定位技术

1. 基本概念

    定位是指地球表面的特定物体于特定时间在某一种参考坐标系中的具体位置。利用各种手段获得具体位置的技术，就是定位技术。

    定位技术的发展史由来已久，从古代的航海、出行依靠对天文地理信息进行计算而获得当前位置，到简单的指南针等定位仪器的发明。随着人类科技文明的极大进步，无线电测向仪由军方开始使用，并逐步应用到民用领域。20世纪90年代，GPS全球定位系统诞生，开启了无线定位技术繁荣发展的时代。近10年来，由于互联网和通信技术飞跃式的发展，使得新无线定位技术的开发和研究成了世界的热门技术之一。

2. 基本分类

    不同的定位系统采用不同的测量/计算方法，研究的参数对象也会不同。当前基于信息化的定位技术可以分为GPS卫星定位技术、移动通信网络定位技术、AGPS定位技术及其他定位技术等。

(1 )卫星定位技术

    卫星定位技术是指终端通过与卫星的信息交互，实现定位的技术。目前联合国确认的全球四个卫星导航系统分别为美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯系统、欧盟的伽利略定位系统，以及中国的北斗卫星导航系统。美国的全球定位系统是目前最成然、应用最广的导航系统，下面以全球定 位系统为代表来介绍卫星导航的原理。

    全球定位系统( Global Poslition Nyatem, GPS)是出现最早、发展最成熟、应用最广泛的全球化卫星定位技术。美国军方从20世纪70年代开始研制GPS系统，这项历时20年耗资200亿美元的系统，于1994建成。GPS系统是一个中距离圆形轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区( 98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准，目前面向民用领域的定位误整可以控制在10 米左右。经过十多年全球众多专业领域的使用表明，GPS 具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点。

    该系统包括太空中的24颗GPS卫星:地面上的1个主控站、3个数据注人站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。GPS接收器在接收到三颗卫星的有效信号的情况下只能确定二维坐标，即经度相结度:在收到四颗或四颗以上的有效GPS卫星信号时，可以完成三维坐标的定位。

    其中，车载GPS导航仪接收到三个有效卫星信号，导航仪在终端计算收到信号值，狄得所处位置的经纬度;手持导航仪由于可以接收到四个有效卫星信号，因此，除了经纬度信息，还可以获取高度信息。

    卫星定位精度高，实现简单，技术成熟，因此，广泛应用在车辆定位、手机定位等领域。但是卫星定位要求终端必须能够够接收到卫星信号，因此，卫星定位在室内基本无法使用，而且在障碍物较多的位置(例如，在高楼林立的市区),由于卫星无线信号受到高楼的阻挡、反射，会导致定位精度有较大误差。同时，终端在进行卫星定位启动阶到突进行较长时间的 “搜星”动作，目的是寻我有效的卫星信号，毕致定位启动时间长，不过一旦确认卫星信号，以后就可以进行实时定位操作。

(2) 移动通信定位技术

    移动通信定位技术是指依靠移动通信网络系统及技术实现对移动终端的定位。目前，随着移动通信在全球范围内的发展，移动网络覆盖范围越来越广，移动通信技术本身也提供一定的定位能力，这些能力也逐渐成为普遍采用的定位技术。例如，美国联邦通信委员会(FCC)发布的E-911条例，要求所有的移动通信运营商必须在一一定的时限内、并且满足一定的定位成功率(67%)和定位精度(125 米以内)的条件下，对所有的手机用户实现定位功能，目的是当求助者在使用移动电话拨打紧急求助电话时，服务中心能够迅速且较准确地确定求助者的位置。

    移动通信定位技术是基于基站位置来实现的，也即系统中保存每个基站的精确位置信息，移动终端通过接收基站无线信号信息，然后根据不同的算法，来确定终端与基站的相对位置信息，根据基站的绝对位置信息，以及终端与基站的相对位置信息，最终获得终端的绝对位置信息。移动通信定义技术主要包括CelI-ID方式和基站增强的方式。

    Cell-ID定位技术的工作原理是:当终端在移动通信系统中正常工作时，可以向系统发送定位请求，系统查找该终端所连接的基站编号( 也即Cell-ID)，以及该基站的位置信息，最终将基站位置信息作为定位结果返回给终端。在这种定位方法中，基站的位置信息就代表了该基站无线电信号有效覆盖范围的位置信息，因此，Cell-ID定位技术的精度完全取决于基站位置信息、数据的准确性和基站的覆盖范围。在市区基站较为密集的情况下，CelI-ID 定位技术的定位精度约在300~500米之间;在野外开阔地等基站牧量较少的地方，定位误差一般在500——200米，甚至误差达数公里。

    由于Cl-ID定位技术精度较差，些基于基站信息的增强定位算法和技术也得到了发展，例如，NMR、TOATDOA、BOTD、AFLT等技术。在市区等基站部署密集的地方，基站覆盖区域会出现重叠的状况，在这些区城，终端可以利用多个基站进行定位，会取得比Cll-ID更精准的定位结果。

(3) 辅助全球卫星定位系统

    辅助全球但星定位系统Asist GPS. AGrS)是传统的GPS系统和移动通信定位技术的结合，既利用全球卫星定位系统具有精度高的特点，又利用移动通信中的基站辅助技术，使定位的速度更快。AGPS终端需要司时支持GPS模块和移动通信通信模块。

    如上所述，GPS定位的启动时间较长，是因为终端需要在启动后搜索该地点所能接收到的卫星信息，而通过移动网络技术，可以快速将这个信息直接发送给终端。

    在APGS实现中，需要在移动通信系统中部署定位辅助服务器，服务器上事先保存每个基站所对应的卫星星历等基站所在位置的GPS卫星相关信息。在终端启动定位后，通常的步骤为:

1) 移动终端向移动通信系统发送AGPS定位请求。

2) 系统根据终端所连接的基站，向该终端返回卫星星历，方位俯仰角等定位辅助信息。

3) 终端根据辅助信息，快速锁定相应的GPS卫星，并接收相应的卫星信号。

4) 终端在接收到GPS原始信号后解调信号，计算终端到卫星的伪距(伪距指受各种GPS误差影响的距离)，并将有关信息传输到定位辅助服务器。

5) 定位辅助服务器根据终端传来的GPS伪距信息和来自其他定位设备(如差分GPS基准站等)的辅助信息完成对GPS信息的处理，并估算该终端的位置。

6) 定位辅助服务器将该终端的最终位置返回给终端。

    AGPS定位技术与传统的GPS相比，具有以下优势。

    不利用移动网络提供GPS辅助信息，缩短定位启动的时间。

    不需要对卫星进行全频段扫描和跟踪，终端耗电量大大降低。

    提高定位灵敏度， 由于有网络辅助数据，即使处在建筑物密集处或天气状况不好，终端也能直接锁定卫星定位。

(4) 其他定位技术

    除了上述几种主流的定位技术外，目前还有一.些其他的定位技术，例如，WiFi定位、IP定位、RFID/二维码等标签识别定位、蓝牙定位、声波定位等。

    定位技术是确定被测物体位置的技术，已经得到了广泛的关注和应用。不同的定位技术应用的场景不同，在具体应用中，需要考愿定位的精度需求、主要的应用场景(室内或是室外)等，以选择适用的定位技术。