独立地磁导航正成为GPS的全新替代方案

GPS信号在大型建筑内部过于微弱，难以保证精度。在乌克兰和霍尔木兹海峡等冲突地带，对手会对信号实施干扰和欺骗。因此，几十年来人们一直在寻找既能在室内使用、也能在室外使用，甚至适用于水下等特殊环境的GPS替代方案。

利用地球磁场是一个颇具吸引力的思路。地磁场无处不在，即便信号微弱或受到周边局部磁场干扰也不例外。十余年来，部分企业已将预先绘制的局部磁场地图与蓝牙或射频识别（RFID）等技术结合，提供室内定位服务。

如今，AstraNav、Oriient和SysNav等公司表示，他们已准备好摆脱对其他技术的依赖，单独利用每台现代移动设备内置的磁力计，配合磁场地图数据来实现导航。这项技术在室外场景中同样开始展现出实用价值。"只要拥有磁场地图，我们就能在空中、水下或地下提供首次绝对定位。"AstraNav联合创始人兼首席执行官安东·图托夫（Anton Toutov）表示。

AstraNav将在未来几个月内向美国空军演示无人机如何通过其软件实现导航，该项目获得了180万美元的小企业创新研究（SBIR）资助。今年3月，公司还宣布与医疗实时定位服务商Sonitor达成合作，为医护人员和医疗设备提供基于磁力计的追踪系统。此后，Sonitor及其医疗客户将不再需要在院内安装超声波、蓝牙或其他信标来定位员工和设备。

斯德哥尔摩皇家理工学院（KTH）通信系统与自动控制学教授伊萨克·斯科格（Isaac Skog）表示，得益于信号处理技术的进步，磁力测量导航领域迎来了发展良机。"起初，人们只是尝试将手机磁力计用作指南针，但这非常困难，因为手机内部存在其他材料，需要大量处理工作来消除干扰，"他说，"后来人们开始思考：能不能不只用磁场来寻找北方，还用磁场变化来绘制地图、确定位置呢？"

自1990年代起，美国国防高级研究计划局（DARPA）便资助了多项针对城市和室内环境的GPS替代技术研究。各企业先后探索了Wi-Fi、RFID信标、惯性系统，以及近年来兴起的机器视觉和手机摄像头等方案。但在紧急情况或战场环境中，用户无法依赖任何外部基础设施。DARPA和众多企业的共同目标是让这项技术成熟到无需任何固定传感器或网络。

然而，技术挑战依然巨大。芝加哥迪保罗大学（DePaul University）计算机科学家大卫·汉利（David Hanley）表示："干扰因素太多了。"十多年前，他刚涉足这一领域时，即便将设备垂直移动一小段距离，也可能导致定位模型出现偏差，因为磁场的变化方式难以预测。许多研究者认为，磁力计对附近磁场干扰过于敏感——甚至设备内部电子元件产生的变化也足以形成噪声，淹没有效测量数据。不过，随着学术机构陆续取得一系列突破，企业也开展了大量内部研究，该领域在过去十余年间已显著成熟。

谷歌早在2014年就看到了这一潜力，从德国国家航空航天中心（DLR）挖来一支磁力定位研究团队。2017年，另一研究团队发表的一篇颇具影响力的论文阐明了如何利用高斯过程更好地理解磁场。

到2020年，这项技术已足够成熟，总部位于加利福尼亚州圣莫尼卡的初创公司Hidonix开始将磁力测量用于博物馆、学校等场所的室内导航，并结合Wi-Fi和加速度计推算的航位推测数据加以辅助。该公司会预先派遣机器人或人员在建筑内部行走，绘制磁场地图。斯科格指出，即便是这一步骤，也有赖于相关技术的同步成熟。"在探索阶段构建地图时，需要借助加速度计和陀螺仪来实现低漂移的高精度航位推测。"

如今，各公司正开始推出独立的室内磁力导航方案。Hidonix称，在室外环境中，其方案无需预先绘图便可提供磁力地理定位——室外干扰磁场的物体相对较少。而在室内，为满足大多数用户对精度的要求，仍需提前录制磁场地图。

另一种方案是收集大量磁场变化数据，再利用神经网络预测局部磁场变化规律，即使没有预先录制的地图也能使用。AstraNav早在2022年俄罗斯入侵之前就已在乌克兰开展这一技术实践，而乌克兰此后也成为全球电磁环境最为复杂的地区之一。大量训练数据还带来了额外收益：公司能够针对各类不同设备进行数据校准，这在室内场景中同样大有裨益。

"我们对硬件没有特定要求，"图托夫说，不过若能提前对相关硬件进行研究，定位效果会更好。AstraNav还致力于将所有必要计算全部在设备本地完成，以避免在存在信号干扰或厚墙等物理障碍的环境中仍需保持通信连接。

如果仅依赖磁力计的室内定位技术真的已具备商业化条件，市场需求必将十分庞大。室内地图的商业价值横跨民用和各类特殊场景。该市场规模可能已达数百亿美元量级，有市场研究机构预测，到2030年将增长至逾1500亿美元。工厂需要室内地图来引导机器人作业；零售商希望借助精度低于1米的室内地图追踪顾客并与其沟通——这一精度足以判断顾客所在的货架通道。

然而，斯科格指出，面对真实场景的复杂性，企业仍将面临重重考验，例如人体本身对局部磁场的干扰，或乘坐电梯等动态场景。"在研究论文中提出可行方案是一回事，但你需要的是鲁棒性，"汉利说道。

Q&A

Q1：磁力计导航技术为什么能替代GPS？

A：地球磁场无处不在，无论在室内、水下还是地下都能探测到，而GPS信号在大型建筑内部过弱，且容易在冲突地区遭到干扰和欺骗。磁力计是现代手机的标配硬件，结合预先绘制的磁场地图，可以实现无需外部基础设施的独立定位，因此具备替代或补充GPS的潜力。

Q2：AstraNav的磁力导航方案有什么技术特点？

A：AstraNav利用神经网络分析大量磁场变化数据，即使没有预先录制的磁场地图也能预测局部磁场规律。公司早在乌克兰冲突前就积累了大量训练数据，并对多种设备进行了校准。此外，AstraNav致力于将所有计算在设备本地完成，无需持续联网，适合信号被干扰或存在物理障碍的恶劣环境。

Q3：独立磁力计室内导航目前面临哪些技术挑战？

A：主要挑战来自复杂的真实环境。人体本身会对局部磁场造成干扰，乘坐电梯等动态场景也会影响定位精度。此外，设备内部的电子元件也会产生磁场噪声。室内导航目前通常仍需预先绘制磁场地图才能达到用户要求的精度，如何在无图条件下保证定位的鲁棒性，仍是研究人员和企业努力攻克的难题。