劉公緒，史凌峰

（西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710071）

0 引言

室內(nèi)定位屬于導(dǎo)航、測(cè)繪、自動(dòng)化、電子和通信等多學(xué)科交叉領(lǐng)域，其在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)和人們對(duì)位置服務(wù)的需求下蓬勃發(fā)展。室內(nèi)定位，從狹義來(lái)講即確定人或載體在室內(nèi)環(huán)境下的位置信息；從廣義上來(lái)講即確定人或載體在類室內(nèi)環(huán)境（如地下停車場(chǎng)、礦井、峽谷、森林、建筑密集型區(qū)域的街道等衛(wèi)星信號(hào)不可用或不連續(xù)可用的環(huán)境）下的加速度、姿態(tài)、速度、位置等信息。與此同時(shí)，室內(nèi)定位被稱為衛(wèi)星導(dǎo)航與定位的“最后一千米”問(wèn)題，作為我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)不可缺少的補(bǔ)充系統(tǒng)，其研究應(yīng)用前景十分廣闊。文中所討論的室內(nèi)定位技術(shù)，不局限于技術(shù)本身，更泛指基于各種室內(nèi)定位技術(shù)的仿真算法、解決方案和相關(guān)系統(tǒng)。

室內(nèi)定位技術(shù)可以粗略分為以下幾大類[1]：

1）基于無(wú)線信號(hào)的交匯定位（包括基于機(jī)會(huì)信號(hào)的定位技術(shù)）；

2）數(shù)據(jù)庫(kù)匹配技術(shù)；

3）基于慣性傳感器的航向推算技術(shù)；

4）多源異構(gòu)定位或組合定位技術(shù)。

強(qiáng)勁的市場(chǎng)需求為室內(nèi)定位提供了廣闊的發(fā)展空間，可以說(shuō)室內(nèi)定位技術(shù)或方案呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢(shì)。雖然當(dāng)前有多種可用的室內(nèi)定位技術(shù)，但室內(nèi)定位市場(chǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展仍然很不成熟，存在著大量的不確定性，至今還沒(méi)有一個(gè)成熟的室內(nèi)定位方案在精度、容錯(cuò)性、啟動(dòng)時(shí)間、功耗、體積、成本等方面均能很好地滿足用戶體驗(yàn)。究其原因，一是場(chǎng)景應(yīng)用的需求正在擴(kuò)充。應(yīng)用環(huán)境由結(jié)構(gòu)化逐步過(guò)渡到可以無(wú)縫連接結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化等一般環(huán)境，這給新技術(shù)發(fā)展帶來(lái)機(jī)遇的同時(shí)也使得由室內(nèi)定位技術(shù)到產(chǎn)品轉(zhuǎn)化進(jìn)入了一個(gè)瓶頸期。經(jīng)過(guò)調(diào)研得知：當(dāng)前的室內(nèi)定位研究多是基于結(jié)構(gòu)化環(huán)境[2-6]，依賴于定位數(shù)據(jù)庫(kù)，而數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)生大多依賴鋪設(shè)的附加硬件和人工現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，如事先搭建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)如紫蜂（zigbee）、藍(lán)牙（bluetooth）、無(wú)線保真（wireless fidelity， WiFi）、發(fā)光二極管（light emitting diode， LED）燈具等；通過(guò)測(cè)量環(huán)境的信號(hào)接收強(qiáng)度、磁場(chǎng)特征、重力場(chǎng)特征或者以眾包的方式獲得運(yùn)動(dòng)環(huán)境地圖來(lái)輔助室內(nèi)定位，地圖的測(cè)繪和構(gòu)建工作費(fèi)時(shí)且繁重。此外當(dāng)環(huán)境中引入較大的電磁干擾，甚至行人的運(yùn)動(dòng)形式發(fā)生改變時(shí)，上述方法往往變得不再可靠。當(dāng)應(yīng)用環(huán)境由結(jié)構(gòu)化環(huán)境擴(kuò)展到半結(jié)構(gòu)化或非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，甚至要求能在一般環(huán)境下無(wú)縫連接時(shí)，所采用的室內(nèi)定位技術(shù)多是基于“慣性傳感器+”的方案，即基于慣性傳感器與其他技術(shù)的組合方案。例如：利用地圖匹配輔助慣性傳感器的方法來(lái)抑制陀螺的漂移[7]；利用超寬帶和慣性傳感器進(jìn)行室內(nèi)定位[8]；利用建筑物布局和空間幾何拓?fù)湫畔?lái)輔助慣性傳感器進(jìn)行室內(nèi)定位[9-12]；利用WiFi和慣性傳感器融合來(lái)進(jìn)行室內(nèi)定位[13-15]；利用視覺(jué)傳感器與慣性傳感器融合進(jìn)行室內(nèi)定位[16]等。其思想都是利用基于慣性傳感器的定位系統(tǒng)本身具有的自主性、隱蔽性、全天候、信息全等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)引入其他技術(shù)手段來(lái)彌補(bǔ)慣性傳感器定位誤差隨時(shí)間積累的缺點(diǎn)。事實(shí)上在一般環(huán)境下，人的運(yùn)動(dòng)方式靈活多變且不可預(yù)知，因此基于零速更新（zero velocity update， ZUPT或者ZVU）的方法[17]或者其他先驗(yàn)信息校準(zhǔn)的方法往往不再適用。雖然也有學(xué)者針對(duì)人員的步態(tài)特征[18-19]、運(yùn)動(dòng)模型[20-21]、傳感器安裝或佩戴的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行系統(tǒng)研究，但針對(duì)人員的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如走、跑、爬、跳、轉(zhuǎn)彎，側(cè)移、上下樓梯等仍缺少有效的和通用的解算方法，建立的運(yùn)動(dòng)模型難以擴(kuò)展和移植。這也就引出第二個(gè)原因：標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)下對(duì)各種室內(nèi)定位技術(shù)的測(cè)試和評(píng)估十分困難，因?yàn)轷r有完備的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種技術(shù)進(jìn)行客觀評(píng)估?？v觀室內(nèi)定位標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展現(xiàn)狀[22-24]，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization， ISO）、國(guó)際電工委員 會(huì) （ International Electrotechnical Commission，IEC）、室內(nèi)定位聯(lián)盟（Indoor Location Alliance， ILA）、開放地理空間信息協(xié)會(huì)（Open Geographic-Information-System Consortium， OGC）、開放移動(dòng)聯(lián)盟（Open Mobile Alliance， OMA）、第3代移動(dòng)通信合作計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project， 3GPP）等國(guó)際組織都在開展室內(nèi)定位標(biāo)準(zhǔn)化工作。國(guó)內(nèi)的室內(nèi)定位標(biāo)準(zhǔn)正由中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)制定，已經(jīng)發(fā)布了研究課題《室內(nèi)定位技術(shù)研究》，而行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《移動(dòng)通信中斷室內(nèi)定位技術(shù)要求和測(cè)試方法第 1部分：總體》正在制定中。對(duì)各室內(nèi)定位技術(shù)的測(cè)試研究普遍圍繞功能測(cè)試、協(xié)議一致性測(cè)試、定位精度測(cè)試、啟動(dòng)時(shí)間測(cè)試和定位延時(shí)測(cè)試等，尚缺少對(duì)不同定位技術(shù)、特定應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試方案和評(píng)估方法。學(xué)者們對(duì)室內(nèi)定位測(cè)試與評(píng)估方法的探討多集中在基于無(wú)線信號(hào)交匯定位的技術(shù)上[25-28]，缺少對(duì)其他技術(shù)測(cè)試和評(píng)估的討論。尤其近5年來(lái)，多場(chǎng)室內(nèi)定位相關(guān)的國(guó)際會(huì)議先后召開，已有學(xué)者們開始探討室內(nèi)定位相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題[29-31]，與此同時(shí)，關(guān)于室內(nèi)定位的國(guó)際比賽陸續(xù)開展[32]，加快了產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界對(duì)室內(nèi)定位相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步研討步伐。

綜上所述，關(guān)于結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的室內(nèi)定位研究正在如火如荼地進(jìn)行著，但道阻且艱。其中一個(gè)主要的原因是缺少完備的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)各技術(shù)進(jìn)行綜合、客觀的測(cè)試和評(píng)估，遑論基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下的各技術(shù)融合定位或多源異構(gòu)定位方案。這嚴(yán)重阻礙了室內(nèi)定位領(lǐng)域的發(fā)展。本文針對(duì)室內(nèi)定位相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)尚不完備這一問(wèn)題，結(jié)合正在完善的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC 18305）[33]和筆者多年相關(guān)研究的經(jīng)驗(yàn)，從室內(nèi)坐標(biāo)系、測(cè)試指標(biāo)、測(cè)試場(chǎng)景、綜合評(píng)估等多個(gè)方面介紹國(guó)內(nèi)外對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)的測(cè)試與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的最新進(jìn)展，給出室內(nèi)定位技術(shù)在一般環(huán)境下（結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化下）的測(cè)試和評(píng)估方法，以期加快國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)。

1 室內(nèi)坐標(biāo)系

如果說(shuō)硬件平臺(tái)是骨、軟件平臺(tái)是血、算法思想是魂，那室內(nèi)定位坐標(biāo)系就是骨、血、魂構(gòu)建的鮮活生命體（完整的/連續(xù)的/魯棒的室內(nèi)定位系統(tǒng)）得以存在的時(shí)空基準(zhǔn)。基準(zhǔn)選不好，談不上測(cè)試、評(píng)估及應(yīng)用。通常有2種方式構(gòu)建室內(nèi)坐標(biāo)系，即絕對(duì)坐標(biāo)系和相對(duì)坐標(biāo)系。前者往往借助多顆衛(wèi)星，確定評(píng)估區(qū)域在世界測(cè)地坐標(biāo)系 1984（world geodetic system 1984， WGS 84）、世界大地參考坐標(biāo)系（international terrestrial reference frame， ITRF）、伽利略大地參考坐標(biāo)系（Galileo terrestrial reference frame， GTRF）或國(guó)家大地坐標(biāo)系 2000（China geodetic coordinate system 2000， CGCS 2000）下的經(jīng)度、緯度和高度信息，再將其轉(zhuǎn)化為本地笛卡爾直角坐標(biāo)系的3軸分量，后續(xù)所有測(cè)試和評(píng)估過(guò)程均在本地笛卡爾坐標(biāo)系下進(jìn)行。實(shí)際上，建立絕對(duì)坐標(biāo)系有諸多不便，尤其是在衛(wèi)星信號(hào)不可用或者地理環(huán)境信息不可知的情況下。此外不得不提的是，上述4種大區(qū)域范圍坐標(biāo)系本身的精度是厘米級(jí)，目前還很難達(dá)到毫米級(jí)。與之相比，建立相對(duì)坐標(biāo)系則更加便捷和可靠。事實(shí)上，室內(nèi)定位一般考察的區(qū)域在數(shù)百米之內(nèi)，因此可以直接假設(shè)在所考察區(qū)域內(nèi)經(jīng)緯度信息沒(méi)有變化，高度信息一直與水平面垂直。顯然，將本地笛卡爾直角坐標(biāo)系作為參考系將十分方便。對(duì)笛卡爾坐標(biāo)系的原點(diǎn)和坐標(biāo)軸選取的原則如下：

1）原點(diǎn)為測(cè)試與評(píng)估范圍的幾何中心，一般為建筑物的幾何或接近幾何中心處；X軸、Y軸在水平面自由選取，如平行于建筑物外形，或者走廊等，Z軸垂直于XY軸構(gòu)成的水平面方向向上。

2）所建立的坐標(biāo)系要方便測(cè)繪。當(dāng)然實(shí)際中常常將上述方法與電子地圖結(jié)合在一起，即利用地圖和建筑物外形構(gòu)造一個(gè)電子圍欄，這樣相對(duì)笛卡爾坐標(biāo)系就在該圍欄內(nèi)，且某個(gè)點(diǎn)或面都有其物理含義，如表示一個(gè)房間或某個(gè)樓層等。并且人們可以根據(jù)所考察的點(diǎn)在電子圍欄中的相對(duì)位置，考慮到電子圍欄的絕對(duì)位置，進(jìn)而得到所考察點(diǎn)的絕對(duì)位置。

2 性能指標(biāo)

2.1 評(píng)估點(diǎn)選擇與測(cè)繪的注意事項(xiàng)

1）評(píng)估點(diǎn)的真值（ground truth）通常采用離線測(cè)繪方式，此時(shí)測(cè)繪儀器精度至少要高出定位精度一個(gè)量級(jí)；或者選用平均精度高于測(cè)試系統(tǒng)一個(gè)量級(jí)的參考系統(tǒng)。評(píng)估即是比對(duì)測(cè)繪真值點(diǎn)與待測(cè)系統(tǒng)在真值點(diǎn)的輸出，或者同等條件下參考系統(tǒng)與待評(píng)估系統(tǒng)的測(cè)量差異，或者僅僅指不同算法對(duì)同一組數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理的結(jié)果對(duì)比。

2）評(píng)估點(diǎn)要不同于訓(xùn)練點(diǎn)，要非均勻選?。ㄓ稍u(píng)估點(diǎn)所在的區(qū)域被訪問(wèn)的概率決定），且根據(jù)系統(tǒng)最小精度需求來(lái)保證足夠覆蓋率。

3）保證各評(píng)估點(diǎn)測(cè)繪時(shí)的獨(dú)立性，若不滿足應(yīng)采用閉環(huán)測(cè)繪原則，消除復(fù)合誤差。

4）應(yīng)控制變量實(shí)現(xiàn)待評(píng)估系統(tǒng)的重復(fù)測(cè)量和多次測(cè)量，若變量不容易控制，如測(cè)試點(diǎn)與定位/追蹤實(shí)體（entity to localized/tracked， ELT）的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（走、跑、跳等）相關(guān)，則應(yīng)考慮采用靜態(tài)物體進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。

評(píng)估點(diǎn)的基本信息如表1所示。

表1 評(píng)估點(diǎn)的基本信息

2.2 精度指標(biāo)

精度指標(biāo)如表2所示。

表2 精度指標(biāo)

續(xù)表2

2.3 相對(duì)精度

指在協(xié)同定位方案中，基于同種方案的多個(gè)ELT（如人，物體，或機(jī)器人）之間的相對(duì)精度。該指標(biāo)在一些消防、搜救場(chǎng)合非常重要；但應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的延時(shí)，以及ELT之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度（尤其當(dāng)ELT基于慣性傳感器的航向推算技術(shù)時(shí)）。

2.4 延時(shí)

眾所周知，定位信息的傳輸一般遵循推拉協(xié)議，即控制中心發(fā)出請(qǐng)求指令來(lái)獲得ELT的位置信息，或者 ELT按照預(yù)定的頻率上傳位置信息給控制中心，或者是 2種方式的結(jié)合。顯然，對(duì)于靜態(tài)的ELT，幾乎不存在位置信息的時(shí)效性問(wèn)題，但對(duì)于時(shí)刻運(yùn)動(dòng)的 ELT來(lái)說(shuō)，其位置信息的時(shí)效性非常關(guān)鍵，這就涉及到系統(tǒng)延時(shí)。簡(jiǎn)單來(lái)講，不管是指揮中心發(fā)出位置信息請(qǐng)求指令到接收到位置信息，期間所經(jīng)歷的時(shí)間（包括信息在射頻通信鏈路里的傳播延時(shí)），還是ELT周期性的向指揮中心發(fā)送位置信息所暗含的間隔信息，它們都是延時(shí)。本質(zhì)上延時(shí)指得是接收信息與發(fā)送信息的時(shí)間差。筆者在此引入硬延時(shí)和軟延時(shí)的概念來(lái)進(jìn)一步分析延時(shí)產(chǎn)生的機(jī)理，以及給出量化延時(shí)的方法。假設(shè)ELT以既定的頻率周期性地向控制中心發(fā)送位置信息，其按照一定的通信協(xié)議，經(jīng)過(guò)某個(gè)物理拓?fù)滏溌罚ㄅc具體的組網(wǎng)方式和場(chǎng)景有關(guān)）從發(fā)送端傳到接收端，中間必經(jīng)過(guò)一個(gè)延時(shí)，該延時(shí)可以稱為拓?fù)溲訒r(shí)或者硬延時(shí)。因?yàn)槭覂?nèi)環(huán)境是一個(gè)相當(dāng)局限的環(huán)境，可以大膽假設(shè)在室內(nèi)環(huán)境下做任何運(yùn)動(dòng)的ELT其與外界通信的拓?fù)滏溌肥菐缀跬耆粯拥模词箍紤]到多徑效應(yīng)），因此可以把硬延時(shí)看成是一個(gè)固定延時(shí)。而軟延時(shí)幾乎完全由算法決定，更確切地說(shuō)是由位置更新頻率決定（周期性地與外界通信）和實(shí)際 ELT的個(gè)數(shù)決定（若采用輪詢的方式，理論上對(duì)于1個(gè)ELT 100 Hz的更新頻率等價(jià)于對(duì)于100個(gè)ELT 1 Hz的更新頻率），該更新頻率的精度由定時(shí)器的精度決定。因此可以把軟延時(shí)理解為可變的，且值的下限是位置更新頻率的倒數(shù)。系統(tǒng)延時(shí)即為硬延時(shí)與軟延時(shí)之和，它表示了信息在通信拓?fù)滏溌分械墓潭ㄑ訒r(shí)，加上更新間隔導(dǎo)致的軟延時(shí)。關(guān)于硬延時(shí)和軟延時(shí)的概念可以通過(guò)下面的例子來(lái)說(shuō)明。甲通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與隔壁的乙進(jìn)行通話，不管乙如何改變說(shuō)話頻率，對(duì)甲來(lái)說(shuō)，乙的聲音總是先通過(guò)墻壁傳過(guò)來(lái)，然后網(wǎng)絡(luò)傳來(lái)一個(gè)有著固定延后的同聲調(diào)聲音，該例子中的硬延時(shí)已經(jīng)明顯長(zhǎng)于軟延時(shí)。雖然軟延時(shí)不一定會(huì)給系統(tǒng)延時(shí)真正貢獻(xiàn)一個(gè)延時(shí)時(shí)間，但是它卻在軟件算法層面度量了可能出現(xiàn)延時(shí)的最壞情況，比如在位置信息剛發(fā)送出去的瞬間，真實(shí)位置信息已經(jīng)變化為下一個(gè)周期的值，而在邏輯上，控制中心必須等一個(gè)更新周期之后才能得到該值，因此就出現(xiàn)了一個(gè)軟延時(shí)，且軟延時(shí)的極限值為位置信息更新頻率的倒數(shù)。至此已經(jīng)對(duì)軟延時(shí)進(jìn)行了定義和量化，但對(duì)于具體的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，并不是軟延時(shí)越小越好。原因如下：從硬件上來(lái)說(shuō)，位置更新頻率越大意味著對(duì)處理器性能、系統(tǒng)功耗、通信容量等都相應(yīng)提高；另一方面對(duì)算法要求更高，甚至算法本身就暗含了位置更新頻率的天花板。顯然軟延時(shí)這一指標(biāo)的優(yōu)化是需要權(quán)衡多種因素的。關(guān)于硬延時(shí)的量化，往往可以將其看成拓?fù)渫ㄐ沛溌返暮瘮?shù)，對(duì)于特定的樓層、特定的拓?fù)滏溌?、特定的測(cè)試場(chǎng)景，其值是固定的。若改變?cè)u(píng)估地點(diǎn)或者通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則其值會(huì)相應(yīng)變化；但都可以通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，獲得硬延時(shí)的均值和方差，只要評(píng)估場(chǎng)景和通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給定，理論上硬延時(shí)的方差很小，即硬延時(shí)接近一個(gè)常數(shù)。

2.5 啟動(dòng)時(shí)間

啟動(dòng)時(shí)間一般是指系統(tǒng)在正常工作前因各種準(zhǔn)備工作而消耗的時(shí)間。這些準(zhǔn)備工作包括線下搭建定位設(shè)施，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和校準(zhǔn)，人工測(cè)繪以及數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建（例如基于WiFi，射頻識(shí)別（radio frequency identification， RFID）、藍(lán)牙等技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)）。也包括線上準(zhǔn)備如寄存器配置、預(yù)處理、參數(shù)初始化、算法初始解收斂等原因而消耗的時(shí)間（如基于衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行位置初始化時(shí)往往要花費(fèi)十幾分鐘才能得到穩(wěn)定的收斂解；基于慣性器件定位時(shí)，往往需要幾分鐘的預(yù)熱時(shí)間，也稱熱啟動(dòng)時(shí)間，以使慣性器件達(dá)到一個(gè)比較穩(wěn)定的工作狀態(tài)）。甚至也包括建立本地笛卡爾直角坐標(biāo)系的時(shí)間，以及獲取建筑物關(guān)鍵參數(shù)的時(shí)間（在一些應(yīng)用中需要知道建筑物的樓層、拐角、樓梯進(jìn)出口位置，以及一些拐角處的坐標(biāo)信息）。該指標(biāo)應(yīng)結(jié)合具體的應(yīng)用做明確而詳盡的規(guī)定，方便人們對(duì)啟動(dòng)的復(fù)雜性、啟動(dòng)的快慢、啟動(dòng)的成本等進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)非結(jié)構(gòu)下，要求系統(tǒng)上電即工作的超快速啟動(dòng)場(chǎng)景如單兵作戰(zhàn)，火警救援等，啟動(dòng)時(shí)間應(yīng)控制在幾秒內(nèi)。

2.6 容錯(cuò)性

實(shí)際上，不存在能在任何時(shí)空、任何突發(fā)情況下都能正常工作的系統(tǒng)，因此容錯(cuò)性是衡量系統(tǒng)在既定時(shí)空基準(zhǔn)下對(duì)不可預(yù)知情況的容錯(cuò)能力。容錯(cuò)性又叫魯棒性、敏感型、彈性等，其與具體的工作環(huán)境、工作模式都有關(guān)，甚至具體到硬件系統(tǒng)每個(gè)器件的型號(hào)，軟件算法每條語(yǔ)句的邏輯等。對(duì)容錯(cuò)性的測(cè)試可以通過(guò)若干個(gè)經(jīng)典模式+隨機(jī)模式測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果作為反饋，通過(guò)增加冗余的硬件子系統(tǒng)，或者完善和優(yōu)化算法來(lái)進(jìn)一步提高系統(tǒng)容錯(cuò)性。

2.7 功耗、體積與成本

功耗關(guān)系到續(xù)航時(shí)間，低的功耗意味著更長(zhǎng)的工作時(shí)間，間接影響到定位區(qū)域的極限。體積意味著便攜性，小型化、微型化是一貫的趨勢(shì)，低成本是量產(chǎn)和應(yīng)用的前提。通常對(duì)于普通的定位系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，精度往往放在首位，但從系統(tǒng)工程的角度來(lái)講，相對(duì)復(fù)雜的定位系統(tǒng)是設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該綜合考慮多種因素，進(jìn)一步的討論見(jiàn)綜合評(píng)估部分。

3 測(cè)試場(chǎng)景

測(cè)試場(chǎng)景為建筑物類型+移動(dòng)模式+預(yù)設(shè)軌跡，下面分別介紹。

3.1 建筑物類型

建筑物的典型類型如表3所示。注意，在建筑物中選取的評(píng)估點(diǎn)個(gè)數(shù)與該建筑物面積有關(guān)，通常平均每 5～10 m2要選取 1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，且測(cè)試點(diǎn)的測(cè)繪和選取要遵循 2.1節(jié)的要求。另外，在一次測(cè)試場(chǎng)景中至少有一半的測(cè)試點(diǎn)都要評(píng)估到，在所有的測(cè)試場(chǎng)景中，所有測(cè)試點(diǎn)都要評(píng)估到，且所有的區(qū)域不區(qū)別對(duì)待。此外，若度量或可視化基于航跡推算定位產(chǎn)生的位置漂移誤差，應(yīng)在測(cè)試場(chǎng)景中選擇長(zhǎng)度至少為 50 m的直線測(cè)試距離。最后在實(shí)際測(cè)試時(shí)應(yīng)注明被測(cè)建筑所在的位置（一般已知）如街道信息、測(cè)試時(shí)間、當(dāng)天的溫度、濕度和壓強(qiáng)等環(huán)境信息。

表3 室內(nèi)定位系統(tǒng)的典型建筑物類型

3.2 移動(dòng)模式

對(duì)基于無(wú)線信號(hào)交匯定位或者數(shù)據(jù)庫(kù)匹配的方法而言，ELT的運(yùn)動(dòng)方式幾乎不對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，但對(duì)基于慣性傳感器的航向推算技術(shù)影響較大。為了便于分析，這里定義移動(dòng)模式的概念，即所有影響室內(nèi)定位技術(shù)的ELT的典型運(yùn)動(dòng)方式，這里的ELT包括人、載體、機(jī)器人等。這里的移動(dòng)模式包括走、跑、后退、側(cè)移、爬、上下樓梯等，如表4所示。若ELT是人，則需要招募志愿者，并對(duì)其按年齡和體型分組測(cè)試，同時(shí)在一次完整的測(cè)試過(guò)程中，應(yīng)包含多個(gè)移動(dòng)模式，這樣可以測(cè)試系統(tǒng)在模式切換時(shí)的性能。

表4 移動(dòng)模式

3.3 預(yù)設(shè)軌跡

預(yù)設(shè)軌跡包括直線型、L型、T型、矩形、圓形等。在測(cè)試時(shí)，一般針對(duì)具體的運(yùn)動(dòng)模式既要包含開環(huán)軌跡（直線型、L型、T型等），也要包含閉環(huán)軌跡（矩形、圓形等）。開環(huán)軌跡測(cè)試是避免因閉環(huán)而使位置漂移誤差反向傳播而減少，閉環(huán)軌跡測(cè)試便于計(jì)算端到端誤差和可視化定位終點(diǎn)與閉環(huán)區(qū)域的偏離程度。實(shí)際上，預(yù)設(shè)軌跡往往跟與被測(cè)建筑的可行路徑有關(guān)。此時(shí)若預(yù)設(shè)軌跡是可行路徑，對(duì)其評(píng)估往往依靠可視化（對(duì)簡(jiǎn)單的預(yù)設(shè)軌跡亦是如此），即比較由航跡推算出來(lái)的軌跡與預(yù)設(shè)軌跡在視覺(jué)上的匹配程度，同時(shí)輔助端到端誤差來(lái)定量刻畫始點(diǎn)與終點(diǎn)的距離偏差。如何定量描述2條路徑整個(gè)過(guò)程的匹配程度懸而未決，其本質(zhì)問(wèn)題是不好量化中間過(guò)程的方向和距離，具體表述如下：

問(wèn)題 1：預(yù)設(shè)軌跡若比較復(fù)雜，該如何量化它的每一個(gè)在空間上分布的方向和距離。這里假設(shè)可以對(duì)復(fù)雜的路徑進(jìn)行分段，利用數(shù)學(xué)分段擬合的思想，則任意復(fù)雜的軌跡都可以由有限組方向和距離在空間上拼接而成。但實(shí)際操作不容易，若一段段去測(cè)繪，費(fèi)時(shí)耗力；即使測(cè)出這有限組方向和距離，實(shí)際測(cè)試中ELT（尤其是人）很難嚴(yán)格參照該路徑行走，每次測(cè)試中在特定測(cè)試點(diǎn)的矢量信息包括運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度、運(yùn)動(dòng)方向的大小和模值很難相同，即預(yù)設(shè)軌跡很難做重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，這就很難定量評(píng)估。

問(wèn)題2：航向推算的軌跡如何量化為有限組方向和距離。

問(wèn)題 3：如何量化比較 2個(gè)軌跡的有限組方向和距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)路徑的量化評(píng)估。

這里給出解決方案，即誤差時(shí)間-軌跡面積法為

首先大致擬定行走的路徑，同時(shí)佩戴2個(gè)ELT（高精度ELT作為參考，另一個(gè)作為評(píng)估），在一定的時(shí)間間隔T內(nèi)走完該路徑（T可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)變換使其為整數(shù)）。此時(shí)參考的ELT就按時(shí)間順序輸出有限組方向和距離組數(shù)與更新頻率F1和T有關(guān)，待評(píng)估的ELT輸出有限組方向和距離（iΨ2，di

2），組數(shù)與更新頻率F2和T有關(guān)。此時(shí)已經(jīng)解決問(wèn)題1和問(wèn)題2，即定量將1個(gè)比較復(fù)雜的軌跡分割成T·F1組方向和距離，以及T·F2組方向和距離。下面是量化比較二者的差異，即解決問(wèn)題3。這里提出的誤差時(shí)間-軌跡面積法是估計(jì)2條軌跡、起始時(shí)間和終止時(shí)間構(gòu)成的閉合曲線的面積，面積的大小反映了2條曲線的逼近程度。問(wèn)題是在計(jì)算一個(gè)個(gè)小面積時(shí)，如何找到最小的積分時(shí)間t，它是 2條軌跡可以同步比較的時(shí)間標(biāo)尺。這里假設(shè)F1和F2的最大公約數(shù)為F，顯然F的倒數(shù)即為t。因此可以比較在時(shí)間t內(nèi)F1/F個(gè)參考的累計(jì)時(shí)間-軌跡面積，和F2/F個(gè)待評(píng)估的累計(jì)時(shí)間-軌跡面積。然后將2個(gè)面積做差，并求絕對(duì)值，最后對(duì)TF組這樣的小面積進(jìn)行求和平均，即得到平均誤差時(shí)間-軌跡面積（mean time-track area error， MTTAE），它直接反映2條軌跡在時(shí)空上的逼近程度。

使用式（1）前應(yīng)注意2條軌跡數(shù)據(jù)的同步，可以通過(guò)計(jì)時(shí)器、設(shè)置標(biāo)志位以及數(shù)據(jù)后處理方法使軌跡數(shù)據(jù)同步。

4 綜合評(píng)估

4.1 精度評(píng)估

精度作為室內(nèi)定位系統(tǒng)的一大評(píng)估指標(biāo)，可以根據(jù)2.2節(jié)的精度指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)估。這里主要介紹邊界評(píng)估以及多因素評(píng)估的思想和方法。

4.2 邊界評(píng)估

考慮到特定的系統(tǒng)可能是基于多種室內(nèi)定位技術(shù)的融合系統(tǒng)，如基于慣導(dǎo)+磁+射頻測(cè)距+視覺(jué)傳感器+地圖匹配等，此時(shí)除了進(jìn)行基于典型場(chǎng)景測(cè)試和評(píng)估之外，還需要進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)邊界評(píng)估。簡(jiǎn)單來(lái)講，邊界評(píng)估是制造場(chǎng)景或者測(cè)試模式，使系統(tǒng)局部失效。這能夠測(cè)試系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的整體性能。如在金屬物體密集型區(qū)域測(cè)試，使基于射頻測(cè)距的技術(shù)失效；在鐵磁材料堆積的區(qū)域，使得磁數(shù)據(jù)不可用（基于磁場(chǎng)測(cè)向或磁數(shù)據(jù)庫(kù)匹配的方法失效）；若系統(tǒng)中有光學(xué)傳感器，則應(yīng)保證一半的測(cè)試在弱光線場(chǎng)景下進(jìn)行；若系統(tǒng)中有圖像組件，則應(yīng)包含物體聚集區(qū)域的測(cè)試場(chǎng)景。

4.2 多因素評(píng)估

考慮到各種技術(shù)均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)及最適合的應(yīng)用場(chǎng)景，同一種技術(shù)的某個(gè)測(cè)試指標(biāo)在某個(gè)測(cè)試場(chǎng)景下可以最優(yōu)，但其他指標(biāo)很難最優(yōu)。這就需要討論如何綜合多因素進(jìn)行評(píng)估。這里引入系統(tǒng)工程的思想[34]，一個(gè)好的系統(tǒng)需要多指標(biāo)權(quán)衡以及協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，可以通過(guò)f模型來(lái)綜合評(píng)估。f（目標(biāo)、約束、關(guān)聯(lián)）綜合評(píng)估的過(guò)程可以看成是f函數(shù)的求解過(guò)程，評(píng)估的結(jié)果可以作為反饋，指導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)化。

首先是明確要評(píng)估的目標(biāo)是什么，這里目標(biāo)是綜合評(píng)估室內(nèi)定位系統(tǒng)多個(gè)指標(biāo)和參數(shù)（包括精度、延時(shí)、啟動(dòng)時(shí)間、容錯(cuò)性、功耗、體積、成本等）。然后明確這些指標(biāo)的約束是什么，如評(píng)估系統(tǒng)應(yīng)用的場(chǎng)景，客戶對(duì)指標(biāo)的量化限制等，比如應(yīng)用場(chǎng)景是消防救援，則啟動(dòng)時(shí)間的權(quán)重就較大。用戶要求系統(tǒng)具有便攜性和長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航能力，則要求體積小，功耗要低等等；深入挖掘隱藏在各指標(biāo)中約束關(guān)系，并對(duì)各約束的重要性進(jìn)行排序。最后就是挖掘約束間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)行各指標(biāo)和參數(shù)的協(xié)調(diào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合正在完善的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和筆者多年相關(guān)研究的經(jīng)驗(yàn)，從室內(nèi)坐標(biāo)系、測(cè)試指標(biāo)、測(cè)試場(chǎng)景、綜合評(píng)估等多個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外對(duì)室內(nèi)定位技術(shù)的測(cè)試與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的最新進(jìn)展，給出室內(nèi)定位技術(shù)在一般環(huán)境下的測(cè)試、評(píng)估方法和思想。

未來(lái)室內(nèi)定位測(cè)試與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展的方向應(yīng)以實(shí)際測(cè)試場(chǎng)景為驅(qū)動(dòng)，繼續(xù)量化各測(cè)試指標(biāo)，明確測(cè)試步驟，細(xì)化測(cè)試報(bào)告，同時(shí)增加和完善對(duì)多源異構(gòu)室內(nèi)定位技術(shù)的測(cè)試、對(duì)各室內(nèi)定位技術(shù)的協(xié)議一致性的測(cè)試，甚至開發(fā)和完善相關(guān)的軟件，提高測(cè)試和評(píng)估的效率[35]等等。

筆者相信室內(nèi)定位系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)朝著多源異構(gòu)方向發(fā)展，其顯著特征包括彈性、冗余性和多技術(shù)融合性。硬件設(shè)計(jì)要冗余，軟件思想要簡(jiǎn)潔；因?yàn)槿哂嗍侵腔鄣膸?kù)存，簡(jiǎn)潔是智慧的結(jié)晶，而二者更要彈性結(jié)合。沒(méi)有硬科技，軟實(shí)力就不能落到實(shí)處，沒(méi)有軟實(shí)力，硬科技就很難插上翅膀，軟實(shí)力與硬科技的有機(jī)結(jié)合才是高魯棒定位系統(tǒng)的關(guān)鍵，而這一結(jié)合的橋梁就是尚需完善的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。筆者堅(jiān)信，室內(nèi)定位作為我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要補(bǔ)充系統(tǒng)，定會(huì)在新時(shí)代下翻開嶄新篇章，更好地服務(wù)國(guó)計(jì)民生。