释放精准室内定位的魅力
了解一个人在哪里很重要。如果知道一个人的位置，就能更好地为他或和他一起做些事情，这就是地理位置服务(LBS)的基本概念。例如早在2013年，苹果(Apple)公司就在其全美零售店中全面启用基于蓝牙低功耗技术的iBeacons室内定位方案，所有到店访客将能够根据其地理位置实时获得商品信息推送、检测升级资格、自助结账等服务，实现店内导购目的。
室内定位带来了什么？
毫无疑问，智能手机的普及和移动互联网的发展，使得LBS进入了一个新的探索期。企业需求(资产管理、车位管理、导航导购、广告推送、安全监测)和大众需求(生活服务信息、轨迹管理、位置共享)，是目前催生市场对室内地图浏览、室内定位、室内精准推送和客流监控与统计的主因。而室内外环境下的无缝导航定位服务、推送和顾客商业行为分析、位置感知服务和个人行迹记录，将是未来室内定位的重点关注领域。
根据市场调研公司Markets and Markets的预测报告，室内定位技术的市场规模将从2017年的71.1亿美元增长到2022年的409.9亿美元，复合年增长率高达42%。从应用场景方面来看，机场、酒店、医院、办公楼和商场是最有意愿部署室内定位的场景，其中机场占比最高，达到38%；酒店占比28%，紧随其后；医院、办公楼和商业区的比例则为24%。
其实就好处而言，精确的室内定位就像20年前的GPS一样，将彻底改变人们的生活和工作。根据估算，人们有70%的时间待在室内，因此，精准的室内定位技术将是向室内用户提供有用的、有针对性市场与服务内容的关键，是一个需要填补的技术缺口。定位精度越高，服务就越有效用。
比如位置数据可提供工厂、仓库、建筑物中有关资产、库存、工具、机器人等的实时视图，从而提高运营效率，并推动所谓的“数字孪生”和工业4.0，这种称为实时定位系统(RTLS)的系统已经部署在世界各地的汽车工厂等诸多场所中。
实时位置数据还是安全生产的关键，并且已经被建筑业、采矿业采用，以定位单个工人的位置并防止他们进入危险区域。另外，在发生紧急情况时，如果急救人员知道自己在设施中的具体位置和状态，就能更快定位并找到设施内的人员。“这就是地理围栏(Geofencing)的概念，是使用蓝牙技术支持数字钥匙和访问控制解决方案的另一个主要用例。”SIG市场研究项目经理Youngji Kim指出，“产业综合体可以通过手机识别人员身份，限制人员进入危险区域。”
而在消费领域，它可用于社交网站，帮助用户寻找拥有相同爱好的人；或是引导用户在商场中找到所需产品。但关键是要提供有效的针对性内容，而不是提供毫不相干的推销信息，从而给消费者制造垃圾邮件。
除了增强消费者的移动生活方式外，移动定位应用的日益普及也带来了许多新的商业机会。像机场、购物中心、会议中心、美术馆等花费了大量时间和资金的公共场所，都希望能够更加高效地服务客户，帮助他们找到相关的人、物和地点，与客户互动，促进社交网络发展，简化生活。在这些场所提供更优异的体验，将能够提高客户忠诚度、业务盈利能力及运营效率。
让我们把视线聚焦到一个非常引人瞩目的行业—零售业，它当前正在经历的剧烈变革，也许能帮我们更清楚的看到智能、精准定位技术所具备的发展潜力。从以连锁经济为代表的传统实体零售，到以电商为代表的虚拟零售，再到当前虚实结合的线上线下(O2O)模式，全球零售业正向着更加智能、互联、融合的方向演进。当前零售店具备的“展示、体验、广告、销售”模式，正快速向支持“数据收集与分析、社交与社区互动、智能支付、售后服务”，同时整合在线平台+线下店面用户体验功能的未来零售业发展。
零售企业若想优化实体店体验，就需要与线上业务拥有相同的数据：客户数量、停留时间、对话、交易及其他行为数据，从而帮助营销人员更好地理解并与客户互动。另一方面，数字、社交和移动平台上传播、广告和客户参与项目越来越多，随着移动设备的激增，该领域的市场营销与广告投入对更具创新性、创造性的相关解决方案有着强烈的需求，室内定位技术将帮助他们在这一领域不断创新。
恩智浦(NXP)大中华区移动设备市场及业务拓展总监李竞说，室内定位一直是业界在大力推动的一个技术发展方向，基于室内定位，能够开拓很多应用领域，包括室内路线规划甚至是导航等等，只有达到了一定精度，技术上才能更好地保障对于路线的分析和判断，确保路线规划和导航的用户体验。另外像智能停车这样的应用，对于室内定位精度也有非常高的要求。
不过，需要指出的是，尽管精度是室内定位的关键，但并不是所有应用都要求1米，甚至厘米级的定位精度，部分应用可能需要优化，以提供长时间的电池续航能力。因此，在选择部署某种室内定位技术，精度可能并不是唯一的考虑因素，还必须同时综合考虑硬件设施成本、易用性、可靠性、实时性、技术成熟度等多重因素，尤其是成本与维护。
从这个角度来看，推动室内定位技术兴起的最重要因素，更像是来自于擅长使用智能手机的消费者。因为更多的移动定位服务，例如各种本地搜索、购物、社交及导航应用，会让他们的生活更轻松、更方便，而这些移动定位体验要能够用于室内外各种环境。
八仙过海，各显神通
不同于传统室外依靠GPS、GNSS、北斗等卫星系统进行定位，更精准的室内定位可从多种技术中收集实时信息，包括卫星系统、多种射频系统(蜂窝、Wi-Fi、蓝牙、UWB)、多种MEMS传感器(加速计、陀螺仪和指南针)等。
5G
2020年7月初，3GPP完成了5G标准第二版规范Release 16，它进一步增强5G技术基础(覆盖、移动性、功效和可靠性等)，并将5G扩展至全新用例、频谱频段和垂直行业，而“高精度定位”即为R16涉及的六大关键发明领域之一。
5G定位技术催生全新用例(图片来源：高通)
“精准的终端定位对于赋能诸多垂直应用至关重要，例如公共安全和室内导航。基于蜂窝技术的定位可与现有的全球导航卫星系统(GNSS)互补，满足户外和室内定位的要求。”Qualcomm工程技术副总裁庄思民博士(Dr. John Smee)在自己的博客文章中这样写道。
根据新规范，Rel-16支持多/单小区定位和基于终端的定位，定义了一种全新的定位参考信号(PRS)，可应用于往返时间(RTT)、到达角/出发角(AoA/AoD)、到达时间差(TDOA)等多种5G定位技术。基于RTT的定位无需严格的节点间网络时钟同步(TDOA等传统技术仍需要)，并可支持更灵活的网络部署和维护，从而满足室内3米和室外10米的初步5G定位精度要求。在Rel-17中，高精度室内定位功能甚至将能够为工业物联网(IIoT)应用带来亚米级精度定位。
蓝牙5.1
蓝牙技术联盟(SIG)在2019年发布的蓝牙核心规范5.1版本中引入了业界期待已久“寻向功能”(direction finding)，这一全新功能可帮助设备明确蓝牙信号的方向，进而帮助开发厘米级的室内定位、物品追踪、门禁与无钥匙开锁等应用。
根据SIG最新发布的《2021年蓝牙市场最新资讯》，尽管新冠疫情的爆发和由此引发的出行和工作限制导致了短期内蓝牙位置服务的部署量出现了25%左右的下降。然而，由于市场对资产追踪和室内定位用例仍持续抱有兴趣，分析师预计蓝牙位置服务部署量将在2021年底前实现反弹，并从现在起到2025年实现32%复合年增长率。此外，预计至2025年，蓝牙医疗位置服务的部署量将增长5倍，蓝牙实时定位系统(RTLS)部署量将达到516,000件。
蓝牙位置服务设备年出货量(图片来源：SIG)
具体来说，到2025年，蓝牙实时资产追踪用例的部署量将会达到51.6万；室内位置服务的部署量将会增长2倍；蓝牙医疗位置服务解决方案将增长5倍左右，达到38万。另外，“智能手机即数字钥匙”，现在人们已经非常能接受手机作为数字钱包的支付方式，智能手机将继续扩展其在日常生活当中的作用。
到达角度(Angle-of-Arrival, AoA)和离开角度(Angle of Departure, AoD)是蓝牙5.1中主要采用的两种定位技术。前者通过测试发射器和接收器直接的到达方向然后通过三角定位获得发射器和目的物的方位和距离的技术，主要针对RTLS(实时定位系统)、物品追踪和地标信息；后者也是利用信号相位差技术，主要是针对室内定位系统(IPS)。目前AOA定位提供两种方法，一种是广播式，设备无需配对即可以进行定位；另外一种则是点对点，需要配对成功以后才能进行定位，后一种方法更适于对安全要求较高的场景。
AoA-BLE演示方案(图片来源：Dialog公司)
BLE技术的支持者们认为，BLE5.1协议兼容性好，采样普通的蓝牙芯片或兼容蓝牙广播包的2.4GHz芯片便可搭建，适合于包括手机在内的各种智能终端及物联网设备。而且相对于UWB芯片，BLE芯片供应商众多，功耗不到UWB系统的1/10，成本不足UWB芯片的1/10，具有广阔的生态空间。
蓝牙技术联盟高级市场发展总监Chuck Sabin表示，UWB技术确实能够提供厘米级精度的位置服务解决方案，但实现这一精度的价格成本非常之高，而且很多应用其实并不需要厘米级的定位精度。大多数客户所需要的，其实是既可以为某些特定用例提供所需要的准确性，也可以为其他通用解决方案提供一定的成本优势，而蓝牙技术所提供的室内定位解决方案，就为开发人员提供了实现这些用例的灵活性，兼具精确性和成本优势。
UWB
UWB室内定位寻址是最近颇受关注的技术，被很多厂商看好。按照Qorvo移动产品部CTO兼技术副总裁Todd Gillenwater给出的数据，UWB能够以极高的可靠性(99%+)达到厘米级定位精度，而其它技术的精度仅为米级，可靠性也只达到70%+。
而UWB之所以优于其它技术，首先是因为其采用了TOF(飞行时间)技术，其它RF技术则依靠对环境极为敏感(如障碍、多径、干扰等)的RSSI技术。而且顾名思义，UWB具备500MHz的极高带宽，这也是实现高精度的关键——因为分辨率与带宽(BW)成反比(分辨率=1/BW)。
UWB的另一个关键优势是空中交换数据包的持续时间非常短(10毫秒)。正是由于短数据包，所以UWB设备的能耗非常低，但更重要的，是能够让工程师设计出具有每秒高达100倍位置更新速率的应用，这对于高速物体(如无人机、机器人等)或需要在小区域内部署非常高密度设备的应用(如在工厂中定位10,000多个零部件)至关重要，而这一切都无法通过蓝牙、Zigbee或Wi-Fi等标准射频技术达成。
瑞萨电子物联网及基础设施事业部数据中心业务部产品管理技术总监Steven Lee将UWB和BLE两种技术进行了对比，结果显示：除了具备更高的距离精度和准确性、更好的信号到达角精度外，UWB还具备完全安全的测距(BLE则完全不具安全性)、低延迟测距(BLE速度较慢)和更佳的第一路径检测动态范围(BLE的路径检测动态范围较差)，而在低速率脉冲重复频率(LRP)、低功耗和成本这三方面，均能够与BLE相媲美。智能门锁、扬声器和监控摄像头等室内智能物联网应用都有望因此获益。
以恩智浦推出的UWB系列产品为例，通过在同一个芯片上支持双Rx，NXP能够在提供厘米级定位的基础上，实现±3度的到达角定位，这是目前其他技术无法达到的精确度。此外，通过芯片内置的加密处理器和外接安全模块的能力，大幅提高了定位服务的安全性，推动了在室内定位基础上，实现无感门禁等多种对于安全有较高要求的应用场景。
聪明的苹果公司在AirTag中选择两种技术都支持。如果AirTag就在附近，凭借UWB超宽带技术，用户甚至可以看到AirTag离得有多远，该朝哪个方向找；如果东西落在海滩或健身房等较远的地方，AirTag则会发出安全的蓝牙信号，让“查找”网络中在它附近的设备可以侦测到。整个过程都是匿名的，并经过加密，以保护隐私安全。与此同时，查找也很高效，无需担心电池续航或数据流量的消耗。
北斗完成部署，multi-GNSS强化定位精度
2020年6月23日，北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心点火升空，意味着中国北斗卫星导航系统在长达26年的艰辛建设后，终于大功告成，完成了“三步走”战略的最后一步。
《2021中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》显示，2020年我国卫星导航与位置服务产业总体产值达4033亿元人民币，较2019年增长约16.9％。其中，截至2020年底，国产北斗兼容型芯片及模块销量已超过1.5亿片；具有北斗定位功能的终端产品社会总保有量超过10亿台/套（含智能手机）；2020年国内厘米级应用高精度芯片、模块和板卡的总出货量高速增长，突破100万片，主要应用场景包括智能网联汽车、无人机、农机、工程机械、测绘仪器、机器人和物联网终端等，高精度应用明显呈现出泛在化和规模化趋势。
在SoC芯片中支持包括北斗在内的多重卫星导航系统(multi-GNSS)，其最为突出的优势是定位有效性、可靠性的提升。例如在楼宇遮挡严重的区域，仅靠单独GPS可能无法定位，而北斗、GPS组合后卫星数量多出了一倍，定位成功率将明显提高。在因遮挡导致定位精度下降的场景中，多系统亦能改善定位精度。当然，从硬件成本来看，多系统可能会比单系统增加一定成本，但如果能通过巧妙的算法设计将其控制在微小范围内，且随着芯片工艺的发展，成本不会成为障碍。
目前来看，支持multi-GNSS的优势主要在于定位精度及定位覆盖范围，而难点则是需要在功耗及所需卫星数量与定位精度及覆盖范围之间实现最佳平衡。同时，实现室内和室外定位转换非常具有技术挑战性。室外GNSS可能不够精准，无法正确定位某个建筑的入口，且还必须确保GNSS与Wi-Fi或其他基于信号的系统之间实现流畅、精准的转换。
室内室外定位转换面临的另一挑战则是室内地图的可获得性和标准，包括楼层选择API。目前有厂商正在不断集中开发相关技术以提升多路径效应，从而提供最佳的定位性能并实现对跟踪系统资源的动态控制，以均衡功耗与定位精度。此外，尽管不是所有的设备都配备MEMS，但如果在GNSS定位中使用MEMS器件，将有助于大幅提升许多应用案例中的定位精度。
