中国测绘 | 音频定位，自主室内定位技术的弯道超车——访武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室主任陈锐志
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文章转载自微信公众号中国测绘学会，文/本刊记者 丹妮，图/受访者提供，编辑：张永超，初审：齐阳，审核：彭震中，版权归原作者及刊载媒体所有。
2021年9月23日，由武汉大学成果转化企业浙江德清知路导航研究院研制的音频定位芯片，在德清国际会议中心发布。历时五年，芬兰科学与人文院院士，武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室主任、博士生导师陈锐志教授带领团队，实现了“十三五”重点研发计划项目从攻关到工程化、产业化的飞跃。
全球首款基于RISC-V高精度音频定位芯片发布
2016年开始，针对卫星导航定位系统（GNSS）无法室内定位的瓶颈难题，陈锐志带领国家重点研发计划项目“高可用高精度室内智能混合定位与室内GIS技术”团队，突破消费级智能终端室内高精度定位关键技术，自主研发了音频定位成套方案，在不到一年的时间内，推出了高精度音频室内定位芯片。
他们如何在众多室内定位导航技术中找到音频定位方向的？与市场同类型产品相比，音频定位芯片性能如何？他们团队在研发过程中遇到过哪些难题，又是怎么解决的？该技术可以应用于哪些场景？本刊记者联系陈锐志教授，请他带来详细讲解。
2020年7月，北斗三号全球卫星导航系统正式建成开通，在天基、地基增强技术的辅助下，精度已可以满足绝大部分室外定位需求。但由于卫星信号的遮挡、衰减和屏蔽，GNSS定位技术无法在室内提供可靠的位置服务。
据统计，人们70%～90%的活动是在室内，同时随着城市化的不断加速，室内空间的面积总和飞速增加，基于位置服务的大量需求与应用已经从室外转向了室内。
室内外一体化位置服务是“万物互联”的基础，低成本、简易、高精度的室内定位服务更是社会经济发展的迫切需求。GNSS信号受遮挡和信号不可达地区定位精度低或者无法定位，亟需高精度室内定位技术，支撑大型地下空间的运维数字化、信息化和智能化。
“定位是位置服务、万物互联、人工智能和未来超智能应用的核心技术之一，室内定位则是指在室内环境中实现位置确定。与开放的室外空间相比，室内环境在信号条件、空间布局、拓扑关系、运动约束等方面更加复杂。”陈锐志说道。目前大型地下空间定位的痛点包括信号范围小，有效覆盖范围5-10米（如蓝牙）；定位精度低，稳定性差，用户体验不好；建维成本高，有线同步部署难。
2016年初，在室内定位导航领域科研探索二十余年的陈锐志回到母校武汉大学，担任测绘遥感信息工程国家重点实验室主任。他引进了一批曾经培养的华人优秀青年科学家，并组建成立了导航与位置服务研究室，建立一个由国家海外高层次特聘专家领衔，以国家青年项目特聘专家为骨干的研究团队。
回国后，陈锐志即带领团队承担“十三五”重点研发项目“高可用高精度室内智能混合定位与室内GIS技术”，针对北斗信号无法穿透室内空间的难题，开展智能手机高精度室内定位、多源融合定位与三维导航和北斗低轨导航增强定位等三方面的研究。
“我们国家需要有自主可控的定位技术，在项目科研进行3年后的2018年，我们发现声音是一个很重要的定位源。”陈锐志介绍道，声音是自然界不可缺少的元素，是人类沟通的桥梁，是信息传递的介质。音速测定也是传统的物理实验，有着悠久的历史。
在自然界，雷声与闪电同步发生，但是人们听到雷声与看到闪电存在时间差，利用该现象就能判断雷电的远近。“我们自主研发的音频定位技术的成套方案中，需要给室内空间的多个点位安装上基站（一个很小的音频信号发射器，就像室内的北斗卫星，只不过它是固定不动的），基站不断发射电信号和声波，由于电信号像闪电一样‘跑得快’，声波像雷声一样‘跑得慢’，终端接收两种信号后就能测出到某个基站的距离，再根据多个不同基站的距离就能给自己准确定位。”陈锐志进行了详细解答。
自主可控的音频定位技术 撬动千亿级市场
陈锐志说，随着智能手机飞速发展，其计算能力也越来越强劲，搭载的传感器也越来越丰富，其中可用于室内定位的包括：射频传感器、麦克风、摄像头、磁力计、运动传感器等。基于智能手机的室内定位技术也多种多样，根据信号物理类型可分为：射频信号、音频信号、图像、地磁场、运动信号，各种室内定位技术都有各自的优势以及局限性，单一的定位技术难以做到像室外环境的GNSS一样的普适性。
此外，新款智能手机支持的室内定位技术均有着不错的商用推广潜质，但目前室内定位技术尚未明了，是因为其主要受制于：GNSS信号无法穿透室内空间，绝大部分情况下无法定位；室内环境拓扑复杂，定位场景多样；室内声、电信道环境复杂；用户行为复杂多变，运动轨迹难以预测；智能手机搭载的传感器性能有限。
“去年德清发布的28nm制程Kepler A100是我们团队推出的首款产品，是全球首款基于RISC-V高精度音频测距的专用芯片，设计有基站和标签两种模式。”陈锐志介绍说，室内的环境是复杂多样的，声音在环境中会被玻璃、墙壁等障碍物反射，如何智能识别反射信号与直达信号是决定定位精度的关键。
知路导航推出的芯片
音频定位芯片与手持测距仪的测量结果比对
此外，为了兼容大部分的电子设备，用于定位的可选择频段是有限的，另一大挑战就是在有限的条件下，实现超大场景的覆盖。“我们团队经过分析海量场景的声波数据特性，对声波信号的传播特性进行建模，从而构建了精测距、准定位、广覆盖的三大核心能力。此外，我们团队对音频信号进行优化，人耳对这个信号不敏感，但是手机可以感知到，做到了既不扰民，又不受定位场景噪声干扰。”
据陈锐志介绍，我国的音频定位技术水平在国际处于领先地位，并且在测距精度、信号作用距离、定位精度等指标上都与美国苹果公司采用的超宽带定位技术（UWB）和谷歌公司研发的Wi-Fi测距技术（RTT）相当，甚至在用户成本、功耗和大众手机可用性等方面更占优势。与目前广泛采用的蓝牙定位技术相比，其信号有效定位覆盖能力从5-10米扩大到50米，测距精度从2-5米提升到0.12米，支撑分米级高精度定位。
此外，声波信号通用性更好，兼容大众智能手机和定位标签，无需改变智能手机硬件，一套设备同时满足人、车、物的定位需求，实现降本增效。“由于我们的音频定位芯片是基于RISC-V架构的，在定位精度、建设成本、系统容量等方面具有技术优势，并具有完全自主知识产权，不受国外技术封锁，基于其建设的系统安全可控，应该说是真正做到了从底层定位芯片到解决方案的全面自主可控。我们还在不断完善它，努力让它成为美国UWB定位技术的国产替代，实现弯道超车。”
目前，陈锐志的团队正在建设南京南站56万平方米的全场景高精度定位系统，为公安民警提供实时位置服务，支撑警勤分配，联防联控应用。南京南站是这项技术的第一个大场景的商业应用，后续该技术也应用于鄂州花湖机场45万平方米的人-车-物一体化定位系统，为机场全场景提供精准的人-车-物位置服务。
此外，该技术在德清国际会展中心为场馆方和参展方展示一体化位置服务示范。“未来，我们将继续发挥核心技术优势，让音频定位技术支撑的位置服务涵盖公安、交通、电网、医疗、康养和商业等多个行业。我们致力于面向超大型的室内场景，打造全新的音频定位生态，让科技赋能生活。”提到音频定位技术的应用前景，陈锐志信心十足。
“定位”人生四十载 科研教学共攀升
讲起他所专注的室内定位导航领域相关内容，陈锐志讲话语速飞快，思维逻辑缜密。自1981年考入武汉测绘学院，陈锐志在定位领域已深耕四十余年，进入室内定位技术的科研攻关赛道也已经二十余年。在他看来，自己在专业研究领域山峰道路上不知疲倦地攀登，在一个个期待、执着、失望和喜悦的循环中达到目标，很幸运专注在自己喜欢的研究内容上，这也成为他克服困难的动力来源。即使在求索路上不免遭遇失望和挫折，他也依然能不改初心，带领着学生们砥砺钻研、攻坚克难。“我是一个目标驱动的人，我家人认为我是一个‘不用鞭打就自转的陀螺’。其实困难的难度和自己定的目标高度是成正比的，我今天取得的一点成绩，都是靠一份份的付出和克服一个个困难得来的，也可以归功于自己对这份事业的热爱。”陈锐志笑着说道。
陈锐志始终认为，惟有潜心学术，与时俱进，不断学习，才会有“一桶水”，才有能力给学生“一瓢水”。他坚持以问题为向导，培养学生分析问题和解决问题的能力，将教学、科研同国际相关比赛结合，在教学理念上进行创新。
2021年10月15日，第七届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛全国总决赛在南昌落幕，陈锐志指导的《知路导航-音频定位芯片领军者》学生团队，依托测绘遥感信息工程国家重点实验室平台，致力解决室外卫星信号对于室内空间不可达、室内定位精度低的技术难题，首次突破了精准测距、窄频带漫游和多源融合定位三大核心技术，赋能全球首款基于RISCV的高精度音频定位芯片，为室内导航定位技术提供支撑。比赛中，该团队斩获高教主赛道金奖。同时，作为湖北省唯一入围全国三强排位赛的队伍，斩获全国第九，创造了自大赛举办以来武汉大学的最佳成绩。“比赛内容本身就是一个有挑战的命题。导师团队带领学生边学边参赛，在学习方法上进行创新，引导学生借助跨学科思维解决有挑战的问题，同时培养学生分析问题、解决问题和团队合作等方面的能力。”
“他求索于测绘遥感领域，心怀鞠躬尽瘁之念；他倾心于科研，攀援而上，不觉疲倦；永远对自己所投身的领域心怀敬意，永远心怀美好的愿景是他科研路上掸去倦意困扰，保持进取之心的要诀；门生感动于他‘自强弘毅、求实拓新’的珞珈精神；感受到师者一程诲人之重、佑人之诚；感恩于师者一路携带之情，覆载之恩；牵手并行，他历春风化雨，无愧师者潜心。”这是2021年11月陈锐志获评武汉大学第12届“我心目中的好导师”的颁奖词，也是他一路以来科研教学生涯的真实写照。
将科研成果产业化是大部分科研工作者的终极追求，毕竟只有真正做到产业化应用，才能最大程度地实现技术的社会和经济价值。提到对于音频定位技术的未来规划，陈锐志说他们已经做到了项目三部曲的两个——2016年-2020年，完成十三五重大研发计划，形成智能手机解决方案；2021年，基于RISC-V架构音频定位芯片（28nm，8*8mm）推出。接下来，他们要鼓足干劲，在2023年实现更低功耗、低成本芯片的量产。“我们团队是做核心技术研发，在市场下游推广方面资源有限，除了技术研发，我们还想扩大应用面，努力想让业界知道这个技术是有实践应用的。”正在施工安装的南京南站和鄂州花湖机场两大应用场景，会为业界同仁揭开这一神秘技术的面纱。
陈锐志期望，未来能在多领域持续发力，也有更多的人参与进来，共同打造音频定位生态，助力覆盖无处不在的精准位置服务。
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