WiFi RTT真成导航通信融合突破口吗？

原创： 曹 冲 斗室智库 7月12日

WiFi往返时间（RTT）高精度测量，给导航通信融合找到了突破口！高精度大众化应用的日子很快会来到，是这样吗？近在咫尺，还是远在天涯？这里介绍用安卓智能手机，主要通过WiFi RTT技术达到一米精度的案例，以飨读者。这是《GPS World》杂志刚刚发布的一篇文章《How to achieve 1 meter accuracy in Andriod》，谈到了这一问题。这就是说，由于硬件技术标准和应用程序编程接口（API）同时发展，才可能使得一米定位精度成为现实。尤其是可以形成室内外融合定位解决方案，如下图所示。

我们可能在不知不觉中发现，在购物中心和办公大楼内时，你的智能手机导航似乎比几年前更准确了。这是因为人们在稳定地改进了针对Wi-Fi定位的Android算法和机器学习。在智能手机中提供一米的定位精度，其关键技术是：Wi-Fi RTT（往返时间），与GPS双频和载波相位测量。
Wi-Fi 的RTT及其工作原理。通常人们通过接收Wi-Fi信号强度指示（RSSI），将距离作为信号强度的函数，来计算确定室内位置。显然这种方法的定位精度不会很精准，且容易受环境因素的影响。Wi-Fi RTT测量所使用的是传播时间而不是信号强度，它测量的是Wi-Fi RF数据包从接入点发送到手机并再次返回所需的时间，如果将Wi-Fi数据包的总往返时间乘以光速并除以2，就可以获得两者之间的距离。事实证明，如果能多次执行此过程，实际上会获得更高的精准度，因此协议允许这样做，从而启用一系列FTM数据包。通常会对这些交易中的大约八个数据包进行触发，系统可以计算测距统计数据，例如均值和方差。从而能够更准确地绘制地图上的位置，由于精准度的提高还允许人们更容易地计算运动轨迹。如果对终端附近的多个WiFI接入点进行距离测量，用来进行位置计算。如果测量距离次数越多，所计算得到的位置就越精准。如果可以使用至少四个接入点的距离测量量，那在大多数建筑物中，能够实现大约一到两米的定位精度。2018年开始在Android运用Wi-Fi RTT，基于IEEE 802.11mc测距协议，在Android P中发布公共API。此外，还将此协议的各个方面集成到融合位置提供应用中。在不久的将来，任何时候手机附近都有若干个可用于获得RTT的WiFi接入点，所得估计位置精度会更高。
利用RTT与其它技术的融合实现定位精度达到1米。一旦获得距离测量量，就可以进行定位。类似于GPS定位，可以将四个独立的接入点所得的四个距离利用起来；如果这些距离是准确的，他们将定义在单个点相交的四个圆。实际上，由于每个距离中存在误差，使用最小二乘法多重定位算法计算最大似然位置。接着，可以通过重复该过程来进一步精化此位置，尤其是在手机移动时。然后使用滤波技术（例如卡尔曼滤波）计算轨迹以优化位置估计。像任何新技术一样，存在挑战。发现有时会有恒定的、可能高达半米的距离校准偏移。还会看到明显的多路径效应，其中从接入点到手机的非视距路径上的数据包被接收，而不是在视距路径上，使得距离看起来更长。这个问题可以通过提供商使用称为天线分集的技术来解决，但所有这些问题都与算法有关，提供商正在改进这些算法。真正的实用的解决方案，如下图所示，是RTT与智能手机上的其它技术实现集成融合。

把RTT功能集成到融合位置提供商（FLP）的API中。这就是说，还要使用GNSS、蜂窝基站定位和Wi-Fi RSSI（射频信号场强指示），以及来自加速度计（AC）、陀螺仪（GYRO）和磁罗盘惯性导航，并将所有这些信息融为一体。现在我们将Wi-Fi RTT添加到该组合中，只要附近有RTT功能的接入点，它就会提高融合位置提供商的服务精准度。
RTT API。RTT测量的是两个Wi-Fi设备之间的往返时间，因此移动电话和接入点都需要支持802.11mc协议。如您所见，RTT可以提供精确的位置估计，精度优于1米，因此在应用程序时需要声明ACCESS_FINE_LOCATION权限。这就需要在移动设备上启用位置和Wi-Fi扫描。从RTT测距结果中获得的信息列表：距离，距离标准偏差，它是多个FTM中多个范围的标准偏差，FTM测量的尝试次数和成功测量的次数。同时，智能手机上必须增加新的系统功能，名为FEATURE_WIFI_RTT。
GNSS和智能手机的GNSS API。自20世纪80年代以来，载波相位精度一直存在于商用GPS接收机中。最新手机会逐步采用这些载波相位测量和双频测量的可能性。目前，无处不在的智能手机，大多仅拥有GNSS一个频点。通常是为L1。但是GNSS兼容互操作很快会有个新频点，名为L5，它得到了GNSS系统广泛支持，包括GPS、Galileo、BeiDou、QZSS和IRNSS。第二频率的可用性意味着可以更快地收敛到载波相位精度。在智能手机API中，必须支持GNSS测量API。应该需要ACCESS_FINE_LOCATION权限，并且需要启用位置。其中最相关的方法有以下三种：一是getConstellationType，告知特定卫星属于GNSS星座中的哪一个；二是getCarrierFrequencyHz，告知特定信号是否在L1或L5频段上；三是最为重要，getAccumulatedDeltaRangeMeters，告知接收机自开始跟踪信号以来跟踪载波所获得的距离。
这里绍介的这篇文章所提出的方法，及其所提供的安卓软件定位用WiFi RTT 的API，和与其它技术集成融合解决方案，都正在，或者很快会付诸实施。这种多模导航通信融合技术，将为保障一定精度的室内外融合定位，打开了一种诱人的局面。