独立地磁导航正成为GPS的全新替代方案

GPS信号一到大型建筑内部就弱得不行，别说精度了，连稳定都比较困难。更别提在乌克兰、霍尔木兹海峡这类冲突地带，对手随时可能对信号进行干扰甚至欺骗。所以，几十年来，人们一直在琢磨：能不能搞一个既能在室内用、也能在室外用，甚至水下也能顶上的替代方案？

利用地球磁场，确实是个不错的思路。地磁场无处不在，哪怕信号再弱，或者周边有局部磁场干扰，它就在那里。过去十多年里，有些企业已经把预先绘制的局部磁场地图跟蓝牙、射频识别（RFID）等技术结合起来，用来提供室内定位服务。

但现在，事情有了新变化。像AstraNa v、Oriient、SysNa v这些公司都表示，他们已经准备好甩开其他技术，只靠每台现代移动设备里自带的那颗磁力计，配合磁场地图数据来实现导航。而且，这项技术在室外场景里也开始展现出实用价值。“只要拥有磁场地图，我们就能在空中、水下或地下，提供第一次绝对定位。”AstraNa v的联合创始人兼CEO安东·图托夫（Anton Toutov）这么说。

AstraNa v接下来几个月要向美国空军演示：无人机怎么通过他们的软件实现导航？这个项目拿到了180万美元的小企业创新研究（SBIR）资助。今年3月，他们还跟医疗实时定位服务商Sonitor达成合作，要给医护人员和医疗设备搞一套基于磁力计的追踪系统。以后，Sonitor和它的医疗客户就不用再在医院里到处装超声波、蓝牙或其他信标来定位员工和设备了。

斯德哥尔摩皇家理工学院（KTH）的教授伊萨克·斯科格（Isaac Skog）认为，信号处理技术的进步，让磁力测量导航迎来了发展良机。“一开始，大家只是想把手机磁力计当指南针用，但这特别难，因为手机内部有各种材料，需要做一大堆处理才能消除干扰，”他说，“后来人们开始琢磨：能不能不只拿磁场来找北，而是用磁场的变化来画地图、确定位置？”

从1990年代起，美国国防高级研究计划局（DARPA）就资助了不少针对城市和室内环境的GPS替代技术研究。各家企业先后试过Wi-Fi、RFID信标、惯性系统，还有近几年火起来的机器视觉和手机摄像头。但在紧急情况或者战场上，用户没法依赖任何外部基础设施。DARPA和不少企业的共同目标很简单：让这项技术成熟到不需要任何固定传感器或网络。

然而，技术挑战还真不小。芝加哥迪保罗大学（DePaul University）的计算机科学家大卫·汉利（Da vid Hanley）直言：“干扰源实在太多。”十多年前他刚涉足这行时，就算把设备垂直移动一小段距离，定位模型都可能跑偏，因为磁场的变化方式很难预测。很多研究者都觉得，磁力计对周边磁场干扰太敏感，甚至设备内部电子元件产生的变化都足以形成噪声，把有效测量数据淹没了。不过，随着学术界接连取得突破，企业也在大量内部研究上下了功夫，这个领域在过去十几年里已经成熟了不少。

谷歌早在2014年就看中了这个潜力，从德国国家航空航天中心（DLR）挖来了一支磁力定位研究团队。2017年，另一支团队发表了一篇很有影响力的论文，把怎么利用高斯过程更好地理解磁场这件事说透了。

到2020年，技术已经够成熟了。总部在加州圣莫尼卡的初创公司Hidonix，开始把磁力测量用在博物馆、学校等场所的室内导航上，同时结合Wi-Fi和加速度计推算的航位推测数据来辅助。他们会先派机器人或者人员在大楼里走一圈，把磁场地图画出来。斯科格指出，就连这一步，也离不开相关技术的同步成熟。“在探索阶段构建地图时，得靠加速度计和陀螺仪来实现低漂移、高精度的航位推测。”

现在，各家公司正陆续推出独立的室内磁力导航方案。Hidonix说，在室外环境里，他们的方案不需要预先绘图就能提供磁力地理定位——毕竟室外干扰磁场的物体相对少。而室内的话，要满足多数用户对精度的要求，还是得提前把磁场地图录好。

另一种思路是：收集大量磁场变化数据，然后靠神经网络来预测局部磁场的变化规律，这样就算没有预先录好的地图也能用。AstraNa v早在2022年俄罗斯入侵之前，就在乌克兰开展过这项技术的实践，而乌克兰后来也成了全球电磁环境最复杂的地区之一。大量训练数据还带来一个额外的好处：公司能针对各种不同的设备做数据校准，这在室内场景里也特别管用。

“我们对硬件没有特定要求，”图托夫说，不过如果能提前研究一下相关硬件，定位效果会更好。AstraNa v还努力把所有的计算都放在设备本地完成，这样就能避免在信号被干扰或者有厚墙等物理障碍的环境里，还得保持网络连接。

如果真只靠磁力计的室内定位技术已经具备商业化的条件，那市场需求可不是一般的大。室内地图的商业价值横跨民用和各种特殊场景。这个市场规模可能已经到几百亿美元了，有研究机构预测，到2030年能涨到超过1500亿美元。工厂需要室内地图来引导机器人干活；零售商希望借助精度在1米以下的室内地图来追踪顾客，甚至跟他们互动——这个精度，足够判断顾客在哪条货架通道里逛。

不过斯科格也提醒，真实场景的复杂性会带来不少考验。比如人体本身会对局部磁场造成干扰，再比如坐电梯这种动态场景。“在论文里提出可行方案是一回事，但你真正需要的是鲁棒性，”汉利说。

A：地球磁场无处不在，不管室内、水下还是地下都能探测到，而GPS信号在大型建筑里面太弱，还容易在冲突地区被干扰或欺骗。磁力计是现代手机的标配硬件，加上预先绘制的磁场地图，就能实现不用外部基础设施的独立定位，所以有潜力替代或补充GPS。

A：AstraNa v用神经网络来分析海量磁场变化数据，就算没有预先录制的磁场地图，也能预测局部磁场规律。他们在乌克兰冲突前就积累了不少训练数据，还对多种设备做了校准。另外，AstraNa v把所有计算都放在设备本地完成，不需要持续联网，很适合信号被干扰或者有物理障碍的恶劣环境。

A：主要挑战来自复杂的真实环境。人体本身会干扰局部磁场，坐电梯这类动态场景也会影响定位精度。设备内部的电子元件也会产生磁场噪声。室内导航现在通常还是得预先画好磁场地图才能达到用户要求的精度，怎么在没有地图的情况下保证定位的鲁棒性，仍然是研究人员和企业要攻克的难题。