定位技术的发展及现代应用

定位技术的发展及现代应用一、定位技术的发展早在15世纪，人类开始探索海洋的时候，定位技术也随之催生。主要的定位方法是运用当时的航海图和星象图，确定自己的位子。随着社会和科技的不断发展，对导航定位的需求已不仅仅局限于传统的航海、航空、航天和测绘领域。GPS作为常见的导航定位系统已经逐渐进入社会的各个角落。尤其在军事领域，对导航定位提出了更高的要求。导航定位的方法从早期的陆基无线电导航系统到现在常用的卫星导航系统，经历了80多年的发展，从少数的几种精度差、设备较庞大的陆基系统到现在多种导航定位手段共存，设备日趋小型化的发展阶段，在技术手段、导航定位精度、可用性等方面均取得质的飞越。1.1陆基无线电导航系统1.1.1第一次世界大战期间陆基无线电导航系统是从20世纪20年代第一次世界大战期间开始发展起来的。首先是应用在航海，逐渐扩展到航空领域。其技术手段主要是采用无线电信标。舰船和飞机接受信标的发射信号，通过方向图调制测出与信标的方位，从而确定自身的航向。这时的导航主要侧重是侧向，定位能力比较差。1.1.2第二次世界大战及战后时期第二次世界大战及后期，无线电导航定位系统飞速发展，出现了许多新的系统，并在不断发展，到目前大多系统仍在广泛使用。这其中主要有罗兰-A（Loran-A）、罗兰-C（Loran-C）、台卡（Decca-A）、奥米伽系统、伏尔/测距器（DME）和塔康（Tacan）等。（1）罗兰-A和罗兰-C罗兰-A和罗兰-C的基本原理是发射脉冲信号，利用双曲线交会定位，20世纪50年代末产生的罗兰-C在罗兰-A的基础上，对发射信号进行了改进，使得用户可以得到几百米量级的定位精度和微妙级的授时精度。目前各国已建成近100个发射台站，但仍不能覆盖全球。（2）台卡和奥米伽台卡也是一种双曲线，主要针对欧洲的海上用户。其精度和覆盖范围均不如罗兰-C。随着罗兰-C西北欧台链的建成，其永华逐渐减少。奥米伽是针对以上几种系统存在的不能覆盖全球的问题而由美国在20世纪50年代中期研制的。采用低频连续波发射（10—14KHz）,双曲线定位。缺点是定位精度低、有多值性、数据率低和设备昂贵等。随着卫星导航定位系统的使用，奥米伽已于1997年关闭。（3）伏尔+测距器（DME）该系统主要针对航空用户研制。本质仍是一种甚高频全向信标，只能给飞机指示方位。所以，在1949年又将测距器纳入了系统中。测距器与伏尔信标置于一地，采用询问和应答的方式，能够为110架左右飞机提供距离测量的服务。（4）塔康（Tacan）工作在L频段，采用脉冲体制，同时提供方位和距离坐标，具有设备小的优点，在航空导航欧较为广泛的应用。1.2自主式导航路基导航定位系统虽然具有价格低、可靠新高等优点，但它依赖于电磁波在空中的传播，系统的生存能力、抗干扰能力和抗欺骗能力较为薄弱。因此，自主导航也逐渐得到了发展。主要有惯性导航和多普勒导航两种。1.2.1惯性导航惯性导航系统（INS）是一种推算导航，20世纪60年代开始投入使用。是以惯性测量器件——陀螺为中心，通过测量载体的三维加速度。积分测速和测距，然后根据起点坐标推算载体当前坐标的一种定位方法。其优点是完全自主导航，缺点是精度随着距离和时间的退役逐渐降低，往往需要定期校准。目前惯性导航系统一般都和卫星导航系统结合使用，利用卫星导航系统为其提供校准坐标。1.2.2多普勒导航20世纪50年代开始发展，利用机载多普勒雷达探测地面，测出飞机的三维速度，进行推算导航。与惯性导航的区别是使用机载雷达完成载体的实时三维速度测量。相同之处是：由于雷达存在测量误差，所以其定位误差随时间的累积逐渐扩大。二、现代定位技术随着数据业务和多媒体业务的快速增加，人们对定位与导航的需求日益增大，尤其在复杂的室内环境，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等环境中，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品在室内的位置信息。但是受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，比较完善的定位技术目前还无法很好地利用。因此，专家学者提出了许多定位技术解决方案，如A-GPS定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、红外线技术、射频识别技术、超宽带技术、无线局域网络、光跟踪定位技术，以及图像分析、信标定位、计算机视觉定位技术等等。这些定位技术从总体上可归纳为几类，即GNSS技术（如伪卫星等），无线定位技术（无线通信信号、射频无线标签、超声波、光跟踪、无线传感器定位技术等），其它定位技术（计算机视觉、航位推算等），以及GNSS和无线定位组合的定位技术（A-GPS或A-GNSS）。2.1GPS与A-GPS定位常见的GPS定位的原理可以简单这样理解：由24颗工作卫星组成，使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。在整个天空范围内寻找卫星是很低效的，因此通过GPS进行定位时，第一次启动可能需要数分钟的时间。这也是为啥我们在使用地图的时候经常会出现先出现一个大的圈，之后才会精确到某一个点的原因。不过，如果我们在进行定位之前能够事先知道我们的粗略位置，查找卫星的速度就可以大大缩短。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。民用精度约为10米，军用精度约为1米。GPS的优点在于无辐射，但是穿透力很弱，无法穿透钢筋水泥。通常要在室外看得到天的状态下才行。信号被遮挡或者削减时，GPS定位会出现漂移，在室内或者较为封闭的空间无法使用。正是由于GPS的这种缺点，所以经常需要辅助定位系统帮助完成定位，就是我们说的A-GPS。例如iPhone就使用了A－GPS，即基站或WiFiAP初步定位后，根据机器内存储的GPS卫星表来快速寻星，然后进行GPS定位。例如在民用的车载导航设备领域，目前比较成熟的是GPS+加速度传感器补正算法定位。2.2基站定位（cellID定位）小区识别码（CellID）通过识别网络中哪一个小区传输用户呼叫并将该信息翻译成纬度和经度来确定用户位置。CellID实现定位的基本原理：即无线网络上报终端所处的小区号（根据服务的基站来估计），位置业务平台把小区号翻译成经纬度坐标。基本定位流程：设备先从基站获得当前位置（CellID）。（第一次定位——设备通过网络将位置传送给agps位置服务器——Agps服务器根据位置查询区域内当前可用的卫星信息，并返回设备。——设备中的GPS接收器根据可用卫星，快速查找可用的GPS卫星，并返回GPS定位信息。2.3Wifi定位无线局域网络(WLAN)是一种全新的信息获取平台，可以在广泛的应用领域内实现复杂的大范围定位、监测和追踪任务，而网络节点自身定位是大多数应用的基础和前提。当前比较流行的Wi-Fi定位是无线局域网络系列标准之IEEE802.11的一种定位解决方案。该系统采用经验测试和信号传播模型相结合的方式，易于安装，需要很少基站，能采用相同的底层无线网络结构，系统总精度高。设备只要侦听一下附近都有哪些热点，检测一下每个热点的信号强弱，然后把这些信息发送给网络上的服务端。服务器根据这些信息，查询每个热点在数据库里记录的坐标，然后进行运算，就能知道客户端的具体位置了。一次成功的定位需要两个先决条件：第一，客户端能上网；第二，侦听到的热点的坐标在数据库里有相关记录。芬兰的Ekahau公司开发了能够利用Wifi进行室内定位的软件。Wifi绘图的精确度大约在1米至20米的范围内，总体而言，它比蜂窝网络三角测量定位方法更精确。但是，如果定位的测算仅仅依赖于哪个Wi-Fi的接入点最近，而不是依赖于合成的信号强度图，那么在楼层定位上很容易出错。目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，Wi-Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高2.4FRID、二维码定位射频识别技术利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的。通过设置一定数量的读卡器和架设天线，根据读卡器接收信号的强弱、到达时间、角度来定位。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中，无法做到精准定位，布设读卡器和天线需要有大量的工程实践经验难度大。2.5红外线定位技术红外线定位技术定位的原理是：红外线IR标识发射调制的红外射线，通过安光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的定位精度，但是由于光线不能穿过障碍物，使得红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大主要缺点使其室内定位的效果很差。当标识放在口袋里或者有墙壁及其他遮挡时就不能正常工作，需要在每个空间安装接收天线，造价较高。因此，红外线只适合短距离传播，而且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精确定位上有局限性2.6超声波定位技术超声波测距主要采用反射式测距法，通过三角定位等算法确定物体的位置，即发射超声波并接收由被测物产生的回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离，有的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。超声波定位整体定位精度较高，结构简单，但超声波受多径效应和非视距传播影响很大，同时需要大量的底层硬件设施投资，成本太高。2.7蓝牙技术蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备，就可以获得用户的位置信息。蓝牙技术主要应用于小范围定位。蓝牙室内定位技术最大的优点是设备体积小、易于集成在PDA、PC以及手机中，因此很容易推广普及。理论上，对于持有集成了蓝牙功能移动终端设备的用户，只要设备的蓝牙功能开启，蓝牙室内定位系统就能够对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。2.8超宽带技术超宽带技术是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精确定位，例如战场士兵的位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与传统的窄带系统相比，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点。因此，超宽带技术可以应用于室内静止或者移动物体以及人的定位跟踪与导航，且能提供十分精确的定位精度。2.9ZigBee技术ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频识别和蓝牙之间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本。除了以上提及的定位技术，还有基于计算机视觉、光跟踪定位、基于图像分析、磁场以及信标定位等。此外，还有基于图像分析的定位技术、信标定位、三角定位等。目前很多技术还处于研究试验阶段，如基于磁场压力感应进行定位的技术。三、现代定位技术的应用3.1卫星定位技术的应用全球定