和初始航向。并且在很短的时间之后,位置数据就会偏离轨道。

因此,惯性数据在与另一种能够进行绝对而不是相对定位的技术(固定锚点或指纹)结合使用时最有用。

未来的位置信息来源

未来,5G 很可能会带来更好的室内定位。对于公共 5G 网络,我们将不得不拭目以待,这些网络是否以及如何向第三方开放位置数据。

卫星技术也在向前发展。伽利略一直承诺比 GPS 更好的室内性能,但我们还没有看到任何真实世界的测试。低地球轨道(LEO)定位也可以提高室内性能。

技术总结

技术优点缺点概括
蓝牙信标

低成本电池供电的蓝牙低功耗发射器安装和映射。移动设备感应到的信号强度。
安装成本低且简单。信标越来越多地集成到接入点、灯具等中。

当结合智能手机的惯性数据时,2-3m 的精度是可能的。无需指纹或校准。
亚米精度是不可能的。没有惯性数据,精度更像是10m。久经考验的技术,可在准确性和成本之间取得平衡。
指纹识别

多种信号:地球磁场、WiFi、蓝牙
很少或不需要基础设施。发射器不需要映射。在 iPhone 上无法进行 WiFi 指纹识别,这意味着无论如何通常都需要信标。

创建和更新指纹图的开销。
零基础设施定位的圣杯是诱人的。

但是可用的解决方案还没有提供足够强大的产品。
WiFi定位服务如果您已经安装了 WiFi 网络,则无需额外的硬件。适用于所有智能手机。接入点通常位于错误的位置以获得最佳准确性。

并且通常没有足够的接入点来获得最佳准确性。
如果需要区域级别的精度,这可能是一个很好的解决方案。

但对于室内导航系统,很少能实现低精度和高延迟。
WiFi 802.11mc (RTT)

在移动设备上测量位置。
通过使用飞行时间,亚米级精度是可能的。支持 30% 的 Android 手机,但不支持 iPhone。一些 WiFi 提供商(例如 Aruba)支持,但不是全部。一个要看的。如果 Apple 支持 802.11mc,它将成为任何具有企业 WiFi 的室内环境的领先者。
单侧 RTT

在移动设备上测量位置。
通过使用飞行时间,亚米级精度是可能的。仅在 Android 12 上受支持。适用于任何 AP。一个要看的。仅对于 Android 上的小众应用程序,可能是一个有趣的选择。
WiFi 802.11az(下一代定位)

在接入点检测设备位置。
通过使用飞行时间,亚米级精度是可能的。还不是 WiFi 标准的一部分。一个要看的。最终可能超越 802.11mc 成为领先的 WiFi 定位技术。
UWB(超宽带)

短距离无线,是蓝牙低功耗 (BLE) 的竞争对手。
通过使用飞行时间,亚米级精度是可能的。仅 iPhone 11 及更高版本以及高端 Android 设备支持。

UWB 芯片比蓝牙更贵,但价格似乎正在下降。
可能是一个很好的解决方案。但前提是智能手机支持增加,价格继续下跌。
超声信标通过使用飞行时间,亚米级精度是可能的。超声波信标比蓝牙信标更昂贵。技术尚未被广泛采用或证明。一个值得考虑的有趣选项。
基于蓝牙的 WiRa / HADM通过使用飞行时间,亚米级精度是可能的。新技术——Dialog 和 Broadcom 的竞争标准。手机尚不支持,也未纳入蓝牙规范。如果它成为蓝牙标准的一部分可能会很有趣。
蓝牙到达/离开角度通过使用精确的角度测量,亚米级的精度是可能的。需要仔细安装带有多个天线的昂贵信标,使系统更加昂贵。当前的解决方案非常专业(高性能,但成本更高)。
惯性根本不需要任何信号 – 所以可以在任何地方工作。需要已知的起始位置和航向,并迅速偏离轨道与其他技术之一结合使用时非常有价值。但不会自行交付。

Crowd Connected 的 Sail 技术使用蓝牙信标和惯性数据。结合这两种输入可产生大约 2 到 5 米的定位精度。不涉及指纹。Sail 已经兼容 WiFi 802.11mc,如果未来 iOS 支持该技术,可能不再需要蓝牙信标。

 

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