2013年3月,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)公布了其針對室內(nèi)定位各技術(shù)解決方案集中開展的一系列試驗(yàn)測試的結(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)中最難解決的問題,而一旦該問題得以解決,將會給相關(guān)定位系統(tǒng)帶來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對手機(jī)定位報(bào)告要求的制定,而且也將推動所有室內(nèi)定位應(yīng)用的未來發(fā)展。
試驗(yàn)由FCC通信安全、可靠性和互操作性理事會(CSRIC)第三工作小組(WG3)組織開展,測試環(huán)境涵蓋了密集市區(qū)、普通城區(qū)、郊區(qū)、鄉(xiāng)村這4種場所,并包含了數(shù)以千計(jì)的測試地點(diǎn)和各種建筑物類型。
盡管,大規(guī)模的針對室內(nèi)定位的研究與開發(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)控倉儲、工業(yè)裝配、室內(nèi)和地下測繪、地面和地底采掘,以及林業(yè)等空中視野受限的應(yīng)用,最終都將會發(fā)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)對其的重要價(jià)值。
今時(shí)今日,一半以上的移動電話呼叫都發(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,無論是使用固定電話還是移動電話,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)得以成功開發(fā)并廣泛應(yīng)用,將會給其參與者帶來可觀的收益,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)自身的信號并配合包含信號屬性和網(wǎng)絡(luò)位置信息的龐大數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)等等。
室內(nèi)定位測試中所使用的測試設(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)測試過程。其中,北極星無線公司(Polaris Wireless)使用了一種射頻模式匹配/特征識別技術(shù),高通無線技術(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)的測試地點(diǎn),該地區(qū)涵蓋了最常見的無線使用環(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)測試點(diǎn)。在每一個(gè)測試點(diǎn)上,分別對NextNav、Polaris Wireless和Qualcomm三家公司的定位技術(shù)進(jìn)行了固定呼叫測試,并對呼叫測試的結(jié)果進(jìn)行取樣統(tǒng)計(jì)分析。
此次測試不僅數(shù)據(jù)充分,而且覆蓋廣泛并具有代表性。針對3種不同的技術(shù),試驗(yàn)組分別從測試點(diǎn)收集了13000多個(gè)有效的呼叫記錄。多家具有代表性的無線技術(shù)及運(yùn)營公司參與試驗(yàn),其中Polaris Wireless公司的測試結(jié)果主要代表了美國電話電報(bào)公司(AT&T)和德國T-Mobile公司的網(wǎng)絡(luò);Qualcomm公司的測試結(jié)果則主要代表了美國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)營的。
一位經(jīng)過權(quán)威認(rèn)證的土地測量員為本次呼叫定位測試提供精確的室內(nèi)位置數(shù)據(jù),以便與測試結(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。
衛(wèi)星信號(如GPS信號)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)星信號不能穿透的測試點(diǎn),混合定位的質(zhì)量相對于GPS定位也有明顯的差距。
射頻特征識別技術(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,通過大量而廣泛的測量校準(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)果可能只是在絕對距離上接近測試點(diǎn)(如相差40m),但是經(jīng)常會出現(xiàn)定位到街對面的建筑物、臨近建筑物,甚至幾個(gè)街區(qū)外的建筑物里的情況。
普通城區(qū)環(huán)境中,每一種測試建筑物會給定位帶來不同的挑戰(zhàn),而參與測試的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)盟棒球體育場內(nèi),由于射頻信號的無遮擋傳輸,將導(dǎo)致輔助GPS的備選定位結(jié)果距離被測點(diǎn)非常遠(yuǎn)。而在一些測試點(diǎn)上,運(yùn)動場的特殊結(jié)構(gòu)也將給射頻特征識別技術(shù)帶來了極大的挑戰(zhàn)。
在某些情況下,會議中心可以被視為深室環(huán)境,但是其內(nèi)部一般擁有來自室內(nèi)基站的很強(qiáng)的蜂窩信號。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)閬碜越ㄖ獾男艠?biāo)信號的衰減會很大。而此時(shí),輔助GPS和射頻特征識別技術(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)行測試時(shí),測試結(jié)果會因?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)了定位到街道對面建筑物的現(xiàn)象;而Polaris Wireless公司的射頻特征識別技術(shù)的測試結(jié)果則相對集中,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)定位帶來了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。在這種環(huán)境下,絕對距離(如50m或者150m),這一原來在評估室外定位效果時(shí)極其重要的參數(shù),對于室內(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)相對較差,信標(biāo)系統(tǒng)的性能不夠穩(wěn)定,而射頻特征識別技術(shù)的定位性能則隨著測試點(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。
郊區(qū)的建筑物相對于市區(qū)來說建筑結(jié)構(gòu)更為簡單,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;而射頻特征識別技術(shù)也是在相對較小的郊區(qū)建筑測試環(huán)境,定位性能有所提升,但是仍然會有很大一部分結(jié)果出現(xiàn)偏差,定位到街道、高速公路或者對面的建筑物上。
在鄉(xiāng)村,擁有金屬屋頂?shù)膶挸▎螌咏Y(jié)構(gòu)建筑,將會對衛(wèi)星信號的接收帶來極大的挑戰(zhàn)。在這種情況下,多采用混合定位方式,對傳統(tǒng)衛(wèi)星定位結(jié)果加以修正。金屬房頂對基于地面信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的定位方式影響較小,因?yàn)樗鼘Φ孛嫘艠?biāo)的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它對空中衛(wèi)星信號的影響。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,射頻特征識別定位技術(shù)的性能有所下降。
在第一階段的測試中,最終上述3項(xiàng)技術(shù)完成了全部測試。而隨著此項(xiàng)測試工作的不斷深入,將會為通信安全、可靠性和互操作性理事會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。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)等待評估與測試,以期用于提高室內(nèi)無線E911的性能。而室內(nèi)無線E911是一個(gè)重要的公共安全問題,其迫切性只會不斷增加。
該報(bào)告并沒有涵蓋所有的地域類型,其中一個(gè)關(guān)鍵原因就是成本問題。而在時(shí)間進(jìn)度方面,同樣也受到了成本的限制。不過,一些評論家已經(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。