智能手機室內定位系統面臨的挑戰

多年來(lái)，采用行人航位推算（PDR）技術(shù)的室內定位系統受到了學(xué)術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注?，F有的各種傳感器解決方案通常是使用加速度計來(lái)計算步數，并使用磁力計和/或陀螺儀來(lái)測量行走方向的變化。測量準確率在行進(jìn)距離[1]的0.5%到10%之間。但所有這些方法都要求用戶(hù)從始至終保持身體平衡，以確保移動(dòng)感應設備的平穩，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”。

但是智能手機的室內定位系統要能夠讓用戶(hù)自由移動(dòng)，且無(wú)論手機如何放置都能提供合理的結果。通過(guò)開(kāi)發(fā)傳感器算法來(lái)進(jìn)行室內定位是極為復雜的，這在一定程度上是因為算法會(huì )受下列因素變化的影響，且隨著(zhù)環(huán)境的實(shí)時(shí)變化，系統還必須同時(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的主要原因。盡管使用磁力計可以避免定向過(guò)程中出現的“航向漂移”問(wèn)題，但智能手機通常在一天中[2]60%的時(shí)間里都會(huì )出現地磁異常。如圖1所示，當平穩地拿著(zhù)手機經(jīng)過(guò)一根普通的電線(xiàn)桿時(shí)，可以看到，航向出現擺動(dòng)，變得極不準確。而通過(guò)算法的精心設計，可以檢測到這些異常并進(jìn)行彌補，使定向更加精準（如圖中藍線(xiàn)所示）。

圖1．當經(jīng)過(guò)電磁干擾源（如電線(xiàn)桿）時(shí)，一個(gè)普通缺省設置的安卓手機的定向功能會(huì )變得很差（紅線(xiàn)）。在向同一臺手機植入并安裝Sensor Platforms公司的FreeMotion Library后，定向功能變得精確（藍線(xiàn)）。
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(xiàn)桿時(shí)的航向偏移

智能手機中的消費級慣性傳感器噪音大且不穩定。一些學(xué)術(shù)文章中將加速度計噪音達到1mg且陀螺儀偏置漂移達到每小時(shí)20度（與軍工級傳感器相比相距甚遠）[3]的慣性測量單元（IMU）稱(chēng)為低質(zhì)IMU。然而，即便智能手機中最好的傳感器，也會(huì )產(chǎn)生比該值多一到兩個(gè)數量級的噪音。因此，這種噪音累積會(huì )迅速導致嚴重的定位錯誤。在提高傳感器硬件性能之前，需要引入一些算法來(lái)減少航位推算錯誤，例如運用PDR技術(shù)來(lái)計算步數。

不同的攜帶模式需要不同的算法。PDR技術(shù)能夠通過(guò)檢測步數來(lái)減少集成錯誤。然而，僅是用手在空中簡(jiǎn)單的搖晃手機也同樣會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似于行走的運動(dòng)。這一問(wèn)題在以往已經(jīng)得到解決，例如，對第一響應者來(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)題并提供可靠的結果[4]。

然而，這一方案并不適用于智能手機平臺。因為人們通常不會(huì )把手機放在鞋子里，當然也不會(huì )像拿蛋糕一樣小心翼翼地攜帶手機，相反，在人們行走的過(guò)程中，手機可能會(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)論手機放置在哪里，智能手機的PDR功能必須能夠跟蹤定位用戶(hù)的位置。