用高中的知识点，解决一个大挑战

从驾驶，到收耕农作物，再到金融市场的时间安排，我们现代生活的许多方面都依赖GPS。但是，尽管它们无处不在，这种高频无线电波却存在着一个缺陷——它们会被建筑物之类的固体物体阻挡，导致它们无法触及到所有地方。

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什么是定位？简单说来，定位就是对一个设备的位置或位置变化进行测量。我们现在一般使用全球导航卫星系统来进行导航，比如全球定位系统（GPS）和伽利略卫星导航系统（Galileo）。

相信大家对GPS这个词都不陌生，其实它是一种极为复杂的卫星定位系统。这项任务需要绕地飞行的卫星与地球上的接收器共同配合，卫星会发射出无线电波，地面上的接收器通过这些无线电波可以精确地测量卫星的航程时间，进而判断它们的位置。

为了能精确地做到这一点，GPS使用的是波长仅为几厘米的高频无线电波（1.1GHz）。但是，这种波会受到建筑物、人、植物等固体物体的阻挡和反射。因此在地下，或是在很多建筑中时，有可能会出现信号微弱的情况。

如何才能让定位在地下或建筑物中，甚至被嵌入到混凝土中仍能运作呢？要探讨这个问题，我们必须要聊一聊——磁感应定位。

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磁感应定位的工作原理很简单，基本上是我们在高中物理课本上就能学到的内容：让交流电通过一个线圈，线圈就会产生时变磁场。放置在磁场中的另一个线圈因此会产生感应电流，因此整个过程被称为磁感应。这也是电机、发电机、扬声器等的基本原理。

磁感应原理早于无线电，许多早期无线通信的先驱都曾使用过类似的系统进行过实验。那么，为什么要重新启用这样一种“陈旧”的且看起来技术难度并不高的方法呢？

我们先来看看磁感应所具有的许多独有的优点。首先，大多数固体介质都无法对它们形成阻隔或造成衰减，它们能穿过土壤、水、人、混凝土、岩石而不受到损失或被吸收。其次，它们是一种矢量场，这意味着它们有大小和方向，以一个条形磁铁为例，它分为南北两极，两极的方向便是磁通量线所指向的方向。这种场的生成与接收都相对简单，而且随着时间的变迁也仍能维持非常稳定的状态，并且不会受到多路径问题的影响。

想想看对于你手机上的通过无线电波来联网的WiFi来说，即使你站着不动，它的信号强度仍有可能出现波动。这些优点使它在许多定位环境下立于不败的地位。

但它也存在一些缺点：金属，特别是黑色金属，会扭曲场线，从而造成干扰。因此利用这种方法在金属含量丰富的环境中进行定位是具有挑战的。此外，随着距离的增加，磁场会迅速消失，因为它的强度与距离遵循的是一个立方反比关系，而无线电波遵循的只是平方反比关系。

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英国牛津大学在磁感应定位方面已经开展了十多年的专业性研究。他们在许多不同的应用中开创了精确的三维定位和测量方向，将在传感器设计上取得的进步与探测微弱信号和估计位置的新算法结合了起来。

比如在最早的一批项目中，有一项研究是要开发世界上第一个用于追踪动物洞穴的地下定位系统。牛津大学野生动物保护小组的研究人员基于几十年来对獾的生态学理解，在獾的身上实现了这种新颖的方法。

他们制作了一些微型的跟踪项圈，这种项圈可以记录并存储在獾的洞穴上方的调制磁场的强度。然后基于这些磁场信息，研究人员可以将场强测量转换成三维位置，从而为獾在地下的位置和行为提供了丰富的信息。

这是一个重大的进步，在此之前，没有任何一项技术可以真正准确地确定动物在洞穴中的位置。而这项技术让研究人员可以对动物洞穴的内部结构进行绘制，更好地了解这些动物在洞穴中的行为。

类似的研究还有对矿山和山洞等的定位。这里涉及到的一个问题是它需要可以对处于地下的人和设备进行定位，并能与之进行沟通。在如矿业工作和紧急救援情况下都需要这种技术。它的主要挑战是这种定位要能够在更少的基础设施的情况下应用在更长的距离（30米）上。

研究人员通过在发射器和接收器上使用三个垂直的线圈来解决这个问题，以此来控制和测量整个三维向量场。这种方法有助于加宽通过通道发送数据的可用宽带。这一概念通过在一个洞穴系统的固体岩石中进行了30米的精确定位和通讯得到了验证。若想要继续增加范围，可以将多个设备连接在一起。

除此之外，定位技术对于无数建设和维护铁路等基础设施的工人来说也意义重大。这是一类危险的工作环境，因此他们非常需要一种能让他们可以在GPS不奏效的环境下工作的技术，使得轨道工人可以对在轨道上或轨道附近的位置有所感知并进行管理。

通过将磁感应定位和惯性测量结合在一起，无论轨道工作人员是在露天轨道、隧道还是桥下，都可以在路侧区域分别对他们进行跟踪。这种系统可以定义出安全工作区域，这样一来，当工人接近或偏离安全工作区边界时，就会向个人及其主管发出警报。

当消防员进入燃烧的建筑物时，他们面临的是极易让他们迷失方向和安全线路的高温和浓烟。在一个革命性的项目中，研究人员结合了各种传感器技术，如热成像、惯性测程和磁感应定位，在这类环境中提供精确的定位。这项研究的目标是在早期的室内定位工作的基础上，为现场救援人员和事件指挥官提供实时准确的位置和轨迹视图。这是非常具有挑战性的任务，因为很多情况下，建筑的结构和布局都是事先未知的。而磁感应定位可以提供精确的绝对位置，然后与来自其他传感器的信息相融合。

现在，这种应用已经在向微观尺度上延伸。有研究人员已经开始探讨是否有可能用磁感应定位来探测混凝土内部的裂缝和应变，这对于桥梁、公路和隧道这些需要定期进行安全检查和维护的基础设施来说有着至关重要的意义。

有一种想法是考虑是否可以通过将传感器置于混凝土中，以赋予混凝土一种“智能”的功能。这个想法的原理很简单：使用三个可以交替用作发射器或接收器的正交线圈，每个设备都可以测量邻近设备与它的距离。当混凝土发生形变时，这些相对距离也会发生变化，从而可以大致了解结构发生了怎样的变化。

研究人员可以使用低频磁场对数据进行编码，以此来收集设备中的数据。然后从一个设备“跳转”到另一个设备，直到它抵达基站。在这个设计中，电力是这个其中最棘手的一个问题，它对长期运行有着至关重要的影响——它们不可能在没有电池供能的情况下运转几十年。2016年，有研究人员用钢筋本身作为磁性管道，将磁性能量输送到结构中。然后利用磁感应，使设备可以用同样的线圈来收集能量。研究人员已经成功地制作出了一些小的模型来展示这种基本原理，他们的最终目标将是将它们制作成芯片大小（几毫米），但这或许还需要几年的时间才能做到。

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我们生活在一个由微型化、新材料和计算能力的革命性进步所驱动的世界。我们的研究是建立在一些我们在高中科学实验中就能看到的电磁原理之上。这给我们上了一课，有时候看上去技术含量很低的东西实际可以有很高的科技价值。

撰文：Andrew Markham

原文标题为“Positioning in challenging enviornments”，原文链接：https://www.oxfordsparks.ox.ac.uk/content/positioning-challenging-environments?utm_source=ox.ac.uk&utm_medium=referral，中文内容仅供参考，一切内容以原文为准。