從駕駛，到收耕農(nóng)作物，再到金融市場(chǎng)的時(shí)間安排，我們現(xiàn)代生活的許多方面都依賴GPS。但是，盡管它們無(wú)處不在，這種高頻無(wú)線電波卻存在著一個(gè)缺陷——它們會(huì)被建筑物之類的固體物體阻擋，導(dǎo)致它們無(wú)法觸及到所有地方。

相信大家對(duì)GPS這個(gè)詞都不陌生，其實(shí)它是一種極為復(fù)雜的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。這項(xiàng)任務(wù)需要繞地飛行的衛(wèi)星與地球上的接收器共同配合，衛(wèi)星會(huì)發(fā)射出無(wú)線電波，地面上的接收器通過(guò)這些無(wú)線電波可以精確地測(cè)量衛(wèi)星的航程時(shí)間，進(jìn)而判斷它們的位置。

為了能精確地做到這一點(diǎn)，GPS使用的是波長(zhǎng)僅為幾厘米的高頻無(wú)線電波（1.1GHz）。但是，這種波會(huì)受到建筑物、人、植物等固體物體的阻擋和反射。因此在地下，或是在很多建筑中時(shí)，有可能會(huì)出現(xiàn)信號(hào)微弱的情況。

如何才能讓定位在地下或建筑物中，甚至被嵌入到混凝土中仍能運(yùn)作呢？要探討這個(gè)問(wèn)題，我們必須要聊一聊——磁感應(yīng)定位。

磁感應(yīng)原理早于無(wú)線電，許多早期無(wú)線通信的先驅(qū)都曾使用過(guò)類似的系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)。那么，為什么要重新啟用這樣一種“陳舊”的且看起來(lái)技術(shù)難度并不高的方法呢？

我們先來(lái)看看磁感應(yīng)所具有的許多獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)。首先，大多數(shù)固體介質(zhì)都無(wú)法對(duì)它們形成阻隔或造成衰減，它們能穿過(guò)土壤、水、人、混凝土、巖石而不受到損失或被吸收。其次，它們是一種矢量場(chǎng)，這意味著它們有大小和方向，以一個(gè)條形磁鐵為例，它分為南北兩極，兩極的方向便是磁通量線所指向的方向。這種場(chǎng)的生成與接收都相對(duì)簡(jiǎn)單，而且隨著時(shí)間的變遷也仍能維持非常穩(wěn)定的狀態(tài)，并且不會(huì)受到多路徑問(wèn)題的影響。

想想看對(duì)于你手機(jī)上的通過(guò)無(wú)線電波來(lái)聯(lián)網(wǎng)的WiFi來(lái)說(shuō)，即使你站著不動(dòng)，它的信號(hào)強(qiáng)度仍有可能出現(xiàn)波動(dòng)。這些優(yōu)點(diǎn)使它在許多定位環(huán)境下立于不敗的地位。

但它也存在一些缺點(diǎn)：金屬，特別是黑色金屬，會(huì)扭曲場(chǎng)線，從而造成干擾。因此利用這種方法在金屬含量豐富的環(huán)境中進(jìn)行定位是具有挑戰(zhàn)的。此外，隨著距離的增加，磁場(chǎng)會(huì)迅速消失，因?yàn)樗膹?qiáng)度與距離遵循的是一個(gè)立方反比關(guān)系，而無(wú)線電波遵循的只是平方反比關(guān)系。

比如在最早的一批項(xiàng)目中，有一項(xiàng)研究是要開發(fā)世界上第一個(gè)用于追蹤動(dòng)物洞穴的地下定位系統(tǒng)。牛津大學(xué)野生動(dòng)物保護(hù)小組的研究人員基于幾十年來(lái)對(duì)獾的生態(tài)學(xué)理解，在獾的身上實(shí)現(xiàn)了這種新穎的方法。

他們制作了一些微型的跟蹤項(xiàng)圈，這種項(xiàng)圈可以記錄并存儲(chǔ)在獾的洞穴上方的調(diào)制磁場(chǎng)的強(qiáng)度。然后基于這些磁場(chǎng)信息，研究人員可以將場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量轉(zhuǎn)換成三維位置，從而為獾在地下的位置和行為提供了豐富的信息。

這是一個(gè)重大的進(jìn)步，在此之前，沒有任何一項(xiàng)技術(shù)可以真正準(zhǔn)確地確定動(dòng)物在洞穴中的位置。而這項(xiàng)技術(shù)讓研究人員可以對(duì)動(dòng)物洞穴的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制，更好地了解這些動(dòng)物在洞穴中的行為。

類似的研究還有對(duì)礦山和山洞等的定位。這里涉及到的一個(gè)問(wèn)題是它需要可以對(duì)處于地下的人和設(shè)備進(jìn)行定位，并能與之進(jìn)行溝通。在如礦業(yè)工作和緊急救援情況下都需要這種技術(shù)。它的主要挑戰(zhàn)是這種定位要能夠在更少的基礎(chǔ)設(shè)施的情況下應(yīng)用在更長(zhǎng)的距離（30米）上。

研究人員通過(guò)在發(fā)射器和接收器上使用三個(gè)垂直的線圈來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，以此來(lái)控制和測(cè)量整個(gè)三維向量場(chǎng)。這種方法有助于加寬通過(guò)通道發(fā)送數(shù)據(jù)的可用寬帶。這一概念通過(guò)在一個(gè)洞穴系統(tǒng)的固體巖石中進(jìn)行了30米的精確定位和通訊得到了驗(yàn)證。若想要繼續(xù)增加范圍，可以將多個(gè)設(shè)備連接在一起。

除此之外，定位技術(shù)對(duì)于無(wú)數(shù)建設(shè)和維護(hù)鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的工人來(lái)說(shuō)也意義重大。這是一類危險(xiǎn)的工作環(huán)境，因此他們非常需要一種能讓他們可以在GPS不奏效的環(huán)境下工作的技術(shù)，使得軌道工人可以對(duì)在軌道上或軌道附近的位置有所感知并進(jìn)行管理。

通過(guò)將磁感應(yīng)定位和慣性測(cè)量結(jié)合在一起，無(wú)論軌道工作人員是在露天軌道、隧道還是橋下，都可以在路側(cè)區(qū)域分別對(duì)他們進(jìn)行跟蹤。這種系統(tǒng)可以定義出安全工作區(qū)域，這樣一來(lái)，當(dāng)工人接近或偏離安全工作區(qū)邊界時(shí)，就會(huì)向個(gè)人及其主管發(fā)出警報(bào)。

當(dāng)消防員進(jìn)入燃燒的建筑物時(shí)，他們面臨的是極易讓他們迷失方向和安全線路的高溫和濃煙。在一個(gè)革命性的項(xiàng)目中，研究人員結(jié)合了各種傳感器技術(shù)，如熱成像、慣性測(cè)程和磁感應(yīng)定位，在這類環(huán)境中提供精確的定位。這項(xiàng)研究的目標(biāo)是在早期的室內(nèi)定位工作的基礎(chǔ)上，為現(xiàn)場(chǎng)救援人員和事件指揮官提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的位置和軌跡視圖。這是非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因?yàn)楹芏嗲闆r下，建筑的結(jié)構(gòu)和布局都是事先未知的。而磁感應(yīng)定位可以提供精確的絕對(duì)位置，然后與來(lái)自其他傳感器的信息相融合。

現(xiàn)在，這種應(yīng)用已經(jīng)在向微觀尺度上延伸。有研究人員已經(jīng)開始探討是否有可能用磁感應(yīng)定位來(lái)探測(cè)混凝土內(nèi)部的裂縫和應(yīng)變，這對(duì)于橋梁、公路和隧道這些需要定期進(jìn)行安全檢查和維護(hù)的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)說(shuō)有著至關(guān)重要的意義。

有一種想法是考慮是否可以通過(guò)將傳感器置于混凝土中，以賦予混凝土一種“智能”的功能。這個(gè)想法的原理很簡(jiǎn)單：使用三個(gè)可以交替用作發(fā)射器或接收器的正交線圈，每個(gè)設(shè)備都可以測(cè)量鄰近設(shè)備與它的距離。當(dāng)混凝土發(fā)生形變時(shí)，這些相對(duì)距離也會(huì)發(fā)生變化，從而可以大致了解結(jié)構(gòu)發(fā)生了怎樣的變化。

研究人員可以使用低頻磁場(chǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以此來(lái)收集設(shè)備中的數(shù)據(jù)。然后從一個(gè)設(shè)備“跳轉(zhuǎn)”到另一個(gè)設(shè)備，直到它抵達(dá)基站。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，電力是這個(gè)其中最棘手的一個(gè)問(wèn)題，它對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響——它們不可能在沒有電池供能的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)幾十年。2016年，有研究人員用鋼筋本身作為磁性管道，將磁性能量輸送到結(jié)構(gòu)中。然后利用磁感應(yīng)，使設(shè)備可以用同樣的線圈來(lái)收集能量。研究人員已經(jīng)成功地制作出了一些小的模型來(lái)展示這種基本原理，他們的最終目標(biāo)將是將它們制作成芯片大小（幾毫米），但這或許還需要幾年的時(shí)間才能做到。

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IEEE Spectrum

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