室内定位技术的测试与评估标准综述

刘公绪，史凌峰

（西安电子科技大学 电子工程学院，西安 710071）

0 引言

室内定位属于导航、测绘、自动化、电子和通信等多学科交叉领域，其在物联网技术的驱动和人们对位置服务的需求下蓬勃发展。室内定位，从狭义来讲即确定人或载体在室内环境下的位置信息；从广义上来讲即确定人或载体在类室内环境（如地下停车场、矿井、峡谷、森林、建筑密集型区域的街道等卫星信号不可用或不连续可用的环境）下的加速度、姿态、速度、位置等信息。与此同时，室内定位被称为卫星导航与定位的“最后一千米”问题，作为我国卫星导航产业发展的一个不可缺少的补充系统，其研究应用前景十分广阔。文中所讨论的室内定位技术，不局限于技术本身，更泛指基于各种室内定位技术的仿真算法、解决方案和相关系统。

室内定位技术可以粗略分为以下几大类[1]：

1）基于无线信号的交汇定位（包括基于机会信号的定位技术）；

2）数据库匹配技术；

3）基于惯性传感器的航向推算技术；

4）多源异构定位或组合定位技术。

强劲的市场需求为室内定位提供了广阔的发展空间，可以说室内定位技术或方案呈现百花齐放的态势。虽然当前有多种可用的室内定位技术，但室内定位市场与产业发展仍然很不成熟，存在着大量的不确定性，至今还没有一个成熟的室内定位方案在精度、容错性、启动时间、功耗、体积、成本等方面均能很好地满足用户体验。究其原因，一是场景应用的需求正在扩充。应用环境由结构化逐步过渡到可以无缝连接结构化、半结构化、非结构化等一般环境，这给新技术发展带来机遇的同时也使得由室内定位技术到产品转化进入了一个瓶颈期。经过调研得知：当前的室内定位研究多是基于结构化环境[2-6]，依赖于定位数据库，而数据库的产生大多依赖铺设的附加硬件和人工现场勘测，如事先搭建无线传感网络如紫蜂（zigbee）、蓝牙（bluetooth）、无线保真（wireless fidelity， WiFi）、发光二极管（light emitting diode， LED）灯具等；通过测量环境的信号接收强度、磁场特征、重力场特征或者以众包的方式获得运动环境地图来辅助室内定位，地图的测绘和构建工作费时且繁重。此外当环境中引入较大的电磁干扰，甚至行人的运动形式发生改变时，上述方法往往变得不再可靠。当应用环境由结构化环境扩展到半结构化或非结构化环境，甚至要求能在一般环境下无缝连接时，所采用的室内定位技术多是基于“惯性传感器+”的方案，即基于惯性传感器与其他技术的组合方案。例如：利用地图匹配辅助惯性传感器的方法来抑制陀螺的漂移[7]；利用超宽带和惯性传感器进行室内定位[8]；利用建筑物布局和空间几何拓扑信息来辅助惯性传感器进行室内定位[9-12]；利用WiFi和惯性传感器融合来进行室内定位[13-15]；利用视觉传感器与惯性传感器融合进行室内定位[16]等。其思想都是利用基于惯性传感器的定位系统本身具有的自主性、隐蔽性、全天候、信息全等优点，同时引入其他技术手段来弥补惯性传感器定位误差随时间积累的缺点。事实上在一般环境下，人的运动方式灵活多变且不可预知，因此基于零速更新（zero velocity update， ZUPT或者ZVU）的方法[17]或者其他先验信息校准的方法往往不再适用。虽然也有学者针对人员的步态特征[18-19]、运动模型[20-21]、传感器安装或佩戴的拓扑结构等进行系统研究，但针对人员的不同运动状态如走、跑、爬、跳、转弯，侧移、上下楼梯等仍缺少有效的和通用的解算方法，建立的运动模型难以扩展和移植。这也就引出第二个原因：标准。当下对各种室内定位技术的测试和评估十分困难，因为鲜有完备的标准对各种技术进行客观评估。纵观室内定位标准的发展现状[22-24]，国际标准化组织（International Organization for Standardization， ISO）、国际电工委员 会 （ International Electrotechnical Commission，IEC）、室内定位联盟（Indoor Location Alliance， ILA）、开放地理空间信息协会（Open Geographic-Information-System Consortium， OGC）、开放移动联盟（Open Mobile Alliance， OMA）、第3代移动通信合作计划（3rd Generation Partnership Project， 3GPP）等国际组织都在开展室内定位标准化工作。国内的室内定位标准正由中国通信标准化协会制定，已经发布了研究课题《室内定位技术研究》，而行业标准《移动通信中断室内定位技术要求和测试方法第 1部分：总体》正在制定中。对各室内定位技术的测试研究普遍围绕功能测试、协议一致性测试、定位精度测试、启动时间测试和定位延时测试等，尚缺少对不同定位技术、特定应用场景的测试方案和评估方法。学者们对室内定位测试与评估方法的探讨多集中在基于无线信号交汇定位的技术上[25-28]，缺少对其他技术测试和评估的讨论。尤其近5年来，多场室内定位相关的国际会议先后召开，已有学者们开始探讨室内定位相关的标准问题[29-31]，与此同时，关于室内定位的国际比赛陆续开展[32]，加快了产业界和学术界对室内定位相关标准的进一步研讨步伐。

综上所述，关于结构化、半结构化和非结构化环境下的室内定位研究正在如火如荼地进行着，但道阻且艰。其中一个主要的原因是缺少完备的标准来对各技术进行综合、客观的测试和评估，遑论基于统一标准协议下的各技术融合定位或多源异构定位方案。这严重阻碍了室内定位领域的发展。本文针对室内定位相关标准尚不完备这一问题，结合正在完善的国际标准（ISO/IEC 18305）[33]和笔者多年相关研究的经验，从室内坐标系、测试指标、测试场景、综合评估等多个方面介绍国内外对室内定位技术的测试与评估标准的最新进展，给出室内定位技术在一般环境下（结构化、半结构化和非结构化下）的测试和评估方法，以期加快国内相关标准的出台。

1 室内坐标系

如果说硬件平台是骨、软件平台是血、算法思想是魂，那室内定位坐标系就是骨、血、魂构建的鲜活生命体（完整的/连续的/鲁棒的室内定位系统）得以存在的时空基准。基准选不好，谈不上测试、评估及应用。通常有2种方式构建室内坐标系，即绝对坐标系和相对坐标系。前者往往借助多颗卫星，确定评估区域在世界测地坐标系 1984（world geodetic system 1984， WGS 84）、世界大地参考坐标系（international terrestrial reference frame， ITRF）、伽利略大地参考坐标系（Galileo terrestrial reference frame， GTRF）或国家大地坐标系 2000（China geodetic coordinate system 2000， CGCS 2000）下的经度、纬度和高度信息，再将其转化为本地笛卡尔直角坐标系的3轴分量，后续所有测试和评估过程均在本地笛卡尔坐标系下进行。实际上，建立绝对坐标系有诸多不便，尤其是在卫星信号不可用或者地理环境信息不可知的情况下。此外不得不提的是，上述4种大区域范围坐标系本身的精度是厘米级，目前还很难达到毫米级。与之相比，建立相对坐标系则更加便捷和可靠。事实上，室内定位一般考察的区域在数百米之内，因此可以直接假设在所考察区域内经纬度信息没有变化，高度信息一直与水平面垂直。显然，将本地笛卡尔直角坐标系作为参考系将十分方便。对笛卡尔坐标系的原点和坐标轴选取的原则如下：

1）原点为测试与评估范围的几何中心，一般为建筑物的几何或接近几何中心处；X轴、Y轴在水平面自由选取，如平行于建筑物外形，或者走廊等，Z轴垂直于XY轴构成的水平面方向向上。

2）所建立的坐标系要方便测绘。当然实际中常常将上述方法与电子地图结合在一起，即利用地图和建筑物外形构造一个电子围栏，这样相对笛卡尔坐标系就在该围栏内，且某个点或面都有其物理含义，如表示一个房间或某个楼层等。并且人们可以根据所考察的点在电子围栏中的相对位置，考虑到电子围栏的绝对位置，进而得到所考察点的绝对位置。

2 性能指标

2.1 评估点选择与测绘的注意事项

1）评估点的真值（ground truth）通常采用离线测绘方式，此时测绘仪器精度至少要高出定位精度一个量级；或者选用平均精度高于测试系统一个量级的参考系统。评估即是比对测绘真值点与待测系统在真值点的输出，或者同等条件下参考系统与待评估系统的测量差异，或者仅仅指不同算法对同一组数据进行后处理的结果对比。

2）评估点要不同于训练点，要非均匀选取（由评估点所在的区域被访问的概率决定），且根据系统最小精度需求来保证足够覆盖率。

3）保证各评估点测绘时的独立性，若不满足应采用闭环测绘原则，消除复合误差。

4）应控制变量实现待评估系统的重复测量和多次测量，若变量不容易控制，如测试点与定位/追踪实体（entity to localized/tracked， ELT）的运动速度、运动状态（走、跑、跳等）相关，则应考虑采用静态物体进行测试和评估。

评估点的基本信息如表1所示。

表1 评估点的基本信息

2.2 精度指标

精度指标如表2所示。

表2 精度指标

续表2

2.3 相对精度

指在协同定位方案中，基于同种方案的多个ELT（如人，物体，或机器人）之间的相对精度。该指标在一些消防、搜救场合非常重要；但应综合考虑系统的延时，以及ELT之间的相对运动速度（尤其当ELT基于惯性传感器的航向推算技术时）。

2.4 延时

众所周知，定位信息的传输一般遵循推拉协议，即控制中心发出请求指令来获得ELT的位置信息，或者 ELT按照预定的频率上传位置信息给控制中心，或者是 2种方式的结合。显然，对于静态的ELT，几乎不存在位置信息的时效性问题，但对于时刻运动的 ELT来说，其位置信息的时效性非常关键，这就涉及到系统延时。简单来讲，不管是指挥中心发出位置信息请求指令到接收到位置信息，期间所经历的时间（包括信息在射频通信链路里的传播延时），还是ELT周期性的向指挥中心发送位置信息所暗含的间隔信息，它们都是延时。本质上延时指得是接收信息与发送信息的时间差。笔者在此引入硬延时和软延时的概念来进一步分析延时产生的机理，以及给出量化延时的方法。假设ELT以既定的频率周期性地向控制中心发送位置信息，其按照一定的通信协议，经过某个物理拓扑链路（与具体的组网方式和场景有关）从发送端传到接收端，中间必经过一个延时，该延时可以称为拓扑延时或者硬延时。因为室内环境是一个相当局限的环境，可以大胆假设在室内环境下做任何运动的ELT其与外界通信的拓扑链路是几乎完全一样的（即使考虑到多径效应），因此可以把硬延时看成是一个固定延时。而软延时几乎完全由算法决定，更确切地说是由位置更新频率决定（周期性地与外界通信）和实际 ELT的个数决定（若采用轮询的方式，理论上对于1个ELT 100 Hz的更新频率等价于对于100个ELT 1 Hz的更新频率），该更新频率的精度由定时器的精度决定。因此可以把软延时理解为可变的，且值的下限是位置更新频率的倒数。系统延时即为硬延时与软延时之和，它表示了信息在通信拓扑链路中的固定延时，加上更新间隔导致的软延时。关于硬延时和软延时的概念可以通过下面的例子来说明。甲通过网络与隔壁的乙进行通话，不管乙如何改变说话频率，对甲来说，乙的声音总是先通过墙壁传过来，然后网络传来一个有着固定延后的同声调声音，该例子中的硬延时已经明显长于软延时。虽然软延时不一定会给系统延时真正贡献一个延时时间，但是它却在软件算法层面度量了可能出现延时的最坏情况，比如在位置信息刚发送出去的瞬间，真实位置信息已经变化为下一个周期的值，而在逻辑上，控制中心必须等一个更新周期之后才能得到该值，因此就出现了一个软延时，且软延时的极限值为位置信息更新频率的倒数。至此已经对软延时进行了定义和量化，但对于具体的系统来说，并不是软延时越小越好。原因如下：从硬件上来说，位置更新频率越大意味着对处理器性能、系统功耗、通信容量等都相应提高；另一方面对算法要求更高，甚至算法本身就暗含了位置更新频率的天花板。显然软延时这一指标的优化是需要权衡多种因素的。关于硬延时的量化，往往可以将其看成拓扑通信链路的函数，对于特定的楼层、特定的拓扑链路、特定的测试场景，其值是固定的。若改变评估地点或者通信拓扑结构，则其值会相应变化；但都可以通过多次实验，获得硬延时的均值和方差，只要评估场景和通信拓扑结构给定，理论上硬延时的方差很小，即硬延时接近一个常数。

2.5 启动时间

启动时间一般是指系统在正常工作前因各种准备工作而消耗的时间。这些准备工作包括线下搭建定位设施，设备现场调试和校准，人工测绘以及数据库构建（例如基于WiFi，射频识别（radio frequency identification， RFID）、蓝牙等技术的室内定位系统）。也包括线上准备如寄存器配置、预处理、参数初始化、算法初始解收敛等原因而消耗的时间（如基于卫星系统进行位置初始化时往往要花费十几分钟才能得到稳定的收敛解；基于惯性器件定位时，往往需要几分钟的预热时间，也称热启动时间，以使惯性器件达到一个比较稳定的工作状态）。甚至也包括建立本地笛卡尔直角坐标系的时间，以及获取建筑物关键参数的时间（在一些应用中需要知道建筑物的楼层、拐角、楼梯进出口位置，以及一些拐角处的坐标信息）。该指标应结合具体的应用做明确而详尽的规定，方便人们对启动的复杂性、启动的快慢、启动的成本等进行评估。针对非结构下，要求系统上电即工作的超快速启动场景如单兵作战，火警救援等，启动时间应控制在几秒内。

2.6 容错性

实际上，不存在能在任何时空、任何突发情况下都能正常工作的系统，因此容错性是衡量系统在既定时空基准下对不可预知情况的容错能力。容错性又叫鲁棒性、敏感型、弹性等，其与具体的工作环境、工作模式都有关，甚至具体到硬件系统每个器件的型号，软件算法每条语句的逻辑等。对容错性的测试可以通过若干个经典模式+随机模式测试，将测试结果作为反馈，通过增加冗余的硬件子系统，或者完善和优化算法来进一步提高系统容错性。

2.7 功耗、体积与成本

功耗关系到续航时间，低的功耗意味着更长的工作时间，间接影响到定位区域的极限。体积意味着便携性，小型化、微型化是一贯的趋势，低成本是量产和应用的前提。通常对于普通的定位系统来说，精度往往放在首位，但从系统工程的角度来讲，相对复杂的定位系统是设计初期就应该综合考虑多种因素，进一步的讨论见综合评估部分。

3 测试场景

测试场景为建筑物类型+移动模式+预设轨迹，下面分别介绍。

3.1 建筑物类型

建筑物的典型类型如表3所示。注意，在建筑物中选取的评估点个数与该建筑物面积有关，通常平均每 5～10 m2要选取 1个测试点，且测试点的测绘和选取要遵循 2.1节的要求。另外，在一次测试场景中至少有一半的测试点都要评估到，在所有的测试场景中，所有测试点都要评估到，且所有的区域不区别对待。此外，若度量或可视化基于航迹推算定位产生的位置漂移误差，应在测试场景中选择长度至少为 50 m的直线测试距离。最后在实际测试时应注明被测建筑所在的位置（一般已知）如街道信息、测试时间、当天的温度、湿度和压强等环境信息。

表3 室内定位系统的典型建筑物类型

3.2 移动模式

对基于无线信号交汇定位或者数据库匹配的方法而言，ELT的运动方式几乎不对测量结果产生影响，但对基于惯性传感器的航向推算技术影响较大。为了便于分析，这里定义移动模式的概念，即所有影响室内定位技术的ELT的典型运动方式，这里的ELT包括人、载体、机器人等。这里的移动模式包括走、跑、后退、侧移、爬、上下楼梯等，如表4所示。若ELT是人，则需要招募志愿者，并对其按年龄和体型分组测试，同时在一次完整的测试过程中，应包含多个移动模式，这样可以测试系统在模式切换时的性能。

表4 移动模式

3.3 预设轨迹

预设轨迹包括直线型、L型、T型、矩形、圆形等。在测试时，一般针对具体的运动模式既要包含开环轨迹（直线型、L型、T型等），也要包含闭环轨迹（矩形、圆形等）。开环轨迹测试是避免因闭环而使位置漂移误差反向传播而减少，闭环轨迹测试便于计算端到端误差和可视化定位终点与闭环区域的偏离程度。实际上，预设轨迹往往跟与被测建筑的可行路径有关。此时若预设轨迹是可行路径，对其评估往往依靠可视化（对简单的预设轨迹亦是如此），即比较由航迹推算出来的轨迹与预设轨迹在视觉上的匹配程度，同时辅助端到端误差来定量刻画始点与终点的距离偏差。如何定量描述2条路径整个过程的匹配程度悬而未决，其本质问题是不好量化中间过程的方向和距离，具体表述如下：

问题 1：预设轨迹若比较复杂，该如何量化它的每一个在空间上分布的方向和距离。这里假设可以对复杂的路径进行分段，利用数学分段拟合的思想，则任意复杂的轨迹都可以由有限组方向和距离在空间上拼接而成。但实际操作不容易，若一段段去测绘，费时耗力；即使测出这有限组方向和距离，实际测试中ELT（尤其是人）很难严格参照该路径行走，每次测试中在特定测试点的矢量信息包括运动速度、运动加速度、运动方向的大小和模值很难相同，即预设轨迹很难做重复性实验，这就很难定量评估。

问题2：航向推算的轨迹如何量化为有限组方向和距离。

问题 3：如何量化比较 2个轨迹的有限组方向和距离，进而实现对整个路径的量化评估。

这里给出解决方案，即误差时间-轨迹面积法为

首先大致拟定行走的路径，同时佩戴2个ELT（高精度ELT作为参考，另一个作为评估），在一定的时间间隔T内走完该路径（T可以通过简单的数学变换使其为整数）。此时参考的ELT就按时间顺序输出有限组方向和距离组数与更新频率F1和T有关，待评估的ELT输出有限组方向和距离（iΨ2，di

2），组数与更新频率F2和T有关。此时已经解决问题1和问题2，即定量将1个比较复杂的轨迹分割成T·F1组方向和距离，以及T·F2组方向和距离。下面是量化比较二者的差异，即解决问题3。这里提出的误差时间-轨迹面积法是估计2条轨迹、起始时间和终止时间构成的闭合曲线的面积，面积的大小反映了2条曲线的逼近程度。问题是在计算一个个小面积时，如何找到最小的积分时间t，它是 2条轨迹可以同步比较的时间标尺。这里假设F1和F2的最大公约数为F，显然F的倒数即为t。因此可以比较在时间t内F1/F个参考的累计时间-轨迹面积，和F2/F个待评估的累计时间-轨迹面积。然后将2个面积做差，并求绝对值，最后对TF组这样的小面积进行求和平均，即得到平均误差时间-轨迹面积（mean time-track area error， MTTAE），它直接反映2条轨迹在时空上的逼近程度。

使用式（1）前应注意2条轨迹数据的同步，可以通过计时器、设置标志位以及数据后处理方法使轨迹数据同步。

4 综合评估

4.1 精度评估

精度作为室内定位系统的一大评估指标，可以根据2.2节的精度指标进行量化评估。这里主要介绍边界评估以及多因素评估的思想和方法。

4.2 边界评估

考虑到特定的系统可能是基于多种室内定位技术的融合系统，如基于惯导+磁+射频测距+视觉传感器+地图匹配等，此时除了进行基于典型场景测试和评估之外，还需要进行整个系统边界评估。简单来讲，边界评估是制造场景或者测试模式，使系统局部失效。这能够测试系统在复杂环境下的整体性能。如在金属物体密集型区域测试，使基于射频测距的技术失效；在铁磁材料堆积的区域，使得磁数据不可用（基于磁场测向或磁数据库匹配的方法失效）；若系统中有光学传感器，则应保证一半的测试在弱光线场景下进行；若系统中有图像组件，则应包含物体聚集区域的测试场景。

4.2 多因素评估

考虑到各种技术均有各自的优缺点及最适合的应用场景，同一种技术的某个测试指标在某个测试场景下可以最优，但其他指标很难最优。这就需要讨论如何综合多因素进行评估。这里引入系统工程的思想[34]，一个好的系统需要多指标权衡以及协调设计，可以通过f模型来综合评估。f（目标、约束、关联）综合评估的过程可以看成是f函数的求解过程，评估的结果可以作为反馈，指导系统的优化。

首先是明确要评估的目标是什么，这里目标是综合评估室内定位系统多个指标和参数（包括精度、延时、启动时间、容错性、功耗、体积、成本等）。然后明确这些指标的约束是什么，如评估系统应用的场景，客户对指标的量化限制等，比如应用场景是消防救援，则启动时间的权重就较大。用户要求系统具有便携性和长时间续航能力，则要求体积小，功耗要低等等；深入挖掘隐藏在各指标中约束关系，并对各约束的重要性进行排序。最后就是挖掘约束间的关联关系，进行各指标和参数的协调。

5 结束语

本文结合正在完善的国际标准和笔者多年相关研究的经验，从室内坐标系、测试指标、测试场景、综合评估等多个方面介绍了国内外对室内定位技术的测试与评估标准的最新进展，给出室内定位技术在一般环境下的测试、评估方法和思想。

未来室内定位测试与评估标准发展的方向应以实际测试场景为驱动，继续量化各测试指标，明确测试步骤，细化测试报告，同时增加和完善对多源异构室内定位技术的测试、对各室内定位技术的协议一致性的测试，甚至开发和完善相关的软件，提高测试和评估的效率[35]等等。

笔者相信室内定位系统会继续朝着多源异构方向发展，其显著特征包括弹性、冗余性和多技术融合性。硬件设计要冗余，软件思想要简洁；因为冗余是智慧的库存，简洁是智慧的结晶，而二者更要弹性结合。没有硬科技，软实力就不能落到实处，没有软实力，硬科技就很难插上翅膀，软实力与硬科技的有机结合才是高鲁棒定位系统的关键，而这一结合的桥梁就是尚需完善的相关标准。笔者坚信，室内定位作为我国卫星导航产业发展的重要补充系统，定会在新时代下翻开崭新篇章，更好地服务国计民生。