定位技术

• 定位通过特定的位置标识与测距技术来确定物体的空间物理位置信息（经纬度坐标）。
• 常用的定位方法：一种是基于卫星导航的定位；另一种基于参考点的基站定位。
  • 基于卫星导航的定位方式主要是利用设备或终端上的GPS定位模块将自己的位置信号发送到定位后台来实现；
  • 基站定位则是利用基站与通信设备之间的无线通信和测量技术，计算两者间的距离，并最终确定通信设备位置信息。不需要设备或终端具有GPS定位功能，但是其定位精度很大程度上依赖于基站的分布及覆盖范围的大小，误差较大。
• 定位技术的主要功能：拓展导航功能、基于位置的服务。

卫星定位技术

• 目前运行的卫星导航系统主要包括：

1. 美国的全球定位系统（GPS），覆盖全球的卫星定位导航系统。
2. 俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)，只覆盖俄罗斯境内
3. 中国的北斗导航系统(BNS)，已实现全球组网

• 正在研发和建设中的系统还有欧洲的伽利略系统(GALILEO)，日本的准天顶卫星系统(GZSS)和印度的区域导航卫星系统(IRNSS)

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GPS

• GPS系统的组成：
  1. GPS系统的组成空间部分
  2. 地面部分
  3. 用户接收设备
• GPS系统由28颗轨道卫星组成，其中24颗正常工作，4颗备份
  

GPS定位原理

• 卫星定位的逻辑步骤：
  1. 三角测量：
  2. 距离测量：速度乘以时间等于路程
  3. 获取精确的时间
  4. 卫星的位置
  5. 误差改正
     

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卫星定位技术的应用

1. 定位导航
2. 勘察测量
3. 应急救援
4. 精确制导

蜂窝定位技术

• 蜂窝定位采用基于参考点的基站定位技术，利用移动运营商的移动通信网络，通过手机与多个固定位置的收发信机之间传播信号的特征参数来计算出目标手机的几何位置。同时，结合地理信息系统GIS(Geographic Informatica System)为移动用户提供位置查询等服务。
  
  

COO（Cell of Origin）定位

• COO定位是一种单基站定位，即根据设备当前连接的蜂窝基站的位置来确定设备的位置。显然，定位的精度就取决于蜂窝小区的半径。
• COO定位精度不确定，但最快捷、最方便，不需要任何额外的硬件投入，且定位时间短

TOA（Time of Arrival）定位

• TOA与TDOA都是三基站定位
• TOA电波到达时间定位基本原理是得到$T_i(i=1,2,3)$后，由$Ti\times c$得到设备到基站i之间的距离$R_i$，然后根据几何知识，建立方程组并求解，从而求得$Location$值。

• 由于距离的计算完全依赖于时间，因此TOA算法对系统的时间同步要求很高，任何很小的时间误差都会被放大很多倍，同时由于多径效应的影响又会带来很大的误差，因而单纯的TOA在实际中应用很少。

TDOA（Time Difference of Arrival）定位

• 手机的位置在一条双曲线之上，即$(d_2-d_3)=c\Delta t$。三个不同的基站可以测得两个TDOA，手机位于两个TDOA决定的双曲线的交点上。
• TDOA电波到达时间差定位是对TOA定位的改进，与TOA的不同之处在于，得到$T_i$后不是立即用$T_i$去求距离$R_i$，而是先对$T_1$,$T_2$,$T_3$两两求差。
• TDOA求时差的过程可以抵消时间误差和多径效应带来的误差，因此可以大大提高定位精度。

AOA（Angle of Arrival）定位

• AOA(到达角度)定位是一种两基站定位方法，基于信号的入射角度进行定位。利用手机分别与两个基站之间的夹角，两个射线的交点就是手机的位置优点：只需要两个基站。
• 缺点是由于多径传播的影响，误差较大，且需要基站配备能够测量到达角大小的天线。

A-GPS（Assisted GPS）定位

• AGPS（AssistedGPS：辅助全球卫星定位系统）是一种结合网络基站信息和GPS信息对移动台进行定位的技术，既利用全球卫星定位系统GPS，又利用移动基站，解决了GPS覆盖的问题，可以在2代的G、C网络和3G网络中使用。
• 利用基地台代送辅助卫星信息，以缩减GPS芯片获取卫星信号的延迟时间，受遮盖的室内也能借基地台讯号弥补，减轻GPS芯片对卫星的依赖度。
• AGPS利用手机基站的信号，辅以连接远程定位服务器的方式下载卫星星历 ，再配合传统的GPS卫星接受器，让定位的速度更快。

Wifi定位技术

• WIFI（Wireless Access Point:AP，无线路由器）定位的方法有很多，例如可以依据测信号强度来判定目标的距离，也可以依据信号角度来检测目标的方向和角度，依据相位，时间和时间差来初步判定目标距离AP的位置等。

1. 每个无线AP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；设备开启WIFI的情况下，无线路由器默认都会进行SSID广播（除非用户手动配置关闭该功能），在广播帧包含该路由器的MAC地址；
2. 采集装置可以通过接收周围AP发送的广播信息获取周围AP的MAC信息和信号强度信息，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时就在服务器上建立一张巨大的WIFI信息网络

• 当一个设备处于这样的网络中时，可将收集到的这些能够标识AP的数据发送到位置服务器，服务器检索出每个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，其计算方式也是利用三点定位或多点定位技术
• 数据采集分为主动采集和用户提交
  1. 主动采集：采集无线信号并打上通过GPS定位出的坐标回传至服务器
  2. 用户提交：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的定位服务。如果允许，用户的位置信息就被服务器收集到。
     

其他室内定位技术

• GPS等定位技术精度高，但无法穿透建筑物，不能实现室内定位。
• 任何一种通信技术，本身都会带有定位功能。RFID定位、蓝牙定位、WSN定位等

WSN定位

• WSN节点的定位是指自组织的网络通过特定的方法确定节点位置（节点坐标）的过程。这种定位分为两种：自身定位和目标定位。
  • 节点自身定位是确定网络中节点的自身坐标位置的过程。自身定位中，根据节点是否已知自身的位置，把节点分为信标节点（beacon node）和未知节点（unknown node）两类。
  • 目标定位是确定网络覆盖范围内一个事件或一个目标的坐标位置，自身定位是目标定位的基础。

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WSN定位的分类

• WSN中的定位技术可以分为：

1. 基于测距（Range-Based）的定位算法：能实现相对精确的定位功能，但功耗高、硬件限制大。
2. 无需测距（Range-Free）的定位算法：硬件限制低，但定位粗糙。

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1. 绝对定位：其结果是一个标准的坐标位置，如经纬度；，能实现相对精确的定位功能，但功耗高、硬件限制大。
2. 相对定位：以网络中部分节点为参考，建立整个网络的相对坐标系统。

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1. 集中式计算；
2. 分布式计算；
3. 递增式计算；

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典型的测距法

• TOA、TDOA、AOA、RSSI等
• 在RSSI（Received Signal Strength Indicator）测距法中，发射节点的发射信号强度已知，接收节点记录接收到信号的强度，计算出信号的传播损耗，再利用信号传播的理论模型或经验模型将传输损耗转化为距离。
• 无线电收发器是WSN节点已有的资源，不需要添加额外的硬件。故其是一种低功耗，廉价的测距技术。

典型的无需测距法

• 质心算法、API算法、DV-Hop算法

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• 质心算法的基本思想是：通过未知节点以所有在其通信范围内的所有信标节点的通信区域重叠所组成多边形的几何质心作为自己的估计位置。
• 定位过程为：信标节点周期性向邻居节点广播信标分组，信标分组中包含信标节点的标识号和位置信息。当未知节点接受到来自不同信标节点的信标分组数量超过某一个门限k或接收一定时间后，就确定自身位置为这些信标节点所组成的多边形的。
  

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• DV-Hop算法的核心思想是未知节点通过路由方法获得与信标节点之间最小跳数，并计算平均每跳距离，以最少跳数和平均每跳距离的乘积作为未知节点和信标节点之间的估计距离。最后利用三边测量法或极大似然估计法计算未知节点坐标。
• DV-Hop算法使用评价跳段距离估算两点之间的实际距离，存在一定误差，同时在定位过程中两次洪泛，能量开销大，但是该算法对硬件要求低，实现简单。