2024年1月9日发(作者：佛思云)
ｔｏｕｇａｏｌ＠ｃｈｉｎａｉｔｅｄｕ．ｃａ技术与应用 鳊者按：新的一年，“高手论技”继续伴随大家前行，身处一线的你，就技术上最常遇到的故障、最 需要解决的难题、最成熟的应用……都可以在此畅所欲言，各抒己见。是继续围观还是现身说法，新 浪微群ｈｔｔｐ：／／ｑ．ｔ．ａｒｉａ．ｃｏｍ．ｃｎ／２６４９７６，期待您的共同参与。 互联网时代，位置识别已经变得越来越重要、越来越容易，．／￣，ＧＰＳ导航到ｉＰ地址跟踪，从位置指示 到刑事侦察，从飞机导航到军事打击，定位技术正扮演着越来越重要的角色几乎无处不在。在此，主 持人和嘉宾将分两期和大家探讨定位技术的前世今生。 无处不在的定位技术 邱元阳河南省安阳县职业中专 鳓位置识别，由来已久 到用户位置。Ｅ９１１法案促使运营商投入 化成了一个ＩＰ地址。ＴＣＰ／ＩＰ协议规定 从（（东周列国志 记载的“烽火戏 大量资金和技术力量研究定位技术，并 了ＩＰ地址不能重复，也就是说，ＩＰ地址 诸侯”典故来看，至少早在周朝，我国就 扩大了位置服务的市场。 是相对唯一的，这就为利用ＩＰ地址进行 已经有了用“烽火台”来远距离定位和 得益于Ｅ９１１法案的实施，ＧＰＳ开始 网络定位提供了可能。 传输信息的先例。到现代，信号弹的使 在民间的各领域大力发展，定位功能也 我们知道，网络设备中真正具有 用仍然是与烽火台同样的原理，靠火光 成为移动终端的标准配置。如今的位置 唯一性且不可更改的是设备的ＭＡＣ地 来传递位置信息或其他约定信息。 服务已经在手机等智能终端上充分发 址，而ＩＰ地址虽然唯一，却有可能发生 时至今日，位置识别对于现代人来 挥作用，如苹果手机的防盗功能（被盗 改变，因而利用ＩＰ地址进行定位可能会 说日益重要，从导航到查询，从侦察到 后换卡开机会导致发出一条信息至预 不准确。 搜救，应用范围越来越广，各种定位方 设邮箱，告知手机当前物理位置和使 在一些显ＩＰ版ＱＱ中，或者能显示 法层出不穷，如生命探测仪、雷达、声 用者的手机号码），微信摇一摇中的“附 ＩＰ地址的论坛中，我们都能发现指示我 纳、陀螺仪、ＧＰＳ、ＩＰ定位、ＷｉＦｉ定位等， 近的人”，移动梦网下的“找朋友”，手机 们位置的ＩＰ地址对应的地理位置常常 不一而足。 ＱＱ中的“我的位置”，等等。 并不正确。一方面，可能是因为ＩＰ地址 最初的位置识别，一般是单向的， 黪网络规则，自觉遵守 发生变动的结果；另一方面，这种地理 用于识别对方的位置，或自己的位置，后 在一些科幻影片中，经常有黑客利 位置的显示，是依赖于ＩＰ地址库来进行 来逐渐有了双向识别的需求，不仅需要 用ＩＰ地址来找到某人物理位置的描述， 的，ＩＰ地址库错误或者没有更新，都会 知道自己在哪里，还需要让别人知道自 而在现实生活中，我们也会遇到网络上 导致指示不正确。而对于网络高手而 己在哪里。 某人可以明确知道我们身处何方的情 言，利用代理来伪装ＩＰ地址更是轻而 １９９３年一位美国女孩被绑架杀害 形。这都是利用了ＩＰ定位。 易举。 的案件，直接催生了美国的 ｌ１法案，要 互联网是基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的广 不过，相对而言，企事业单位、宾 求电信运营商无论何时何地都能追踪 域网，在这一网络中，我们的身份就简 馆、酒店、网吧以及其他一些营业性场 中硼信息技术教育２０１４／０５ ６７
技术与应用 ｔｏｕｇａｏｌ＠ｃｈｉｎａｉｔｅｄｕ．ｏｎ 氇％ 嚣瓣ｌ浆镪鹈 谶 所，其ＩＰ地址一般都是固定的（内网保 留地址会由ＮＡＴ转换为合法的固定外 网地址），网络定位相当容易。而对于拨 号上网的家庭用户而言，ＩＰ地址是动态 获取的，每次拨号都不一样，这就给网 络定位造成了一定困难。但是，因为家 庭用户申请上网的ＩＳＰ局端相对固定， 获得的ＩＰ地址范围都是可以查到的，因 此仍然可以大致定位ＡＤＳＬ用户的ＩＰ地 址，如果再结合ＭＡＣ地址记录，就可以 准确确定当时ＩＰ地址是分配给哪台电 脑了。 根据公安部８２号令的要求，各联 网单位都要记录并留存用户访问的互 联网地址或域名，在公共信息服务中发 现、停止传输违法信息，并保留相关记 录，能够记录并留存发布的信息内容及 发布时间，这些功能一般都在认证设备 中完成，必要时可以查阅。因此在上网 过程中，我们要自觉遵守网络规则，规范 自己的言行，不要因为是在网络上没有 人认识自己就恣意妄为或做出违法的 事情。 天网恢恢，疏而不漏 ＩＰ定位有很大的局限，不够准确也 不够精确，还可能被利用代理等方法进 行ＩＰ欺骗。而ＧＰＳ定准就真实且精确很 多，因而能够在此基础上进行导航和搜 救等工作。不仅是车载导航，很多手机 也带有Ｇ 模块。 ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａ１ ＰｏｓｉｔｉＯＦｉｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，全球定位系统）起始于１９５８年 美国军方的一个项目，１９６４年投入使用。 ２０世纪７０年代，美国陆海空三军联合 研制了新一代卫星定位系统ＧＰＳ，并于 ６８ 中国信息技术教育２０１４／０５ １９７８年发射了第一颗ＧＰＳ卫星。到１９９４ 年，全球覆盖率高达９８％的２４颗ＧＰＳ 卫星星座已布设完成，织成了一个“天 网”，真可谓“天网恢恢，疏而不漏”。 ＧＰＳ可以提供车辆定位、防盗、反 劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。 要实现以上所有功能必须具备ＧＰＳ终 端、传输网络和监控平台三个要素。 ＧＰＳ导航系统是以全球２４颗定位 人造卫星为基础，向全球各地全天候 地提供三维位置、三维速度等信息的 一种无线电导航定位系统。它由三部分 构成，一是地面控制部分，由主控站、地 面天线、监测站及通讯辅助系统组成； 二是空间部分，由２４颗卫星组成，２１颗 工作星和３颗备用星工作在互成６０度的 ６条轨道上；三是用户装置部分，由ＧＰＳ 接收机和卫星天线组成。 增加４颗备用卫星后，目前ＧＰＳ卫 星有２８颗（如图１），距离地面约２００００ 千米，已经实现单机导航精度约为ｌ０ 米，综合定位的话，精度可达厘米级和 毫米级。但民用领域开放的精度约为 １０米。 图１ ＧＰＳ卫星分布图 ＧＰＳ导航系统的基本原理是测量 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。要达到这一目 的，卫星的位置可以根据星载时钟所记 录的时间在卫星星历中查出。而用户到 卫星的距离则通过记录卫星信号传播 到用户所经历的时间，再将其乘以光速 得到。当用户接收到导航电文时，提取 出卫星时间并将其与自己的时钟作对比 便可得知卫星与用户的距离，再利用导 航电文中的卫星星历数据推算出卫星 发射电文时所处位置，用户在ＷＧＳ一８４ 大地坐标系中的位置速度等信息便可 得知。 可见ＧＰＳ导航系统卫星部分的作 用就是不断地发射导航电文，利用原子 钟计时系统，以伪随机码（ＰＲＮ）为基础 传播卫星测距信号。然而，由于用户接 收机使用的时钟与卫星星载时钟不可 能总是同步，所以除了用户的三维坐标 Ｘ、Ｙ、ｚｔｂ，还要引进一个△ｔ即卫星与 接收机之间的时间差作为未知数，然后 用４个方程将这４个未知数解出来。所以 如果想知道接收机所处的位置，至少要 能接收Ｎ４＋卫星的信号（如图２）。 卫皇６ ［（Ｘｌ－妒＋ ｌ—ｙ）２＋（ｚｌ—ｚ＞２】 ｃ（嗨 ：ｄｌ ［（Ｘ２一ｘ）２＋（ｙ２－ （ｚ２ 】 鸭－ ｄ２ ［（Ｘ３－ｘ）２＋ 一ｙ，２＋（ｚ３＿ｚ） 】 忧－他 ＝ｄ３ ［ 一妒＋（ｙ４一ｙ）２＋ 一ｚ） 】 《 一 ・ 图２ ＧＰＳ卫星定位方程 由于ＧＰＳ技术所具有的全天候、高 精度和自动测量的特点，作为先进的测
量手段和新的生产力，已经融入到国民 经济、国防建设和社会发展的各个应用 领域，在汽车导航、交通管理、工程勘 测、电子巡更、人员搜救等领域都有着 广泛的应用。 目前在全球范围内普遍使用的有 四大导航系统：①美国全球定位系统 （ＧＰＳ）。由２４颗卫星组成，精度约１０米， 军民两用。②俄罗斯“格洛纳斯”系统。 由２４颗卫星组成，精度１０米左右，军民 两用。③欧洲“伽利略”系统。由３０颗卫 星组成，定位误差不超过ｌ米，主要为民 用。④中国“北斗”系统。由５颗静止轨道 卫星和３０颗非静止轨道卫星组成。“北 斗一号”精确度在１０米之内，而“北斗二 号”可以精确到“厘米”之内。 ２０１２年１０月２５日２３时３３分，我国在西 昌卫星发射中心用“长征三号丙”火箭， 成功将第１６颗北斗导航卫星送入预定 轨道。这是我国二代北斗导航工程的 最后一颗卫星，这是长征系列运载火箭 的第１７０次发射。至此，我国北斗导航工 程区域组网顺利完成。 快速精确，基站辅助 如果我们从本地来到另一个城 市，手机上常常会收到一条短信，是当 地运营商热情的欢迎词。为什么它能够 知道我们到了什么地方？这就是基站 定位技术。 移动通信运营商的通讯基站遍 布城乡，形成一个庞大的网络，几乎覆 盖了每一个可以使用手机的角落。因为 手机是通过基站发射的无线信号进行 通讯的，因而也就可以通过基站来快 速定位手机的位置，即移动位置服务 （Ｌｏｃａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ Ｓｅｒｖｉｃｅ，简称ＬＢＳ）。 利用基站来确定位置的计算方法 主要有两种：到达角原理和到达时间 原理。 １．到达角原理（ＡＯＡ，Ａｎｇｌｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａ１） 通过几个基站信号到达终端的夹 角，根据三角公式（如图３），来计算移动 终端的位置。 图３到达角原理 ２．到达时间原理（ＴＤＯＡ，Ｔｉｍｅ Ｄ旋ｒｅｎｅｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａ１） 通过几个基站信号到达终端的时 间，来计算各终端和基站问的距离，从 而确定终端位置（如图４）。 图４到达时间原理 在实际应用中，有可能将多种定位 原理相结合，如移动运营商经常使用的 “扇区定位”技术，就是通过测量终端收 到的基站扇区前向链路的时延或信号 强度来估算距离，再在基站位置数据 技术与应用 的辅助下确定终端位置，综合了位置标 记和到达时间原理。 当然，除了扇区定位，移动运营商 也可以采用信令监测技术来进行定位， 如前面提到的漫游欢迎短信，以及小 区短信（向特定区域范围内的手机终端 发送短信）等。通过网络中部署的信令 检测仪，监控相关指令，运营商就能得 到特定区域内手机的ＴＭＳＩ（临时识别 码）、ＭＳＩＳＤＮ（移动台识别号码，即手 机号），再通过短信网关发送短信。这 些定位技术都依赖于基站。 基站定位的精确度约为５０－５００ 米，这取决于基站的密度和小区切换阀 值，偏僻地区的误差可能会超过一公 里。美国联邦通信委员会（ＦＣＣ）要求定 位精度在５０米以内的概率为６７％，定位 精度在１５０米以内的概率为９５％。在侦察 技术中，即常常用基站定位来确定嫌疑 人的大致位置以及移动方向。 基站定位虽不够精确，但可以利 用它的快速反应和传输带宽来辅助 ＧＰＳ定位，提高ＧＰＳ定位的效率，这就 是基站辅助定位，如Ａ—ＧＰＳ（Ａｓｓｉｓｔｅｄ ＧＰＳ，即辅助ＧＰＳ技术）、ｇ邮ｎｅ等。 对于卫星定位来说，如果移动终 端处于室内大型建筑物之间，可见卫星 较少，则定位精度会降低或根本无法完 成定位。这时也可以利用移动通讯的基 站进行辅助定位。Ａ－ＧＰＳ的室内定位 精度约为５００米。 根据ＧＰＳ接收机的工作原理，初次 接收完整的导航电文需要１２．５分钟，然 后才开始计算终端位置，定位时延较 长。如果利用基站辅助数据传输，几秒 中国信息技术教育２０１４／０５ ６９
技术与应用ｌ ｔｏｕｇａｏｌ＠ｃｈｉｎａｉｔｅｄｕ．ｃｎ 钟内就能完成导航电文的传递，大大优 化了ＧＰＳ的定位效率。 此外，星历有效期（４ｄ，ｔｔ￣）、灵敏 ，而言就比有线网络中的终端定位困难 得多。 在接收到的ｗｉＦｉ信号中，包含 了ＭＡＣ地址、ＳＳＩＤ、ＲＳＳＩ等信息，再 中，就应用了距离传感器，可以感知人 体的靠近，而手机中同样可以用来检测 人脸靠近从而锁定屏幕，避免灵敏的 触屏动作形成误操作。自动门也使用了 接近传感器，红外线、超声波都可以作 为实现原理。屏幕翻转和体感游戏以及 度、初次定位时间等ＧＰＳ的局限都能在 基站辅助定位的条件下得以优化和改 进。在Ａ－ＧＰＳ下，通过移动通讯网络， 根据一定的算法原理，如位置标记 （Ｌｏｃａｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ），就可以将终端 辅助ＧＰＳ服务器可将ＧＰＳ定位计算所 位置估算精确到１００米甚至１０米左右。 需要的参考位置、时钟、星历、可见星、 ＷｉＦｉ定位的算法，有中心点法、加 多普勒频偏等信息传递给ＧＰＳ接收机， 权中心点法、ＡＰ～ＩＤ法等，这些算法简 辅助时间同步、频率同步、编码相位等 单易行，但精度不很高。如果再结合电 信息，大大缩短计算时间，达到快速、准 磁学原理，根据信号强度和衰减过程， 确定位的效果，室外定位精度可以达到 利用三角定位和指纹算法，可能会使 １５米（如图５）。 ＷｉＦｉ定位的精度达Ｎ５米左右。 即便是无法确定 ＷｉＦｉ中的移动终端， 只要它所连接的无线 ＡＰ的物理位置是固 定的，就仍然可以根 据ＡＰ的无线覆盖范 围来定位终端的大致 图５ Ａ—ＧＰＳ工作示意图 位置。 随着新技术的发 不过，由于Ａ－ＧＰＳ技术需要建设 展，ＺｉｇＢｅｅ、蓝牙和射频识别技术开始 辅助ＧＰｓ服务器，会增加运营商的运维 在无线定位中运用，使得这一定位方 成本，因而Ａ－ＧＰＳ在数据传输阶段产 法逐渐走向成熟，并在混合定位中发挥 生的流量费用是收费的，在没有流量包 作用。 月的情况下要｛堇Ｉ慎使用。 黪传感定位，有待研究 ＷｉＦｉ定位，逐渐成熟 在苹果的引领下，移动终端中加入 ＷｉＦｉ是无线局域网（ＷＬＡＮ）的 了很多传感器，如重力传感器、移动传 一种应用方式，基于ＩＥＥＥ ８０２．１ｌ协议， 感器、方向传感器、光线感应器、距离 根据所支持的协议版本，又有ＩＥＥＥ 感应器、三轴陀螺仪、电子罗盘等，这 ８０２．１ｌａ／ｂ／ｇ／ｎ之分，其覆盖范围一般 些传感器极大地丰富了手机的功能和 在９０米以内（室内３０米，室￣ｂ３００米）。 应用，也使得手机定位有了新的突破 由于ＷｉＦｉ内的终端都是可移动的， 可能。 就无法通过ＩＰ地址来进行定位，相比较 在一些公共厕所的自动冲水装置 ７０ 中国信息技术教育２０１４／０５ 空中飞鼠则利用了重力传感器，可以感 知智能终端的位置变化。 声纳和雷达系统，也应用了传感定 位，就连私家车中的反雷达设备一电 子狗，也是一种传感器。 在惯性导航系统中，更是充分利用 了传感器的功能，如利用加速度传感器 计算终端的移动速度，利用陀螺仪判断 终端的运动姿态，再根据前面的定位数 据得到终端的连续位置，进而判断终端 的前进方向和速度。 如果缺少外来纠正信息，传感器 定位的误差累计可能会越来越大，直到 没有利用价值。如何进一步减小误差， 提高精度，扩大探测范围，直至可以独 立进行传感器定位，还有很长的研究 道路要走。 定位技术的发展为人类的科技生 活掀开了新的篇章，无处不在的定位技 术也正无处不在地为我们服务。
2024年1月9日发(作者：佛思云)
ｔｏｕｇａｏｌ＠ｃｈｉｎａｉｔｅｄｕ．ｃａ技术与应用 鳊者按：新的一年，“高手论技”继续伴随大家前行，身处一线的你，就技术上最常遇到的故障、最 需要解决的难题、最成熟的应用……都可以在此畅所欲言，各抒己见。是继续围观还是现身说法，新 浪微群ｈｔｔｐ：／／ｑ．ｔ．ａｒｉａ．ｃｏｍ．ｃｎ／２６４９７６，期待您的共同参与。 互联网时代，位置识别已经变得越来越重要、越来越容易，．／￣，ＧＰＳ导航到ｉＰ地址跟踪，从位置指示 到刑事侦察，从飞机导航到军事打击，定位技术正扮演着越来越重要的角色几乎无处不在。在此，主 持人和嘉宾将分两期和大家探讨定位技术的前世今生。 无处不在的定位技术 邱元阳河南省安阳县职业中专 鳓位置识别，由来已久 到用户位置。Ｅ９１１法案促使运营商投入 化成了一个ＩＰ地址。ＴＣＰ／ＩＰ协议规定 从（（东周列国志 记载的“烽火戏 大量资金和技术力量研究定位技术，并 了ＩＰ地址不能重复，也就是说，ＩＰ地址 诸侯”典故来看，至少早在周朝，我国就 扩大了位置服务的市场。 是相对唯一的，这就为利用ＩＰ地址进行 已经有了用“烽火台”来远距离定位和 得益于Ｅ９１１法案的实施，ＧＰＳ开始 网络定位提供了可能。 传输信息的先例。到现代，信号弹的使 在民间的各领域大力发展，定位功能也 我们知道，网络设备中真正具有 用仍然是与烽火台同样的原理，靠火光 成为移动终端的标准配置。如今的位置 唯一性且不可更改的是设备的ＭＡＣ地 来传递位置信息或其他约定信息。 服务已经在手机等智能终端上充分发 址，而ＩＰ地址虽然唯一，却有可能发生 时至今日，位置识别对于现代人来 挥作用，如苹果手机的防盗功能（被盗 改变，因而利用ＩＰ地址进行定位可能会 说日益重要，从导航到查询，从侦察到 后换卡开机会导致发出一条信息至预 不准确。 搜救，应用范围越来越广，各种定位方 设邮箱，告知手机当前物理位置和使 在一些显ＩＰ版ＱＱ中，或者能显示 法层出不穷，如生命探测仪、雷达、声 用者的手机号码），微信摇一摇中的“附 ＩＰ地址的论坛中，我们都能发现指示我 纳、陀螺仪、ＧＰＳ、ＩＰ定位、ＷｉＦｉ定位等， 近的人”，移动梦网下的“找朋友”，手机 们位置的ＩＰ地址对应的地理位置常常 不一而足。 ＱＱ中的“我的位置”，等等。 并不正确。一方面，可能是因为ＩＰ地址 最初的位置识别，一般是单向的， 黪网络规则，自觉遵守 发生变动的结果；另一方面，这种地理 用于识别对方的位置，或自己的位置，后 在一些科幻影片中，经常有黑客利 位置的显示，是依赖于ＩＰ地址库来进行 来逐渐有了双向识别的需求，不仅需要 用ＩＰ地址来找到某人物理位置的描述， 的，ＩＰ地址库错误或者没有更新，都会 知道自己在哪里，还需要让别人知道自 而在现实生活中，我们也会遇到网络上 导致指示不正确。而对于网络高手而 己在哪里。 某人可以明确知道我们身处何方的情 言，利用代理来伪装ＩＰ地址更是轻而 １９９３年一位美国女孩被绑架杀害 形。这都是利用了ＩＰ定位。 易举。 的案件，直接催生了美国的 ｌ１法案，要 互联网是基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的广 不过，相对而言，企事业单位、宾 求电信运营商无论何时何地都能追踪 域网，在这一网络中，我们的身份就简 馆、酒店、网吧以及其他一些营业性场 中硼信息技术教育２０１４／０５ ６７
技术与应用 ｔｏｕｇａｏｌ＠ｃｈｉｎａｉｔｅｄｕ．ｏｎ 氇％ 嚣瓣ｌ浆镪鹈 谶 所，其ＩＰ地址一般都是固定的（内网保 留地址会由ＮＡＴ转换为合法的固定外 网地址），网络定位相当容易。而对于拨 号上网的家庭用户而言，ＩＰ地址是动态 获取的，每次拨号都不一样，这就给网 络定位造成了一定困难。但是，因为家 庭用户申请上网的ＩＳＰ局端相对固定， 获得的ＩＰ地址范围都是可以查到的，因 此仍然可以大致定位ＡＤＳＬ用户的ＩＰ地 址，如果再结合ＭＡＣ地址记录，就可以 准确确定当时ＩＰ地址是分配给哪台电 脑了。 根据公安部８２号令的要求，各联 网单位都要记录并留存用户访问的互 联网地址或域名，在公共信息服务中发 现、停止传输违法信息，并保留相关记 录，能够记录并留存发布的信息内容及 发布时间，这些功能一般都在认证设备 中完成，必要时可以查阅。因此在上网 过程中，我们要自觉遵守网络规则，规范 自己的言行，不要因为是在网络上没有 人认识自己就恣意妄为或做出违法的 事情。 天网恢恢，疏而不漏 ＩＰ定位有很大的局限，不够准确也 不够精确，还可能被利用代理等方法进 行ＩＰ欺骗。而ＧＰＳ定准就真实且精确很 多，因而能够在此基础上进行导航和搜 救等工作。不仅是车载导航，很多手机 也带有Ｇ 模块。 ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａ１ ＰｏｓｉｔｉＯＦｉｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ，全球定位系统）起始于１９５８年 美国军方的一个项目，１９６４年投入使用。 ２０世纪７０年代，美国陆海空三军联合 研制了新一代卫星定位系统ＧＰＳ，并于 ６８ 中国信息技术教育２０１４／０５ １９７８年发射了第一颗ＧＰＳ卫星。到１９９４ 年，全球覆盖率高达９８％的２４颗ＧＰＳ 卫星星座已布设完成，织成了一个“天 网”，真可谓“天网恢恢，疏而不漏”。 ＧＰＳ可以提供车辆定位、防盗、反 劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。 要实现以上所有功能必须具备ＧＰＳ终 端、传输网络和监控平台三个要素。 ＧＰＳ导航系统是以全球２４颗定位 人造卫星为基础，向全球各地全天候 地提供三维位置、三维速度等信息的 一种无线电导航定位系统。它由三部分 构成，一是地面控制部分，由主控站、地 面天线、监测站及通讯辅助系统组成； 二是空间部分，由２４颗卫星组成，２１颗 工作星和３颗备用星工作在互成６０度的 ６条轨道上；三是用户装置部分，由ＧＰＳ 接收机和卫星天线组成。 增加４颗备用卫星后，目前ＧＰＳ卫 星有２８颗（如图１），距离地面约２００００ 千米，已经实现单机导航精度约为ｌ０ 米，综合定位的话，精度可达厘米级和 毫米级。但民用领域开放的精度约为 １０米。 图１ ＧＰＳ卫星分布图 ＧＰＳ导航系统的基本原理是测量 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。要达到这一目 的，卫星的位置可以根据星载时钟所记 录的时间在卫星星历中查出。而用户到 卫星的距离则通过记录卫星信号传播 到用户所经历的时间，再将其乘以光速 得到。当用户接收到导航电文时，提取 出卫星时间并将其与自己的时钟作对比 便可得知卫星与用户的距离，再利用导 航电文中的卫星星历数据推算出卫星 发射电文时所处位置，用户在ＷＧＳ一８４ 大地坐标系中的位置速度等信息便可 得知。 可见ＧＰＳ导航系统卫星部分的作 用就是不断地发射导航电文，利用原子 钟计时系统，以伪随机码（ＰＲＮ）为基础 传播卫星测距信号。然而，由于用户接 收机使用的时钟与卫星星载时钟不可 能总是同步，所以除了用户的三维坐标 Ｘ、Ｙ、ｚｔｂ，还要引进一个△ｔ即卫星与 接收机之间的时间差作为未知数，然后 用４个方程将这４个未知数解出来。所以 如果想知道接收机所处的位置，至少要 能接收Ｎ４＋卫星的信号（如图２）。 卫皇６ ［（Ｘｌ－妒＋ ｌ—ｙ）２＋（ｚｌ—ｚ＞２】 ｃ（嗨 ：ｄｌ ［（Ｘ２一ｘ）２＋（ｙ２－ （ｚ２ 】 鸭－ ｄ２ ［（Ｘ３－ｘ）２＋ 一ｙ，２＋（ｚ３＿ｚ） 】 忧－他 ＝ｄ３ ［ 一妒＋（ｙ４一ｙ）２＋ 一ｚ） 】 《 一 ・ 图２ ＧＰＳ卫星定位方程 由于ＧＰＳ技术所具有的全天候、高 精度和自动测量的特点，作为先进的测
量手段和新的生产力，已经融入到国民 经济、国防建设和社会发展的各个应用 领域，在汽车导航、交通管理、工程勘 测、电子巡更、人员搜救等领域都有着 广泛的应用。 目前在全球范围内普遍使用的有 四大导航系统：①美国全球定位系统 （ＧＰＳ）。由２４颗卫星组成，精度约１０米， 军民两用。②俄罗斯“格洛纳斯”系统。 由２４颗卫星组成，精度１０米左右，军民 两用。③欧洲“伽利略”系统。由３０颗卫 星组成，定位误差不超过ｌ米，主要为民 用。④中国“北斗”系统。由５颗静止轨道 卫星和３０颗非静止轨道卫星组成。“北 斗一号”精确度在１０米之内，而“北斗二 号”可以精确到“厘米”之内。 ２０１２年１０月２５日２３时３３分，我国在西 昌卫星发射中心用“长征三号丙”火箭， 成功将第１６颗北斗导航卫星送入预定 轨道。这是我国二代北斗导航工程的 最后一颗卫星，这是长征系列运载火箭 的第１７０次发射。至此，我国北斗导航工 程区域组网顺利完成。 快速精确，基站辅助 如果我们从本地来到另一个城 市，手机上常常会收到一条短信，是当 地运营商热情的欢迎词。为什么它能够 知道我们到了什么地方？这就是基站 定位技术。 移动通信运营商的通讯基站遍 布城乡，形成一个庞大的网络，几乎覆 盖了每一个可以使用手机的角落。因为 手机是通过基站发射的无线信号进行 通讯的，因而也就可以通过基站来快 速定位手机的位置，即移动位置服务 （Ｌｏｃａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ Ｓｅｒｖｉｃｅ，简称ＬＢＳ）。 利用基站来确定位置的计算方法 主要有两种：到达角原理和到达时间 原理。 １．到达角原理（ＡＯＡ，Ａｎｇｌｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａ１） 通过几个基站信号到达终端的夹 角，根据三角公式（如图３），来计算移动 终端的位置。 图３到达角原理 ２．到达时间原理（ＴＤＯＡ，Ｔｉｍｅ Ｄ旋ｒｅｎｅｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａ１） 通过几个基站信号到达终端的时 间，来计算各终端和基站问的距离，从 而确定终端位置（如图４）。 图４到达时间原理 在实际应用中，有可能将多种定位 原理相结合，如移动运营商经常使用的 “扇区定位”技术，就是通过测量终端收 到的基站扇区前向链路的时延或信号 强度来估算距离，再在基站位置数据 技术与应用 的辅助下确定终端位置，综合了位置标 记和到达时间原理。 当然，除了扇区定位，移动运营商 也可以采用信令监测技术来进行定位， 如前面提到的漫游欢迎短信，以及小 区短信（向特定区域范围内的手机终端 发送短信）等。通过网络中部署的信令 检测仪，监控相关指令，运营商就能得 到特定区域内手机的ＴＭＳＩ（临时识别 码）、ＭＳＩＳＤＮ（移动台识别号码，即手 机号），再通过短信网关发送短信。这 些定位技术都依赖于基站。 基站定位的精确度约为５０－５００ 米，这取决于基站的密度和小区切换阀 值，偏僻地区的误差可能会超过一公 里。美国联邦通信委员会（ＦＣＣ）要求定 位精度在５０米以内的概率为６７％，定位 精度在１５０米以内的概率为９５％。在侦察 技术中，即常常用基站定位来确定嫌疑 人的大致位置以及移动方向。 基站定位虽不够精确，但可以利 用它的快速反应和传输带宽来辅助 ＧＰＳ定位，提高ＧＰＳ定位的效率，这就 是基站辅助定位，如Ａ—ＧＰＳ（Ａｓｓｉｓｔｅｄ ＧＰＳ，即辅助ＧＰＳ技术）、ｇ邮ｎｅ等。 对于卫星定位来说，如果移动终 端处于室内大型建筑物之间，可见卫星 较少，则定位精度会降低或根本无法完 成定位。这时也可以利用移动通讯的基 站进行辅助定位。Ａ－ＧＰＳ的室内定位 精度约为５００米。 根据ＧＰＳ接收机的工作原理，初次 接收完整的导航电文需要１２．５分钟，然 后才开始计算终端位置，定位时延较 长。如果利用基站辅助数据传输，几秒 中国信息技术教育２０１４／０５ ６９
技术与应用ｌ ｔｏｕｇａｏｌ＠ｃｈｉｎａｉｔｅｄｕ．ｃｎ 钟内就能完成导航电文的传递，大大优 化了ＧＰＳ的定位效率。 此外，星历有效期（４ｄ，ｔｔ￣）、灵敏 ，而言就比有线网络中的终端定位困难 得多。 在接收到的ｗｉＦｉ信号中，包含 了ＭＡＣ地址、ＳＳＩＤ、ＲＳＳＩ等信息，再 中，就应用了距离传感器，可以感知人 体的靠近，而手机中同样可以用来检测 人脸靠近从而锁定屏幕，避免灵敏的 触屏动作形成误操作。自动门也使用了 接近传感器，红外线、超声波都可以作 为实现原理。屏幕翻转和体感游戏以及 度、初次定位时间等ＧＰＳ的局限都能在 基站辅助定位的条件下得以优化和改 进。在Ａ－ＧＰＳ下，通过移动通讯网络， 根据一定的算法原理，如位置标记 （Ｌｏｃａｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｔｕｒｅ），就可以将终端 辅助ＧＰＳ服务器可将ＧＰＳ定位计算所 位置估算精确到１００米甚至１０米左右。 需要的参考位置、时钟、星历、可见星、 ＷｉＦｉ定位的算法，有中心点法、加 多普勒频偏等信息传递给ＧＰＳ接收机， 权中心点法、ＡＰ～ＩＤ法等，这些算法简 辅助时间同步、频率同步、编码相位等 单易行，但精度不很高。如果再结合电 信息，大大缩短计算时间，达到快速、准 磁学原理，根据信号强度和衰减过程， 确定位的效果，室外定位精度可以达到 利用三角定位和指纹算法，可能会使 １５米（如图５）。 ＷｉＦｉ定位的精度达Ｎ５米左右。 即便是无法确定 ＷｉＦｉ中的移动终端， 只要它所连接的无线 ＡＰ的物理位置是固 定的，就仍然可以根 据ＡＰ的无线覆盖范 围来定位终端的大致 图５ Ａ—ＧＰＳ工作示意图 位置。 随着新技术的发 不过，由于Ａ－ＧＰＳ技术需要建设 展，ＺｉｇＢｅｅ、蓝牙和射频识别技术开始 辅助ＧＰｓ服务器，会增加运营商的运维 在无线定位中运用，使得这一定位方 成本，因而Ａ－ＧＰＳ在数据传输阶段产 法逐渐走向成熟，并在混合定位中发挥 生的流量费用是收费的，在没有流量包 作用。 月的情况下要｛堇Ｉ慎使用。 黪传感定位，有待研究 ＷｉＦｉ定位，逐渐成熟 在苹果的引领下，移动终端中加入 ＷｉＦｉ是无线局域网（ＷＬＡＮ）的 了很多传感器，如重力传感器、移动传 一种应用方式，基于ＩＥＥＥ ８０２．１ｌ协议， 感器、方向传感器、光线感应器、距离 根据所支持的协议版本，又有ＩＥＥＥ 感应器、三轴陀螺仪、电子罗盘等，这 ８０２．１ｌａ／ｂ／ｇ／ｎ之分，其覆盖范围一般 些传感器极大地丰富了手机的功能和 在９０米以内（室内３０米，室￣ｂ３００米）。 应用，也使得手机定位有了新的突破 由于ＷｉＦｉ内的终端都是可移动的， 可能。 就无法通过ＩＰ地址来进行定位，相比较 在一些公共厕所的自动冲水装置 ７０ 中国信息技术教育２０１４／０５ 空中飞鼠则利用了重力传感器，可以感 知智能终端的位置变化。 声纳和雷达系统，也应用了传感定 位，就连私家车中的反雷达设备一电 子狗，也是一种传感器。 在惯性导航系统中，更是充分利用 了传感器的功能，如利用加速度传感器 计算终端的移动速度，利用陀螺仪判断 终端的运动姿态，再根据前面的定位数 据得到终端的连续位置，进而判断终端 的前进方向和速度。 如果缺少外来纠正信息，传感器 定位的误差累计可能会越来越大，直到 没有利用价值。如何进一步减小误差， 提高精度，扩大探测范围，直至可以独 立进行传感器定位，还有很长的研究 道路要走。 定位技术的发展为人类的科技生 活掀开了新的篇章，无处不在的定位技 术也正无处不在地为我们服务。