GPS信號在大型建築內部過於微弱，難以保證精度。在烏克蘭和荷姆茲海峽等衝突地帶，對手會對信號實施干擾和欺騙。因此，幾十年來人們一直在尋找既能在室內使用、也能在室外使用，甚至適用於水下等特殊環境的GPS替代方案。
利用地球磁場是一個頗具吸引力的思路。地磁場無處不在，即便信號微弱或受到周邊局部磁場干擾也不例外。十餘年來，部分企業已將預先繪製的局部磁場地圖與藍牙或射頻識別（RFID）等技術結合，提供室內定位服務。
如今，AstraNav、Oriient和SysNav等公司表示，他們已準備好擺脫對其他技術的依賴，單獨利用每台現代移動設備內置的磁力計，配合磁場地圖數據來實現導航。這項技術在室外場景中同樣開始展現出實用價值。"只要擁有磁場地圖，我們就能在空中、水下或地下提供首次絕對定位。"AstraNav聯合創始人兼首席執行官安東·圖托夫（Anton Toutov）表示。
AstraNav將在未來幾個月內向美國空軍演示無人機如何通過其軟體實現導航，該項目獲得了180萬美元的小企業創新研究（SBIR）資助。今年3月，公司還宣布與醫療實時定位服務商Sonitor達成合作，為醫護人員和醫療設備提供基於磁力計的追蹤系統。此後，Sonitor及其醫療客戶將不再需要在院內安裝超聲波、藍牙或其他信標來定位員工和設備。
斯德哥爾摩皇家理工學院（KTH）通信系統與自動控制學教授伊薩克·斯科格（Isaac Skog）表示，得益於信號處理技術的進步，磁力測量導航領域迎來了發展良機。"起初，人們只是嘗試將手機磁力計用作指南針，但這非常困難，因為手機內部存在其他材料，需要大量處理工作來消除干擾，"他說，"後來人們開始思考：能不能不只用磁場來尋找北方，還用磁場變化來繪製地圖、確定位置呢？"
自1990年代起，美國國防高級研究計劃局（DARPA）便資助了多項針對城市和室內環境的GPS替代技術研究。各企業先後探索了Wi-Fi、RFID信標、慣性系統，以及近年來興起的機器視覺和手機攝影機等方案。但在緊急情況或戰場環境中，用戶無法依賴任何外部基礎設施。DARPA和眾多企業的共同目標是讓這項技術成熟到無需任何固定傳感器或網路。
然而，技術挑戰依然巨大。芝加哥迪保羅大學（DePaul University）電腦科學家大衛·漢利（David Hanley）表示："干擾因素太多了。"十多年前，他剛涉足這一領域時，即便將設備垂直移動一小段距離，也可能導致定位模型出現偏差，因為磁場的變化方式難以預測。許多研究者認為，磁力計對附近磁場干擾過于敏感——甚至設備內部電子元件產生的變化也足以形成噪聲，淹沒有效測量數據。不過，隨著學術機構陸續取得一系列突破，企業也開展了大量內部研究，該領域在過去十餘年間已顯著成熟。
谷歌早在2014年就看到了這一潛力，從德國國家航空航天中心（DLR）挖來一支磁力定位研究團隊。2017年，另一研究團隊發表的一篇頗具影響力的論文闡明了如何利用高斯過程更好地理解磁場。
到2020年，這項技術已足夠成熟，總部位於加利福尼亞州聖莫尼卡的初創公司Hidonix開始將磁力測量用於博物館、學校等場所的室內導航，並結合Wi-Fi和加速度計推算的航位推測數據加以輔助。該公司會預先派遣機器人或人員在建築內部行走，繪製磁場地圖。斯科格指出，即便是這一步驟，也有賴於相關技術的同步成熟。"在探索階段構建地圖時，需要藉助加速度計和陀螺儀來實現低漂移的高精度航位推測。"
如今，各公司正開始推出獨立的室內磁力導航方案。Hidonix稱，在室外環境中，其方案無需預先繪圖便可提供磁力地理定位——室外干擾磁場的物體相對較少。而在室內，為滿足大多數用戶對精度的要求，仍需提前錄製磁場地圖。
另一種方案是收集大量磁場變化數據，再利用神經網路預測局部磁場變化規律，即使沒有預先錄製的地圖也能使用。AstraNav早在2022年俄羅斯入侵之前就已在烏克蘭開展這一技術實踐，而烏克蘭此後也成為全球電磁環境最為複雜的地區之一。大量訓練數據還帶來了額外收益：公司能夠針對各類不同設備進行數據校準，這在室內場景中同樣大有裨益。
"我們對硬體沒有特定要求，"圖托夫說，不過若能提前對相關硬體進行研究，定位效果會更好。AstraNav還致力於將所有必要計算全部在設備本地完成，以避免在存在信號干擾或厚牆等物理障礙的環境中仍需保持通信連接。
如果僅依賴磁力計的室內定位技術真的已具備商業化條件，市場需求必將十分龐大。室內地圖的商業價值橫跨民用和各類特殊場景。該市場規模可能已達數百億美元量級，有市場研究機構預測，到2030年將增長至逾1500億美元。工廠需要室內地圖來引導機器人作業；零售商希望藉助精度低於1米的室內地圖追蹤顧客並與其溝通——這一精度足以判斷顧客所在的貨架通道。
然而，斯科格指出，面對真實場景的複雜性，企業仍將面臨重重考驗，例如人體本身對局部磁場的干擾，或乘坐電梯等動態場景。"在研究論文中提出可行方案是一回事，但你需要的是魯棒性，"漢利說道。
Q&A
Q1：磁力計導航技術為什麼能替代GPS？
A：地球磁場無處不在，無論在室內、水下還是地下都能探測到，而GPS信號在大型建築內部過弱，且容易在衝突地區遭到干擾和欺騙。磁力計是現代手機的標配硬體，結合預先繪製的磁場地圖，可以實現無需外部基礎設施的獨立定位，因此具備替代或補充GPS的潛力。
Q2：AstraNav的磁力導航方案有什麼技術特點？
A：AstraNav利用神經網路分析大量磁場變化數據，即使沒有預先錄製的磁場地圖也能預測局部磁場規律。公司早在烏克蘭衝突前就積累了大量訓練數據，並對多種設備進行了校準。此外，AstraNav致力於將所有計算在設備本地完成，無需持續聯網，適合信號被干擾或存在物理障礙的惡劣環境。
Q3：獨立磁力計室內導航目前面臨哪些技術挑戰？
A：主要挑戰來自複雜的真實環境。人體本身會對局部磁場造成干擾，乘坐電梯等動態場景也會影響定位精度。此外，設備內部的電子元件也會產生磁場噪聲。室內導航目前通常仍需預先繪製磁場地圖才能達到用戶要求的精度，如何在無圖條件下保證定位的魯棒性，仍是研究人員和企業努力攻克的難題。
