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WiFi AP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（cell ID定位）

小区识别码（Cell ID）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。Cell ID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（Cell ID）。（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