陈锐志：做透“音频定位”技术拥抱市场服务社会

◎ 关晓晴

陈锐志，武汉大学教授、博士生导师。他提出“手机思维引擎”的新概念，探索手机从智能感知到智慧认知这一创新性技术；建立了基于肌电、视觉等新兴传感器的室内定位新体制与新方法，开辟了个人导航定位领域研究新方向；开发了从数据源到可视化的整套智能手机三维无缝导航技术，构建手机三维无缝定位的完整技术体系。

2020 年7 月，北斗三号全球卫星导航系统正式建成开通。我国自主可控的北斗系统从区域走向全球，面向全球各类用户提供全天候、全天时，高精度、高可靠的定位、导航、授时服务。

在室外，北斗已经可以提供厘米级精度的定位服务，已基本满足人们在室外场景中对位置服务的需求。但人们的日常活动大多在室内进行，个人用户、服务机器人、新型物联网设备等大量的定位需求也发生在室内。统计数据也表明，人们每天大约有70%～90%的时间是在室内，有大量的潜在用户对室内位置服务有一定的需求。近年来，位置服务的相关技术和产业正从室外向室内发展。

室内和室外空间定位技术有着很大不同，以室外空间主流的卫星定位技术为例，卫星定位技术需要通过接收卫星测距和导航电文信号来进行定位，卫星定位受限于卫星信号的传输，在信号被遮挡和信号不可达的室内区域会完全失效，导致定位精度低或无法定位。

此外，室内空间也远比室外空间要复杂多变。武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室主任陈锐志教授总结道：“相较于室外，室内空间或地下空间拓扑关系、室内信道、用户行为都更为复杂。”这无疑给室内空间定位技术的研究带来更多的挑战。

在陈锐志看来，在室外，我国北斗系统已经在GNSS 市场的激烈竞争中脱颖而出，拥有自主可控的室外定位系统和技术。在室内，也急需自主可控的室内定位技术，抢占室内外无缝定位技术的战略制高点。而室内外一体化位置服务也正是“万物互联”的基础，低成本、简易、高精度的室内定位方案是社会经济发展的迫切需求。

2016 年开始，陈锐志教授主持了国家重点研发计划项目“高可用高精度室内智能混合定位与室内GIS技术”，依托该项目成果，面向北斗室内外无缝定位国家重大需求，针对北斗定位信号无法穿透室内空间、大型复杂室内空间定位精度低、我国缺乏自主可控的高精度室内定位核心技术等难题，开展音频定位芯片核心技术研究。经过数年的深耕，该技术成果获得了2022 年测绘科学技术特等奖，这是对该技术成果的极大肯定。

为什么选择了音频定位？在研发过程中又攻克了哪些难关？目前该技术的应用成效如何？陈锐志教授欣然接受了采访，分享项目背后的点滴。

遵循两大命题选定声音定位源

2016 年，陈锐志回到武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室。同年7 月，由他主持的“高可用高精度室内智能混合定位与室内GIS技术”获得“十三五”国家重点研发计划支持，项目正式立项。

“当时科技部给这个项目的两大命题就是在不改变手机硬件的前提下做到室内空间定位精度优于1米。”陈锐志说道。过去主流的室内定位技术，如Wi-Fi 指纹匹配、蓝牙标签、地磁等定位技术很难达到优于1 米的精度。挖掘手机内可用的新的定位源，成为了该项目首要攻克的方向。

陈锐志回忆：“我们在开题的时候，该项目其实立项是面向‘声光电场’，即声音、光线、电信号和场，例如视场（摄像头）。项目的前半程，至2018 年11 月中期评估前，我们都一直基于各种定位源进行不同的探索。”

与此同时，世界格局也在不断变化中。陈锐志用“百花齐放、百家争鸣”来形容当下室内定位技术的发展情况。蓝牙、UWB、Wi-Fi 等高精度定位技术都是当前国际上的主流技术，但这些都是欧美的技术，国外已经在这些技术研发上占据一定的先机。这样的局面坚定了陈锐志团队去发掘新定位源的决心。

“在室外，我国已经拥有自主可控的室外定位系统和技术，也就是北斗卫星定位系统。那么在室内定位方面，也急需自主可控的室内定位技术，去支撑大型地下空间运维的数字化、信息化和智能化。”陈锐志说，“就以谷歌和苹果为例，这两大巨头都着眼于室内定位，谷歌先采用的相机定位，也就是视觉定位；苹果则投资了UWB（超宽带）。两者有优势也有弊端，视觉定位依赖环境光线，超宽带的建设成本则更高，也较难兼容于手机。这不满足科技部给我们的两大命题条件。”

因此，挖掘新的定位源不仅仅是为了“新”而去另辟蹊径，更是在响应“实现关键核心技术自主可控”的号召。项目开展了近三年，陈锐志发现了声音可能是这几个定位源中较为理想的定位信号。通过中期评估后，陈锐志及其团队决定了——将声音定位进行重点突破！

基于两大命题、室内定位重点难点以及自主可控的要求，陈锐志团队明确了目标，即实现包含定位信号设计、芯片、定位模组、定位标签、定位基站等全链条硬件解决方案和跨系统、跨平台的软件解决方案。

走出实验室做透“音频定位”

在确定沿着声音这一定位源进行深耕后，陈锐志自己设定了一个目标：“一定要把技术做透。”

“什么叫做透呢？不是在实验室环境里试一试，写几篇论文就结束了。我希望能将这一技术产业化，将技术切实服务于社会。我希望音频定位能成为国内的品牌定位技术，能够将美国的超宽带技术进行国产化的替代。”陈锐志坦诚地说，“我们本身起步就晚了几年，把这个作为目标虽然很艰难，但我们已经在奋起直追了，也很有希望可以做得更好。”陈锐志充满了信心和干劲。

陈锐志给记者介绍道，其实声音定位研究不是该项目的首创。目前国际上，例如美国的一些高校，一直有对音频定位进行研究。但是他们都只局限在实验室环境下进行小范围测试。“这些项目组只是将研究做到了产出论文的程度就结束了，要想真正做到像南京南站56 万平方米全覆盖，就要做透，突破两方面的核心技术，和在实验室里的科研不大一样。”陈锐志说。

● 南京南站现场测试

要真正拥抱市场，实现商业化落地有着两大技术瓶颈。这也是困扰陈锐志及其团队许久的难题。首先是音频信号衰减快，难以得到高精度、长距离的观测量。“声波这类信号衰减得非常快，我们常说声音离得远就听不见了，不像电信号能传很远。”许多科研团队在10 米、8 米或是更短的距离内都有不少实验成果。而陈锐志想要达到的是50 米范围内的精准定位。“这是我们面临的第一个问题。我们花了很长时间，从信号设计到一些信号检测方式、方法做了很多攻关，才满足了50 米这个距离要求。50 米和10 米的区别在哪里？当技术成果可以满足50 米这个距离要求之后，针对高铁、机场等交通枢纽有很大的用处。如果这个技术局限在10 米，那在这些公共场所可使用率非常低，甚至说不能用。这对室内定位来说是没有意义的。”

陈锐志指出，长距离覆盖归根结底是弱信号处理的问题。他带领团队提出并实现了“粗检测—信号归一化—精检测—粗差剔除”的音频弱信号检测方法，解决远—近效应的难题，实现高精度、长距离（50米）测距技术。

第二个技术瓶颈便是可用带宽窄，频带资源稀缺，难以支撑大规模定位场景；同时需要解决复杂场景中强噪声、强多径、信号覆盖能力差的难题。陈锐志指出，音频定位技术落地不能影响他人，发出噪音；也不能受定位环境噪音影响，导致定位精度下降。“就比如我在会场里面开会，大家安安静静的，音频定位发出声音就会有影响，体验感不好；在交通枢纽、公共商场等场所，一定会有很多场景噪声，如果噪声影响了定位精度，这个技术同样也会失去意义。”

陈锐志坦言这两点给他们带来了很大的约束，经过测算，不能被人耳所接收又需要让麦克风精准捕捉的能定位的带宽大概在16kHz—23kHz 之间，只有6 Khz 的带宽，可重复利用的频带资源很有限。

怎么能用最少的信号、最窄的信号资源来做到广覆盖呢？陈锐志团队利用“时分—空分—频分”的信号混合调制机制，解决了这一难题，最终只用6kHz 的带宽，实现全场景信号覆盖的漫游方案，为推动该技术的商业化落地提供了有力技术支撑。

“在商业化落地的过程中，我们遇到最难的问题就是这两个。这两个问题其实并不影响我们写论文。如果我们不想追求技术商业化落地，其实不需要去解决这两个问题。在实验室环境下，国际上大部分的研究里10 米定位范围可以做到很好了。”陈锐志在讲述时语调高昂，似乎这些困难对他而言都不是阻碍。但其实单这两点，他就带领团队里的十多名博士耗费了半年时间才将其攻克。无疑，成果令人欣喜！

实现国产替代挖掘更多应用场景

根据项目成果检测，陈锐志及其团队研制的基于智能手机的音频智能混合定位系统能实现38 厘米的静态定位精度，20Hz 位置更新率和50 米信号覆盖能力，综合指标优于国际同行，可称得上是一个“高精度、高可用、广覆盖”的智能混合定位系统。

“我们的音频定位技术，在精度上与美国UWB 定位技术相当，而在手机兼容性、跨平台、跨系统等方面更占优势。特别是在安装成本上，由于不需要昂贵的时间同步系统，其运维成本低。音频定位技术与Wi-Fi、蓝牙、5G 等射频信号互不干扰。最重要的是该技术自主可控，可实现美国UWB 定位技术的国产替代。”陈锐志强调。

随着一项项指标的达成，一个个难题的攻克，一项项技术的优化，团队在项目立项时设立的目标都一一实现了，也收获了意外之喜。据悉，该项目通过了以杨元喜院士为组长的专家组成果评价，一致认为，研发的国产自主可控音频定位技术总体成果达到国际先进水平，其中基于数模双驱动的核心定位技术达到国际领先水平。后该项目荣获了2022 年测绘科学技术特等奖。此前在各大国际赛事中，项目的相关技术也获得了不少金奖。

陈锐志为自己设定的目标自然也达成了。团队研制的音频定位系统已在南京南站（56 万平方米）和鄂州机场（45 万平方米）成功实现商业化落地，有效支撑了智慧安防和智慧物流应用；同时，系统也部署在了杭州东站、广州白云机场、德清国际会展中心等大型场景，在智慧枢纽、智慧物流、校园防疫等领域均得到了广泛应用。

陈锐志介绍，团队承建了南京南站联勤联动警力定位系统的建设。目前已经服务于智慧安防，为公安民警提供实时位置服务，支撑警勤分配、联防联控应用等。他也欣喜地透露，待音频定位系统全部完成后将择机开放民用，为南京南站广大旅客提供接站找人、停车找车、室内导航、一键报警等大众用户服务，提高重点站区的公共交通效率和公共安全水平，进而提升站区服务能力。“我自己经历过很多次，落地检核酸，一检完核酸你就不知道在哪个出口了。经常和来接的朋友彼此‘错过’。现在我们就有了完善的室内定位系统，再和室外的北斗相配合，发送一个位置就是最有效的沟通。”陈锐志举例说道。

而在陈锐志的设想里，音频定位的效用远远不止于此，他一直在思考音频定位的更多可能性。

首先是继续商业化落地，目前陈锐志正在带领团队努力将算法继续优化，同时和手机商进行对接，力求将音频定位变成每一部智能手机的标配。“手机这个载体会带来很多资源上的限制，对内存、算力、功耗都有要求。只有进一步优化核心技术，才能真正进入个人用户的市场，实现产业化。”陈锐志又为自己确定了下一个目标。

其次，是将声音从地上空间扩展到水下。“第二个设想就是利用声音的优势，开展水下的测距研究。用一句土话来讲，到了水下就不‘卷’了。在地表空间大家很卷，百家争鸣。而水这个介质，相对其它定位源，对声音来说是较友好的。”陈锐志表示这个研究还处于起步阶段，从科研角度出发，是值得研究的方向。

正如采访中陈锐志所说的那样，将音频定位做透，实现商业化落地，真正服务于社会，音频定位的更多可能性便能在此过程中不断显现。

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