人员定位追踪神器：TRX NEON技术分析
人员定位追踪一直是情报界热议的话题之一，特别是在互联网、物联网、大数据、人工智能等领域已逐渐取得突破性进展的背景之下，人员定位追踪的技术手段也更上一层楼，体现出隐蔽性、实时性、精准性、快速反应性等特点。报告由美国国土安全部科技局国家城市安全技术实验室于2022年2月份发布，该报告认为，以现有的技术，对人员进行定位追踪可以实现去GPS化，即在没有GPS的情况下进行定位，精度在10米内；在进行三维定位追踪时的精度在3米内；除此以外，报告对产品的耗电量、佩戴舒适度、连接稳定性、数据收集的完整性和高效性等方面进行评估，结果满足多项需求。
报告摘要：
国家城市安全技术实验室（NUSTL）是美国国土安全部（DHS）科学与技术局（S&T）创新与合作办公室、国家实验室办公室内的一个联邦实验室。NUSTL位于纽约市，是唯一一个专门致力于支持州和地方第一决策者解决国土安全任务能力的国家实验室。该实验室为第一决策者提供必要的服务、产品和工具，以预防、保护、减轻、应对国土安全威胁和事件。
NUSTL为第一决策者提供独立的技术评价和评估，从而使他们能够做出明智的采购和部署决定，并帮助确保决策者拥有可用于国土安全任务的最佳技术。
2021年3月26日，美国国土安全部（DHS）国家城市安全技术实验室（NUSTL）与Metro-North Commuter Railroad Company（MNR）合作，对TRX NEON®人员定位追踪器进行了半虚拟技术演示。MNR在纽约市中央车站（GCT）现场进行了演示，而来自NUSTL和TRX系统的代表以及其他观察员则通过视频会议参与了虚拟演示过程。
MNR利用TRX NEON技术对GCT进行了一次应急准备环境调查。通过将TRX NEON与环境传感器进行时间同步，MNR将能够把环境测量结果归于GCT的特定位置，并生成可用于环境系统研究所（ESRI）ArcGIS或联邦应急管理署（FEMA）CBRNResponder等态势感知平台的地图。
技术演示与调查分开进行，包括TRX系统对TRX NEON技术的介绍、五个位置跟踪用例和汇报环节。位置跟踪用例包括以下内容：
•单用户、GPS跟踪
•多用户、GPS跟踪
•多用户、无GPS跟踪
•多用户、三维跟踪
•单用户、信标辅助跟踪
目录
图示列表
表格列表
1.0介绍
MNR安全部在2021年对GCT进行了一次应急准备环境调查。在2019年MNR和NUSTL的会议上，MNR表示有兴趣使用定位追踪器来支持这项调查。TRX NEON人员追踪器可以提供位置数据，可以补充移动环境传感器提供的数据，使调查结果准确地映射到整个GCT的特定位置。NUSTL与MNR合作，在2021年3月26日促进了该技术的演示，以确定其在支持应急准备环境调查方面的可行性。
TRX NEON技术是通过在安卓设备上运行的定位服务应用程序与每个被跟踪者身上的小型穿戴式配件（NEON跟踪单元）相结合而部署的。NEON定位服务从跟踪单元获取惯性和测距传感器数据，并将其与GPS、地形数据以及可用的地图和建筑数据相融合，计算出用户的位置。每一层技术都提供约束条件，以帮助提高定位的准确性。位置数据通过智能手机，使用WIFI或LTE传输到服务器。然后可以在态势感知显示平台上查看数据，如ESRI ArcGIS或FEMA的CBRNResponder。
由于新冠病毒带来的健康和安全风险，NUSTL通过视频会议平台虚拟参与了演示。NUSTL将TRX NEON设备借给MNR，远程指导MNR进行旨在展示TRX NEON能力的演示活动，并在演示期间远程进行数据收集程序。演示结束后，MNR在设备借用期的剩余时间内进行了一次室内调查。预计调查期间收集的数据将被用于创建GCT的应急准备地图。
1.1 场地概况
GCT是位于纽约市的一个主要公共交通和通勤枢纽。GCT拥有44个火车平台，为MNR服务。GCT与纽约市交通局的地铁站--大中央车站相连，预计2022年完工的东区通道（ESA）项目将把长岛铁路（LIRR）服务与GCT相连。GCT还设有一些餐馆和零售商，是纽约市的一个主要旅游景点，每天约有75万名游客。
图1-1 中央车站主大厅
TRX NEON演示是在GCT的各个区域进行的，包括主大厅、餐饮大厅、列车平台、维修走廊和MNR办公室。在演示之前，NUSTL与MNR合作，在GCT中选择了支持全球定位系统（GPS）和不支持全球定位系统的地点来演示TRX NEON技术的能力。
1.2 TRX NEON 概述
NEON人员追踪器应用由TRX系统公司开发，是一种提供人员位置数据的地理定位传感器。特别是，该设备可以在室内、地下和其他无GPS的环境中提供位置数据。该系统使用一个惯性传感器，该传感器安装在皮带夹上，佩戴在人体的腰部附近。NEON应用从惯性传感器数据、蓝牙和Wi-Fi信号强度读数以及推断的地图和建筑数据中获取位置数据。TRX NEON追踪装置还可使用第三方固定式超宽带（UWB）或蓝牙低能量（BLE）信标部署在整个设施中，以提高位置数据的准确性。如果没有第三方信标，那么NEON追踪器本身也可以作为信标部署。
来自TRX NEON定位服务的位置数据可以在各种软件应用程序中查看，这些软件都是由TRX系统开发的，如TRX人员追踪器、为移动平台优化的信号映射器应用程序和TRX Command 3D软件，它可以进行三维位置追踪。这些软件应用程序还可以导入建筑计划，创建数字三维建筑模型。位置数据可以作为文件或通过API导出，以便在其他态势感知显示软件应用中查看，如ESRI的ArcGIS和FEMA的CBRNResponder。
NUSTL向MNR提供了四个追踪器和TRX软件的使用权，用于演示。NUSTL还提供了三部三星Galaxy S7智能手机和一部三星Galaxy S9智能手机，作为TRX NEON追踪器的传感器平台，以及三个便携式电源包，作为智能手机或定位追踪器的外部备用电源。借给MNR的智能手机没有配备SIM卡，因此只能访问GCT的Wi-Fi网络，而不能访问蜂窝网络。
图1-2 安装在战术背心上的TRX NEON
图1-3 TRX指令中的三维建筑模型
1.3 位置跟踪器的要求
在计划演示之前，NUSTL利用在第1.0节中提到的与MNR的会议中所作的记录，编制了一份关于位置跟踪技术的要求清单，其中包括所需的性能规格和功能。这些要求经过MNR的验证，在本节中列出：
1) 位置跟踪要求
1.1) 有GPS的精确性。定位追踪器应提供室外定位追踪，其精确度为3米。
1.2）无GPS的精确性。定位追踪器应在GPS封锁的区域提供定位追踪，精确度为10米。
1.3) 三维精度。定位追踪器应提供三维定位追踪，海拔精度为3米。
1.4）提高精确度的信标。位置跟踪器可以使用预先部署的信标或节点来提高位置数据的准确性。
1.5）参考针。用户可以在任何地点保存位置信息（或 "落针"）。该图钉被保存下来，可用于追溯参考。
1.6) 手动数据校正。位置跟踪器允许手动纠正以前记录的位置数据中的系统错误。
2) 通信要求
2.1) 与传感器平台的通信。位置跟踪器和传感器平台（即智能手机）应得到无线个人区域网络（WPAN）的支持。
2.1.1) WPAN连接时间。定位追踪器和传感器平台之间的WPAN连接将在行动期间保持95%的时间，并几乎不中断。
2.1.2) WPAN中断通知。WPAN将在定位追踪器和传感器平台之间断开时向佩戴者提供通知。
2.2) 与服务器的通信。传感器平台将通过蜂窝网络或Wi-Fi网络向服务器传输数据。
2.3）数据缓存。在网络连接中断（WPAN或外部网络）的情况下，位置数据将被缓存起来，并在重新建立连接时重新传输。
2.4) 更新时间间隔。传感器和智能手机上的数据以两秒钟的间隔更新。数据在基于桌面的态势感知软件上以两分钟的时间间隔更新。
3) 数据集成要求
3.1) 数据集成。位置数据可以与其他传感器的数据一起实时显示在态势感知显示器上。
3.1.1) FEMA CBRNResponder整合。位置数据可以显示在FEMA CBRNResponder中。
3.1.2) ESRI ArcGIS集成。位置数据可以显示在ESRI ArcGIS中查看的地理信息系统（GIS）层中。
3.2) 数据存储。位置数据可以被记录下来，并与其他传感器的数据一起显示在态势感知显示器上，以供日后分析。
4) 人为因素要求
4.1) 防止干扰。跟踪器的物理设计使之不会干扰佩戴者执行其他工作相关任务。
4.2) 移动性。追踪器的物理设计不妨碍佩戴者的行动。
4.3) 停用。跟踪器的物理设计不允许佩戴者有意或者无意停用跟踪器。追踪器只能由远程用户停用，如指挥员。
5) 其他要求
5.1) 与其他设备共处一室。如果设备是独立的，位置跟踪器的物理设计应允许与其他传感器或平台合用。
5.1.1) 与其他硬件集成。如果可能的话，位置跟踪器硬件要与其他传感器或平台集成。
5.2）时间同步。多个位置跟踪器与其他传感器或设备之间可以进行时间同步。
5.3) 电池寿命。位置追踪器的电池寿命应至少为4小时。
5.4) 外部电源。位置追踪器应可选择从外部供电。
5.5) 重新连接。位置追踪器在最初的连接中断后，会自动重新连接到传感器平台或其他通信服务器。当需要重新连接时，会向用户提供通知。
本报告第3.2节根据这些要求评估了TRX NEON系统的性能。
2.0方法
2.1 演示程序
2021年3月26日的技术演示以来自TRX系统的供应商代表的简短介绍拉开序幕，介绍了TRX NEON人员定位追踪器，它是如何工作的，以及如何使用它。
在供应商介绍之后，MNR评估人员在GCT的MNR办公室进行了技术初始化。两个TRX NEON追踪器被激活并与智能手机配对。一部智能手机是由NUSTL提供的，不支持长期演进（LTE）。因此，在整个演示过程中，使用这部手机的评估人员使用了Wi-Fi热点。另一部智能手机是由MNR提供的机构电话。这部手机是支持LTE的。MNR的评估人员随后前往预先确定的巡逻路线的起始位置。第三位MNR评估员陪同TRX NEON的佩戴者。第三名评估员向另外两名穿戴者转达了NUSTL关于示范程序的指示。然后，MNR评估员进行了以下几节所述的五个位置跟踪用例。
在MNR评估人员进行使用案例时，TRX系统和NUSTL的人员在视频会议上展示了TRX Command软件。五个用例完成后，MNR的评估人员回到MNR办公室。NUSTL随后主持了一次汇报会，在会上，MNR的评估人员接受了采访，就TRX NEON系统的性能进行了反馈。
2.1.1 单用户，有GPS的位置追踪
第一个位置跟踪用例展示了在一个具有GPS功能的地区进行的单用户跟踪。MNR评估员在42街GCT的一个入口处对TRX NEON技术进行了初始化。评估员走过GCT内部主厅的预定路径，通过列克星敦大道的一个出口离开大楼，并沿着大楼外部走到第44街和列克星敦大道的拐角处。评估员通过大楼的外部回到路线的起点（沿列克星敦大道向南，然后沿第42街向西）。在整个使用案例中，MNR评估员在不同的地点对TRX NEON技术进行了手动位置校正，包括在第44街和列克星敦大道的拐角处以及第42街和列克星敦大道的拐角处。
图2-1 TRX Command中的单用户、有GPS位置追踪
虽然在这张图片中显示了两个用户，但在这个用例中只有蓝色代表的用户在巡逻。由范围代表的用户在该用例中保持空闲。红色的虚线表示用户实际行走的巡逻路线。
2.1.2 多用户，有GPS的位置追踪
第二个位置跟踪用例展示了在一个具有GPS功能的地区对多个用户的跟踪。一个MNR评估员在上一节所述的地点进行了初始化，而第二个评估员没有进行初始化。第一个评估者走了上一节所述的路线，而第二个评估者同时走了路线的反面（先沿着建筑物的外部，然后通过建筑物的内部返回起点）。
第一个评估员在整个用例中，在前一个用例中使用的相同位置进行人工修正。第二位评估员没有进行手动修正。这样做是为了证明在没有人工修正的情况下可能出现的位置数据的误差。
图2-2 TRX Command中的多、有GPS位置追踪
蓝色代表的用户进行了初始化和手动修正，而橙色的用户没有进行任何一项。红色的虚线表示两个用户实际行走的巡逻路线。
2.1.3 多个用户，无GPS的位置跟踪
第三个位置跟踪用例展示了在一个没有GPS的地区对多个用户的跟踪。两位评估员在GCT的100号轨道的火车平台入口处进行了初始化。评估人员走到站台的尽头，在途中转入维修走廊。然后评估人员直接返回到站台的入口处。
然后，评估人员走到107号轨道的火车平台的入口处，又进行了一次初始化。评估人员走到站台的尽头，然后直接返回到入口。与100号轨道不同，107号轨道上没有维修走廊。
与前一个用例一样，第一个评估者定期进行人工修正，而第二个评估者则没有。这样做是为了证明在没有人工修正的情况下可能出现的位置数据的错误。
图2-3 TRX手机APP中支持GPS的位置跟踪
虽然这张截图是在多用户使用情况下拍摄的，但由于用户没有进行初始化或手动修正，所以看不到第二个用户。红色箭头表示该截图中用户的位置，以便于观察。
图2-4 TRX Command中的多用户、无GPS的位置追踪
该图是上图的放大和裁剪版，以方便观察。红色的虚线描述了两个用户实际行走的路径。
图2-5 TRX Command中的多用户、无GPS的位置追踪
在这个用例中，两个用户都进行了初始化。橙色代表的用户进行了常规的手动修正，而绿色代表的用户没有。
图2-6 TRX手机APP中的无GPS位置跟踪
虽然这张截图是在多用户使用情况下拍摄的，但第二个用户并不可见，因为这个用户没有进行手动修正。红色箭头表示该截图中用户的位置，以便于观察。
2.1.4 多用户、三维位置追踪
第四个位置跟踪用例展示了三维位置跟踪。这个用例使用了两条巡逻路线，并依次进行了行走。与之前的用例不同，在整个用例中，两位评估员都定期进行人工修正。一个用户每5分钟进行一次修正，另一个用户每10分钟进行一次修正。
对于第一条巡逻路线，评估人员在GCT的阳台层进行了初始化。然后评估人员走过GCT的阳台层、主大厅和餐厅大厅的路线，并返回到阳台层的起始位置。这条路线所包括的垂直特征包括楼梯、自动扶梯和坡道。
在完成第一条路线后，评估员继续乘坐电梯前往位于GCT六楼的MNR办公室。评估人员在六楼出了电梯后进行了一次人工修正，并在周边走了一圈。
图2-7 在TRX Command中对MNR办公室进行三维位置追踪
建筑模型左边的垂直轨道表示电梯的使用情况。
图2-8 在TRX指挥部的Dining Concourse中进行三维位置跟踪
屏幕右侧的垂直轨迹表示TRX NEON佩戴者走下楼梯。屏幕左边的垂直轨道表示使用了自动扶梯。
2.1.5 单用户、信标辅助的位置跟踪
第五个也是最后一个位置跟踪用例展示了使用参考信标来提高位置数据的准确性。在用例开始之前，三个TRX NEON跟踪单元（图）作为参考信标被部署在轨道100的列车平台上。NEON TU被放置在垂直柱上，高度约为5英尺。
一位MNR评估员在平台的入口处进行了初始化，然后走到平台的末端，在途中转入维修走廊。然后评估员直接返回到平台的入口处。在这一巡逻路线中，评估员进行了手动修正。然而，与第2.1.3节中描述的用例相比，进行纠正的频率较低。
评估人员在结束用例之前重复了巡逻路线。在这条巡逻路线的第二次行走中，没有进行人工修正。这样做是为了显示仅依靠参考信标和同时使用信标和人工校正时位置数据准确性的差异。
图2-9 TRX Command中的单用户、信标辅助定位追踪
沿着平台的绿色图标代表作为信标部署的TRX NEONs。评估员行走的实际路径见图2-4。
图2-10 TRX手机APP中的单用户、信标辅助位置跟踪
图片底部的绿色图标（为便于观察，用红色圈出）表示作为信标部署的TRX NEON。红色箭头表示截图中用户的位置，以便于观察。
2.2 偏离示范计划的情况
在演示之前，NUSTL团队在MNR的指导下制定了一个演示计划。该示范计划的目的是详细说明可用于展示TRX NEON技术能力的活动。虽然示范活动主要是按照示范计划进行的，但也有一些偏离计划的地方，本节将详细介绍。
由于新冠疫情的限制，NUSTL无法提供原计划用于演示的八个第三方Kontakt.io智能信标。相反，三个TRX NEON TU作为参考信标被部署在轨道100的火车平台上，以满足评估信标辅助位置跟踪的第五个用例的要求。NEON TU被放置在大约五英尺高的垂直柱上。
MNR评估人员在现场操作TRX NEON跟踪装置，在演示期间没有进行TRX指令测试。TRX Command软件由TRX系统公司的人员操作，并在演示期间通过视频会议进行实时共享。MNR在演示之前就可以使用TRX Command软件，并通过上传和创建GCT的平面图和三维模型来为演示做准备。
2.3 数据收集
NUSTL在整个演示过程中对数据进行了收集。数据收集是通过视频会议远程完成的。显示的内容包括简报和使用案例中TRX指令的实时共享显示。两名NUSTL的数据收集员与MNR的工作人员进行音频交流，以记录技术性能观察、技术故障和MNR评估人员的评论。在案例中，仅有一位MNR代表与佩戴TRX NEON设备的评估人员一起发言。在TRX演示和汇报会上，所有MNR的评估人员都可以发言。观察员也可以通过视频会议连接参与，并在整个演示过程中不时征求他们的问题和观点。
附录A中的书面数据收集提示：数据收集提示，被用来帮助确保在演示期间获得所有必要的数据。NUSTL和MNR记录了哪些评估人员配备了哪些设备。每个评估员的TRX NEON TU和安卓手机的序列号都有记录。每个评估者都被分配了一个独特的颜色和名称，并显示在TRX Command应用程序中。评估人员被要求每隔十分钟在他们的安卓手机上对TRX定位服务APP进行截图，或在预定的地点对使用案例中的GCT地点（仅限公共区域）进行拍照。数据收集员记录了时间以及所有相关的观察结果。NUSTL的数据收集员也每隔五分钟或更短的时间拍摄屏幕截图。汇报环节是通过附录B中的问题进行的：汇报问题。所有的数据来源都被汇编并提供给本报告。
2.4局限性
新冠疫情影响了示范的设计和执行。所有非MNR的参与者，包括NUSTL的数据采集员，都是通过视频会议的方式远程参与，这是其中一个限制条件。这限制了数据收集员观察整个环境和所有事件的能力，因此可能会错过一些相关的信息。NUSTL依靠MNR的参与者来管理示范活动的现场，并通过视频会议帮助传递信息。
3.0 研究结果
3.1 观察和评估员的反馈
本节详细介绍了NUSTL团队对技术性能和可用性的观察，以及MNR在整个演示过程中和汇报会上提供的反馈。
技术设置和安装
安装和设置都很容易。最耗时的部分是在TRX Command中创建建筑地图。
如果TRX没有提供先前生成的地图，那么在TRX Command中创建建筑地图就会困难得多。MNR评估人员指出，随着实践的进行，这一点会变得更容易。
在对最佳位置进行讨论后，一个人的传感器位置从臀部移到了演示中期的腰部中央。
在演示过程中，一部手机使用LTE，另一部使用Wi-Fi进行数据传输。使用Wi-Fi的那部手机曾有几次断开连接。MNR的评估人员还不得不关闭与周围其他Wi-Fi的连接，因为它可能会零星地连接到其他Wi-Fi。
根据TRX系统的建议，项目组计划使用调试标记。这将为演示后的使用创造一个简单的参考。然而，在演示开始时，经过多次尝试，这一功能并没有发挥作用。
二维位置数据的精确度
通过人工修正（NUSTL和MNR在演示过程中都称之为 "检查"）使位置数据明显更准确。这适用于科学应用，如MNR的应急准备环境调查。
人们注意到，如果不进行适当的初始化和定期的人工修正，误差幅度会在很短的时间内明显扩大。在第三个使用案例中，误差幅度估计增长到200英尺。
参考信标极大地提高了精确度，而不需要进行人工修正。
三维定位数据的精确性
TRX NEON人员追踪器经常代表用户在大楼的正确楼层。
在使用楼梯而不是自动扶梯时，楼层之间的过渡使轨道更加清晰。使用电梯的效果也很好。
有一次，在阳台上的手动修正导致系统将佩戴者误认为在大楼外的地面上。
在离开电梯前往MNR办公室时，两个穿戴者一度被显示在错误的楼层。虽然原因不明，但项目组假设这是由于错误的气压测量或无线电频率干扰造成的。
预计TRX NEON解决方案会自我纠正，在离开电梯大约十步后提高精确度。然而，该系统并没有自我纠正，必须进行人工纠正。
APP的实用性
MNR评估人员提到，希望APP中的 "中心用户 "按钮（即将地图置于用户位置中心的按钮）能够更加直观。一个直观的中心用户按钮将使TRX NEON人员追踪器的佩戴者能够追踪自己，并更容易了解自己在现场的位置。
MNR和NUSTL都注意到，为获得准确的位置数据而进行的人工修正的频率可能不适合节奏较快的应急响应行动。第一决策者在穿戴个人防护设备或操作其他设备时，可能不容易实际接触到配对的智能手机。此外，使用APP进行手动校正可能会分散手头工作的注意力。然而，使用参考信标而不是手动校正将更适合于应急响应行动。
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