定位技术在ICT服务中的应用

定位技术在ICT服务中的应用哈尔滨工业大学通信技术研究所孟维晓2020年7月5日2定位技术的概述与分类1主要内容GNSS定位技术及应用2A-GNSS定位技术及应用3室内定位技术及应用4定位技术发展的前景展望5定位技术的概述与分类3一、定位技术的概述与分类定位技术概述定位：确定目标的具体位置。定位技术：利用现有的科技手段（卫星、无线电、计算机等）确定目标经纬度的技术。定位技术分类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）移动定位技术（A-GNSS）移动通信基站定位（Cell-ID、TDOA、OTDOA、E-OTD等等）其它定位技术（计算机视觉、航位推算）4主要内容定位技术的概述与分类1GNSS定位技术及应用2A-GNSS定位技术及应用3室内定位技术及应用4定位技术发展的前景展望55二、GNSS定位技术及应用GNSS基本概念GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem）是全球导航卫星系统的英文缩写，它是所有在轨工作的卫星导航系统的总称。GNSS基本原理无线电单向测距CDMA数据传输6二、GNSS定位技术及应用GNSS构成美国GPS欧盟GALILEO俄罗斯GLONASS中国BeiDou2印度IRNSS日本QZSS，等等7二、GNSS定位技术及应用GNSS产业背景互联网、移动通信、卫星导航，是信息社会三大支柱产业。美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo、中国BeiDou2，都已建成或在建设自己的卫星导航系统。2000年开始，卫星导航的应用进入高速发展期卫星导航应用技术每隔3-5年更新一次。国际上预测，到2030年，卫星导航技术和产业将趋于成熟。8二、GNSS定位技术及应用GNSS主要应用领域主要应用在航空、航海、航天、国防、测量、授时、测绘、车载、手机九大应用领域。9二、GNSS定位技术及应用GNSS主要应用领域航空导航应用场合航路飞行终端区飞行精密进近地面滑行技术手段LAAS/GBASWAAS/SBAS每个机场3-4个基站，每架飞机2-3个接收机，GNSS即将成为主导航手段。10二、GNSS定位技术及应用GNSS主要应用领域航海导航应用场合远洋进港内陆河流技术手段RBN系统全球沿海每隔100-300公里一个基站，每艘船1-2台接收机，卫星导航已经成为航海导航的主导航手段。11二、GNSS定位技术及应用GNSS主要应用领域航天应用应用场合近地卫星载人航天对地观测气象探测……12二、GNSS定位技术及应用GNSS主要应用领域国防应用场合空对地地对空地对地舰对地舰对舰地对舰车辆单兵……13二、GNSS定位技术及应用GNSS主要应用领域测量应用场合市政管理自动车辆弹道测量……技术手段城市连续基准站14二、GNSS定位技术及应用GNSS主要应用领域测绘应用场合省市县乡各级测绘部门15二、GNSS定位技术及应用GNSS主要应用领域授时应用场合通信授时铁路授时电力授时军事授时……16二、GNSS定位技术及应用GNSS主要应用领域车载导航应用场合家用车辆公共交通专用车辆物流运输农业耕作……17二、GNSS定位技术及应用GNSS主要应用领域手机定位应用场合监控救援野外作业旅游LBS……技术手段高灵敏A-GNSS18二、GNSS定位技术及应用GNSS接收机19二、GNSS定位技术及应用（1）专业导航型接收机20二、GNSS定位技术及应用（2）测量型接收机21二、GNSS定位技术及应用（3）专业测绘接收机22二、GNSS定位技术及应用（4）授时接收机23二、GNSS定位技术及应用（5）车载导航接收机24二、GNSS定位技术及应用（6）手机定位芯片25主要内容定位技术的概述与分类1GNSS定位技术及应用2A-GNSS定位技术及应用3室内定位技术及应用4定位技术发展的前景展望526三、A-GNSS定位技术及应用A-GNSS引入原因目前，除了GPS之外，GNSS中其它的导航系统均为建成或处于试验阶段，还未正式投入使用，但针对GPS发展情况以及其它导航系统的实验情况可知，单纯的卫星导航系统也存在很大的局限性：初始定位时间（TTFF）过长可用性受环境影响较大卫星信号捕获时间较长导致接收机功耗过大27三、A-GNSS定位技术及应用A-GNSS基本概念A-GNSS也就是AssistedGNSS，中文为网络辅助GNSS定位系统，是一种结合网络基站信息和GNSS信息对移动台进行定位的技术，既利用全球卫星定位系统GNSS，又利用移动基站，解决了卫星信号覆盖的问题，可以在2.5代的G网、C网和3G网络中使用。28三、A-GNSS定位技术及应用伪距测量辅助信息（1）卫星捕获辅助信息（2）定位辅助信息（3）卫星灵敏度辅助信息（4）卫星工作状况信息辅助信息移动台位置计算辅助信息（1）卫星历书以及修正数据（2）卫星星历（3）卫星导航电文A-GNSS辅助信息29三、A-GNSS定位技术及应用A-GNSS工作原理A-GNSS工作模型30三、A-GNSS定位技术及应用A-GNSS工作模式终端的位置由网络负责计算。网络向终端传递的数据：SVID、多普勒、码相位、角度、AZ/EL、灵敏度辅助等；终端向网络返回数据：测得的码相位、测得的多普勒、C/N0位置计算由终端自身完成。网络向终端传递的数据：星历、近似位置和时间、历书、DGPS实时完好性、灵敏度辅助等；终端向网络返回的数据：位置、速度、时间、质量、椭圆误差等绝大部分支持MS-A模式的A-GNSS芯片都支持MS-B模式。定位系统硬件无须作任何的改动，只需要修改服务器和A-GPS终端间的交互流程就可以实现MS-A模式和MS-B模式。移动台辅助模式（MS-A）移动台模式（MS-B）混合模式（MS-A/MS-B）31三、A-GNSS定位技术及应用移动台辅助模式定位流程32三、A-GNSS定位技术及应用A-GNSS的特点定位精度借助A-GNSS技术，可以提高移动定位的精度，与Cell-ID、TDOA、E-OTD等传统移动定位方式相比，定位精度可达5m以上，甚至更精确。捕获时间利用A-GNSS技术，可以大大提高TTFF的时间，首次捕获一般只需要几秒钟，而不像GPS的首次捕获时间需要2～3分钟，甚至更长。33三、A-GNSS定位技术及应用A-GNSS的特点卫星依赖度利用A-GNSS技术，可以大大降低终端对卫星的依赖度，以GPS为例，在正常情况下，需要4颗卫星才能完成相应的定位结算，但是借助网络辅助，在仅有2颗星的时候，仍然可以完成移动终端的精确定位。34三、A-GNSS定位技术及应用A-GNSS的应用导航服务定位跟踪业务紧急呼叫业务公共安全业务基于位置的个性化信息服务基于位置的计费服务35主要内容定位技术的概述与分类1GNSS定位技术及应用2A-GNSS定位技术及应用3室内定位技术及应用4定位技术发展的前景展望536四、室内定位技术及应用为什么要引入室内定位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。现有的卫星定位技术GNSS以及A-GNSS不能很好的解决复杂环境下的定位需求。随着通信技术的发展，新兴的无线网络技术得以广泛的应用。比如WiFi、ZigBee、蓝牙和超宽带等。37四、室内定位技术及应用常用室内定位技术室内定位技术超声波定位技术红外室内定位技术蓝牙技术射频识别技术WLAN技术超宽带技术38四、室内定位技术及应用（1）红外室内定位技术原理：红外线IR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进行定位。优点：室内定位精度相对较高，适合短距离定位缺点：①光线不能穿越障碍物，仅能视距传播；②需要在每个房间、走廊安装接收天线，造价较高。39四、室内定位技术及应用（2）超声波定位技术原理：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。优点：超声波定位整体定位精度较高，结构简单。缺点：超声波受多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。40四、室内定位技术及应用（3）蓝牙技术原理：通过测量信号强度进行定位。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。优点：低功耗，设备体积小，易于集成在PDA、PC或者手机中，且传播信号不受视距的影响。缺点：信号传输距离较短，蓝牙系统稳定性较差，受噪声信号干扰较大。41四、室内定位技术及应用（4）射频识别技术原理：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。优点：标识的体积较少、造价较低。缺点：作用距离较短，不具有通信能力，不便整合到其它系统中。42四、室内定位技术及应用（5）超宽带技术原理：超宽带是一种全新的、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，来实现对目标的探测。优点：标识的体积较少、造价较低。缺点：作用距离较短，不具有通信能力，不便整合到其它系统中。43四、室内定位技术及应用（6）WLAN技术原理APAPAPAP44四、室内定位技术及应用（6）WLAN技术原理信号空间覆盖算法信号空间覆盖图搜索和匹配算法待定信号采样样本多点固定位置采样样本实际空间图计算推导45四、室内定位技术及应用（6）WLAN技术WLAN定位面临的问题①无线网络环境的干扰；②无线环境的多样性问题；46四、室内定位技术及应用（7）其它技术除了以上提及的定位技术，还有基于计算机视觉、光跟踪定位、基于图像分析、磁场以及信标定位等。此外，还有基于图像分析的定位技术、信标定位、三角定位等。目前很多技术还处于研究试验阶段，如基于磁场压力感应进行定位的技术。47四、室内定位技术及应用邻近检测（ProximityDetection）信号强度分析法（ReceivedSignalStrength）到达时间定位（TimeOfArrival）到达时间差定位（TimeDifferenceOfArrival）到达角度定位（AngleOfArrival）室内定位技术算法48主要内容定位技术的概述与分类1GNSS定位技术及应用2A-GNSS定位技术及应用3室内定位技术及应用4定位技术发展的前景展望549五、定位技术发展的前景与展望卫星导航技术与无线定位技术相结合提高卫星导航的定位精度和响应速度提高无线定位技术的精度依靠网络辅助技术，降低移动定位对卫星的依赖程度实现技术之间的无缝衔接，实现定位的有效性加快定位技术的发展，促进社会公共事业的建设