1.3 无线定位技术分类

目前，室外定位技术主要包括以卫星定位、蜂窝网定位，以及GPS与蜂窝网相结合的A-GPS定位等。针对室内定位，蜂窝网的室分系统同样可以利用，另外基于WLAN的定位技术在室内定位中发挥重要作用。

1.3.1 卫星定位

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）是一种空间无线电定位系统。在地球上的任何时间、地点和天气下，只要接收机能接收到良好的卫星信号，就能确定它自身的准确位置。

目前，在轨运行的卫星导航系统包括美国的GPS、我国的北斗系统、俄罗斯GLONASS 系统以及欧盟伽利略（Galileo）系统。这些系统丰富和拓展了卫星导航定位技术，可以为全球用户提供24 h的导航定位服务。GPS是最早研制成功也是目前应用最为广泛的一个全球导航定位系统。目前，GPS的空间星座部分由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。GPS系统可以提供的服务分为两类，分别是精密定位服务（Precise Positioning Service,PPS）和标准定位服务（Standard Positioning Service, SPS）。其中，PPS 主要服务于美国军方和取得授权的政府机构用户，系统采用 P码定位，单点定位精度可以达到0.29～2.9 m。SPS则主要用作民用，定位精度可达2.93～29.3 m。目前美国正加紧部署和研究GPS Ⅲ计划，GPS Ⅲ将选择全新的优化设计方案，放弃现有的24颗中轨道卫星，采用全新的33颗高轨道加静止轨道卫星组网。据介绍，与现有 GPS 相比，GPS Ⅲ的信号发射功率可提高100倍，定位精度提高到0.2～0.5 m。

北斗卫星导航定位系统是由我国自主研发的，可以和目前世界上其他几大卫星导航定位系统实现兼容与互操作的全球卫星导航定位系统。北斗具有三大基本功能，分别是快速定位、双向通信和精密授时。根据我国的战略方针，北斗卫星导航系统按照三步走的总体规划分步实施：第一步是建立区域有源系统，1994年启动北斗卫星导航试验系统建设，即实施“北斗一代”导航系统的建设，2000年形成区域有源服务能力；第二步是建立区域无源系统，于2000年启动北斗卫星导航系统建设，在2012年形成区域无源服务的能力；第三步是建立全球无源定位系统，于2020年形成能够提供无源定位的全球卫星导航定位系统。

GLONASS是Global Navigation Satellite System的缩写，是由前苏联国防部独立研制和控制的军用导航定位系统，采用与 GPS 相近的24颗星星座组成，其中包含21颗处于工作状态的运行卫星和3颗处于工作状态的在轨备份卫星。与GPS所采用的码分多址（Code Division Multiple Access,CDMA）不同，GLONASS系统使用频分多址（Frequency Division Multiple Access,FDMA）的方式，每颗GLONASS卫星广播两种信号，即 L1和 L2信号。根据俄联邦太空署官方网站提供的数据，目前GLONASS有29颗在轨卫星，其中23颗GLONASS-M卫星正常工作，2颗卫星暂时进入技术维修中，3颗用于系统备用，还有1颗GLONASS-K卫星用于飞行实验。

伽利略计划是一个欧洲的全球导航服务计划。它是世界上第一个专门为民用目的设计的全球性卫星导航定位系统。它的总体思路具有四大特点：自成独立体系；能与其他的GNSS系统兼容互动；具备先进性和竞争能力；公开进行国际合作。完全部署之后的伽利略系统将主要由3部分组成，即空间星座部分、地面监控与服务设施部分和用户设备部分，此外伽利略系统还将为外部系统及地区增值服务运营系统提供接口。伽利略系统的空间星座部分将包括30颗卫星（27颗工作卫星、3颗备用卫星），它们将被均分为3组运行于中地球轨道上，预定轨道半径为29 601.297 km，轨道平面与地球赤道平面的轨道倾角为56°，卫星运行周期约为14 h，卫星设计寿命为20年。

1.3.2 蜂窝网定位

蜂窝网络定位技术发展的原动力是美国联邦通信委员会于 1966 年提出的E-911 紧急呼叫的定位需求。蜂窝网定位技术主要是利用现有的蜂窝网络，通过测量信号的某些特征值来完成定位的技术。因为蜂窝网的覆盖率比较广，不需要移动终端硬件上的升级，在室内也能完成定位，所以基于蜂窝网的定位技术是目前比较常用的定位技术。依据定位技术所采用的测量值，可以将基于蜂窝网的定位技术分为基于到达时间、到达角度、接收信号场强及混合定位技术等。

在蜂窝网中，按照定位主体、定位估计位置及所使用设备的不同，将移动台无线定位方案分成以下几种系统[20]。

（1）基于移动台的系统

此系统又称为前向链路定位系统或移动台自定位系统。在此过程中，移动台检测到多个位置已知的发射机所发射的信号，并按照信号中所包含的与移动台位置坐标相关的特征信息（如传播时间、时间差、场强等）来确定它与发射机之间的位置关系，并由移动台中集成的位置计算功能，依据相关定位算法计算出估计位置。

（2）基于网络的定位系统

该系统又称为远距离定位系统或是反向链路系统，在这一过程中，多个位置固定的接收机对移动台发出的信号同时进行检测，并将接收信号中包含的与移动台位置相关的信息传送到网络中的移动定位中心（Mobile Localization Center, MLC），并由定位中心的分组控制功能（Packet Control Function,PCF）最终计算出移动台的位置估计值。

（3）网络辅助定位系统

该系统也属于一种移动台自定位系统。此过程中，多个网络中位置固定的接收机对移动台所发出的信号同时进行检测，并将接收信号中所包含的位置相关信息经过空中接口传送至移动台，并利用移动台中的PCF计算得到最终估计位置。这里，网络为移动台定位提供了必要的辅助信息。

（4）移动台辅助定位系统

此系统采用基于网络的定位方案。在定位过程中，移动台对多个位置固定的发射机所发射的信号进行检测，并将信号中携带的移动台位置相关信息经过空中接口送回网络中，并由网络MLC中的PCF算出移动台位置估计值。这里，移动台为网络定位提供了相关的检测信息。

（5）GNNS辅助定位系统

此系统采用的是卫星系统定位方案，由网络中的GPS辅助设备和移动台中集成的GPS接收机对移动台进行定位估计。但是，GNNS接收机通常具有“首次定位时间（Time to First Fix,TTFF）”问题，会造成比较大的定位时延。为了减少TTFF，地面蜂窝网络可给配备GNSS的UE（User Equipment，用户设备）提供一些辅助数据。辅助数据含有卫星广播信息，使接收机能在任意时刻计算轨道位置，从而减小卫星信号搜索窗的大小。

1.3.3 无线局域网定位

无线局域网的发展主要基于人们对室内定位的需求。与室外定位相比，室内定位技术的起步较晚，但发展迅速。人们对室内环境下的定位、导航需求越来越大，例如医院对病人和医疗设备的跟踪和管理，机场、展厅、博物馆等场馆的人员导航，矿井、建筑物内发生火灾等紧急情况时的人员定位和线路规划，以及在仓库、停车场等场所物品和车辆的管理等。

室内定位的巨大需求，促使人们对室内定位展开了广泛研究。方法之一就是将室外定位技术引入室内环境，但是由于其信号难以穿透建筑物而使定位效果大打折扣。此外，现有的移动通信网定位精度太低，无法满足室内定位对精度的要求。因此，人们又专注于其他定位技术，例如无线局域网定位技术。

无线局域网具有传输速率高、安装便捷等特点，覆盖了人们活动的大多数区域（如办公楼、宾馆、车站、家庭、学校、超市等），使人们在日常生活工作中可以随时随地快速接入网络。室内定位系统可以在无线局域网中获取无线局域网信号，并对信号进行处理并提取与目标位置相关的信息（如信号强度等），运用定位算法来估计目标的位置。比较常见的有Wi-Fi定位、RFID定位、蓝牙定位、ZigBee定位、UWB定位。

1.3.4 其他定位技术

除了上述常见的定位方法，近几年还出现一些新兴的定位技术，主要有以下几种。

（1）地磁定位

地磁场是地球的固有资源，为航空、航天、航海提供了天然的坐标系。地磁定位的原理是通过地磁传感器测得的实时地磁数据，与存储在计算机中的地磁基准图进行匹配来定位。由于地磁场为矢量场，在地球近地空间内任意一点的地磁矢量都不同于其他地点的矢量，且与该地点的经纬度存在一一对应的关系。因此，理论上只要确定该点的地磁场矢量即可实现全球定位。地磁导航作为一种新兴的导航技术，具有不受地形、位置、气候等外部环境限制，可实现全地域、全天候导航的优点，能够有效弥补现有导航方法的不足，因而具有广阔的应用前景。地磁导航主要包括3个分支领域：磁场测量技术、全息磁图数字化技术、定位与导航技术。

（2）气压计定位

气压计定位主要根据不同高度气压的变化对定位目标的高度进行估计。由于受到技术和其他方面原因的限制，GPS在定位中的高度一般误差都会有10 m左右，所以在手机原有 GPS 的基础上再增加气压计，可以辅助 GPS 使定位更加精准。尤其在一线城市交通中，立交桥、高架桥林立，以往基于GPS的导航无法判断是在高架桥上方还是下方行驶，容易造成错误的引导。当加入了气压计后，导航软件可感应气压变化，实现高架区域内的垂直定位，进行精确判断，从而带来了更为精准的导航服务。此外，气压计定位也可以为用户提供所在楼层信息，这种垂直定位信息在高楼林立的城市中尤为重要。

（3）可见光定位

在室内可见光（Light Emitting Diode,LED）定位系统中，由天花板上固定位置的LED阵列发射带有位置信息的光信号，经编码调制后由移动目标携带光探测器接收光信号，通过解码、解调等信号处理后恢复出原始信号，再由相应的定位算法分析得到移动目标的位置。

一家名为ByteLight的公司[21]专门从事LED定位系统的开发，内嵌了ByteLight芯片的 LED 灯具会发出闪烁信号（肉眼感知不到）。在消费者打开支持 ByteLight的应用时，手机摄像头会检测到这些信号，以此识别用户当前所在位置。由于不用依靠Wi-Fi或者数据网络，所有的一切都在终端设备上运行，所以定位也会非常迅速。ByteLight技术需要在生产线上改造LED灯具，每支新灯具成本比普通灯具增加10美分。该技术的优点是定位精度在1 m以内，不需要零售店做额外的架构铺设。在商业模式上，ByteLight 选择技术授权的形式。公司本身不生产芯片也不生产灯具，而是向厂商（及开发者）提供硬件技术授权以及配套的移动应用技术。

（4）视觉定位

视觉定位可以描述为运动载体通过视觉设备观察场景，再通过图像分析、目标识别等技术，计算载体在世界坐标系下的全局位姿，或是载体相对场景中特定参照物的局部相对位姿。

美国加州大学伯克利分校开发的技术可利用设备摄像头拍摄的照片，来计算设备的位置和方向，不过需要有建筑物内部的全景图库（跟谷歌的街景图类似）。由于系统掌握图库中每一张照片的实际位置，因此通过照片比对可计算出设备的位置所在。目前这项技术已经在伯克利分校园区的建筑及加州 Fremont 的一个商场进行了测试。结果表明，图片的匹配成功达到了 96%。一旦将图片匹配结果用于位置修正，最后的定位误差不会超过1 m[22]。

（5）红外定位

红外线室内定位技术定位的原理是，红外线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并进行定位。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，所以红外射线仅能视距传播。直线视距和传输距离较短这两大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便不能正常工作，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，在医疗、机械、消防、军事方面都有重要应用。