全面解讀物聯網定位技術(一)

定位技術我們并不陌生,從航海、航天、航空、測繪、軍事、自然災害預防等“高大上”領域,到日常生活中的人員搜尋、位置查找、交通管理、車輛導航與路線規劃等等,各種定位技術都有廣泛應用,也讓我們越來越無處遁形。


總體來說,定位可以按照使用場景的不同劃分為室內定位和室外定位兩大類,場景不同,需求也就不同,采用的定位技術也不盡相同。

物聯網定位技術

①成熟的室外定位技術——衛星定位和基站定位


目前應用于室外定位的主流技術主要有衛星定位和基站定位兩種。

1.衛星定位



衛星定位即是通過接收衛星提供的經緯度坐標信號來進行定位,衛星定位系統主要有:美國全球定位系(GPS)、俄羅斯格洛納斯(GLONASS)、歐洲伽利略(GALILEO)系統、中國北斗衛星導航系統,其中GPS定位系統是現階段應用最為廣泛、技術最為成熟的衛星定位技術。

 

GPS全球衛星定位系統由三部分組成:空間部分、地面控制部分、用戶設備部分。

 


  • 空間部分是由24 顆工作衛星組成,它們均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆),衛星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象;

  • 控制部分主要由監測站、主控站、備用主控站、信息注入站構成,主要負責GPS衛星陣的管理控制;

  • 用戶設備部分主要是GPS接收機,主要功能是接收GPS衛星發射的信號,獲得定位信息和觀測量,經數據處理實現定位。

 

GPS天線定位原理說白了就是通過四顆已知位置的衛星來確定GPS接收器的位置。


要達到這一目的,衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星歷中查出。而用戶到衛星的距離則通過紀錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間,再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾,這一距離并不是用戶與衛星之間的真實距離,而是偽距)。

 

物聯網定位技術

當GPS衛星正常工作時,會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發射導航電文。導航電文包括衛星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。然而,由于用戶接受機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,還要引進一個變量 t 即衛星與接收機之間的時間差作為未知數,然后用4個方程將這4個未知數解出來。所以如果想知道接收機所處的位置,至少要能接收到4個衛星的信號。如下圖所示:

 


 圖:GPS定位原理


衛星定位雖然精度高、覆蓋廣,但其成本昂貴、功耗大,并不適合于所有用戶。

 

2.基站定位



基站定位一般應用于手機用戶,手機基站定位服務又叫做移動位置服務(LBS,Location Based Service),它是通過電信移動運營商的網絡(如GSM網)獲取移動終端用戶的位置信息。

 

手機等移動設備在插入sim卡開機以后,會主動搜索周圍的基站信息,與基站建立聯系,而且在可以搜索到信號的區域,手機能搜索到的基站不止一個,只不過遠近程度不同,再進行通信時會選取距離最近、信號最強的基站作為通信基站。其余的基站并不是沒有用處了,當你的位置發生移動時,不同基站的信號強度會發生變化,如果基站A的信號不如基站B了,手機為了防止突然間中斷鏈接,會先和基站B進行通信,協調好通信方式之后就會從A切換到B。這也就是為什么同樣是待機一天,你在火車上比在家里耗電要多的原因,手機需要不停的搜索、連接基站。

 

基站定位的原理也很簡單:我們知道,距離基站越遠,信號越差,根據手機收到的信號強度可以大致估計距離基站的遠近,當手機同時搜索到至少三個基站的信號時(現在的網絡覆蓋這是很輕松的一件事情),大致可以估計出距離基站的遠近;基站在移動網絡中是唯一確定的,其地理位置也是唯一的,也就可以得到三個基站(三個點)距離手機的距離,根據三點定位原理,只需要以基站為圓心,距離為半徑多次畫圓即可,這些圓的交點就是手機的位置。



圖:基站“三點定位”原理


由于基站定位時,信號很容易受到干擾,所以先天就決定了它定位的不準確性,精度大約在150米左右,基本無法開車導航。定位條件是必須在有基站信號的位置,手機處于sim卡注冊狀態(飛行模式下開wifi和拔出sim卡都不行),而且必須收到3個基站的信號,無論是否在室內。但是,定位速度超快,一旦有信號就可以定位,目前主要用途是沒有GPS且沒有wifi的情況下快速大體了解下你的位置。


表:兩種室外定位技術的對比

定位技術

GPS定位

LBS定位

原理

衛星定位

基站定位

精度

精度高(5-10m)

精度較低(市區20-200m;郊區1000-2000m)

耗電量

很大,需要手機為GPS模塊提供高壓供電

基站采集數據即可,不消耗手機電量

優點

室外定位精度高;
   覆蓋廣

定位速度超快;
   不受天氣、高樓、位置等等的影響;
   功耗低

缺點

1.GPS系統的天線必須在室外并且能看到大面積天空,否則無法定位,受天氣和位置影響很大;
 2.比較耗電;
 3.成本較高

1.定位條件是必須在有基站信號的位置,手機處于sim卡注冊狀態),且必須收到3個基站的信號;
 2.定位精度低


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