《轉貼文章》淺析五大定位系統與技術

分享:   中國智能交通網 2014-01-02

　LBS隨著移動互聯網的火熱而在近年成為一個火熱的概念，其本義是基於位置的服務( LocationBasedService )，而如何定位位置成為LBS中的基本。即便是智能手機的定位，也是通過設備自帶的GPS模塊實現，但定位系統的選擇不僅僅只有GPS一種選擇。本篇文章即意在概述下關於定位系統的那些事兒!

　　一、全球定位系統(GPS)

　　全球定位系統( GlobalPositioningSystem，簡稱：GPS )，是美國國防部研製和維護的中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區(98%)提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。全球定位系統可滿足位於全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。該系統包括太空中的24顆GPS衛星;地面上1 ​​個主控站、3個數據注入站和5個監測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中3顆衛星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度;所能收聯接到的衛星數越多，解碼出來的位置就越精確。

　　GPS信號分為民用的標准定位服務(SPS，StandardPositioningService)和軍規的精確定位服務(PPS，PrecisePositioningService)兩類，定位精度為10米。

　　GPS衛星星座由24顆衛星組成，其中21顆為工作衛星，3顆為備用衛星。24顆衛星均勻分佈在6個軌道平面上，即每個軌道面上有4顆衛星。衛星軌道面相對於地球赤道面的軌道傾角為55°，各軌道平面的升交點的赤經相差60°，一個軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星升交角距超前30°。這種佈局可保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆衛星。

　　GPS接收器要確定當前設備的位置，需要四顆GPS衛星協助定位，所需要的信息包括：

　　1、四顆衛星的空間位置坐標：根據星載時鐘(原子時鐘)所記錄的時間在衛星星曆中查出，每顆GPS衛星都實時向全球廣播自己的空間位置信息。

　　2、四顆衛星到GPS接收器的距離：通過紀錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間( GPS接收器的時間戳-GPS衛星發出信號時的時間戳 )，再將其乘以無線電波的速度(即光速) 得到 ( 由於大氣層電離層的干擾，這一距離並不是用戶與衛星之間的真實距離，而是偽距 (PR))。

　　由於無線電波速度也會受到空中電離層的影響，GPS衛星廣播的自己的位置也可能會有誤差，GPS接收器使用的時鐘與衛星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標x 、y、z外，還要引進一顆衛星與GPS接收器之間的時間差作為計算參數，以校正誤差。所以如果想知道GPS接收器所處的位置，至少要能接收到4顆衛星的信號。

　　二、輔助全球定位系統( AGPS )

　　由於在城市中，GPS衛星發出的信號會受到包括電離層、建築物、植被的削弱及多徑效應的干擾，導致GPS接收器接收到的GPS信號非常弱。一些GPS接收器在貧弱的GPS信號下無法實現定位，只有在持續一定時間地接受清晰的GPS信號時才能進行定位，且定位時長可達12.5分鐘，故需要利用手機基站信號，配合GPS信號進行定位，從而讓定位速度更快。

　　在蜂窩移動通信系統中，AGPS系統通過手機定位服務器作為輔助服務器來協助GPS接收器( 通常是手機 ) 完成測距和定位服務，輔助定位服務器有比GPS接收器強大得多的GPS信號接收環境和能力，在這種情況下，輔助定位服務器通過網絡與手機的GPS接收器通信而提供定位協助。

　　三、GSM蜂窩基站定位

　　GSM網絡的基礎結構是由360px-Base_station_mexico-city一系列的蜂窩基站構成的，這些蜂窩基站把整個通信區域劃分成一個個蜂窩小區，這些小區小則幾十米，大則幾千米。GSM定位，就是藉助這些蜂窩基站進行定位。

　　GSM蜂窩基站定位技術包括以下幾種：

　　1、COO( CellofOrigin ) 定位

　　COO 定位是一種單基站定位，即根據設備當前連接的蜂窩基站的位置來確定設備的位置，之所以可以通過單基站定位，是因為可以獲取確定的基站地理位置信息，終端通過獲取當前設備接入的基站位置信息和當前基站周圍完整的GIS( 地理信息系統 )，就可以實現移動終端的定位。運營商在建立基站時對每一個基站都有確切的位置記錄，因此，用戶在需要定位時首先發出定位申請，運營商根據用戶所處基站提取用戶位置信息反饋給用戶，從而實現移動終端定位。

　　COO定位的精度就取決於蜂窩小區的半徑。在基站密集的城市中心地區，通常會採用多層小區，小區劃分的很小，這時定位精度可以達到50M以內; 而在其他地區，可能基站分佈相對分散，小區半徑較大，可能達到幾千米，也就意味著定位精度只能粗略到幾千米。

　　2、七號信令定位

　　該技術以信令監測為基礎，能夠對移動通信網中特定的信令過程，如漫遊、切換以及與電路相關的信令過程進行過濾和分析，並將監測結果提供給業務中心，以實現對特定用戶的個性化服務。該項技術通過對信令進行實時監測，可定位到一個小區，也可定位到地區。故適用對定位精確度要求不高的業務，如漫遊用戶問候服務，遠程設計服務、平安報信和貨物跟踪等。目前，國內各省和地區移動公司的短信歡迎系統採用的就是此種技術。

　　3、TOA/TDOA定位

　　TOA(TimeofArrival，到達時間)、TDOA(TimeDifferenceofArrival,到達時間差)都是基於電波傳播時間的定位方法。同時也都是三基站定位方法，二者的定位都需要同時有三個位置已知的基站合作才能進行。

　　TOA原理是用基站傳輸到用戶設備的時間與電磁波速度乘積獲得兩兩之間的距離，然後建立三元一次方程組獲得用戶設備所在位置。由於距離的計算完全依賴於時間，因此TOA算法對系統的時間同步要求很高，任何很小的時間誤差都會被放大很多倍，同時由於多徑效應的影響又會帶來很大的誤差，因而單純的TOA在實際中應用很少。

　　TDOA的原理是將基站傳輸到用戶設備的時間做兩兩求差，再根據一定的數學方法獲得用戶設備的位置信息。TDOA的求差過程會抵消其中很大一部分的時間誤差和多徑效應帶來的誤差，因而可以大大提高定位的精確度。

　　4、AOA定位

　　AOA( AngleofArrival，到達角度 ) 定位是一種兩基站定位方法，基於信號的入射角度進行定位。

　　AOA定位通過兩直線相交確定位置，不可能有多個交點，避免了定位的模糊性。但是為了測量電磁波的入射角度，接收機必須配備方向性強的天線陣列。

　　5、基於場強的定位

　　該方法是通過測出接收到的信號場強和已知的信道衰落模型及發射信號的場強值估計收發信短的距離，根據多個三個距離值就可以得到設備的位置。從數學模型上看，和TOA算法類似，只是獲取距離的方式不同。場強原理雖然簡單，但是由於多徑效應的影響，定位精度較差。

　　6、混合定位

　　根據以上幾種定位方式混合使用的定位方法，比如上文提到的AGPS。

　　四、WIFI定位

　　WIFI定位依靠檢測WIFI接入點( WiFiAccessPoint ) 的MACAddress ( 類似10-78-D2-93-58-C2這樣的格式 )，去比對資料庫中該MACAddress的座標，交叉連集出所在地。此法尚須有網路連線做資料庫查詢才能完成定位。

　　WIFI定位主要用於GPS定位條件不滿足的情況，比如多徑效應信號干擾環境以及信號被阻隔的室內環境，類似的系統比如室內定位系統，該方法的應用得益於近十多年城市公共WIF熱點的快速增長，使用WIFI定位服務的商業公司包括Google、Navizon、AlterGeo和Skyhook。

　　以Google為例，其建立WIFI接入點資料庫的方式靠的是Google街景車，Google街景車除了拍下街景以外，另外還做了兩件事情：

　　1、沿路蒐集所有公開的無線網路MACAddress，與當時的經緯度一併記錄。

　　2、根據拍下的街景來建立建築物3D模型資料。

　　Google的WIFI信息資料庫會面臨過期與需要更新的問題，更新的方法是使用定位設備和Google程序的用戶在WiFi與手機基地台定位或GPS定位同時開啟時，手持裝置藉由手機基地台定位或GPS定位這兩種方式可以獲得目前的座標，再透過WiFi搜尋到附近所有的MACAddress，背後向Google的資料庫做更新。

　　用WIFI接入點定位是基於檢測接收到的WIFI信號的強度( receivedsignalstrength，簡稱RSS )，即三角(點) 定位法和指紋識別方法，定位的精度則受到WIFI接入點數據庫中的接入點數量的影響。

　　1、三角定位法

　　基於三角定位算法的WiFi定位可分成兩個階段：測距與定位。

　　①測距階段：待測點首先接收來自三個不同已知位置WIFI接入點的RSS，然後依照無線信號的傳輸損耗模型將其轉換成待測目標到相應WIFI接入點的距離。無線信號在傳輸過程中通常會受路徑損耗、陰影衰落等的影響，接收信號功率隨距離的變化關係可由信號傳輸損耗模型給出。

　　②定位階段：通過三角形算法計算待測點位置，即分別以已知位置的三個WIFI接入點為圓心，以其各自到待測點的距離為半徑為範圍，所得三個圓形範圍的交點即為待測點位置。

　　由此可見，基於三角定位法很大程度上依賴於確知的WIFI接入點位置信息及準確的信號傳輸損耗模型。

　　2、指紋識別定位法

　　與通常意義上的指紋識別類似，位置指紋識別依靠表徵目標特徵的數據庫進行識別，其定位過程主要分為訓練與定位兩個階段。

　　①訓練階段：其目標在於建立一個位置指紋識別數據庫。首先，選擇合理的參考點分佈，確保能為定位階段的準確位置估計提供足夠的信息。接著依次在各個參考點上測量來自不同AP的RSS值，將相應的MAC地址與參考點的位置信息記錄在數據庫中，直至遍歷關注區域內所有的參考點。由於受環境影響，無線信號強度並不穩定，為了克服RSS不穩定對定位的影響，通常在每個參考點上多次測量取平均。

　　②定位階段：給定數據庫後，依據一定的匹配算法將待測點上接收的APRSS與數據庫中的已有數據進行比較，計算位置估計值。常用的匹配算法有最近鄰法(NN)、KNN、神經網絡等。

　　相比三角測量基於信號傳輸模型來估算無線終端與WIFI接入點間的相對距離，指紋識別具有更高的準確度，因為它使用的是真實採集的信號信息而不是根據經驗公式來推算。但該法同樣存在很大的問題：首先，指紋識別數據庫的構建需要耗費大量的人力物力，數據庫完備程度會影響到定位的精度。其次，WLAN無線信號時變特性導致預先採集的數據在某種意義上只具有“瞬時”有效性，而且所部署環境的變化都會導致RSS或大或小的變化，使得需要重構指紋識別數據庫。

　　查水錶的定位術

　　有關部門定位嫌疑人的方式並不是通過日誌來查詢、鎖定，而是通過網絡運營商提供的數據來查找。網絡運營商會提供某可疑IP上網時間以及該IP分配電話、寬帶註冊地址等等信息供相關部門鎖定嫌疑人真實信息。如果嫌疑人有預留電話號碼，無論該電話號碼是否是實名註冊，通過移動手機設備自身的一個串碼即可以查詢嫌疑人的手機用過幾張SIM卡以及每個卡的號碼是多少，當確定某個電話號碼開通，便會利用無線電天線來偵查嫌疑人位置，調查人員還可以監聽手機短信。當我們的手機接通後基站會給我們建立一個通訊頻率，該頻率運營商是確切掌握的，手機會通過本振頻率來放大無線電波，放大無線電波的目的是為了準確的搭建起來語音通話頻。運營商的無線電波屬於短波F/0，穿透力比較弱，週期比較短。當確定嫌疑人手機號碼後運營商會提供一個網絡波段的密碼。調查人員通過設備連接到該頻率即可收聽到語音通話內容。

　　語音監聽的步驟大致為，A手機號碼給B手機號碼打電話的時候，手機發送頻率會上升，當手機頻率上升後會發送給基站一個信號，這個信號裡麵包括手機串號和手機卡串號進行一個身份認證和扣費計時，我們每次打電話的時候都要等待1-5秒的時間才會有嘟嘟的聲音的過程就是信號的發送過程。當B手機接通以後手機頻率會降低，降低就是為了減少無線電波的干擾和噪音，也就是跳頻技術。當降到1200-900MHZ在這個範圍裡本振頻率開始工作，每個手機都有這個功能，這個本振頻率有一個振動器是感覺不到的，它的作用就是將手機信號放大，當調查人員進入被監聽者手機頻率的時候，被監聽者會聽到電話裡有滋滋的電波聲音，或者亞音破音。這說明目標已被鎖定，可以通過語音取證​​了。運營商提供給公眾的語音服務就是點對點的一個加密模式，運營商提供給有關部門通話頻率密碼的條件下，被監聽者的通話則易如反掌。如果提供的是基站的通信密碼則可以對該基站範圍的語音進行監聽。



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