独立地磁导航成为GPS全新替代方案

GPS信号一旦进入大型建筑物内部就会急剧衰减，不仅定位精度大打折扣，连稳定性都难以保证。在乌克兰、霍尔木兹海峡等冲突频发区域，对手更是能轻易实施信号干扰甚至欺骗攻击。正因如此，过去几十年间，业界一直在探索一种既能适应室内环境、又能在室外甚至水下稳定运作的替代导航方案。

利用地球磁场进行导航，确实是一条前景广阔的路径。地磁场无处不在，无论信号多么微弱，或周边是否存在局部磁场干扰，它始终存在。过去十余年里，已有企业成功将预先绘制的局部磁场地图与蓝牙、射频识别（RFID）等技术相结合，用于室内定位服务。

如今，这项技术迎来了重大突破。AstraNa v、Oriient、SysNa v等公司宣称，他们已经能够完全依赖每台现代移动设备内置的磁力计，配合磁场地图数据实现纯磁力导航，无需借助其他辅助技术。更令人瞩目的是，该技术在室外场景中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、水下或地下完成首次绝对定位。”AstraNa v联合创始人兼CEO安东·图托夫（Anton Toutov）如是说。

接下来几个月，AstraNa v将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。2025年3月，他们还与医疗实时定位服务商Sonitor达成合作，共同为医护人员和医疗设备打造一套基于磁力计的追踪系统。此后，Sonitor及其医疗客户将无需在医院内大规模部署超声波、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）教授伊萨克·斯科格（Isaac Skog）认为，信号处理技术的进步使磁力测量导航迎来了发展良机。“最初，大家只是想把手机磁力计用作指南针，但这极其困难，因为手机内部有各种材料，需要大量处理才能消除干扰，”他说，“后来人们开始思考：是否不仅能利用磁场找北，还能通过磁场的变化来绘制地图、确定位置？”

自1990年代起，美国国防高级研究计划局（DARPA）就资助了大量针对城市和室内环境的GPS替代技术研究。企业先后尝试过Wi-Fi、RFID信标、惯性系统，以及近年兴起的机器视觉和手机摄像头。然而，在紧急情况或战场上，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非常明确：让这项技术成熟到无需任何固定传感器或网络即可独立运行。

不过，技术挑战依然不小。芝加哥迪保罗大学（DePaul University）计算机科学家大卫·汉利（Da vid Hanley）直言：“干扰源实在太多。”十余年前他开始涉足该领域时，即使将设备垂直移动一小段距离，定位模型都可能失效，因为磁场变化方式难以预测。许多研究者认为，磁力计对周边磁场干扰过于敏感，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。幸运的是，随着学术界不断取得突破，企业也在大量内部研究中持续投入，该领域在过去十几年间已显著成熟。

谷歌早在2014年就看中了这一潜力，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，另一支团队发表了极具影响力的论文，详细阐述了如何利用高斯过程更好地理解磁场分布规律。

到2020年，技术已足够成熟。总部位于加州圣莫尼卡的初创公司Hidonix率先将磁力测量应用于博物馆、学校等场所的室内导航，并辅以Wi-Fi和加速度计推算的航位推测数据。他们会先派机器人或人员在大楼内走一圈，绘制出详细的磁场地图。斯科格指出，即使这一绘图环节，也离不开相关技术的同步成熟。“在探索阶段构建地图时，必须依靠加速度计和陀螺仪实现低漂移、高精度的航位推测。”

如今，各家公司正陆续推出独立的室内磁力导航方案。Hidonix表示，在室外环境下，他们的方案无需预先绘图即可实现磁力地理定位——因为室外干扰磁场的物体相对较少。而在室内，要满足多数用户对精度的要求，仍需提前录制好磁场地图。

另一种创新思路是：收集海量磁场变化数据，利用神经网络预测局部磁场变化规律，从而摆脱对预录地图的依赖。AstraNa v早在2022年俄罗斯入侵之前，就在乌克兰开展了这项技术的实践，而乌克兰后来也成为全球电磁环境最复杂的地区之一。大量训练数据还带来额外好处——公司能针对各种不同设备进行数据校准，这在室内场景中尤其有效。

“我们对硬件没有特殊要求，”图托夫表示，不过如果提前研究相关硬件参数，定位效果会更优。AstraNa v还致力于将所有计算都放在设备本地完成，从而避免在信号被干扰或存在厚墙等物理障碍的环境中仍需保持网络连接。

如果纯磁力计室内定位技术真的已具备商业化条件，那么市场需求将极为庞大。室内地图的商业价值横跨民用与各类特殊场景，市场规模可能已达数百亿美元。有研究机构预测，到2030年该市场将超过1500亿美元。工厂需要室内地图引导机器人作业；零售商则希望借助精度在1米以下的室内地图追踪顾客并与之互动——这个精度足以判断顾客具体在哪个货架通道内浏览。

不过斯科格也提醒，真实场景的复杂性会带来诸多考验。例如人体本身会对局部磁场产生干扰，乘坐电梯这类动态场景也会影响定位精度。“在论文中提出可行方案是一回事，但真正需要的是鲁棒性，”汉利说。

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，无论室内、水下还是地下都能被探测到，而GPS信号在大型建筑内部衰减严重，且在冲突地区极易受到干扰或欺骗。磁力计已是现代手机的标配硬件，结合预先绘制的磁场地图，即可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：AstraNa v的磁力导航方案有什么技术特点？

A：AstraNa v采用神经网络分析海量磁场变化数据，即使没有预先录制的磁场地图，也能预测局部磁场规律。他们在乌克兰冲突之前就积累了丰富的训练数据，并对多种设备完成了校准。此外，AstraNa v将所有计算置于设备本地，无需持续联网，适合信号受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。人体本身会干扰局部磁场，乘坐电梯等动态场景也会影响定位精度。设备内部的电子元件同样会产生磁场噪声。目前室内导航通常仍需预先绘制磁场地图才能达到用户要求的精度，如何在没有地图的情况下保证定位的鲁棒性，仍是研究人员和企业需要攻克的难题。

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