武大發布“聽聲辨位”中國芯 五年突破“卡脖子”難題

手機導航一進隧道就不準了?在商場地下停車場找不到自己的車……這些問題，已經有人幫你解決了——武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室主任陳銳志教授，帶領團隊歷時5年研發的音頻室內定位技術正式投入商用，并發布了全球首款基于RISC-V高精度音頻室內定位芯片。在日前結束的第七屆中國國際“互聯網+”大學生創新創業大賽全國總決賽中，武漢大學師生團隊正是憑借這一成果，斬獲高教主賽道金獎。

讓手機幫你“聽聲辨位”

隨著北斗導航系統廣泛投用，我國的室外導航技術愈發成熟，但衛星導航存在室內空間不可用不可達、室內定位精度低的“先天缺陷”。陳銳志團隊承接的國家十三五重點研發計劃項目，瞄準這一難題，以期達到室內外高精度導航無縫銜接的目標。陳銳志提出的解決方案，是音頻室內定位。

音頻怎樣定位?陳銳志舉了一個通俗易懂的例子：在自然界，雷聲與閃電同步發生，但是人們聽到雷聲與看到閃電存在時間差，利用這一現象就能判斷雷電的遠近。

陳銳志團隊自主研發的音頻定位成套方案中，需要給室內空間的多個點位安裝基站(發射器)，基站不斷發射電信號和聲波。電信號像閃電一樣“跑得快”，聲波像雷聲一樣“跑得慢”，手機接收兩種信號后，就能分析出距離某個基站的距離，再根據多個不同基站的距離，就能準確定位。普通手機的定位精度，最高能達到0.42米。

“現在人人都有手機，所以我們的方案首先針對手機來研發。”陳銳志介紹，該方案可以讓普通用戶不用額外投資，就能享受便利，“不僅是手機，還有智能手表、智能家居等，只要是有麥克風的設備，不用任何改裝，就能聽到我們的‘廣播’，確定你目前的位置。”

那么，一直“廣播”不會擾民嗎?陳銳志笑道，基站發送的音頻波段手機可以聽到，但人耳聽不到，人們不會感覺到它的存在。

五年突破“卡脖子”難題

經過陳銳志的一番解釋，音頻室內定位好像很簡單。可實際操作起來，它非常困難。

“每一步的推進都很難。”陳銳志教授回國任教后帶的首屆研究生郭光毅說。五年來，他跟隨陳銳志全程參與了該項目的研究，目前在實驗室做博士后工作。

郭光毅介紹，第一個大難題就是要尋找合適的音頻波段，既不擾民，又不受別的聲音信號干擾，還能廣泛覆蓋。當時測算，可用資源僅有6K。為尋找合適的環境友好型頻段，團隊用了近一年時間，最終將頻段確定為16kHz-23kHz。

“我們就像是手捧一把米，卻要做出豐盛的飯菜，讓大家能吃、夠吃。”陳銳志如此形容攻克窄帶漫游技術的困難程度。

另一個難題是，聲音在環境中會被玻璃、墻壁等障礙物反射，如何智能識別反射信號與直達信號，是決定定位精度的關鍵。團隊成員也是經歷了好幾個月，才攻克這一難題。

“解決一個個問題，靠的往往是集思廣益。我們常常就一個難點吵得不可開交，最后只好搬出陳老師來當裁判。”郭光毅笑道。陳銳志的辦公室專門放了一張長桌，墻上裝著電子白板，就是為了方便團隊成員交流討論。

小芯片蘊藏數百億市場

音頻定位成套方案逐漸成熟后，陳銳志團隊將目光從消費級(手機適用)轉向專業級(非手機設備)。

“室內定位的作用，不僅僅在于普通市民可以室內導航，更是實現物聯網的關鍵技術。比如，幫智能機器人省掉許多昂貴的定位傳感器，讓自動駕駛汽車可以不在隧道、停車場里失去向導，幫助智能工廠更方便快捷地調配物資等。”陳銳志說。要實現這些功能，就必須有手機之外的設備。

于是，2020年10月，陳銳志團隊成立了研究成果孵化企業——知路導航研究院。不到一年時間，公司就推出了高精度音頻室內定位芯片Kepler A100。

跟美國UWB專業級、Wi-Fi(RTT)消費級等各類定位技術相比，Kepler A100芯片系統復雜度低，建設與維護成本低。使用該芯片及其系列產品，用戶可開發或集成專用設備，可用于火車站、高鐵站、地鐵站、機場航站樓、會展中心、大型場館、地下礦區等場景，服務于公共安全、工業生產、應急管理等重要領域。

目前，在南京南站、廣州白云機場和德清會展中心，這款芯片已經投入使用，反響良好。在南京南站55萬平方米的超大室內場所，Kelper A100能夠為公安民警提供實時位置服務，達到支撐警勤調配、聯防聯控的作用;在德清會展中心，該芯片可為場館方、參展方、游客提供一體化位置服務。

陳銳志團隊測算，截至2021年，國內不同行業場景的高精度室內定位市場需求超過1000億元，而且增長迅速。未來5年，基于Kepler A100的音頻定位技術，有望占據四分之一的市場份額。

人物簡介

陳銳志，1963年11月生，博士、教授、博導，芬蘭科學與人文院院士，現任武漢大學測繪遙感信息工程國家重點實驗室主任。導航定位領域國際著名學者，致力于智能手機室內外無縫導航定位和低軌衛星導航增強的理論研究與核心技術開發，推動我國北斗導航系統服務從室外拓展到室內，從地面提升到低軌空間。(柯稱 吳江龍 劉清清)