智能手機(jī)室內(nèi)定位系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

多年來(lái)，采用行人航位推算（PDR）技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)受到了學(xué)術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。現(xiàn)有的各種傳感器解決方案通常是使用加速度計(jì)來(lái)計(jì)算步數(shù)，并使用磁力計(jì)和/或陀螺儀來(lái)測(cè)量行走方向的變化。測(cè)量準(zhǔn)確率在行進(jìn)距離[1]的0.5%到10%之間。但所有這些方法都要求用戶從始至終保持身體平衡，以確保移動(dòng)感應(yīng)設(shè)備的平穩(wěn)，就如同行走的同時(shí)還要保持一塊蛋糕的平衡一樣，也就是所謂的“蛋糕步”。

但是智能手機(jī)的室內(nèi)定位系統(tǒng)要能夠讓用戶自由移動(dòng)，且無(wú)論手機(jī)如何放置都能提供合理的結(jié)果。通過(guò)開(kāi)發(fā)傳感器算法來(lái)進(jìn)行室內(nèi)定位是極為復(fù)雜的，這在一定程度上是因?yàn)樗惴〞?huì)受下列因素變化的影響，且隨著環(huán)境的實(shí)時(shí)變化，系統(tǒng)還必須同時(shí)兼顧到這些因素。

地磁異常隨處可見(jiàn)。定向的不確定性是造成定位出錯(cuò)的主要原因。盡管使用磁力計(jì)可以避免定向過(guò)程中出現(xiàn)的“航向漂移”問(wèn)題，但智能手機(jī)通常在一天中[2]60%的時(shí)間里都會(huì)出現(xiàn)地磁異常。如圖1所示，當(dāng)平穩(wěn)地拿著手機(jī)經(jīng)過(guò)一根普通的電線桿時(shí)，可以看到，航向出現(xiàn)擺動(dòng)，變得極不準(zhǔn)確。而通過(guò)算法的精心設(shè)計(jì)，可以檢測(cè)到這些異常并進(jìn)行彌補(bǔ)，使定向更加精準(zhǔn)（如圖中藍(lán)線所示）。

圖1．當(dāng)經(jīng)過(guò)電磁干擾源（如電線桿）時(shí)，一個(gè)普通缺省設(shè)置的安卓手機(jī)的定向功能會(huì)變得很差（紅線）。在向同一臺(tái)手機(jī)植入并安裝Sensor Platforms公司的FreeMotion Library后，定向功能變得精確（藍(lán)線）。
Yaw (deg)：航向偏移量（單位：度）
Time (sec)：時(shí)間（單位：秒）
Galaxy SIII Walking Past Electrical Pole：Galaxy SIII經(jīng)過(guò)電線桿時(shí)的航向偏移

智能手機(jī)中的消費(fèi)級(jí)慣性傳感器噪音大且不穩(wěn)定。一些學(xué)術(shù)文章中將加速度計(jì)噪音達(dá)到1mg且陀螺儀偏置漂移達(dá)到每小時(shí)20度（與軍工級(jí)傳感器相比相距甚遠(yuǎn)）[3]的慣性測(cè)量單元（IMU）稱為低質(zhì)IMU。然而，即便智能手機(jī)中最好的傳感器，也會(huì)產(chǎn)生比該值多一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)的噪音。因此，這種噪音累積會(huì)迅速導(dǎo)致嚴(yán)重的定位錯(cuò)誤。在提高傳感器硬件性能之前，需要引入一些算法來(lái)減少航位推算錯(cuò)誤，例如運(yùn)用PDR技術(shù)來(lái)計(jì)算步數(shù)。

不同的攜帶模式需要不同的算法。PDR技術(shù)能夠通過(guò)檢測(cè)步數(shù)來(lái)減少集成錯(cuò)誤。然而，僅是用手在空中簡(jiǎn)單的搖晃手機(jī)也同樣會(huì)產(chǎn)生類似于行走的運(yùn)動(dòng)。這一問(wèn)題在以往已經(jīng)得到解決，例如，對(duì)第一響應(yīng)者來(lái)說(shuō)，可以將傳感器模塊綁定在衣服或鞋子上的特定位置，這樣就可以避免該問(wèn)題并提供可靠的結(jié)果[4]。

然而，這一方案并不適用于智能手機(jī)平臺(tái)。因?yàn)槿藗兺ǔ２粫?huì)把手機(jī)放在鞋子里，當(dāng)然也不會(huì)像拿蛋糕一樣小心翼翼地?cái)y帶手機(jī)，相反，在人們行走的過(guò)程中，手機(jī)可能會(huì)放置在任何地方：口袋里、耳邊、錢(qián)包里或直接拿在手上。因此，無(wú)論手機(jī)放置在哪里，智能手機(jī)的PDR功能必須能夠跟蹤定位用戶的位置。