室內定位技術的測試與評估標準綜述

劉公緒，史凌峰

（西安電子科技大學 電子工程學院，西安 710071）

0 引言

室內定位屬于導航、測繪、自動化、電子和通信等多學科交叉領域，其在物聯網技術的驅動和人們對位置服務的需求下蓬勃發展。室內定位，從狹義來講即確定人或載體在室內環境下的位置信息；從廣義上來講即確定人或載體在類室內環境（如地下停車場、礦井、峽谷、森林、建筑密集型區域的街道等衛星信號不可用或不連續可用的環境）下的加速度、姿態、速度、位置等信息。與此同時，室內定位被稱為衛星導航與定位的“最后一千米”問題，作為我國衛星導航產業發展的一個不可缺少的補充系統，其研究應用前景十分廣闊。文中所討論的室內定位技術，不局限于技術本身，更泛指基于各種室內定位技術的仿真算法、解決方案和相關系統。

室內定位技術可以粗略分為以下幾大類[1]：

1）基于無線信號的交匯定位（包括基于機會信號的定位技術）；

2）數據庫匹配技術；

3）基于慣性傳感器的航向推算技術；

4）多源異構定位或組合定位技術。

強勁的市場需求為室內定位提供了廣闊的發展空間，可以說室內定位技術或方案呈現百花齊放的態勢。雖然當前有多種可用的室內定位技術，但室內定位市場與產業發展仍然很不成熟，存在著大量的不確定性，至今還沒有一個成熟的室內定位方案在精度、容錯性、啟動時間、功耗、體積、成本等方面均能很好地滿足用戶體驗。究其原因，一是場景應用的需求正在擴充。應用環境由結構化逐步過渡到可以無縫連接結構化、半結構化、非結構化等一般環境，這給新技術發展帶來機遇的同時也使得由室內定位技術到產品轉化進入了一個瓶頸期。經過調研得知：當前的室內定位研究多是基于結構化環境[2-6]，依賴于定位數據庫，而數據庫的產生大多依賴鋪設的附加硬件和人工現場勘測，如事先搭建無線傳感網絡如紫蜂（zigbee）、藍牙（bluetooth）、無線保真（wireless fidelity， WiFi）、發光二極管（light emitting diode， LED）燈具等；通過測量環境的信號接收強度、磁場特征、重力場特征或者以眾包的方式獲得運動環境地圖來輔助室內定位，地圖的測繪和構建工作費時且繁重。此外當環境中引入較大的電磁干擾，甚至行人的運動形式發生改變時，上述方法往往變得不再可靠。當應用環境由結構化環境擴展到半結構化或非結構化環境，甚至要求能在一般環境下無縫連接時，所采用的室內定位技術多是基于“慣性傳感器+”的方案，即基于慣性傳感器與其他技術的組合方案。例如：利用地圖匹配輔助慣性傳感器的方法來抑制陀螺的漂移[7]；利用超寬帶和慣性傳感器進行室內定位[8]；利用建筑物布局和空間幾何拓撲信息來輔助慣性傳感器進行室內定位[9-12]；利用WiFi和慣性傳感器融合來進行室內定位[13-15]；利用視覺傳感器與慣性傳感器融合進行室內定位[16]等。其思想都是利用基于慣性傳感器的定位系統本身具有的自主性、隱蔽性、全天候、信息全等優點，同時引入其他技術手段來彌補慣性傳感器定位誤差隨時間積累的缺點。事實上在一般環境下，人的運動方式靈活多變且不可預知，因此基于零速更新（zero velocity update， ZUPT或者ZVU）的方法[17]或者其他先驗信息校準的方法往往不再適用。雖然也有學者針對人員的步態特征[18-19]、運動模型[20-21]、傳感器安裝或佩戴的拓撲結構等進行系統研究，但針對人員的不同運動狀態如走、跑、爬、跳、轉彎，側移、上下樓梯等仍缺少有效的和通用的解算方法，建立的運動模型難以擴展和移植。這也就引出第二個原因：標準。當下對各種室內定位技術的測試和評估十分困難，因為鮮有完備的標準對各種技術進行客觀評估。縱觀室內定位標準的發展現狀[22-24]，國際標準化組織（International Organization for Standardization， ISO）、國際電工委員 會 （ International Electrotechnical Commission，IEC）、室內定位聯盟（Indoor Location Alliance， ILA）、開放地理空間信息協會（Open Geographic-Information-System Consortium， OGC）、開放移動聯盟（Open Mobile Alliance， OMA）、第3代移動通信合作計劃（3rd Generation Partnership Project， 3GPP）等國際組織都在開展室內定位標準化工作。國內的室內定位標準正由中國通信標準化協會制定，已經發布了研究課題《室內定位技術研究》，而行業標準《移動通信中斷室內定位技術要求和測試方法第 1部分：總體》正在制定中。對各室內定位技術的測試研究普遍圍繞功能測試、協議一致性測試、定位精度測試、啟動時間測試和定位延時測試等，尚缺少對不同定位技術、特定應用場景的測試方案和評估方法。學者們對室內定位測試與評估方法的探討多集中在基于無線信號交匯定位的技術上[25-28]，缺少對其他技術測試和評估的討論。尤其近5年來，多場室內定位相關的國際會議先后召開，已有學者們開始探討室內定位相關的標準問題[29-31]，與此同時，關于室內定位的國際比賽陸續開展[32]，加快了產業界和學術界對室內定位相關標準的進一步研討步伐。

綜上所述，關于結構化、半結構化和非結構化環境下的室內定位研究正在如火如荼地進行著，但道阻且艱。其中一個主要的原因是缺少完備的標準來對各技術進行綜合、客觀的測試和評估，遑論基于統一標準協議下的各技術融合定位或多源異構定位方案。這嚴重阻礙了室內定位領域的發展。本文針對室內定位相關標準尚不完備這一問題，結合正在完善的國際標準（ISO/IEC 18305）[33]和筆者多年相關研究的經驗，從室內坐標系、測試指標、測試場景、綜合評估等多個方面介紹國內外對室內定位技術的測試與評估標準的最新進展，給出室內定位技術在一般環境下（結構化、半結構化和非結構化下）的測試和評估方法，以期加快國內相關標準的出臺。

1 室內坐標系

如果說硬件平臺是骨、軟件平臺是血、算法思想是魂，那室內定位坐標系就是骨、血、魂構建的鮮活生命體（完整的/連續的/魯棒的室內定位系統）得以存在的時空基準。基準選不好，談不上測試、評估及應用。通常有2種方式構建室內坐標系，即絕對坐標系和相對坐標系。前者往往借助多顆衛星，確定評估區域在世界測地坐標系 1984（world geodetic system 1984， WGS 84）、世界大地參考坐標系（international terrestrial reference frame， ITRF）、伽利略大地參考坐標系（Galileo terrestrial reference frame， GTRF）或國家大地坐標系 2000（China geodetic coordinate system 2000， CGCS 2000）下的經度、緯度和高度信息，再將其轉化為本地笛卡爾直角坐標系的3軸分量，后續所有測試和評估過程均在本地笛卡爾坐標系下進行。實際上，建立絕對坐標系有諸多不便，尤其是在衛星信號不可用或者地理環境信息不可知的情況下。此外不得不提的是，上述4種大區域范圍坐標系本身的精度是厘米級，目前還很難達到毫米級。與之相比，建立相對坐標系則更加便捷和可靠。事實上，室內定位一般考察的區域在數百米之內，因此可以直接假設在所考察區域內經緯度信息沒有變化，高度信息一直與水平面垂直。顯然，將本地笛卡爾直角坐標系作為參考系將十分方便。對笛卡爾坐標系的原點和坐標軸選取的原則如下：

1）原點為測試與評估范圍的幾何中心，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軸構成的水平面方向向上。

2）所建立的坐標系要方便測繪。當然實際中常常將上述方法與電子地圖結合在一起，即利用地圖和建筑物外形構造一個電子圍欄，這樣相對笛卡爾坐標系就在該圍欄內，且某個點或面都有其物理含義，如表示一個房間或某個樓層等。并且人們可以根據所考察的點在電子圍欄中的相對位置，考慮到電子圍欄的絕對位置，進而得到所考察點的絕對位置。

2 性能指標

2.1 評估點選擇與測繪的注意事項

1）評估點的真值（ground truth）通常采用離線測繪方式，此時測繪儀器精度至少要高出定位精度一個量級；或者選用平均精度高于測試系統一個量級的參考系統。評估即是比對測繪真值點與待測系統在真值點的輸出，或者同等條件下參考系統與待評估系統的測量差異，或者僅僅指不同算法對同一組數據進行后處理的結果對比。

2）評估點要不同于訓練點，要非均勻選取（由評估點所在的區域被訪問的概率決定），且根據系統最小精度需求來保證足夠覆蓋率。

3）保證各評估點測繪時的獨立性，若不滿足應采用閉環測繪原則，消除復合誤差。

4）應控制變量實現待評估系統的重復測量和多次測量，若變量不容易控制，如測試點與定位/追蹤實體（entity to localized/tracked， ELT）的運動速度、運動狀態（走、跑、跳等）相關，則應考慮采用靜態物體進行測試和評估。

評估點的基本信息如表1所示。

表1 評估點的基本信息

2.2 精度指標

精度指標如表2所示。

表2 精度指標

續表2

2.3 相對精度

指在協同定位方案中，基于同種方案的多個ELT（如人，物體，或機器人）之間的相對精度。該指標在一些消防、搜救場合非常重要；但應綜合考慮系統的延時，以及ELT之間的相對運動速度（尤其當ELT基于慣性傳感器的航向推算技術時）。

2.4 延時

眾所周知，定位信息的傳輸一般遵循推拉協議，即控制中心發出請求指令來獲得ELT的位置信息，或者 ELT按照預定的頻率上傳位置信息給控制中心，或者是 2種方式的結合。顯然，對于靜態的ELT，幾乎不存在位置信息的時效性問題，但對于時刻運動的 ELT來說，其位置信息的時效性非常關鍵，這就涉及到系統延時。簡單來講，不管是指揮中心發出位置信息請求指令到接收到位置信息，期間所經歷的時間（包括信息在射頻通信鏈路里的傳播延時），還是ELT周期性的向指揮中心發送位置信息所暗含的間隔信息，它們都是延時。本質上延時指得是接收信息與發送信息的時間差。筆者在此引入硬延時和軟延時的概念來進一步分析延時產生的機理，以及給出量化延時的方法。假設ELT以既定的頻率周期性地向控制中心發送位置信息，其按照一定的通信協議，經過某個物理拓撲鏈路（與具體的組網方式和場景有關）從發送端傳到接收端，中間必經過一個延時，該延時可以稱為拓撲延時或者硬延時。因為室內環境是一個相當局限的環境，可以大膽假設在室內環境下做任何運動的ELT其與外界通信的拓撲鏈路是幾乎完全一樣的（即使考慮到多徑效應），因此可以把硬延時看成是一個固定延時。而軟延時幾乎完全由算法決定，更確切地說是由位置更新頻率決定（周期性地與外界通信）和實際 ELT的個數決定（若采用輪詢的方式，理論上對于1個ELT 100 Hz的更新頻率等價于對于100個ELT 1 Hz的更新頻率），該更新頻率的精度由定時器的精度決定。因此可以把軟延時理解為可變的，且值的下限是位置更新頻率的倒數。系統延時即為硬延時與軟延時之和，它表示了信息在通信拓撲鏈路中的固定延時，加上更新間隔導致的軟延時。關于硬延時和軟延時的概念可以通過下面的例子來說明。甲通過網絡與隔壁的乙進行通話，不管乙如何改變說話頻率，對甲來說，乙的聲音總是先通過墻壁傳過來，然后網絡傳來一個有著固定延后的同聲調聲音，該例子中的硬延時已經明顯長于軟延時。雖然軟延時不一定會給系統延時真正貢獻一個延時時間，但是它卻在軟件算法層面度量了可能出現延時的最壞情況，比如在位置信息剛發送出去的瞬間，真實位置信息已經變化為下一個周期的值，而在邏輯上，控制中心必須等一個更新周期之后才能得到該值，因此就出現了一個軟延時，且軟延時的極限值為位置信息更新頻率的倒數。至此已經對軟延時進行了定義和量化，但對于具體的系統來說，并不是軟延時越小越好。原因如下：從硬件上來說，位置更新頻率越大意味著對處理器性能、系統功耗、通信容量等都相應提高；另一方面對算法要求更高，甚至算法本身就暗含了位置更新頻率的天花板。顯然軟延時這一指標的優化是需要權衡多種因素的。關于硬延時的量化，往往可以將其看成拓撲通信鏈路的函數，對于特定的樓層、特定的拓撲鏈路、特定的測試場景，其值是固定的。若改變評估地點或者通信拓撲結構，則其值會相應變化；但都可以通過多次實驗，獲得硬延時的均值和方差，只要評估場景和通信拓撲結構給定，理論上硬延時的方差很小，即硬延時接近一個常數。

2.5 啟動時間

啟動時間一般是指系統在正常工作前因各種準備工作而消耗的時間。這些準備工作包括線下搭建定位設施，設備現場調試和校準，人工測繪以及數據庫構建（例如基于WiFi，射頻識別（radio frequency identification， RFID）、藍牙等技術的室內定位系統）。也包括線上準備如寄存器配置、預處理、參數初始化、算法初始解收斂等原因而消耗的時間（如基于衛星系統進行位置初始化時往往要花費十幾分鐘才能得到穩定的收斂解；基于慣性器件定位時，往往需要幾分鐘的預熱時間，也稱熱啟動時間，以使慣性器件達到一個比較穩定的工作狀態）。甚至也包括建立本地笛卡爾直角坐標系的時間，以及獲取建筑物關鍵參數的時間（在一些應用中需要知道建筑物的樓層、拐角、樓梯進出口位置，以及一些拐角處的坐標信息）。該指標應結合具體的應用做明確而詳盡的規定，方便人們對啟動的復雜性、啟動的快慢、啟動的成本等進行評估。針對非結構下，要求系統上電即工作的超快速啟動場景如單兵作戰，火警救援等，啟動時間應控制在幾秒內。

2.6 容錯性

實際上，不存在能在任何時空、任何突發情況下都能正常工作的系統，因此容錯性是衡量系統在既定時空基準下對不可預知情況的容錯能力。容錯性又叫魯棒性、敏感型、彈性等，其與具體的工作環境、工作模式都有關，甚至具體到硬件系統每個器件的型號，軟件算法每條語句的邏輯等。對容錯性的測試可以通過若干個經典模式+隨機模式測試，將測試結果作為反饋，通過增加冗余的硬件子系統，或者完善和優化算法來進一步提高系統容錯性。

2.7 功耗、體積與成本

功耗關系到續航時間，低的功耗意味著更長的工作時間，間接影響到定位區域的極限。體積意味著便攜性，小型化、微型化是一貫的趨勢，低成本是量產和應用的前提。通常對于普通的定位系統來說，精度往往放在首位，但從系統工程的角度來講，相對復雜的定位系統是設計初期就應該綜合考慮多種因素，進一步的討論見綜合評估部分。

3 測試場景

測試場景為建筑物類型+移動模式+預設軌跡，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估點個數與該建筑物面積有關，通常平均每 5～10 m2要選取 1個測試點，且測試點的測繪和選取要遵循 2.1節的要求。另外，在一次測試場景中至少有一半的測試點都要評估到，在所有的測試場景中，所有測試點都要評估到，且所有的區域不區別對待。此外，若度量或可視化基于航跡推算定位產生的位置漂移誤差，應在測試場景中選擇長度至少為 50 m的直線測試距離。最后在實際測試時應注明被測建筑所在的位置（一般已知）如街道信息、測試時間、當天的溫度、濕度和壓強等環境信息。

表3 室內定位系統的典型建筑物類型

3.2 移動模式

對基于無線信號交匯定位或者數據庫匹配的方法而言，ELT的運動方式幾乎不對測量結果產生影響，但對基于慣性傳感器的航向推算技術影響較大。為了便于分析，這里定義移動模式的概念，即所有影響室內定位技術的ELT的典型運動方式，這里的ELT包括人、載體、機器人等。這里的移動模式包括走、跑、后退、側移、爬、上下樓梯等，如表4所示。若ELT是人，則需要招募志愿者，并對其按年齡和體型分組測試，同時在一次完整的測試過程中，應包含多個移動模式，這樣可以測試系統在模式切換時的性能。

表4 移動模式

3.3 預設軌跡

預設軌跡包括直線型、L型、T型、矩形、圓形等。在測試時，一般針對具體的運動模式既要包含開環軌跡（直線型、L型、T型等），也要包含閉環軌跡（矩形、圓形等）。開環軌跡測試是避免因閉環而使位置漂移誤差反向傳播而減少，閉環軌跡測試便于計算端到端誤差和可視化定位終點與閉環區域的偏離程度。實際上，預設軌跡往往跟與被測建筑的可行路徑有關。此時若預設軌跡是可行路徑，對其評估往往依靠可視化（對簡單的預設軌跡亦是如此），即比較由航跡推算出來的軌跡與預設軌跡在視覺上的匹配程度，同時輔助端到端誤差來定量刻畫始點與終點的距離偏差。如何定量描述2條路徑整個過程的匹配程度懸而未決，其本質問題是不好量化中間過程的方向和距離，具體表述如下：

問題 1：預設軌跡若比較復雜，該如何量化它的每一個在空間上分布的方向和距離。這里假設可以對復雜的路徑進行分段，利用數學分段擬合的思想，則任意復雜的軌跡都可以由有限組方向和距離在空間上拼接而成。但實際操作不容易，若一段段去測繪，費時耗力；即使測出這有限組方向和距離，實際測試中ELT（尤其是人）很難嚴格參照該路徑行走，每次測試中在特定測試點的矢量信息包括運動速度、運動加速度、運動方向的大小和模值很難相同，即預設軌跡很難做重復性實驗，這就很難定量評估。

問題2：航向推算的軌跡如何量化為有限組方向和距離。

問題 3：如何量化比較 2個軌跡的有限組方向和距離，進而實現對整個路徑的量化評估。

這里給出解決方案，即誤差時間-軌跡面積法為

首先大致擬定行走的路徑，同時佩戴2個ELT（高精度ELT作為參考，另一個作為評估），在一定的時間間隔T內走完該路徑（T可以通過簡單的數學變換使其為整數）。此時參考的ELT就按時間順序輸出有限組方向和距離組數與更新頻率F1和T有關，待評估的ELT輸出有限組方向和距離（iΨ2，di

2），組數與更新頻率F2和T有關。此時已經解決問題1和問題2，即定量將1個比較復雜的軌跡分割成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，即解決問題3。這里提出的誤差時間-軌跡面積法是估計2條軌跡、起始時間和終止時間構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。問題是在計算一個個小面積時，如何找到最小的積分時間t，它是 2條軌跡可以同步比較的時間標尺。這里假設F1和F2的最大公約數為F，顯然F的倒數即為t。因此可以比較在時間t內F1/F個參考的累計時間-軌跡面積，和F2/F個待評估的累計時間-軌跡面積。然后將2個面積做差，并求絕對值，最后對TF組這樣的小面積進行求和平均，即得到平均誤差時間-軌跡面積（mean time-track area error， MTTAE），它直接反映2條軌跡在時空上的逼近程度。

使用式（1）前應注意2條軌跡數據的同步，可以通過計時器、設置標志位以及數據后處理方法使軌跡數據同步。

4 綜合評估

4.1 精度評估

精度作為室內定位系統的一大評估指標，可以根據2.2節的精度指標進行量化評估。這里主要介紹邊界評估以及多因素評估的思想和方法。

4.2 邊界評估

考慮到特定的系統可能是基于多種室內定位技術的融合系統，如基于慣導+磁+射頻測距+視覺傳感器+地圖匹配等，此時除了進行基于典型場景測試和評估之外，還需要進行整個系統邊界評估。簡單來講，邊界評估是制造場景或者測試模式，使系統局部失效。這能夠測試系統在復雜環境下的整體性能。如在金屬物體密集型區域測試，使基于射頻測距的技術失效；在鐵磁材料堆積的區域，使得磁數據不可用（基于磁場測向或磁數據庫匹配的方法失效）；若系統中有光學傳感器，則應保證一半的測試在弱光線場景下進行；若系統中有圖像組件，則應包含物體聚集區域的測試場景。

4.2 多因素評估

考慮到各種技術均有各自的優缺點及最適合的應用場景，同一種技術的某個測試指標在某個測試場景下可以最優，但其他指標很難最優。這就需要討論如何綜合多因素進行評估。這里引入系統工程的思想[34]，一個好的系統需要多指標權衡以及協調設計，可以通過f模型來綜合評估。f（目標、約束、關聯）綜合評估的過程可以看成是f函數的求解過程，評估的結果可以作為反饋，指導系統的優化。

首先是明確要評估的目標是什么，這里目標是綜合評估室內定位系統多個指標和參數（包括精度、延時、啟動時間、容錯性、功耗、體積、成本等）。然后明確這些指標的約束是什么，如評估系統應用的場景，客戶對指標的量化限制等，比如應用場景是消防救援，則啟動時間的權重就較大。用戶要求系統具有便攜性和長時間續航能力，則要求體積小，功耗要低等等；深入挖掘隱藏在各指標中約束關系，并對各約束的重要性進行排序。最后就是挖掘約束間的關聯關系，進行各指標和參數的協調。

5 結束語

本文結合正在完善的國際標準和筆者多年相關研究的經驗，從室內坐標系、測試指標、測試場景、綜合評估等多個方面介紹了國內外對室內定位技術的測試與評估標準的最新進展，給出室內定位技術在一般環境下的測試、評估方法和思想。

未來室內定位測試與評估標準發展的方向應以實際測試場景為驅動，繼續量化各測試指標，明確測試步驟，細化測試報告，同時增加和完善對多源異構室內定位技術的測試、對各室內定位技術的協議一致性的測試，甚至開發和完善相關的軟件，提高測試和評估的效率[35]等等。

筆者相信室內定位系統會繼續朝著多源異構方向發展，其顯著特征包括彈性、冗余性和多技術融合性。硬件設計要冗余，軟件思想要簡潔；因為冗余是智慧的庫存，簡潔是智慧的結晶，而二者更要彈性結合。沒有硬科技，軟實力就不能落到實處，沒有軟實力，硬科技就很難插上翅膀，軟實力與硬科技的有機結合才是高魯棒定位系統的關鍵，而這一結合的橋梁就是尚需完善的相關標準。筆者堅信，室內定位作為我國衛星導航產業發展的重要補充系統，定會在新時代下翻開嶄新篇章，更好地服務國計民生。