3.3 无线定位

位置信息一般包括经度、纬度和高度信息。无线定位在现代社会中发挥着越来越大的作用，如大地测量、地震预报、车辆的运输调度、森林防火、地质勘探和国土的开发、航海/航空的安全航行和交通管制、空间飞行器的定位和测控以及授时、移动通信、搜索救援等。

3.3.1 无线定位的基本原理

定位方法通常有三类：推算定位（Dead Reckoning）、接近式定位（Proximity）和无线电定位（Radio Location），其中无线电定位又可分为卫星无线电定位和地面无线电定位。推算定位基于一个相对参考点或起始点，借助地图匹配算法来确定移动目标位置，适用于对运动目标的连续定位；接近式定位又叫信标（Signpost或Beacon）定位，运动目标的位置通过与之最靠近的固定参考检测点来估计确定；卫星定位利用GPS、GLONASS、北斗等卫星系统的多个卫星实现移动目标的三维定位；地面无线电定位则通过测量无线电波从发射机到接收机的传播时间、时间差、信号场强、相位或入射角等参数来实施目标移动终端的二维定位。

3.3.1.1 推算定位

推算定位是一种较原始的定位技术，该技术基于一个已知相对参考点或起始点，连续计算目标运动过程中相对于起始点的方向和距离，借助地图匹配算法来确定移动目标位置，适用于对运动目标的连续定位。

推算定位系统依赖于移动终端对于加速度、速度和运动方向的测量精度。对常见的车辆定位，车辆的传动系统、车轮、惯性传感器和磁性指南针等部件均可用于车辆推算定位。其中，为了得到车辆运动的距离或速度测量值，传动传感器将测量传动轴的角度位置；已有的防滑煞车系统（ABS）传感器或不同的车辆里程表均可提供行驶距离和行进方向改变的信息；陀螺仪或加速计等惯性传感器可提供车辆位置和速度测量信息；磁性指南针可提供廉价的车辆前进方向信息。

利用上述传感器，可以测量车辆前进方向θi和距离di，加上已知起始位置x0=(x0,y0)T，则在时刻n的车辆位置xn=(xn,yn)T可由下式确定，

其中，di称为位移向量（displacement vector），di和θi称为第i次位移方向和位移距离。推算定位原理如图3.2所示。

通过与电子地图相结合，推算定位方法已成功地应用于运动目标定位。许多因素都将带来推算定位误差，如道路状况（如泥泞）、气象条件（如大风大雨）、测量部件的误差、轮胎气压等。由于推算定位系统当前位置取决于前一位置和方向，这些误差还将随着推算位置的更新而不断积累。但是，这一误差积累可以借助地图匹配算法予以消除，也可通过其他方法周期性地在已知位置上更新消除。

3.3.1.2 接近式信标定位

对于接近式定位或信标定位，运动目标的位置通过与之最靠近的固定参考检测点来估计确定，图3.3所示是最简单的一种定位方法。定位车辆的位置由固定在路边的信标传感器来确定，如磁性传感器、传统的简单无线收发信机等，它们的位置是固定且已知的。这种定位方法对于行驶路线固定的车辆（如公共汽车、送货车）和小型城市具有吸引力。但是，对大城市和大区域范围却不太实用，因为要在城市或区域内建设布置大量的固定信标传感器和通信网络。

接近式定位方法可提供自定位或远程网络定位功能。对于自定位，邻近信标必须含有信标真实位置信息并能通过磁感应或简单无线收发方式将位置信息传给车辆接收机；对于远程网络定位，网络必须能够通过信标识别出靠近信标的车辆磁信息或电信息，并通过有线或无线方式传递给网络定位中心。

有趣的是，蜂窝无线系统也可以看成一个很简单的接近式定位系统。非常粗糙的移动终端估计值可以通过最靠近的基站或扇区获得。然而，这种定位精度通常不能满足要求，除非小区半径很小或定位精度要求很低。

3.3.1.3 无线电定位

在各种无线电定位系统中，采用的基本定位方法和技术都是相同或相似的，都是通过检测某种信号的特征测量值实现对移动台的定位估计。从几何角度讲，确定目标在二维平面的位置可以由两个或多个曲线在二维平面内相交得到。为方便叙述，本书后面将待定位的目标称为移动终端或移动台或手机或车载台，将参与定位的设施称为基站。

在网络中为移动台提供的地面二维定位服务，通常可供选择的基本定位方法有以下几种。

① 圆周定位方法

若已知移动台到基站i的直线距离为Ri，则根据几何原理，移动台一定位于以基站i所在位置为圆心，Ri为半径的圆周上，即移动台位置(x0,y0)与基站位置(xi,yi)之间满足如下关系：

如果已知移动台与三个基站之间的距离，以三个基站所在位置为圆心，移动台与三个基站的距离为半径画圆，如图3.4所示，则三个圆的交点即为目标移动台所在位置。

在实际无线电定位方法中，通过测量从目标移动台发出的信号以直线到达基站i的时间ti（TOA），可以得到目标移动台与基站的距离Ri=c×ti，其中，c为电磁波在空中传播速度，即c=3×l08m/s。对于i=1，2，3，联立上述三个方程组，即可得到移动台坐标位置(x0,y0)。由于TOA与距离Ri的关系，三圆相交定位法又称为TOA定位法。

事实上，早期采用的场强定位法也是采用圆周定位。这种方法是通过检测接收信号的场强值、利用已知的信道衰落模型及发射信号的场强值估算出收发信机之间的距离，通过求解上述同样的距离方程组，即能确定目标移动台位置。在蜂窝网络中，只要在移动台对前向链路多个基站发射信号进行场强测量或在多个基站对反向链路移动台发射信号进行场强测量，再根据有关定位算法求解测距方程组，就能计算出移动台的估计位置。

然而，对于移动通信系统，由于特有的“远近效应”问题，系统通常必须采用功率控制。此时，基站接收到的信号功率并不能反映基站和移动台之间的实际距离，因为对基站而言，在达到理想功率控制时，从各移动台发射后到达基站的信号强度应当是相同的。

② 双曲线定位方法

当已知基站BS1和基站BS2与移动台之间的距离差R21=R2-R1时，移动台必定位于以两基站为焦点、与两个焦点的距离差恒为R21的实线双曲线对上，见图3.5。当同时知道基站BS1和基站BS3与移动台之间的距离差R31=R3-R1时，可以得到另一组以两基站BS1和BS3为焦点、与该两个焦点的距离差恒为R31的虚线双曲线对上，参见图3.5。于是，两组双曲线的交点代表对移动台位置的估计。

与TOA定位方法类似，基站BS1和基站BS2与移动台之间的距离差可以通过测量得到，即通过测量从两个基站同时出发的信号到达目标移动终端的时间差t21来确定，或测量从移动台出发到达两个基站的时间差t21。显然，R21=c×t21其中，c为电磁波在空中传播速度。双曲线定位中移动台坐标(x0,y0)和基站坐标(xi,yi)（i=1，2，3）有如下关系：

因为方程式两边同时求平方的缘故，解上述方程组后可以得到两个解，分别对应于图3.5中两对双曲线的两个交点。由于两个解（交点）中只有一个代表移动台的真实位置，故需要一些先验知识（如小区半径等）来分辨出真实解，以消除位置模糊（解模糊）。一些文献也将双曲线定位法称为基于电波到达时间差（TDOA）的定位法，即TDOA定位法，它也是目前在各种定位网络中主要研究、采用的定位方法。

③ 方位测量定位方法

方位测量定位方法也称为信号到达角度（AOA）定位方法。本方法是通过基站接收机天线或天线阵列测出移动台发射电波的入射角，从而构成一根从接收机到移动台的径向连线，即方位线。利用两个或两个以上接收机提供的AOA测量值，按AOA定位算法确定多条方位线的交点，即为待定位移动台的估计位置，见图3.6。

假设基站BS1和BS2分别测得移动台发出信号的到达角度分别为θ1和θ2，则下式成立，

通过求解上述非线性方程，可以得到移动台位置(x0,y0)。

④ 混合定位法

这种方法是利用上述两种或多种不同类型的信号特征测量值，如TOA/AOA、TDOA/AOA、TDOA/TOA进行定位估计。

例如，如果一个基站能够同时测得移动台发出信号以直射路径到达基站的时间t1和角度θ1，则移动台相对于基站的距离R1=c×t1和方位角θ1已知，于是由下式可以解出移动台位置(x0,y0)，即

通过对上述定位方法特点的分析比较，可以发现场强定位法比较简单，且在移动通信网络中场强测量值已应用于小区切换、功率控制等操作，但由于受多径衰落和阴影效应的影响，使得其定位精度较差；AOA定位法虽有一定精度，但要求接收机具有高精度的智能天线阵列，系统设备复杂，且只能从反向链路定位；TDOA和TOA定位法在蜂窝网络中实现相对容易，也能达到较高精度，因此这两种方法，特别是TDOA定位法，受到了更多的重视；混合定位法则能吸收不同定位法的优点，但需要提供不同的信号特征测量值。综上所述，目前在蜂窝网络中受到广泛关注和深入研究的是TDOA、TOA定位法及混合定位法。对于快速运动移动台的定位估计和跟踪，卡尔曼滤波器技术则被广泛采用。

3.3.1.4 影响定位精度的因素

（1）多径传播

多径传播是引起以上各种信号特征测量值出现误差的基本原因。对TDOA和TOA定位法来说，即使在MS和BS之间电波可以视距（LOS）传播，多径传播也会引起时间测量误差。因为基于互相关技术的延时估计器的性能会受多径传播的影响，当反射波到达时间与直射波在一个码片间隙内时更是如此。

（2）NLOS传播

LOS传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件。GPS系统也正是基于电波的LOS传播才实现了对目标的精确定位。但是移动网络覆盖区一般是城市和近郊，MS和多个BS之间实现LOS传播通常是很困难的；即使在无多径和采用了高精度定时技术的情况下，NLOS传播也会引起TOA或TDOA测量误差。因此，NLOS传播是影响各种蜂窝网络定位精度的主要原因，如何降低NLOS传播的影响是提高定位精度的关键。目前，降低NLOS传播的影响通常有以下几种方法。一种是通过TOA测量值的标准差对LOS和NLOS传播进行区别，NLOS传播的测距标准差比LOS传播高得多，利用测距误差统计的先验信息就可将一段时间内的NLOS测量值调节到接近LOS的测量值。另一种方法是降低非线性最小二乘算法中NLOS测量值的权重，这种方法也需首先判断哪些基站得到的是NLOS测量值。还有一种方法是对算法进行改进，利用在NLOS传播条件下距离测量值总是大于实际距离这一特点在非线性最小二乘算法中增加一约束项，从而提高定位精度。

（3）多址干扰

在CDMA系统中，用户通过不同的扩频码共用同一频带，这种高容量也带来了远近效应和多址干扰。多址干扰会严重影响TOA和TDOA的粗捕获，对延时锁相环的时间测量也有很大影响。在CDMA系统中通常采用功率控制来克服远近效应，但由于无线定位需要多个基站同时监测移动台发射的信号，功率控制只对服务基站起作用，对非服务基站，移动台的信号仍会受到严重的多址干扰，因而会影响常规接收机正确测量TOA或TDOA测量值的能力。

（4）其他因素

参与定位的各基站之间的相对位置、移动台与基站之间相对位置的差异造成的几何精度因子（GDOP）的不同，也会影响定位算法的性能，造成定位精度的差异。

3.3.2 定位技术

3.3.2.1 陆基无线电导航

20世纪以来出现的各种地面无线电定位导航系统，如Loran-C（罗兰-C）、Omega（奥米加）、Tacan（塔康）、Vor/DME、AVL、仪表着陆系统、微波着陆系统、子午仪、无线电信标等，通常都是针对快速移动目标，如飞机、舰船、车辆的定位与导航，并提供目标的位置、距离、速度、运动方向等信息。国际民用航空组织（ICAO）由于认识到卫星导航系统的巨大优越性，正在积极倡导各国使用卫星导航系统，从而导致了地面无线电定位导航系统的逐步淘汰，如美国已基本停止或开始淘汰罗兰-C、奥米加、无线电信标、子午仪等陆基导航定位系统。

各类地面无线电定位导航系统都采用了相同或相似的基本定位技术，其差别主要在于基于不同用途采用不同的无线电频段和系统结构。此外，对覆盖范围很大的定位系统，其导航精度和导航数据更新速率常常较低，而提供高导航精度的系统往往覆盖范围有限。

3.3.2.2 卫星定位

GPS是英文 Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System 的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称，它的含义是，利用卫星的测时和测距进行导航，以构成全球卫星定位系统。GPS系统是目前技术上最成熟且已实用的一种卫星导航和定位系统，能够廉价、便捷地在全世界任何地方、任何时候提供高精度和连续位置、速度、航向、姿态和时间信息。它具有如下特点：

•全球及全天候导航定位；

•定位精度高；

•实时定位速度快；

•抗干扰性能好，保密性强。

GPS方案是由24颗卫星组成的实用系统。这些卫星分布在互成120°的三个轨道平面上，每个轨道平面平均分布8颗卫星。这样，对于地球上的任何位置，均能同时观测到6～9颗卫星。设计粗码定位精度为100m左右，精码定位精度为10m左右。24颗卫星分布在互成60°的6个轨道面上，轨道倾角为55°，由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。

GPS定位是“测时－测距”体制，因此GPS卫星必须具有高度精确的时钟（频标）。GPS工作卫星只须启用一台原子钟，其余作为备用。

世界上许多公司都在进行高精度GPS设备的研制，并出现了许多高性能的产品。美国的高通和加拿大的NovAtel等公司的高动态、高数据输出率GPS接收机的单机定位精度可达10m，差分精度最高可达lcm左右，若进行数据后处理精度可达5mm。

当前，GPS用户设备发展的主要趋势如下。

① 集成化、小型化：由于电子技术和微处理技术的发展，GPS接收机的集成化程度越来越高，使整机尺寸和重量大大减少，价格也迅速下降。

② 高动态、多通道：研制、生产高动态、多通道接收机，可跟踪8～12颗卫星，不会因移动而丢失个别卫星的信号，中断导航定位。

③ 差分GPS接收机：这种接收机可进行实时差分导航定位，以消除定位误差，提高定位精度。

④ 以GPS为中心的组合导航系统：如GPS/INS（惯导）、GPS/GLONASS等组合式导航系统，具有广阔的应用前景。

⑤ 高精度动态接收机：当前动态GPS接收机大多是伪码测量的接收机。而非特许用户只能用粗码C/A码接收机，其实时定位精度较低，最高可达米级精度，不能满足高精度要求的用户需要。为此，许多国家在研制动态高精度载波相位测量GPS接收机，如Trimble公司的Trimble4000-SSE，可用于极高精度航空摄影测量定位，但需事后进行数据处理。

目前除了GPS系统外，卫星定位系统还有俄罗斯的GLONASS，欧洲的伽利略（Galileo）系统以及中国的北斗系统。

GLONASS系统是由前苏联开始研制，后由俄罗斯继续完善的全球卫星导航系统。GLONASS星座的轨道为3个等间隔近圆轨道，每个轨道面上均匀分布8颗卫星。3个轨道面升交点经度之差为120°，按地球自转方向将其编号为1、2、3。同一轨道面上的卫星编号按卫星运动方向的反方向递增，第1轨道面上的卫星为1～8，第2个轨道面上为9～16，第3轨道面上为17～24。同一轨道面上相邻卫星纬度幅角相差45°，相邻轨道面上相邻卫星纬度幅角相差15°。

2002年初，欧盟（EU）首脑会议最终批准实施“伽利略（Galileo）”卫星导航系统计划。“伽利略”卫星导航系统设计功能强大，具有GPS系统所没有的技术优势和服务范围。它的建成将明显改善全球卫星定位及导航领域的服务质量。计划建设中的“伽俐略”卫星定位系统将由30颗轨道卫星组成，卫星的轨道高度为2.4万千米，倾角为56°，分布在3个轨道面上，每个轨道面部署9颗工作星和1颗在轨备份星。“伽俐略”将为用户提供误差不超过1m、时间高度精确的定位服务。

北斗卫星导航系统是由两颗地球同步卫星、地面中心站、用户终端三部分组成的。定位可以由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行定位后将位置信息广播出去由该用户获取，也可以由中心站主动进行指定用户的定位，定位后不将位置信息发送给用户，而由中心站保存。在双星定位系统中，结合数字地面高程，可得知目标位置的大地高程，且已知目标在赤道平而北侧。由于是地球同步卫星，两颗卫星和中心站的地心坐标都是已知。具体的定位过程是：首先由中心发出信号，分别经两颗卫星反射传至接收部分，再由接收部分经两颗卫星反射分别传回中心站，中心站计算出两种途径所需时间，再经过计算即可确定接收机的二维位置，定位精度为15m左右。

北斗卫星导航系统有如下三大功能。

① 快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务。

② 简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，注册用户利用连续传送方式可以传送多达120个汉字的信息。相比之下，GPS、GLONASS系统均无此功能。

③ 精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求，利用授时终端，完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步，提供100ns（单向授时）和20ns（双向授时）的时间同步精度。

3.3.2.3 蜂窝无线定位

1996年美国联邦通信委员会（FCC）公布了E-911（Emergency call ‘911’）定位需求，要求在2001年10月1日前，各种无线蜂窝网络必须能对发出E-911紧急呼叫的移动台提供精度在125m内的定位服务，而且满足此定位精度的概率应不低于67%；在2001年以后，系统必须提供更高的定位精度及三维位置信息。美国FCC的这一规定明确了提供E-911定位服务将是今后各种蜂窝网络，特别是3G网络必备的基本功能。此外，欧洲的ETSI和日本的ARIB等组织也作了相应的要求，并在很多方面达成一致。自E-911需求颁布以来，由于政府的强制性要求和巨大的市场利益驱动，国外开始出现了研究基于蜂窝网络的无线定位技术热潮。随着研究的深入，在网络中准确确定移动台位置的重要性和必要性逐渐体现出来，网络中各种基于移动台位置的定位服务（LCS），如公共安全服务、紧急报警服务、基于移动台位置的计费、车辆和交通管理、导航、城市观光、网络规划与设计、网络QoS和无线资源管理的改进等，无不与准确定位移动台的位置有关。

在蜂窝网络中需要定位的移动台通常是静止或慢速移动的手机，因此，定位通常利用蜂窝网络采用无线电定位，根据需要也可以利用卫星参与辅助定位。

目前，在蜂窝网络中对移动台的定位需求主要是提供移动台的位置坐标信息及定位精度估计、时戳等辅助信息，对速度、运动方向等信息还没有明确要求。定位功能的实施应充分利用蜂窝网络和GPS等已有的系统资源，并尽可能少地影响网络的原有功能，选择适当的定位系统类型、相应的定位技术及实施方案。

无线定位系统中对移动台的定位是通过检测移动台和多个固定位置收发信机之间传播信号的特征参数（如电波场强，传播时间或时间差，入射角等）来估计出目标移动台的几何位置。在蜂窝网络中，根据进行定位估计的位置、定位主体及采用的设备的不同可将对移动台的无线定位方案分为三类：基于移动台的定位方案，基于网络的定位方案及GPS辅助定位方案，与之对应有以下几类定位系统。

① 基于移动台（Mobile Based）的定位系统

这类系统也称为移动台定位系统或前向链路定位系统，采用的是基于移动台的定位方案。其定位过程是由移动台根据接收到的多个已知位置发射机发射信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息（如场强、传播时间、时间差等）确定其与各发射机之间的几何位置关系，再由集成在移动台中的位置计算功能（Position Computing Function ，PCF），根据有关定位算法计算出移动台的估计位置。

② 基于网络（Network Based）的定位系统

这类系统也称为远距离定位系统或反向链路定位系统，采用的是基于网络的定位方案。其定位过程是由多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息送到网络中的移动定位中心（MLC）进行处理，由集成在MLC中的PCF计算出移动台的估计位置。

③ 网络辅助（Network Assisted）定位系统

这类系统也属于移动台定位系统，采用的是基于移动台的定位方案，其定位过程是由网络中多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息由空中接口传送回移动台，由集成在移动台中的PCF计算出移动台的估计位置。

④ 移动台辅助（Mobile Assisted）定位系统

这类系统采用的也是基于网络的定位方案，其定位过程是由移动台检测网络中多个固定位置发射机同时发射的信号，将各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息由空中接口传送回网络，由集成在网络MLC中的PCF计算出移动台的估计位置。

⑤ GPS辅助定位系统

这类系统采用的是GPS定位方案，由集成在移动台上的GPS接收机和网络中的GPS辅助设备利用GPS系统实现对移动台的定位。

3.3.2.4 室内定位技术

室外定位技术成熟、市场机制良好、应用广泛。然而人们的生活大部分时间其实处在室内，在日常生活中对室内也有很强烈的定位需求。首先是公共安全和应急响应，在紧急情况下，每一个人都想被救援人员精确定位到，大到建筑物的位置，甚至是楼层或者房间号。其次，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室内定位技术解决方案，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。这些室内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），其他定位技术（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）。

（1）室内GPS定位技术

GPS是目前应用最为广泛的定位技术。当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度也很低，要想达到室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的。为了得到较高的信号灵敏度，就需要延长在每个码延迟上的停留时间，A-GPS技术为这个问题的解决提供了可能性。室内GPS技术采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟码，同时也有助于实现快速定位。

利用GPS进行定位的优势是卫星有效覆盖范围大，且定位导航信号免费。缺点是定位信号到达地面时较弱，不能穿透建筑物，而且定位器终端的成本较高。

（2）室内无线定位技术

随着无线通信技术的发展，新兴的无线网络技术，例如Wi-Fi、ZigBee、蓝牙和超宽带等，在办公室、家庭、工厂等得到了广泛应用。

① 红外线室内定位技术

红外线室内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，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的室内定位精度，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，需要在每个房间、走廊安装接收天线，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 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。

③ 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，例如单层大厅或仓库。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。

④ 射频识别技术

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。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。

⑤ 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。

⑥ Wi-Fi技术

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。芬兰的Ekahau公司开发了能够利用Wi-Fi进行室内定位的软件。Wi-Fi绘图的精确度大约在1～20m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90m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。

⑦ ZigBee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。

不管是GPS定位技术还是利用无线传感器网络或其他定位手段进行定位都有其局限性。未来室内定位技术的趋势是卫星导航技术与无线定位技术相结合，将GPS定位技术与无线定位技术有机结合，发挥各自的优长，则既可以提供较好的精度和响应速度，又可以覆盖较广的范围，实现无缝的、精确的定位。

3.3.3 定位设备

3.3.3.1 GPS接收机

GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机，就可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的不同，用户要求的GPS信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机，产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。

① 按接收机的用途分类

导航型接收机：此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和度。

这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±25mm，有SA影响时为±100mm。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：车载型，用于车辆导航定位；航海型，用于船舶导航定位；航空型，用于飞机导航定位，由于飞机运行速度快，用于航空的接收机要求能适应高速运动；星载型，用于卫星的导航定位，由于卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。

测地型接收机：测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。定位精度高，但仪器结构复杂，价格较贵。

授时型接收机：这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通信中的时间同步。

② 按接收机的载波频率分类

单频接收机：单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短距离（<15km）的精密定位。

双频接收机：双频接收机可以同时接收Ll，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千千米的精密定位。

③ 按接收机通道数分类

GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和测量，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据通道种类，接收机可分为：多通道接收机、序贯通道接收机和多路多用通道接收机。

④ 按接收机工作原理分类

码相关型接收机：码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。

平方型接收机：方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。

混合型接收机：这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。

干涉型接收机：这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。

3.3.3.2 北斗用户机

北斗用户机最基本的功能是发出定位及通信请求，接收中心站的定位和通信结果。依据北斗用户机的应用环境和功能不同，可以将北斗用户机分为以下5类。

① 通用型：适合于一般车辆/船舶及便携等用户的导航定位应用，可接收和发送定位及通信信息，与中心站及其他用户终端双向通信。

② 通信型：适合于野外作业、水文测报、环境监测等各类数据采集和数据传输用户，可接收和发送短信息、报文，与中心站和其他用户终端进行双向或单向通信。

③ 授时型：适合于授时、校时、时间同步等用户，可提供20ns双向授时和100ns单向授时精度。

④ 指挥型用户机：适合于小型指挥中心指挥调度、监控管理等应用，具有鉴别、指挥下属其他北斗用户机的功能，可与下属北斗用户机及中心站进行通信，接收下属用户的报文，并向下属用户发播指令。

⑤ 多模式用户机：既能接收北斗卫星定位和通信信息，又可利用GPS系统或GPS增强系统导航定位。适合于对位量信息要求比较高的用户。

通用型北斗用户机是最为常用的一类用户机，它的基本功能是各类用户机可能共同具有的功能，通用型北斗用户机主要有以下基本功能。

基本功能：发出定位及通信信息，接收中心站经北斗卫星转发的定位和通信结果。

定位功能：可以进行手动、自动和紧急定位设定，定时或实时向中心站发出定位请求，并接收中心站发出的定位结果。在显示屏上显示经度、纬度、高程、时间及定位精度等信息。

通信功能：可以接收中心站发出的短报文信息，显示报文内容并将接收到的信息存储，以便查询。可以编辑发送电文及编辑发送固定电文。可以进行紧急报警通信。

导航功能：可以设定、预置、存储航路点、航线，并可自动计算偏航距离，偏航后还可以自动报警。

设置功能：可以对定位方式、通信频度、高程基准、坐标形式（大地、高斯、麦卡托）、显示信息方式等多种参数进行预设。

扩展功能：可以通过RS-232接口与PC/PDA等外部设备连接，传输定位、通信、时间等信息。

通用型北斗用户机的技术特性为：

•接收信号频率S波段，发射信号频率L波段。

•信息传输速率8kb/s，平均功率一般小于10W。

•首次捕获时间一般小于2s，失锁再捕时间小于1s。

•位置信息及电文存储能力一般不小于8KB，可存储10条航线，100个航路点。

•一次传送最大信息120汉字。

•位置信息延时ls，短信传输延时5s。

•可显示输出54北京坐标系、85国家高程基准及其他国家和地区坐标系。

•对需要保密的信息进行信息加解密处理和密钥切换。

•可对关键的部件进行故障自动巡检和故障报警。

•通过RS-232接口可以与PC/PDA等外部设备连接，传输定位、通信、时间等信息。