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寻息电子带你穿越千古,回看定位技术的演变史

       谈到定位技术,很多人都觉得跟现代科技发展是分不开的,但追根溯源,在远古时期,就有了定位技术的原型。下面,寻息电子就带你细细回看定位技术一路走来的发展历程。



       一、古代的定位方式

       古代的定位方法,第一是利用星象。东晋僧人法显在访问印度乘船回国时曾记述:“大海弥漫无边,不识东西,唯望日、月、星宿而进”。到了元、明时期天文定位技术有很大发展。当时采用观测恒星高度来确定地理纬度的方法,叫做“牵星术”,所用的测量工具,叫做牵星板。根据牵星板测定的垂向高度和牵绳的长度,即可换算出北极星高度角,它近似等于该地的地理纬度。郑和率领的船队在航行中就是采用“往返牵星为记”来导航的。在航行中,他们还绘制了著名的《郑和航海图》。我国的航海图虽然宋代就已应用,但多只是以近海为主,不能满足大船队的远航需要。郑和与他的助手王景弘依据多次航行所得的海域和陆地知识,制成了远航图册,名为“自宝船厂开船从龙江关出水直抵外国诸蕃国”,后人称之为“郑和航海图”。该图以南京为起点,最远达非洲东岸的图作蒙巴萨。全图包括亚非两洲,地名50O多个,其中我国地名占200多个,其余皆为亚洲诸国地名。所有图幅都采用“写景”画法表示海岛,形象生动,直观易读。在许多关键的地方还标注“牵星”数据,有的还注有一地到另一地的“更”数,以“更”来计量航海距离等。可以说,郑和航海图是我国古代地图史上真正的航海图。

       第二是司南,它是是我国春秋战国时代发明的一种最早的指示南北方向的指南器,还不是指南针。早在两千多年前汉(公元前206-公元220年),中国人就发现山上的一种石头具有吸铁的神奇特性,并发现一种长条的石头能指南北,他们管这种石头叫做磁石。古代的能工巧匠把磁石打磨凿雕成一个勺形,放在青铜制成的光滑如镜的底盘上,再铸上方向性的刻纹。这个磁勺在底盘上停止转动时,勺柄指的方向就是正南,勺口指的方向就是正北,这就是我国祖先发明的世界上最早的指示方向的仪器,叫做司南。

       二、定位技术的发展

       早在15世纪,人类开始探索海洋的时候,定位技术也随之催生。主要的定位方法是运用当时的航海图和星象图,确定自己的位子。


       随着社会和科技的不断发展,对导航定位的需求已不仅仅局限于传统的航海、航空、航天和测绘领域。GPS作为常见的导航定位系统已经逐渐进入社会的各个角落。尤其在军事领域,对导航定位提出了更高的要求。导航定位的方法从早期的陆基无线电导航系统到现在常用的卫星导航系统,经历了80多年的发展,从少数的几种精度差、设备较庞大的陆基系统到现在多种导航定位手段共存,设备日趋小型化的发展阶段,在技术手段、导航定位精度、可用性等方面均取得质的飞越。


       2.1陆基无线电导航系统

       2.1.1 第一次世界大战期间

       陆基无线电导航系统是从20世纪20年代第一次世界大战期间开始发展起来的。首先是应用在航海,逐渐扩展到航空领域,其技术手段主要是采用无线电信标。


       舰船和飞机接受信标的发射信号,通过方向图调制测出与信标的方位,从而确定自身的航向。这时的导航主要侧重是侧向,定位能力比较差。


       2.1.2 第二次世界大战及战后时期

       第二次世界大战及后期,无线电导航定位系统飞速发展,出现了许多新的系统,并在不断发展,到目前大多系统仍在广泛使用。


       这其中主要有罗兰-A(Loran-A)、罗兰-C(Loran-C)、台卡(Decca-A)、奥米伽系统、伏尔/测距器(DME)和塔康(Tacan)等。


       (1)罗兰-A和罗兰-C

       罗兰-A和罗兰-C的基本原理是发射脉冲信号,利用双曲线交会定位,20世纪50年代末产生的罗兰-C在罗兰-A的基础上,对发射信号进行了改进,使得用户可以得到几百米量级的定位精度和微妙级的授时精度。目前各国已建成近100个发射台站,但仍不能覆盖全球。


       (2)台卡和奥米伽

       台卡也是一种双曲线,主要针对欧洲的海上用户。其精度和覆盖范围均不如罗兰-C。随着罗兰-C西北欧台链的建成,其永华逐渐减少。


       奥米伽是针对以上几种系统存在的不能覆盖全球的问题而由美国在20世纪50年代中期研制的。采用低频连续波发射(10—14KHz),双曲线定位。缺点是定位精度低、有多值性、数据率低和设备昂贵等。随着卫星导航定位系统的使用,奥米伽已于1997年关闭。


       (3)伏尔+测距器(DME)

       该系统主要针对航空用户研制。本质仍是一种甚高频全向信标,只能给飞机指示方位。所以,在1949年又将测距器纳入了系统中。测距器与伏尔信标置于一地,采用询问和应答的方式,能够为110架左右飞机提供距离测量的服务。


       (4)塔康(Tacan)

       工作在L频段,采用脉冲体制,同时提供方位和距离坐标,具有设备小的优点,在航空导航欧较为广泛的应用。


       2.2自主式导航

       路基导航定位系统虽然具有价格低、可靠新高等优点,但它依赖于电磁波在空中的传播,系统的生存能力、抗干扰能力和抗欺骗能力较为薄弱。因此,自主导航也逐渐得到了发展。主要有惯性导航和多普勒导航两种。


       2.2.1惯性导航

       惯性导航系统(INS)是一种推算导航,20世纪60年代开始投入使用。是以惯性测量器件——陀螺为中心,通过测量载体的三维加速度。积分测速和测距,然后根据起点坐标推算载体当前坐标的一种定位方法。其优点是完全自主导航,缺点是精度随着距离和时间的推移逐渐降低,往往需要定期校准。目前惯性导航系统一般都和卫星导航系统结合使用,利用卫星导航系统为其提供校准坐标。


       2.2.2多普勒导航

       20世纪50年代开始发展,利用机载多普勒雷达探测地面,测出飞机的三维速度,进行推算导航。与惯性导航的区别是使用机载雷达完成载体的实时三维速度测量。相同之处是:由于雷达存在测量误差,所以其定位误差随时间的累积逐渐扩大。


       三、现代定位技术的发展

       随着数据业务和多媒体业务的快速增加,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等。这些定位技术从总体上可归纳为几类,即GNSS技术,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),其它定位技术(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)。


       3.1 GPS与A-GPS定位

       常见的GPS定位的原理可以简单这样理解:由24颗工作卫星组成,使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星, 测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。在整个天空范围内寻找卫星是很低效的,因此通过 GPS 进行定位时,第一次启动可能需要数分钟的时间。这也是为啥我们在使用地图的时候经常会出现一个大的圈,之后才会精确到某一个点的原因。不过,如果我们在进行定位之前能够事先知道我们的粗略位置,查找卫星的速度就可以大大缩短。


       GPS系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。民用精度约为10米,军用精度约为1米。GPS的优点在于无辐射,但是穿透力很弱,无法穿透钢筋水泥。通常要在室外看得到天的状态下才行。信号被遮挡或者削减时,GPS定位会出现漂移,在室内或者较为封闭的空间无法使用。正是由于GPS的这种缺点,所以经常需要辅助定位系统帮助完成定位,就是我们说的A-GPS。A-GPS,即基站或WiFi AP初步定位后,根据机器内存储的GPS卫星表来快速寻星,然后进行GPS定位,可提示GPS定位的接收灵敏度。但仍然无法彻底解决室内定位问题,在提升灵敏度的情况下GPS无法定位时,则采用基站或WiFi AP的定位结果作为最终定位结果。


       3.2基站定位(cell ID定位)

       小区识别码(Cell ID)通过识别网络中哪一个小区传输用户呼叫并将该信息翻译成纬度和经度来确定用户位置。Cell ID实现定位的基本原理:即无线网络上报终端所处的小区号(根据服务的基站来估计),位置业务平台把小区号翻译成经纬度坐标。基本定位流程:设备先从基站获得当前位置(Cell ID)。



       3.3 RFID、二维码定位

       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。通过设置一定数量的读卡器和架设天线,根据读卡器接收信号的强弱、到达时间、角度来定位。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,无法做到精准定位,布设读卡器和天线需要有大量的工程实践经验难度大。


       3.4红外线定位技术

       红外线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,通过安光学传感器接收进行定位。虽然红外线具有相对较高的定位精度,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,需要在每个空间安装接收天线,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。


       3.5 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,但超声波受多路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。



       3.6 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。



       3.7 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。


       3.8 可见白光LED定位技术

       该技术的原理是将需要传输的信息编译成一段调制信号,用脉宽调制的方法附加到LED灯具的驱动电流上,利用户内无处不在的光源作为发射载体,当用户进入灯具照明区域,以不增加任何硬件的智能手机接收并识别光信号,解析出灯具发送的唯一身份识别信息。利用所获取的身份识别信息在地图数据库中确定对应位置信息,完成定位。


       3.9 Wifi定位

       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。但由于wifi定位只在安卓手机上能实现,iOS手机获取不到wifi信号强度,因此不能实现主动定位,只能采用wifi被动定位方案。



       3.10 蓝牙技术

       蓝牙技术是一种短距离低功耗的无线传输技术,其目的是以无线连接取代有线连接,将固定和移动信息设备组成个人局域网,实现设备之间低成本的无线互连通信。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。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。蓝牙技术凭借兼容性强(安卓、ios手机都支持)、功耗低(电池供电可以使用2~5年)、价格低30~40元一个)、部署快(一天可搞定一个商场)、精度高2-3m的特点,成为业界的宠儿。