定位技术有哪些?

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定位技术有哪些?
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卫星定位

定位,我们通常按使用场景,分为室内定位室外定位

定位技术有哪些?

卫星定位,是利用人造地球卫星进行点位测量的技术,也是目前使用最为广泛、最受用户欢迎的定位技术。它的特点非常突出,就是精度高、速度快、使用成本低。

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24颗卫星距地高度为20200km,运行周期为11小时58分(恒星时12小时),均匀分布在6个轨道平面内。正常情况下,在地球表面上任何地点任何时刻,平均可同时观测到6颗GPS卫星,最多可达10颗卫星。


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除了天上的卫星之外,当然还需要地面的相关设备进行配合和监测,也就是地面监控系统。


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GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监控站。GPS导航系统的基本原理,是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。

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我们的手机,内置了GPS模块和天线,相当于接收机,负责GPS数据的接收和处理。


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这些数据被手机操作系统或APP应用软件(例如百度地图)调用,起到精确定位的目的。

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小提示:可以安装类似“GPS雷达”这样的APP,随时查看自己的手机现在能搜到哪几颗定位卫星:

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我随便扫了一下,头上的卫星还真不少啊

卫星定位这个东西,涉及到国家安全,当然不能完全依赖于国外。所以,尽管GPS系统非常成熟,我们国家还是开发了北斗系统

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弹道导弹,总不能用人家老美的卫星来定位吧

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不过总的来说,如果天气OK,GPS的定位精度都不会太差。

基站定位

说完了卫星定位,再来看看地面定位

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基站定位的原理和雷达有相似之处。雷达定位大家都知道,就是发射雷达波,根据目标的反射,进行空间位置测算。

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基站定位的话,基站就相当于是一个“雷达”。通常,在城市中,一部手机会在多个基站的信号覆盖之下。手机会对不同基站的下行导频信号进行“测量”,得到各个基站的信号TOA(到达时刻)或TDOA(到达时间差)。根据这个测量结果,结合基站的坐标,就能够计算出手机的坐标值。

画个图,一看就明白了:


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清楚了吧,三点一位。

基站定位的精度并不高,误差大概从100米到上千米。主要误差原因,是来自基站的位置和密度。简而言之,基站数量越多,密度越高,定位精度也就越高。基站和手机之间的障碍物越少,定位精度也会有所提升。通常农村地区的基站定位精度低,是因为农村基站少,盲区多,有时候只有一个站的信号,当然无法精确定位了。

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一个站可以定位一个圈,无法定位一个点

除了上面所说的基站定位之外,如果你对定位精度要求不高的话,也可以直接查看手机当前所在的小区信息,来确认目标位置。我们所有的手机,只要连接到运营商的网络,就相当于“登记”在网络里。当前连接的基站信息,在手机中都可以查到。

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在拨打电话界面输入 *#*#4636#*#* 查看对应的基站信息苹果的话,输入*3001#12345#*

在运营商那边,也非常容易查到这个信息。即使你关机了,运营商HSS(负责管理用户数据的设备)都能查到之前你所在的基站小区。这种方式查看位置比较快,但是精度就很低,一个基站覆盖的范围,从几百米到几公里不等。

Wi-Fi定位

除了基站定位之外,就是Wi-Fi定位

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也许你会认为,我所说的Wi-Fi定位,就是IP地位定位。其实并不是

大家都知道,每个人上网,都会有一个公网IP地址。这些IP地位,在网络系统中都是有注册的,例如属于南京电信或上海联通,之类的。

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IP地址确实可以大致追踪到你的位置(运营商可以查得更准确),但是,这种定位也有局限性。一方面,现在很多运营商都采用NAT技术,不一定会给每个用户分配公网地址,另一方面, IP地址很容易欺骗,我如果搞一个代理地址,你看到的IP,可能是美国的。我所说的Wi-Fi定位,和上面的IP地址定位完全不同,是根据Wi-Fi路由器MAC地址进行定位。

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每一个无线AP(Wi-Fi路由器)都有一个全球唯一的MAC地址,并且一般来说,无线AP在一段时间内不会移动。在开启Wi-Fi的情况下,采集设备(例如手机)可以搜到这个无线AP的信号,并且获取它的MAC地址和信号强度信息。采集装置将这些信息上传到服务器,经过服务器的计算,保存为“MAC-经纬度”的映射。当采集的信息足够多,就在服务器上建立了一张巨大的Wi-Fi信息数据库。

当一个设备处在这样的网络中时,可以将收集到的这些能够标示AP的数据发送到位置服务器,服务器检索出每一个AP的地理位置,并结合每个信号的强弱程度,计算出设备的地理位置并返回到用户设备,其计算方式和基站定位位置计算方式相似,也是利用三点定位或多点定位技术。


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位置服务商要不断更新、补充自己的数据库,以保证数据的准确性。那么,问题来了,这些AP位置映射数据怎么采集的呢?大致可以分为两种——主动采集和用户提交。


  • 主动采集:

谷歌的街景拍摄车,它就是一个采集设备。它采集沿途的无线信号并打上通过GPS定位出的坐标回传至服务器。

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Google街景拍摄车
  • 用户提交

Android手机用户在开启“使用无线网络定位”时,会提示是否允许使用Google的定位服务,如果允许,用户的位置信息就被谷歌收集到。iPhone则会自动收集Wi-Fi的MAC地址、GPS位置信息、运营商基站编码等,并发送给苹果公司的服务器。和基站定位一样,Wi-Fi定位在AP密集的地方有很好的效果。如果AP很少,那也很难定位准确。

总的来说,Wi-Fi这种定位方式的执行难度比较大,可用性和准确性也不高。所以,主要还是一种辅助性质的定位手段。

A-GPS定位

说到辅助,我们就要说到A-GPS了。

A-GPS,Assisted GPS,辅助全球卫星定位系统。从名字就可以看出来,这是GPS的一个增强功能。

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A-GPS网络架构

这个技术,就是将GPS定位和基站定位两种技术相结合。

手机通过基站大致定位自己的位置,然后把位置告诉AGPS服务器,服务器根据这个位置信息,将此时经过你头顶的卫星参数(哪几颗、频率、位置、仰角等信息)反馈给你的手机,你手机的GPS就可以快速搜索卫星。采用A-GPS的话,手机搜星速度大大提高,几秒钟就可以定位。


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以上,就是常用的室外定位技术。其实,说实话,最靠谱的方式,还是卫星定位。大家经常会发现自己被定位到河里去,多半都是因为卫星没信号,然后被基站定位和Wi-Fi定位给坑了

室内定位

事实上,像GPS这样的定位技术,虽然精度高,但是有一个明显的缺点,就是无法穿透建筑物,不能实现室内定位

但是,人们对室内定位是有强烈需求的。例如地下车库,人们经常会忘记自己的车停在哪里。此外,在大型商场人流较多,找人会存在困难,小孩走失的话,也会需要定位。

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地下车库,非常考验一个人的方向感

在工业方面,也有定位需求,例如厂房内的生产线跟踪,资产管理等。现在我们都在说“万物互联”,那么,物在哪里,你总要知道的吧?

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IoT,物联网

对于这种室内定位需求,我们应该采用什么样的定位手段呢?

其实,任何一种通信技术,本身都会带有定位功能。就像我们刚才说的基站定位和Wi-Fi定位,本身都是通信技术,但是通过测量时间差,都能够进行位置测量。所以,短距离通信技术有哪些,室内定位技术,就有哪些。例如,蓝牙定位红外定位RFID射频定位超声波定位Zigbee定位UMB定位,全部都属于室内定位技术。Wi-Fi定位,其实也一样适用于室内。

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Wi-Fi室内定位

我们简单介绍几个比较典型的吧。

首先,说说蓝牙定位

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蓝牙,大家都很熟悉,是一种短距离低功耗的无线传输技术。蓝牙定位,就是通过在指定区域安装信标(可以发出蓝牙信号),实现精确定位。这些比手机要小的信标,每隔几米放置一个,能够与所有装有蓝牙模块的移动设备进行通信。


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蓝牙定位组网

蓝牙定位的优点,是设备体积小、短距离、低功耗,容易集成在手机等移动设备中。只要设备的蓝牙功能开启,就能够对其进行定位。说到蓝牙定位,就要提一下iBeacon,这是苹果公司2013年推出的一种低功耗精准微定位服务。它比以往普通蓝牙技术传输距离更远,精度更高。

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另外一个比较受欢迎的室内定位技术,是UWB超宽带。超宽带(UWB)定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点,与新加入的盲节点进行通讯,并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。

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UMB室内定位技术

超宽带通信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,因此具有GHz量级的带宽。由于UWB技术具有穿透力强、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,前景也是相当广阔。还有其它几种室内定位技术

惯性导航技术

这是一种纯客户端的技术,主要利用终端惯性传感器采集的运动数据,如加速度传感器、陀螺仪等测量物体的速度、方向、加速度等信息,基于航位推测法,经过各种运算得到物体的位置信息。

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随着行走时间增加,惯性导航定位的误差也在不断累积。需要外界更高精度的数据源对其进行校准。所以现在惯性导航一般和WiFi指纹结合在一起, 每过一段时间通过WiFi请求室内位置,以此来对MEMS产生的误差进行修正。该技术目前的商用得也比较成熟,在扫地机器人中得到广泛应用。

RFID技术

RFID定位的基本原理是,通过一组固定的阅读器读取目标RFID标签的特征信息(如身份ID、接收信号强度等),同样可以采用近邻法、多边定位法、接收信号强度等方法确定标签所在位置。

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射频识别室内定位技术作用距离很近,但它可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息,且由于电磁场非视距等优点,传输范围很大,而且标识的体积比较小,造价比较低。但其不具有通信能力,抗干扰能力较差,不便于整合到其他系统之中,且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善。

目前有大量成熟的商用定位方案基于RFID技术,广泛应用于紧急救援、资产管理、人员追踪等领域。

红外技术

红外定位主要有两种具体实现方法,一种是将定位对象附上一个会发射红外线的电子标签,通过室内安放的多个红外传感器测量信号源的距离或角度,从而计算出对象所在的位置。

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这种方法在空旷的室内容易实现较高精度,可实现对红外辐射源的被动定位,但红外很容易被障碍物遮挡,传输距离也不长,因此需要大量密集部署传感器,造成较高的硬件和施工成本。此外红外易受热源、灯光等干扰,造成定位精度和准确度下降。

该技术目前主要用于军事上对飞行器、坦克、导弹等红外辐射源的被动定位,此外也用于室内自走机器人的位置定位。

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另一种红外定位的方法是红外织网,即通过多对发射器和接收器织成的红外线网覆盖待测空间,直接对运动目标进行定位。

这种方式的优势在于不需要定位对象携带任何终端或标签,隐蔽性强,常用于安防领域。劣势在于要实现精度较高的定位需要部署大量红外接收和发射器,成本非常高,因此只有高等级的安防才会采用此技术。

超声波技术

超声波定位主要采用反射式测距法,通过多边定位等方法确定物体位置,系统由一个主测距器和若干接收器组成,主测距仪可放置在待测目标上,接收器固定于室内环境中。定位时,向接收器发射同频率的信号,接收器接收后又反射传输给主测距器,根据回波和发射波的时间差计算出距离,从而确定位置。

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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,且超声波频率受多普勒效应和温度影响,同时也需要大量基础硬件设施,成本较高。

代表公司:Shopkick

超宽带技术

超宽带(UWB)定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点,与新加入的盲节点进行通讯,并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。

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从技术上看,无论是从定位精度、安全性、抗干扰、功耗等角度来分析,UWB无疑是最理想的工业定位技术之一。

UWB其他几种技术的综合比较:

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不过UWB的劣势也很突出,一方面难以实现大范围室内覆盖,另一方面系统建设成本远高于RFID、蓝牙信标等技术,这也限制了该技术的推广和普及。

代表公司:Ubisense、中海达子公司联睿电子、清华系公司清研讯科。

LED可见光技术

可见光是一个新兴领域,通过对每个LED灯进行编码,将ID调制在灯光上,灯会不断发射自己的ID,通过利用手机的前置摄像头来识别这些编码。利用所获取的识别信息在地图数据库中确定对应的位置信息,完成定位。

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根据灯光到达的角度进一步细化定位的结果,高通公司做到了厘米级定位精度。由于不需要额外部署基础设施,终端数量的扩大对性能没有任何的影响,并且可以达到一个非常高的精度,该技术被高通公司所看好。

目前,可见光技术在北美有很多商场已经在部署。用户下载应用后,到达商场里的某一个货架,通过检测货架周围的灯光即可知晓具体位置,商家在通过这样的方法向消费者推动商品的折扣等信息。

代表企业:华策光通信

需要提一句的是,像GPS定位、基站定位这样的方式,搭建系统有很高的门槛,不管是技术,还是资金,都不是一般企业能够承受的。但是,室内定位技术完全不同,它并不需要很大的投资,而且技术难度也小得多,所以,现在很多公司都在研究,也做出了不少成熟产品。


数据统计,优秀的人99%都会关注后设为星标

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本期编辑:HNE

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