如何构建室内定位系统
专为自主机器人、无人机、叉车、起重机、VR/AR、人员及其他工业应用设计
GPS在室内效果不佳，而且GPS 5-10米的典型精度无法满足工业应用需求。因此，需要一套精确的 室内定位系统 （IPS）。
室内定位系统也常被称为 实时定位系统 （RTLS）或 局部定位系统 （LPS）。如果不深究细节，它们实际上是一回事。
典型应用 方面，室内定位系统可用于自主机器人、自主无人机、叉车跟踪、其他车辆跟踪、起重机或吊钩跟踪、VR和AR、出于安全和生产效率目的的人员监测，以及大量其他工业和科研应用。
概要:
本文介绍如何高效地构建室内定位系统，并解答 管理人员 和 工程师 关于室内定位系统的核心问题：
本文内容深入而全面，重点介绍面向 工业应用的RTLS和IPS。如有重要内容未涵盖甚至有误，请发邮件至 info@marvelmind.com， 我们会及时处理。
为什么需要室内定位系统？
GPS 及其他全球导航卫星系统（GNSS），例如 GLONASS, 伽利略，以及 北斗，在室内效果不佳，因为卫星无线电信号太弱，无法穿透天花板和墙壁。
那为什么不增强卫星的无线电信号呢？……虽然实际操作困难，但确实可行。然而，物理规律仍会使这类定位系统无法显著改善结果，因为 视距 是任何精确定位系统的根本要求。
GNSS（GPS、GLONASS、伽利略、北斗）在民用领域的典型精度为5-10米。这同样无法满足室内应用的需求，因为在室内，跟踪精度至关重要。
因此，我们需要 室内定位系统 （IPS），也常被称为 实时定位系统 （RTLS）或 局部定位系统 （LPS），而跟踪精度是其基本要求之一。
什么是室内定位系统？
室内定位系统是由多个要素组成的网络，用于在GNSS（GPS、GLONASS、伽利略、北斗等）无法工作的室内环境中实时跟踪移动目标。
典型的室内定位系统由以下要素组成：
可选要素：
——便于远程控制和系统升级
——可能导致敏感位置数据泄露
Marvelmind室内定位系统
室内定位系统如何工作？
室内定位系统以分布在建筑物内或其他无GNSS信号区域的固定信标（锚点）为参照，计算安装在移动目标（机器人、无人机、叉车、人员）上的移动信标（标签）的位置。大多数IPS采用三边测量或三角测量来计算移动信标或目标的位置。
值得注意的是，绝大多数室内定位系统并不跟踪人员、机器人或叉车本身，而是跟踪安装在其上的 移动信标 （标签）。
高精度室内定位系统采用飞行时间（ToF）和三边测量，例如 Marvelmind 室内“GPS” or 超宽带 （UWB）。这些技术非常适合构建面向工业应用的精确室内定位系统。
应用非常普遍但精度低得多的 BLE 系统采用RSSI或其变体，例如RSSI结合AoA。
光学系统可以直接跟踪目标，无需在目标上安装移动信标。不过，这种方法也有局限：系统用户既需要精确跟踪移动目标，也需要识别目标。如果在移动目标（机器人、无人机、叉车、人员）上安装移动信标，识别就非常简单，因为每个移动信标都有自己专属的ID。而基于光学方法的识别是一项复杂的任务，只有在特殊条件下才能很好地工作，而这些条件在真实工业环境中很难满足。
什么是实时定位系统（RTLS）？
实时定位系统（RTLS）是一种实时定位和跟踪目标的系统，通常用于室内。
实时定位系统（RTLS）不一定是室内定位系统。严格来说，就连GNSS也是一种RTLS，因为它实时提供位置数据。
不过，在习惯上，RTLS几乎总是与IPS一词互换使用，以区别于GNSS这类明确用于室外甚至开阔天空的系统。
简而言之： 实时定位系统（RTLS）≈ 室内定位系统（IPS）
什么是局部定位系统（LPS）？
更容易让人混淆的是，还有一个术语叫局部定位系统（LPS）。
同样，从实用角度看： RTLS ≈ IPS ≈ LPS。
不过，严格来说：
- LPS不一定用于室内。恰恰相反，它主要指室外系统
- LPS通常用作GNSS的替代方案，即用于室外，但范围是局部的，而非全球的
什么是室内“GPS”？
我们使用“室内定位系统”这一术语，是因为我们专注于室内应用。同时，我们也有具备防护等级（IP）的信标，可在室外工作。总体而言，室内和室外应用在架构上没有区别，关键在于环境条件：室外环境可能与室内相似，而室内应用也可能需要 Super-Beacon-Outdoor 甚至 Industrial Super-Beacons.
我们常把我们的系统称为RTLS，因为除了跟踪精度之外，高位置更新率和低延迟的实时定位也是任何室内定位系统的关键参数。
我们也把我们的系统称为 室内“GPS”。当然，由于GPS无法在室内工作，系统并不依赖GPS卫星。因此，它是带引号的“GPS”，而不是真正的GPS。不过，从终端用户的角度看，该系统的作用就像真正的GPS：有“GPS卫星”——固定信标；有“GPS终端”——移动信标；还有“地面站”——调制解调器。
不仅如此，Marvelmind室内“GPS” 输出位置数据流 ，采用GPS原生格式—— NMEA0183。因此无需任何专门集成：支持GPS的系统会把Marvelmind室内“GPS”的数据字符串当作真正的GPS数据流来接收。所以对终端用户而言，Marvelmind室内“GPS”就是一台能在室内工作的真正GPS，提供厘米级精度，而不是GPS典型的5-10米。
哪种室内定位系统精度更高？
Marvelmind室内“GPS” 是一款面向工业应用、具备厘米级精度的商用室内定位系统。
但这是否完全属实？和往常一样，关键在于细节。
是的，Marvelmind室内定位系统是一款具备厘米级精度的商用IPS，适用于各类工业应用：自主无人机、自主机器人、人员跟踪、叉车跟踪等。
然而，例如，高品质、价格昂贵的 激光雷达 安装在AGV上，配合建筑物内专门安装的反射板，可以达到毫米级的测距精度。不过，距离测量虽然对定位至关重要，但并非全部。定位需要的是坐标，而不仅仅是距离。许多激光雷达采用三角测量法进行定位。由于采用的是三角测量而非三边测量，其定位精度取决于距离，可能远低于毫米级。
光学跟踪系统 同样采用某种形式的三角测量进行定位，因此其精度取决于距离。在很短的距离内（10-100厘米），光学系统也能提供毫米级的定位精度；而在10-100米的距离上，精度很容易降到10-100厘米。
此外还有许多其他非工业或特殊应用。在很多情况下，Marvelmind室内“GPS”同样适用。但也可能存在一些针对特定任务调校得更好的细分系统。
GPS能在室内使用吗？
不，GPS在室内无法工作。其他GNSS系统，如GLONASS、伽利略（Galileo）和北斗（BeiDou），在室内同样无法工作，因为卫星无线电信号无法穿透墙壁和天花板。
室内定位技术综述
至此，您已经对室内定位系统有了基本的了解。
接下来，让我们深入了解各种室内定位技术的详细评述与对比，重点关注工业应用。
下载我们广受欢迎的 详细综述：各种室内定位与导航方法的介绍与对比 （PDF格式）。