2013年3月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）公布了其針對(duì)室內(nèi)定位各技術(shù)解決方案集中開(kāi)展的一系列試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果。室內(nèi)定位技術(shù)一直是定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）技術(shù)中最難解決的問(wèn)題，而一旦該問(wèn)題得以解決，將會(huì)給相關(guān)定位系統(tǒng)帶來(lái)前所未有的性能提升。所以，本次試驗(yàn)結(jié)果不但將影響FCC對(duì)手機(jī)定位報(bào)告要求的制定，而且也將推動(dòng)所有室內(nèi)定位應(yīng)用的未來(lái)發(fā)展。

1 試驗(yàn)概述

試驗(yàn)由FCC通信安全、可靠性和互操作性理事會(huì)（CSRIC）第三工作小組（WG3）組織開(kāi)展，測(cè)試環(huán)境涵蓋了密集市區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村這4種場(chǎng)所，并包含了數(shù)以千計(jì)的測(cè)試地點(diǎn)和各種建筑物類型。

盡管，大規(guī)模的針對(duì)室內(nèi)定位的研究與開(kāi)發(fā)工作都主要致力于商業(yè)應(yīng)用，也就是手機(jī)應(yīng)用，但是這項(xiàng)工作也將最終影響到專業(yè)和高精度的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的使用。例如機(jī)控倉(cāng)儲(chǔ)、工業(yè)裝配、室內(nèi)和地下測(cè)繪、地面和地底采掘，以及林業(yè)等空中視野受限的應(yīng)用，最終都將會(huì)發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)對(duì)其的重要價(jià)值。

今時(shí)今日，一半以上的移動(dòng)電話呼叫都發(fā)生在室內(nèi)，而緊急呼叫的比例與之大體相同，并且兩者都只會(huì)不斷增加。因此，F(xiàn)CC已經(jīng)于2001年明確授權(quán)為室內(nèi)呼叫提供E911緊急求助服務(wù)。這項(xiàng)在2001年制定的法案規(guī)定，無(wú)論是使用固定電話還是移動(dòng)電話，所撥打的緊急呼叫都必須能夠提供呼叫者的精確位置信息。該位置信息將被透明地發(fā)送到各個(gè)公共安全響應(yīng)點(diǎn)（PSAPS），以便使911中心派遣的消防、救援或警務(wù)人員不僅能夠到達(dá)正確的街區(qū)，而且能夠順利地抵達(dá)多層建筑的正確樓層。這就是該項(xiàng)技術(shù)致力的目標(biāo)。

一旦滿足室內(nèi)定位要求的技術(shù)得以成功開(kāi)發(fā)并廣泛應(yīng)用，將會(huì)給其參與者帶來(lái)可觀的收益，尤其是GNSS的制造商和基于位置服務(wù)（LBS）的供應(yīng)商?！叭蚨ㄎ幌到y(tǒng)”（GPS）以及GPS增強(qiáng)技術(shù)只是手機(jī)定位方案的一部分。此外，還可以利用其他手段進(jìn)行定位，如使用蜂窩小區(qū)自身的信號(hào)并配合包含信號(hào)屬性和網(wǎng)絡(luò)位置信息的龐大數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)等等。

室內(nèi)定位測(cè)試中所使用的測(cè)試設(shè)備

基于智能終端的室內(nèi)定位導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

第三工作組的基于位置服務(wù)分組致力于發(fā)掘相關(guān)技術(shù)，并研究這些技術(shù)如何工作，以及如何應(yīng)用于911服務(wù)。在試驗(yàn)中，共有3家公司的技術(shù)方案完成了整個(gè)測(cè)試過(guò)程。其中，北極星無(wú)線公司（Polaris Wireless）使用了一種射頻模式匹配/特征識(shí)別技術(shù)，高通無(wú)線技術(shù)公司（Qualcomm）采用了混合輔助GPS/先進(jìn)前向鏈路三角定位系統(tǒng)（AFLT）的技術(shù)，下一代導(dǎo)航公司（Nex tNav）則使用了無(wú)線信標(biāo)技術(shù)。

第三工作組選擇了舊金山海灣地區(qū)作為第一階段室內(nèi)試驗(yàn)的測(cè)試地點(diǎn)，該地區(qū)涵蓋了最常見(jiàn)的無(wú)線使用環(huán)境和建筑物類型，即密集市區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)和鄉(xiāng)村。測(cè)試共選取了19幢建筑物，其中6幢位于密集市區(qū)、5幢位于普通城區(qū)、6幢位于郊區(qū)、2幢位于鄉(xiāng)村地區(qū)。在這19幢建筑物中，共選擇了75個(gè)測(cè)試點(diǎn)。在每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)上，分別對(duì)NextNav、Polaris Wireless和Qualcomm三家公司的定位技術(shù)進(jìn)行了固定呼叫測(cè)試，并對(duì)呼叫測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行取樣統(tǒng)計(jì)分析。

此次測(cè)試不僅數(shù)據(jù)充分，而且覆蓋廣泛并具有代表性。針對(duì)3種不同的技術(shù)，試驗(yàn)組分別從測(cè)試點(diǎn)收集了13000多個(gè)有效的呼叫記錄。多家具有代表性的無(wú)線技術(shù)及運(yùn)營(yíng)公司參與試驗(yàn)，其中Polaris Wireless公司的測(cè)試結(jié)果主要代表了美國(guó)電話電報(bào)公司（AT&T）和德國(guó)T-Mobile公司的網(wǎng)絡(luò)；Qualcomm公司的測(cè)試結(jié)果則主要代表了美國(guó)Sprint公司和Verizon公司的網(wǎng)絡(luò)；而Next Nav公司則實(shí)際上是作為一個(gè)獨(dú)立覆蓋的定位網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)的。

一位經(jīng)過(guò)權(quán)威認(rèn)證的土地測(cè)量員為本次呼叫定位測(cè)試提供精確的室內(nèi)位置數(shù)據(jù)，以便與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，精確位置數(shù)據(jù)的水平誤差為1cm，垂直誤差為2cm?；跍y(cè)試結(jié)果，可以得到這些定位技術(shù)的性能指標(biāo)，包括水平定位精度、垂直定位精度、合格率、首次定位時(shí)間（TTFF）、報(bào)告的不確定性等。

2 密集市區(qū)環(huán)境

衛(wèi)星信號(hào)（如GPS信號(hào)）穿透大型建筑物存在很大挑戰(zhàn)。因此，經(jīng)常需要使用輔助GPS的備用模式，例如前向鏈路三角定位系統(tǒng)。當(dāng)采用GPS定位時(shí)，并沒(méi)有出現(xiàn)預(yù)期的精度降低現(xiàn)象。然而，使用混合定位時(shí)卻出現(xiàn)了令人驚訝的誤差比率。即使在衛(wèi)星信號(hào)不能穿透的測(cè)試點(diǎn)，混合定位的質(zhì)量相對(duì)于GPS定位也有明顯的差距。

射頻特征識(shí)別技術(shù)有望在密集城市環(huán)境中展現(xiàn)最好的性能。因?yàn)檫@種測(cè)試環(huán)境是一個(gè)密閉的空間，而且包含眾多射頻基站和切換邊界，通過(guò)大量而廣泛的測(cè)量校準(zhǔn)，就可以構(gòu)建出比較理想的射頻特征圖譜。

在密集城市環(huán)境中，測(cè)試結(jié)果顯示，性能最理想的是地面信標(biāo)定位系統(tǒng)。然而，由于多徑效應(yīng)，最終的定位結(jié)果可能只是在絕對(duì)距離上接近測(cè)試點(diǎn)（如相差40m），但是經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)定位到街對(duì)面的建筑物、臨近建筑物，甚至幾個(gè)街區(qū)外的建筑物里的情況。

3 普通城區(qū)環(huán)境

普通城區(qū)環(huán)境中，每一種測(cè)試建筑物會(huì)給定位帶來(lái)不同的挑戰(zhàn)，而參與測(cè)試的3種技術(shù)在不同程度上滿足了試驗(yàn)要求。在一個(gè)聯(lián)盟棒球體育場(chǎng)內(nèi)，由于射頻信號(hào)的無(wú)遮擋傳輸，將導(dǎo)致輔助GPS的備選定位結(jié)果距離被測(cè)點(diǎn)非常遠(yuǎn)。而在一些測(cè)試點(diǎn)上，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)的特殊結(jié)構(gòu)也將給射頻特征識(shí)別技術(shù)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

在某些情況下，會(huì)議中心可以被視為深室環(huán)境，但是其內(nèi)部一般擁有來(lái)自室內(nèi)基站的很強(qiáng)的蜂窩信號(hào)。在此環(huán)境中，基于地面信標(biāo)的定位系統(tǒng)將不再像其他環(huán)境中表現(xiàn)的那么理想，因?yàn)閬?lái)自建筑外的信標(biāo)信號(hào)的衰減會(huì)很大。而此時(shí)，輔助GPS和射頻特征識(shí)別技術(shù)則能夠依靠建筑物內(nèi)部的蜂窩小區(qū)基站實(shí)現(xiàn)定位。

在一幢擁有中央天井的、厚實(shí)的舊樓里進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試結(jié)果會(huì)因?yàn)榫嚯x窗戶和天井的遠(yuǎn)近而產(chǎn)生巨大差異。這種環(huán)境下，Nex t Nav公司和Qualcomm公司都出現(xiàn)了定位到街道對(duì)面建筑物的現(xiàn)象；而Polaris Wireless公司的射頻特征識(shí)別技術(shù)的測(cè)試結(jié)果則相對(duì)集中，其多數(shù)定位結(jié)果都在目標(biāo)建筑物的街區(qū)附近。

汽車旅館的特殊結(jié)構(gòu)也為室內(nèi)定位帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。在這種環(huán)境下，絕對(duì)距離（如50m或者150m），這一原來(lái)在評(píng)估室外定位效果時(shí)極其重要的參數(shù)，對(duì)于室內(nèi)定位而言其作用將被削弱。因?yàn)樵谶@個(gè)誤差范圍內(nèi)，緊急派遣的搜救人員很容易進(jìn)入錯(cuò)誤的建筑或街區(qū)。盡管定位精確到臨近的街道已經(jīng)要比定位到幾個(gè)街區(qū)之外好得多，但這樣的定位精度仍然無(wú)法達(dá)到某些應(yīng)用服務(wù)或用戶的要求。

在建筑物并不密集的圣何塞市區(qū)的一幢高大公寓樓內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)輔助GPS的表現(xiàn)相對(duì)較差，信標(biāo)系統(tǒng)的性能不夠穩(wěn)定，而射頻特征識(shí)別技術(shù)的定位性能則隨著測(cè)試點(diǎn)的高度增加而不斷退化?？傊鲜龀菂^(qū)的特殊環(huán)境，再加上相對(duì)稀疏的蜂窩基站，最終導(dǎo)致了普通城區(qū)環(huán)境中的定位效果略差于密集的城市環(huán)境。

4 郊區(qū)環(huán)境

郊區(qū)的建筑物相對(duì)于市區(qū)來(lái)說(shuō)建筑結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，且建筑物也更大。在這種環(huán)境下，室內(nèi)GPS定位的性能受到的影響將小得多，理想情況下幾乎與室外定位的性能一樣好，可以實(shí)現(xiàn)精確定位到某一樓層；在相同的環(huán)境中，從平均性能表現(xiàn)上看，基于信標(biāo)的定位技術(shù)表現(xiàn)也同樣出色；而射頻特征識(shí)別技術(shù)的性能相比于密集的城市環(huán)境則有所下降。

輔助GPS的性能隨著郊區(qū)建筑物不斷變高、變大而不斷降低；基于地面信標(biāo)的定位技術(shù)則幾乎不受建筑物高低、大小的影響；而射頻特征識(shí)別技術(shù)也是在相對(duì)較小的郊區(qū)建筑測(cè)試環(huán)境，定位性能有所提升，但是仍然會(huì)有很大一部分結(jié)果出現(xiàn)偏差，定位到街道、高速公路或者對(duì)面的建筑物上。

5 鄉(xiāng)村環(huán)境

在鄉(xiāng)村，擁有金屬屋頂?shù)膶挸▎螌咏Y(jié)構(gòu)建筑，將會(huì)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。在這種情況下，多采用混合定位方式，對(duì)傳統(tǒng)衛(wèi)星定位結(jié)果加以修正。金屬房頂對(duì)基于地面信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的定位方式影響較小，因?yàn)樗鼘?duì)地面信標(biāo)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它對(duì)空中衛(wèi)星信號(hào)的影響。因此，在這類環(huán)境中，基于信標(biāo)的定位方式性能優(yōu)于輔助GPS。當(dāng)然，信標(biāo)定位的性能優(yōu)劣仍然取決于鄉(xiāng)村地區(qū)部署的信標(biāo)密度，而在測(cè)試中，是保證這一密度足夠的。

在郊區(qū)環(huán)境和鄉(xiāng)村環(huán)境中，由于蜂窩基站密度的減少，射頻特征識(shí)別定位技術(shù)的性能有所下降。

6 結(jié)論

在第一階段的測(cè)試中，最終上述3項(xiàng)技術(shù)完成了全部測(cè)試。而隨著此項(xiàng)測(cè)試工作的不斷深入，將會(huì)為通信安全、可靠性和互操作性理事會(huì)第三工作小組以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)室提供了更為良好的學(xué)習(xí)和深入研究機(jī)會(huì)。但是，目前仍存在大量已有的基于位置服務(wù)技術(shù)以及即將面世的新定位技術(shù)等待評(píng)估與測(cè)試，以期用于提高室內(nèi)無(wú)線E911的性能。而室內(nèi)無(wú)線E911是一個(gè)重要的公共安全問(wèn)題，其迫切性只會(huì)不斷增加。

該報(bào)告并沒(méi)有涵蓋所有的地域類型，其中一個(gè)關(guān)鍵原因就是成本問(wèn)題。而在時(shí)間進(jìn)度方面，同樣也受到了成本的限制。不過(guò)，一些評(píng)論家已經(jīng)得出如下結(jié)論：NextNav公司技高一籌，相比于其他兩種技術(shù)，該公司的解決方案能夠更好的應(yīng)對(duì)更多的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗幌衿渌麅煞N技術(shù)那樣在很大程度上依賴于現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。