百度在2014年以1000万美元入股芬兰室内定位商IndoorAtlas（芬图科技），将室内磁场特征匹配定位技术带入了大家的视野，并在百度地图APP中使用了该技术。但这种利用室内地磁场畸变特征来实现匹配定位的可行性至今仍存在争议。本文专门讨论这个问题，希望能打消大家的顾虑。

  室内磁场匹配定位技术利用建筑结构中的铁磁性物质（钢梁、钢筋等）所造成的地磁场畸变特征，“变废为宝”，将其作为与室内位置强相关的特征信息，实现特征数据库匹配定位。该技术具有无需硬件布设（室内磁场特征信号无处不在）、磁信号不受人体或一般物体遮挡等得天独厚的优势，已经成为手机室内定位的核心手段之一。尽管如此，室内铁磁性物体（铁制家具）或电气设备所形成的磁场干扰，仍然让大家对室内磁场匹配定位充满疑虑！今天我们就来专门聊聊室内磁场匹配定位的可行性，主要包括4个问题：

1.室内常见铁磁性物体的影响；

2.室内磁场信号分布的长期稳定性；

3.室内典型区域是否有足够明显的磁场特征？

4.手机终端在不同持握高度上的磁场信号差异。

1.     室内常见铁磁性物体的影响

    室内环境中常见的铁磁性物体对磁场的干扰影响到底有多大，是否会严重地破坏磁场匹配定位的可行性？为了回答该问题，我们测量了室内常见的铁磁性物体（铁栅栏、卷帘门、电梯等40余种）在不同距离上的磁场干扰，部分测试如图1所示（全部详细测试结果请点击以下链接，下载1份长达几十页的测试报告室内常见铁磁性物体的磁场影响测试报告.pdf ），图中横轴为磁力计距离铁磁性物体的距离，纵轴为磁力计三轴输出的磁场强度。由图可知，磁干扰随着与干扰源的距离增加而迅速衰减（理论上是与距离的三次方成反比衰减），且距离大于1 米时可以完全忽略。因此，室内常见磁场干扰源（例如钢筋混凝土柱子、铁门等）的移动或添减只会影响局部磁场分布，不会造成大范围环境磁场的变化，例如地下车库场景下用户只要距离车辆1米以上就能获得较稳定的定位结果（车库中车辆数量不会造成环境磁场的明显变化）。万一用户从室内铁磁性物体近处经过，可在定位算法中当作磁场数据的粗差进行探测和处理。此外，人体不是铁磁性物体，人体随身携带的铁磁性物体通常较小（例如钥匙扣、皮带扣等），因此用户和周围人群完全不会造成环境磁场的变化，不会影响磁场匹配定位效果，这也是无线信号定位所不具备的优点。

图1 室内典型物体造成的磁场干扰的影响范围

2.     室内磁场信号分布的长期稳定性

    室内磁场强度的分布是否稳定不变，是否需要像WiFi信号那样每1~3个月就更新一次指纹库？为了回答这个问题，我们在 2019年7月和 2020年7月对同一区域（典型办公楼场景）的环境磁场特征进行了采集和对比。图2给出了两次磁场指纹库的差异（相同参考点位置磁场强度模值求差）以及磁场差异的累积密度分布。可以看到，即使间隔1年时间，同一区域的环境磁场变化小于50毫高斯（90%概率），相对于地球磁场强度（约400~500 毫高斯）和典型室内磁场波动来说小了1个数量级，可以忽略。还有学者分析了相同室内区域时隔两三年的磁场信号变化，得出的结论是：当室内建筑结构没有发生变化时，磁场指纹库不需要更新 [Ashraf 2020]。

图2 环境磁场特征长期稳定性分析（时隔1年）

3.     室内磁场信号特征的位置分辨率

    地磁场本身随坐标位置的变化极小，位置分辨率很低（百米级），而室内磁场为什么能够提供米级/亚米级定位呢？图3给出了典型室内场景下（即长直走廊）磁场强度随空间位置变化的关系（蓝色曲线）。从左图可知，不同位置会出现相同的磁场强度模值（例如红色圈），使用单个历元的磁场强度模值显然无法获得准确的定位结果。然而，我们可以选取一定窗口内磁场强度构成的序列（例如右图中红色框内的磁场强度模值）作为磁场匹配方法的基本单元，那么在这一个走廊场景中就是唯一确定的。理论上讲，只要磁场强度序列足够长的话，就可以提供全局范围内（例如整栋建筑内）的绝对定位服务。然而，为了减少磁场匹配定位的搜索响应时间，一般情况下会使用其它定位源（例如WiFi、蓝牙和PDR等）将磁场匹配搜索范围大幅度缩小，从而达到快速响应的精准定位。

图3 磁场序列的位置区别度分析（单点测量值完全没有区别度；而一段磁序列则具有唯一性）

4.     手机终端在不同持握高度上的磁场信号差异

    建立磁场特征指纹库时采集设备所处的高度与实际用户定位时手机终端所处的高度无法保持一致，此时磁场指纹库是否会失效？磁场匹配定位是否仍然可以正常工作？为此我们使用自制的磁力计阵列（3×6个磁力计），通过手持阵列在常见的室内环境中进行磁场数据采集，此时磁力计阵列覆盖了大众用户手持智能手机的所有可能高度，如图4a所示。从图4b可知，尽管同一位置不同高度上的磁场强度大小有明显差异，但是磁场强度的变化趋势基本一致。因此只要在磁场序列匹配算法上采取点儿措施，就不会对磁场定位结果造成明显的影响。[Kuang 2021]

     

图4 用磁力计阵列测量不同高度上的磁场强度变化图（变化趋势具有一致性）

    综上所述，我们可以得到以下结论：

1.室内常见铁磁性物体只会影响局部磁场分布（最大1米范围），不会对室内环境磁场分布造成明显干扰；

2.室内环境磁场分布具有长期稳定性（大于1年），无需频繁更新磁场指纹库；

3.室内典型区域有足够的磁场起伏波动来进行磁场序列匹配定位；

4.手机终端在不同持握高度上的室内磁场信号差异具有相近的变化趋势，因此不会影响室内磁场序列匹配定位。

因此，室内磁场信号用于室内磁场匹配定位是切实可行的。

    当然，磁场匹配定位也有其天生的局限性：

1.由于磁场匹配定位不得不采用序列匹配来提高其特征区别度，因此初始定位需要用户走出去一段距离（10米左右）才能完成，即无法在启动时原地定位。

2.在非常空阔的区域可能会由于磁场特征不足而影响定位精度。（不过实测表明一般的大厅、大堂等区域是有足够的磁场波动特征来实现磁场匹配定位的。）

3.在金属仓库、钢铁厂、集装箱码头等有大宗钢铁材料堆放和搬运的场景中，由于存在环境磁场的显著变化而不宜采用磁场匹配定位。

    为此，磁场匹配定位还是需要与其它有互补特性的定位手段相结合，以满足大众位置服务对室内定位的需求。

    文献[2]为我们团队1篇阐述室内磁场匹配定位完整方案的论文。

[1] Ashraf, I., et al., A Comprehensive Analysis of Magnetic Field Based Indoor Positioning With Smartphones: Opportunities, Challenges and Practical Limitations. IEEE Access, 2020. 8: p. 228548-228571.

[2] Kuang J, Li T, Niu X. Magnetometer bias insensitive magnetic field matching based on pedestrian dead reckoning for smartphone indoor positioning[J]. IEEE Sensors Journal, 2021. [PDF]