步行者航位推算是将最初用在车辆和船舶的航行定位中的惯性导航定位系统（Inertial Navigation System，INS）针对行人定位而提出的一种惯性定位方法，它所使用的加速度计、数字罗盘和陀螺仪等传感器的尺寸、质量和成本都大大降低，但其原理与惯性导航系统类似，同样是采用物理方法实现导航定位。惯性导航定位是通过内置的传感器来感知物体的运动状态，并计算出物体在不同方向上的速度分量，再通过时间测量来计算物体在不同方向上的位移，进而推算出物体的瞬时位置，获得定位结果。

依据惯性测量装置在载体上的安装方式不同，它可分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统[65]。平台式惯性导航系统的优点在于能对载体的角振动进行隔离，使加速度计有较好的惯性空间，缺点是其结构复杂、占用空间大；而捷联式惯性导航系统通过舍弃隔离角振动的平台，解决了体积较大的问题，使其能够在较小的空间内集成使用，但它需要通过陀螺仪获取的角速度来计算姿态信息，这在一定程度上增加了计算量，与平台式惯性导航系统相比，精度有所降低。由于行人定位使用的设备通常是便携式移动电子设备，其内部不可能有较宽裕的空间来设置物理平台，通常是直接将惯性传感器直接集成在设备内部。这与捷联式惯性导航系统相似，但因集成的传感器精度较低，所以宜采用步行者航位推算法通过加速度计、陀螺仪等传感器进行步态检测、步长估计、航向推算来获取行人位置。而我们常用的智能手机均内嵌有光线、距离、重力、加速度、磁场、陀螺仪等传感器，尽管内嵌式传感器在精度、抗干扰性等方面存在一些不足，但它能够满足实现步行者航位推算的基本硬件要求，同时具有普及性高、使用方便等优势，再与步行者航位推算（PDR）相结合，能够满足人们的基本定位需求。

步行者航位推算（PDR）是指通过对加速度、磁场、陀螺仪获取到的数据进行处理[66]，获取使用者的行走状态，包括步态检测、步长估计和航向推算[67]，再根据所获取的方向和在此方向上行走的步数、步长来确定行走路径，进行实时定位。正由于其实现方式仅依赖于其内部的惯性传感器，故而利用PDR进行定位具有不依赖外界信号源、可连续实时定位等优势，但同时也造成其误差易积累、受惯性传感器噪声信号影响较大的结果，因此，需使用相关滤波算法对相应传感器获取的数据进行预处理，并设计合理的误差纠正方法校正其累积误差，增强其长距离定位的准确性。基本流程如图6.1所示。

图6.1　手机惯性传感器室内定位基本流程图(www.daowen.com)

步行者航位推算需要获得相关的惯性数据，为此，它主要依靠手机内部所集成的传感器进行测量。传感器是获得信息的一种装置，按其定义划分，可分为广义和狭义[68]两种。其中，广义上的传感器[69]指的是能够将其感知的信息通过一定方式转换成方便量化处理和测量控制的信息的装置；狭义上的传感器指将其所感知到的信息通过某种方式进行处理而转化成电信号的装置。由于本书所使用的传感器均为手机上已集成的传感器，手机处理器所处理的信号均为电信号，其传感器也仅为狭义上的传感器。由于学科发展日新月异，传感器的种类也越来越多，主要分为能够利用物理效应处理声、光、热、电、力等物理量的物理传感器，能够利用化学效应检测化学物质种类和浓度的化学传感器，以及利用生物活性物质对某些物质特性具有选择能力的生物传感器三类。

随着大规模集成电路技术的迅速发展，手机内部所集成的传感器越来越丰富，主要为物理传感器，包括集成磁传感器、集成惯性传感器等。其中，集成磁传感器主要为利用霍尔效应的霍尔传感器，可用于自动化开关控制以及磁场测量等。其基本原理是通过导电材料中的电流I与磁场相互作用而产生的电势差VH由式（6.1）来获得磁场强度B：

式中　KH──霍尔灵敏度，与霍尔器件的厚度成反比，即霍尔器件越薄，其灵敏度越高。

集成惯性传感器主要包括陀螺仪和加速度计，其中，陀螺仪利用旋转飞轮的进动性原理可以对角位移和角速度进行精确的测量，加速度计利用检测质量块与壳体的相对运动可以获取运动的加速度值。手机中所集成的陀螺仪为硅微陀螺仪。与常规陀螺仪不同，硅微陀螺仪利用高频振动取代了传统陀螺仪中飞轮的连续旋转运动，具有尺寸小、成本低、与集成电路兼容性好等优点；人们还在硅片上制造了体积非常小的硅加速度计，通过硅悬臂梁、硅基片和金属板来代替检测质量块和仪表壳体，通过两金属板之间电容随悬臂梁偏移的变化来测量加速度；虽然结构不十分精巧，但能够增加加速度计的灵敏度和牢固性，易于集成在手机等便携式移动设备中。