实现室内定位可穿戴设备的技术挑战

测量位置在户外导航系统方面取得了巨大成功，并且强烈要求在室内重复使用。能够在建筑物内找到一个人可以通过许多不同的方式提供帮助，从在塔楼找到合适的办公室到在商店中找到所需的部门甚至特定的产品，或者当你在超市里走动时提供高度针对性的交易。不幸的是，通过GPS，Glonass或即将推出的Galileo系统进行卫星定位的技术无法满足室内定位的要求，即使标称增强的测量精度低至1米，因为接收机难以处理多径信号而无法看到卫星。

欧洲GNSS机构（GSA）和Rx Networks的测试使用多星座GNSS测量伽利略在GPS和GLONASS的各种组合中在包括城市峡谷和室内在内的真实环境中的性能接收器。虽然使用伽利略或多颗卫星有助于户外城市峡谷，但结果显示室内性能仍然很差（图1）。

城市峡谷＃1城市峡谷＃2 GPS 331.9米76.2米GPS + GLONASS 42.9（13） ％）7.6米（10％）GPS +伽利略10.7（3％）5.4米（7％）GPS + GLONASS +伽利略43.0（13％）24.7米（32％）正数表示GPS改善。

室内＃1室内＃2 GPS 278.7米70.3 GPS + GLONASS 68.4米（25％）GPS +伽利略24.6米（9％）10.1米（14％）GPS + GLONASS +伽利略64.0米（23％）15.8米（23％）正数表明GPS改善。

然而，卫星覆盖是一项关键技术，Maxim的MAX2769还可在单芯片上覆盖GPS，GLONASS和Galileo导航卫星系统，可集成到可穿戴和便携式设计中。这种单转换，低IF GNSS接收器采用低功耗SiGe BiCMOS工艺技术，以低成本提供高性能和集成。

芯片内置完整的接收器链，包括双输入LNA和混频器，其次是图像抑制滤波器，PGA，VCO，分数N频率合成器，晶体振荡器和多位ADC。该接收器的总级联噪声系数低至1.4 dB，有助于提高室内使用的灵敏度。

MAX2769还通过实现片上单片滤波器，无需外部IF滤波器这些组件构成了一个完整的低成本GPS接收器解决方案，采用小尺寸设计，适用于可穿戴设计。集成的delta-sigma小数N频率合成器允许以±40 Hz的精度对IF频率进行编程，同时使用主机系统中可用的任何参考频率或晶振频率进行操作，并且数据以CMOS逻辑电平或在有限的差分逻辑电平。为了提高这些设备的性能以用于室内定位，可以添加其他技术以提高室内定位精度。一种方法是使用已经存在于许多智能手机中的表面贴装3轴加速度计，例如飞思卡尔半导体MMA8653，以确定终端的方向。通过从卫星位置开始，可以检测任何曲折和转弯以提供位置的惯性测量。不幸的是，这需要定期进行卫星测量，这可能会耗尽手机的电量，并且已经显示出精确度。这也需要室内环境的地图，这可能是一个问题。

另一种方法是使用本地Wi-Fi无线信号来确定位置。这对天线制造商提出了挑战，要求结合GPS和Wi-Fi的不同灵敏度要求。实际上，Antenova M10478等模块专门设计用于抑制2.4 GHz频段，以防止干扰并提高GPS接收的准确性。

RADIONOVA M10478 RF天线模块是一种超紧凑的单一封装，结合了RF和用于L1波段GPS和辅助GPS系统的同一模块上的天线。

图2：Antenova的Radionova M10478 GPS模块。

它基于CSR的SiRFstarIV GPS架构，但关键是它与Antenova的高效天线技术相结合，为GPS接收提供最佳辐射模式。所有前端和接收器组件都包含在单封装层压基板模块中，提供完整的GPS接收器以实现最佳性能M10478采用1.8 V正电源供电，具有低功耗和多种低功耗模式，可进一步节省功耗。精确的0.5 ppm TCXO可确保首次定位时间短（TTFF），这对于惯性导航组合至关重要。 M10478由SiRF软件支持，并通过UART，SPI或I²C主机接口连接到控制器。

图3：M10478框图。

同样来自Telit的JF2是基于SiRF IV GPS芯片的1.8 V模块。它具有与外部控制器相同的UART，SPI或I²C主机接口，但也经过优化以连接到Telit蜂窝电话模块。这提供了辅助GPS功能，该功能使用来自卫星的一些数据并将其与来自手机桅杆的数据相链接，以便更快地进行修复。然而，在室内这可能会受到缺乏穿透性的影响，特别是对于1800 MHz信号。因此，有几家新公司争相提供位置信息，采用多种不同的方法，尽管也存在满足ISO要求的挑战。/IEC 24730实时定位系统（RTLS）标准。

去年收购了WiFiSlam后，Apple获得了一个专利申请，该系统结合了GPS，Wi-Fi接入点和机载位置数据库。提供室内位置信息。这通过将代码发送到基于服务器的定位系统来利用多个Wi-Fi接入点来缩小终端的位置。然后，系统估计接入点范围内的其他设备的“存在区域”。然后使用附近的其他接入点来细化位置信息，尤其是存在区域中的位置信息。

阿拉巴马州的Q-Track采用不同的方法，使用1 MHz无线信号提供位置信息。使用低频率可以更好地穿透地板和墙壁，并且不易受多径干扰的影响。但是，Q-track技术不使用信号强度来测量发射器和接收器之间的距离或GPS等飞行时间。相反，它测量信号的相位并使用近场属性来确定接收器的位置和距发射器的距离。在户外，系统精确到15厘米说，公司在室内上升到几米。但是，通过绘制建筑物的射频环境，可以将其缩小到40厘米，从而可以准确定位Q-track标签。

随着物联网（IoT）增加更多的无线连接，还有其他在不依赖GPS的情况下，在室内定位人员和标签位置的机会。

都柏林的Decawave使用低功率，扩频GHz脉冲的飞行时间测量，以提供低至10厘米的室内精度。这主要用于定位设备而不是可穿戴系统，尽管它用于监控健康设备。

DW1000 ScenSor（Seek Control Execute Network Sense Obey Respond）使用与IEEE802.15.4 2011标准相同的超宽带技术ZigBee使用的数据速率高达6.8 Mbit/s，相干接收器设计的射程高达300 m。这种方法不受多径衰落的影响，因此可以在室内情况下的高衰落环境中进行可靠的通信。

图4：用于室内跟踪的Decawave DW1000 ScenSor。

结论

添加室内定位可穿戴设备的技术仍然是一个尚待解决的挑战。 GPS，蜂窝和Wi-Fi等无线技术的结合为许多（但不是所有）终端提供了一条前进的路线。这也带来了外形和功耗的挑战。结合不同技术并确保互操作性和不干涉也是设计人员必须面对的挑战。