室内定位系统术语
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
概要:
本页解释室内定位和实时定位系统中使用的关键术语。
- 锚点
- 到达角（AoA）
- 增强现实（AR）
- 信标
- 北斗
- BLE
- 蓝牙
- Glonass
- GNSS
- GPS
- 切换区
- iBeacon
- 室内“GPS”
- 室内定位系统（IPS）
- 惯性测量单元（IMU）
- 惯性导航系统（INS）
- 反向架构（IA）
- IPxx
- LIDAR
- 视距（LoS）
- LoRa
- 地图
- MEMS
- 移动信标（“hedgehog”或“hedge”）
- 调制解调器
- 多频NIA（MF NIA）
- 多边测量
- 非反向架构（NIA）
- 非视距（Non-LoS）
- RSSI
- RTK GPS
- 实时定位系统（RTLS）
- 固定信标（“owl”）
- 服务区
- 子地图
- 超级地图（Super-map）
- Super-Super-Modem
- 标签
- 飞行时间（ToF）
- 到达时间（ToA）
- 三角测量
- 三边测量
- 超宽带（UWB）
- 虚拟现实（VR）
- WiFi
- ZigBee
锚点
锚点（Anchor）是超宽带（UWB）系统中对固定信标的通称。在Marvelmind室内定位系统中，锚点称为 固定信标.
室内定位系统（IPS）或实时定位系统（RTLS）在确定移动目标的位置时，实际计算的是安装在该目标上的移动信标（标签）在锚点坐标系中的位置。锚点（固定信标）是移动信标（标签）定位的参考点。
到达角（AoA）
基于BLE的室内定位系统采用 AoA 来提高精度。有报告称，精度可提高到原来的3倍，达到约1米，不过需要更昂贵、更复杂的BLE锚点。
典型的基于BLE的室内定位系统精度较差，只有2-5米，因为这类系统依靠RSSI来估算信标与标签之间的距离。 RSSI并不是可靠的依据（YouTube） ，因为室内存在多径传播。结果是，在同一位置、BLE锚点与BLE标签距离相同的情况下，无线信号强度（RSSI）也可能相差10:1。
带AoA的蓝牙（YouTube） 可以综合利用两种数据来源：1）基于RSSI的距离估计；2）由按计算好的间距布置的多个天线测得的信号到达角（AoA）。综合这些数据并采用复杂算法，可以减小基于BLE的IPS系统的误差。
增强现实（AR）
增强现实（AR） 是 虚拟现实（VR） 的一种形式，它将VR与现实世界结合起来。AR设备的典型例子是 Microsoft HoloLens。
AR/VR设备采用不同类型的定位系统——由内向外（inside-out）和由外向内（outside-in）。AR通常采用光学的由内向外系统。
Marvelmind室内“GPS”是一种由外向内的系统，常用于为AR系统补充由外向内的跟踪，提供“真值”（ground truth），并在环境过于复杂、AR自带的由内向外定位系统难以应对时提供帮助。
信标
在室内定位系统中，固定信标作为移动信标（相当于“GPS终端”）的参考点（相当于“GPS卫星”）。当然，这并不是真正的GPS，只是用法与GPS类似，所以写作带引号的“GPS”。
移动信标安装在移动目标上，由系统进行跟踪。请记住，室内定位系统通常并不直接跟踪移动目标（机器人、无人机、叉车、起重机、VR头盔等），而是跟踪安装在目标上的移动信标。
北斗
BLE
低功耗蓝牙（BLE） 是一种无线通信系统。BLE协议并非为测距而设计。但依靠 RSSI 估算距离，并结合复杂的算法，可以构建性能尚可的室内定位与导航系统，尤其适合跟踪手机，以及借助基于BLE定位的专用导航应用在商场、机场和博物馆内为人们导航。
BLE的典型精度充其量为2-5米，具体取决于BLE锚点的安装密度。锚点越密 = 精度越高 = 锚点越多 = 基础设施总成本越高。
更多信息： 室内定位：有什么方案比BLE更好？
将BLE与 AoA 结合使用，精度可提高约3倍，有报告称可达1米，但代价是锚点更复杂、更昂贵。
虽然BLE并非为定位而设计，但由于可以跟踪内置BLE标签的设备（即普通的现代手机），它依然很受欢迎。这是BLE与UWB或超声波系统的区别：后者需要给人员配发标签，而在BLE中，手机本身就是标签。此外，BLE标签和锚点的成本也低于UWB或超声波系统。
虽然从技术上讲并不完全准确，但我们常把BLE和蓝牙当作同义词使用。两者非常接近，可以由同一硬件支持，但并不完全相同，甚至互不兼容。
全球定位系统（GPS） 是美国的GNSS。作为知名度很高的GNSS系统，GPS常被当作GNSS的同义词。
GPS在室内效果很差，因此需要室内定位系统（IPS）或实时定位系统（RTLS）。
在开阔天空下，GPS的精度通常约为5-10米。GPS还有一种变体——RTK GPS，可达到厘米级精度。
惯性测量单元（IMU）
惯性测量单元（IMU）是室内定位系统的重要组成部分。IPS常用的IMU基于 MEMS 技术。当然，也有精度高得多、价格贵上成百上千倍的IMU，但受成本、尺寸、功耗等特性所限，它们目前难以用于工业应用，因此在工业IPS中很少采用。
需要记住，室内存在铁磁材料，周围还有强电流流过，都会使磁场发生畸变，因此磁力计在室内工作效果差且不可靠。
因此， Marvelmind信标 内部没有磁力计，但 配备了6D MEMS IMU （3D加速度计 + 3D陀螺仪）。
IPS可以没有IMU，但只需相对很小的额外投入，IMU就能大大增强系统的能力——现代 MEMS IMU的能力超乎想象。因此，用户每次获得位置数据更新时，得到的不仅是坐标，还有加速度、相对重力方向的姿态以及旋转速度（陀螺仪）。
IMU/陀螺仪无法给出方向，它给出的只是方向的变化。因此，要获得方向，要么使用 磁力计/指南针 （它在室内效果不好，不推荐），要么采用 成对信标（YouTube） 配置（即使静止也能提供方向），要么仅依靠动态方式确定方向——这只适用于正在移动的目标，并且需要精确的室内定位。
在下面的视频中，机器人小车没有使用 配对信标（YouTube） ，而是借助IMU、精确的Marvelmind IPS和专门的算法确定了方向，并准确地沿航点行驶。
惯性导航系统（INS）
INS既可以指惯性导航系统（Inertial Navigation System），也可以指室内导航系统（Indoor Navigation System），容易混淆。
为清楚起见，下文中的INS均指惯性导航系统。
这一点必须说得清清楚楚： 面向工业应用的纯惯性IPS在商业上并不存在. 基于IMU的室内定位系统 只是一种误导性的幻想。网上有太多文章宣扬相反的说法，让人很容易信以为真，甚至怀疑自己的判断——毕竟很难相信这么多人都会错。然而，照搬错误信息或略去关键信息，并不能让它变得正确。因此，我要再次强调： 面向工业应用的惯性室内定位系统，以及基于手机自身IMU的手机跟踪，如今都不存在。遗憾的是，这在技术上无法实现。
为什么不存在面向工业应用的基于IMU的室内定位系统？答案很简单： 加速度计的漂移太大 ，无法在合理的时间内保持厘米级精度。所谓合理的时间，至少是几秒或几分钟。现代MEMS IMU做不到这一点。
有报道称，航天级、军用级、导航级等IMU可以把INS保持可接受精度的时间延长到约10-60秒，但成本高得不切实际，而且这段时间依然太短，难以实用。
带IMU传感器融合的IPS是存在的，而且是精度高、速度快、可靠性强的IPS实现方式。
IMU传感器融合兼取两个领域之长：一边是IMU，另一边是与IMU融合的另一种技术，例如里程计或Marvelmind室内“GPS”，从而达到非融合技术无法达到的效果。
但是！带传感器融合的INS当然已经不再是INS，而是带传感器融合的基于IMU的系统。惯性部分提供重要的输入，但如果没有其他输入来校正IMU的不足，INS根本无法工作——不是精度低一些或稳定性差一些，而是完全无法用于实际应用。因此，准确的叫法应是传感器融合导航系统，IMU只是其数据来源之一。
IPxx
Marvelmind室内定位系统在室内和室外同样适用，区别仅在于对网络设备的 防护等级 （IPxx）要求。
请记住：IPxx认证只说明设备经受IPxx级别的暴露后不会损坏，并不要求设备在暴露期间能够正常工作。
IPxx标准附有大量细则，没有额外信息几乎无法直接用于实际场景。IPxx认证能让人对防护能力有个大致概念，但也仅此而已。
LIDAR 是光探测与测距（light detection and ranging）的缩写。
激光雷达是自主机器人和车辆室内定位的强大工具，正因如此，它吸引并误导了许多用户。我们无意贬低激光雷达的重要性，以下是一些实用说明：
——激光雷达广泛用于SLAM
——SLAM非常适合科研，但不太适合实际应用
——激光雷达适合障碍物检测，但也有例外
——在真实（杂乱）的工厂中，激光雷达不适合用于定位
——高端激光雷达仍然昂贵（并将一直昂贵）
——低端（1D或短距）激光雷达已经非常实用，可以放心使用
因此，在环境简单时，激光雷达能很好地用于定位；而当 环境复杂 且不断变化时， 激光雷达就会“犯迷糊”， 这时就需要Marvelmind室内“GPS”或基于UWB的室内定位系统等真正的RTLS来解决问题。
视距是一项常被误解、容易混淆的要求，例如：
——“UWB不需要视距”——错！UWB需要视距
——“UWB能‘看穿’无线电可穿透的材料”——正确
——传播速度取决于材料：V_wall ≠ V_vacuum
——超声波可以毫无问题地穿过“透气布料”
实际结论很简单：如果您希望精确的IPS
或RTLS在实际环境中正常工作， 就务必在搭建时满足视距
要求。
如需与移动信标双向传输数据，可使用Marvelmind的内置无线电——它同样是一种专有无线协议，与LoRa相当：
严格来说，室内定位系统中的地图描述的是 固定信标.
地图并不是您场地的 平面图（YouTube） 。平面图可以作为地图的背景，但它主要是给终端用户看的，而不是给系统用的。系统的一切测量都在地图坐标系中进行。
多频非反向架构（MF NIA）是我们的三种架构之一。详细了解 Marvelmind架构.
MF NIA的特点：
——属于NIA：移动信标发射超声波，固定信标接收
——多频：各移动信标以不同频率发射
——与NIA相比，MF NIA中每个 移动信标 的更新率可提高至8倍
– Super-Beacon 非常适合用作移动信标和固定信标
– Super-Beacon-Outdoor 和 Industrial Super-Beacons 具有IP防护等级
——多架无人机，或有噪声的机器人/移动目标，请使用MF NIA
——视频指南： NIA、IA与MF NIA：如何选择？（YouTube）
调制解调器（也称路由器）是系统的中央控制器，承担以下几项关键职能：
——RTLS内所有活动的中央协调者
——确保所有信标之间精确的时钟同步
——面向Dashboard以及用户的接口
——全面管理信标
——收集信标的遥测数据（供电、温度等）
——向信标下发设置
——通过移动信标从用户的移动设备收集数据
——通过移动信标向用户的移动设备发送数据
Super-Modem是Modem v5.1的进阶版本，额外具备：
快速了解 系统架构.
视距对任何精确室内定位系统都必不可少，因此非视距是跟踪效果差的主要原因。
再次强调：移动信标与为其服务的固定信标之间的视距是 至关重要的要求。非视距并不意味着跟踪精度会降低，而是意味着根本无法跟踪：会出现跳变，跟踪和导航会陷入各种混乱。
RSSI是接收信号强度指示（Received Signal Strength Indication）的缩写。在室内定位中，它主要指利用无线信号强度（即RSSI）来估算固定信标（锚点）与移动信标（标签）之间距离的系统。
由于室内无线信号存在多径传播，RSSI很难准确反映距离。多径会导致信号强度深度衰落（可达20-30 dB，即功率相差100-1000倍），或RSSI突然出现峰值（6-10 dB，即功率相差4-10倍）。因此，如下图所示，如果测得RSSI=-78dBm，对应的距离可能是2.5米，也可能是12米，或介于两者之间的任何值：
RTK GPS即实时动态（Real-time kinematic） GPS.
RTK GPS属于 差分GPS（DGPS）.
RTK GPS的原理非常简单：
——普通GPS的误差为5-10米，往往不够用
——在附近（1米-10千米）安装一个位置已知的GPS参考基站
——基站与RTK GPS接收机存在相同的GPS误差
——通过无线电将基站测得的GPS位置发送给RTK GPS
——由于两者误差相同，可以将误差扣除
——基站作为RTK GPS接收机的校正参考
——由此，RTK GPS即可实现厘米级跟踪
RTK GPS是出色的定位系统，但它离不开GPS。移动信标一进入室内，就既没有GPS，也没有RTK GPS了。因此需要IPS和RTLS，例如Marvelmind室内“GPS”。
子地图是室内定位系统的基本单元，包含1、2、3或4个 固定信标.
利用子地图，可以更轻松地构建超大型 RTLS 地图。这种方式可扩展、容错能力强，而且便于部署。
子地图、服务区和切换区基础知识（YouTube） ——构建由多个子地图组成的大型地图的视频入门。
- 构建子地图（YouTube） (PDF, 视频第1部分（YouTube）, 视频第2部分（YouTube））——构建由多个子地图组成的大型地图的详细实用指南。
构建复杂地图的分步指南（YouTube） – 先从带一个移动信标的简单2D NIA开始，然后 逐步增加复杂度.
Super-super-modem
Super-Super-Modem作为中央控制器，统一管理 超级地图。在它的作用下，终端用户看到的超级地图就是一张非常大的地图，而不是分散在不同楼层甚至不同建筑中的多张独立地图。超级地图呈现为一张统一的大地图。
超级地图（Super-map） 是地图的地图，一个超级地图可以包含数千个地图。每个地图的控制者是它自己的 调制解调器。因此，Super-Super-Modem是调制解调器的控制器。
与调制解调器不同，Super-Super-Modem可以远程部署，也可以只是软件，因为它不与信标发生物理交互。 调制解调器 通过无线电接口控制信标；而Super-Super-Modem如需控制信标，则要经由调制解调器。
不过通常情况下，Super-Super-Modem控制调制解调器并向其发送命令，必要时再由调制解调器将命令或请求转发给信标。
Marvelmind IPS 采用三边测量 进行3D（XYZ）定位，采用双边测量进行2D（XY）定位。至于1D定位，就只是基本的测距。
高精度的 实时定位系统如今采用 三边测量 ，而不是三角测量，因为精确测量距离比精确测量角度更容易。
距离通常根据波的 飞行时间（ToF） 计算，这种波可以是无线电波、光波或超声波。
超宽带（UWB）
超宽带（UWB） 是一种为数据传输而设计、但也可用于定位的无线电技术。这一点使它与BLE等技术有本质区别：BLE没有内置飞行时间功能，因此作为RTLS，BLE天生就不如UWB精确。
UWB的工作频率范围很宽，覆盖3.1–10.6 GHz。之所以允许这样做，是因为它每MHz带宽的发射功率非常低，低于这些频段允许的干扰水平。不过由于频带很宽，总发射功率其实并不算小。
UWB有几种实现方式：
——到达时间差（TDoA）
——双向测距（TWR）
两种方式各有优点。TWR更简单，基础设施端和标签端都能获得位置数据，适合机器人、无人机等自主目标；TDoA的位置数据只在基础设施端，主要面向资产和人员跟踪，但与TWR UWB系统不同，它可支持数十乃至数百个移动目标，且每个标签的位置更新率不会降低。
Marvelmind Robotics也有UWB方案，采用TWR。由于使用的是同样的UWB芯片组，Marvelmind UWB与市场上其他UWB方案并无本质区别，就像采用相同处理器和芯片组的笔记本电脑，性能也非常接近。
虚拟现实（VR） 指合成世界的系统与体验，通常是用于游戏、科研和工业应用的计算机世界。
VR总少不了某种定位系统：可以是基础的IMU（只提供姿态和方向，不提供位置），也可以是更先进的、同时提供位置的系统。