定位技术的发展及现代应用分解

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1、定位技术的发展及现代应用一、 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.1.1 陆基无

2、线电导航系统1.1。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。1.1。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（LoranC）、台卡(Decca-A）、奥米伽系统、伏尔/测距器(DME）和塔康（Tacan）等

3、.（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(1014KHz），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

4、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。1.2 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

5、和多普勒导航两种。1.2.1 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退役逐渐降低，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。1.2.2 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

6、随时间的累积逐渐扩大.二、 现代定位技术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

7、术（如伪卫星等），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(AGPS或A-GNSS）。2.1 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先出现一个大的圈，

8、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。例如iPhone就使用了AGPS，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

9、GPS定位。例如在民用的车载导航设备领域，目前比较成熟的是GPS+加速度传感器补正算法定位。2.2 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）.（第一次定位设备通过网络将位置传送给agps位置服务器Agps服务器根据位置查询区域内当前可用的卫星信息,并返回设备。设备中的GPS接收器根据可用卫星，快速查找可用的GPS卫星，

10、并返回GPS定位信息。2.3 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。该系统采用经验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。设备只要侦听一下附近都有哪些热点，检测一下每个热点的信号强弱，然后把这些信息发送给网络上的服务端。服务器根据这些信息，查询每个热点在数据库里记录的坐标，然后进行运算，就能知道客户端的具体位置了。一次

11、成功的定位需要两个先决条件：第一，客户端能上网；第二，侦听到的热点的坐标在数据库里有相关记录。芬兰的Ekahau公司开发了能够利用Wifi进行室内定位的软件。Wifi绘图的精确度大约在1米至20米的范围内，总体而言，它比蜂窝网络三角测量定位方法更精确。但是，如果定位的测算仅仅依赖于哪个Wi-Fi的接入点最近,而不是依赖于合成的信号强度图,那么在楼层定位上很容易出错。目前，它应用于小范围的室内定位，成本较低。但无论是用于室内还是室外定位，Wi-Fi收发器都只能覆盖半径90米以内的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高2.4 FRID、二维码定位射频识别技术利用射频

12、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。2.5 红外线定位技术红外线定位技术定位

13、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2.6 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

14、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.2.7 蓝牙技术蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，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

15、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。蓝牙技术主要应用于小范围定位。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。理论上,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。采用该技术作室内短距离定位时容易发现设备且信号传输不受视距的影响。其不足在于蓝牙器件和设备的价格比较昂贵，而且对于复杂的空间环境,蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。2.8 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

16、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.2.9 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

17、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，所以它们的通信效率非常高。ZigBee最显著的技术特点是它的低功耗和低成本.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。三、 现代定位技术的应用3。1 卫星定位技术的应用全球定位系统的主要用途：（1)陆地应用,主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等；(2）海洋应用，包括远洋船最佳

18、航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等;(3)航空航天应用,包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。3.1.1 GPS在道路工程中的应用目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等.随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长,已知点少,因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前,国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密.实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规方法难以实现的

19、精度，同时也大大提前了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。3。1.2 GPS在汽车导航和交通管理中的应用三维导航是GPS的首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航.汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新 GPS应用 型技术.汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LC

20、D显示器组成。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能.3.1.3 GPS定位技术进行高精度海洋定位为了获得较好的海上定位精度，采用GPS接收机与船上的导航设备组合起来进行定位。例如，在GPS伪距法定位的同时，用船上的计程仪（或多普勒声纳）、陀螺仪的观测值联合推求船位。对于近海海域,还可采用在岸上或岛屿上设立基准站，采用差分技术或动态相对定位技术进行高精度海上定位。如果一个基准站能覆盖150KM范围，那麽在我国沿海只需设立三到四个基准站便可在近海海域进行高精度海上定位。经多年研究,不断成熟的广域差分技术（WASGPS），可以实

21、现在一个国家或几个国家范围内的广大区域进行差分定位。2000年之后,将利用建成的纯民间系统GNSS进行全球范围内的导航定位.利用差分GPS技术可以进行海洋物探定位和海洋石油钻井平台的定位.进行海洋物探定位时，在岸上设置一个基准站，另外在前后两条地震船上都安装差分GPS接收机。前面的地震船按预定航线利用差分GPS导航和定位，按一定距离或一定时间通过人工控制向海底岩层发生地震波,后续船接收地震反射波，同时记录GPS定位结果。通过分析地震波在地层内的传播特性，研究地层的结构，从而寻找石油资源的储油构造。根据地质构造的特点，在构造图上设计钻孔位置。利用差分GPS技术按预先设计的孔位建立安装钻井平台.具

22、体方法是在钻井平台上和海岸基准站上设置GPS系统。如果在钻井平台的四周都安装GPS天线，由四个天线接收的信息进入同一个接收机,同时由数据链电台将基准站观测得数据也传送到钻井平台的接收机上。通过平台上的微机同时处理五组数据，可以计算出平台的平移、倾斜和旋转,以实时检测平台的安全和可靠性。3.1.4 GPS航路导航航路主要指洋区和大陆空域航路。各种研究和实验已经证明，GPS和一种 称之为接收机自主完善性监测（RAIM)的技术能满足洋区航路对GPS的导航精度、完善性 和可用性的要求，而且精度也能满足大陆空域航路的要求。GPS和广域增强系统也能满足大陆空域航路 精度、完善性和可用性的要求.GPS的精度

23、远优于现有任何航路用导航系统,这种精度的提高 和连续性服务的改善有助于有效利用空域，实现最佳的空域划分和管理、空中交通流量 管理以及飞行路径管理，为空中运输服务开辟了广阔的应用前景，同时也降低了营运成本, 保证了空中交通管制的灵活性.GPS的全球、全天候、无误差积累的特点，更是中、远程航线上目前最好的导航系统。 按照国际民航组织的部署，GPS将逐渐替代现有的其他无线电导航系统。GPS不依赖于 地面设备、可与机载计算机等其他设备一起进行航路规划和航路突防，为军用飞机的导航 增加了许多灵活性。3.2 超声波定位技术的应用三峡通航船舶吃水量自动检测系统采用单波束超声波测深传感器阵列对船舶吃水量进行测

24、量。系统的动态测量精度要求达到0。lm，而传感器的重复测量精度、机械安装精度以及系统的安装误差和不同水温与水质对声速的影响等都可以对整个系统的测量精度产生影响，因此在系统设计时需综合考虑以上各方面因素。如图所示,整个自动检测系统由横梁式检测门、超声波传感器阵列、计算机控制系统、检测门升降控制系统和现场供电模块、环境参数采集模块以及信号传输模块等构成.在整个系统中,检测门是一长30多米的钢质析架，要求其强度能够承受自身重量，并且为了保证系统精度，检测门由于自重产生的弯曲挠度要尽量小.另外，由于系统工作时检测门要位于一定深度的水下，因此在设计析架时采用的钢材料必须要经过良好的防腐处理.单波束超声波

25、传感器阵列固定在安装架上,系统工作时超声波传感器的测量方向与通常使用的方向相反,即测深传感器由水中向水面发送超声波,如图所示。根据单个超声波脉冲返回的时间和超声波在水中的传播速度，计算得到被测船底与检测门的距离,同时结合测量模型，得到被测船舶的实际吃水量。现场供电模块为各种传感器和处理器提供电源，同时还要为检测门升降系统提供动力电源。包括提供三相交流电和直流稳压电源;环境参数采集模块由多种传感器组成，主要负责采集与超声波在水中传播速度关联较大的现场环境因素，包括室外温度、现场水质、压强等，为系统的误差修正提供数值依据；通信模块要实现的是各类型传感器的数据采集、处理以及通信协议的转换等功能，确保

26、采集到的数据可以进行实时传输,同时计算机控制系统也可以对数据进行实时的处理.计算机控制系统即专用的一体式工业计算机，设计并开发相应的软件系统对传感器所得的数据进行分析和评估，另外加入了误差补偿、环境参数修正以及船底数据三维显示等功能，使测量结果更精确、更直观明了。检测门同步升一降控制系统是本论文所研究的主要内容,它包含两个异步交流电机,两个升降控制器以及控制面板等，主要是为了实现超声波阵列检测门位置的实时可调和系统安装、检修的方便。系统工作时，系统的控制中心根据测量的要求,初始化系统,并与传感器模块建立通信联系，对检测门传感器模块进行校准与标定。采集测深传感器的初始值对检测门的安装水深进行调整

27、,当安装水深超过或小于最佳测量水深时，发出报警信号，或自动控制检测门两端电机对其高度进行调节。当船舶通过检测门时，顺次快速采集测深传感器的值，结合环境参数和误差修正模型，通过数据处理得到船舶的实际吃水量，并合成船只水下部分吃水量分布的三维图形,从而直观的显示通航船舶的实际吃水深度,同时将测量数据通过无线传输的方式传到三峡船闸通航控制中心，控制中心接收到现场数据后再进行综合处理和对比，形成通航船舶过闸预警信号，并对超吃水的船舶采取相应的措施.3.3 电磁式运动捕捉技术运动捕捉技术涉及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计算机直接理解处理的数据。在运动物体的关键部位设置跟踪器，由运

28、动捕捉系统捕捉跟踪器位置,再经过计算机处理后向用户通过可以在动画制作中应用的数据。当数据被计算机识别后，动画师即可以在计算机产生的镜头中调整、控制运动的物体。从应用角度来看，表演动画系统主要有表情捕捉和身体运动捕捉两类；从实时性来看，可分为实时捕捉系统和非实时捕捉系统两种。到目前为止，常用的运动捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式和光学式。同时,不依赖于专用传感器，而直接识别人体特征的运动捕捉技术也将很快走向实用。不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价：定位精度；实时性；使用方便程度；可捕捉运动范围大小；成本；抗干扰性；多目标捕捉能力。电磁式运动捕捉系统是目前比较常

29、用的运动捕捉设备。一般由发射源、接收传感器和数据处理单元组成。发射源在空间产生按一定时空规律分布的电磁场；接收传感器（通常有1020个）安置在表演者身体的关键位置，随着表演者的动作在电磁场中运动，通过电缆或无线方式与数据处理单元相连，表演者在电磁场内表演时，接收传感器将接收到的信号通过电缆传送给处理单元,根据这些信号可以解算出每个传感器的空间位置和方向。Polhemus公司和Ascension公司均以生产电磁式运动捕捉设备而著称.目前这类系统的采样速率一般为每秒15120次（依赖于模型和传感器的数量)，为了消除抖动和干扰,采样速率一般在15Hz以下。对于一些高速运动，如拳击、篮球比赛等，该采样

30、速度还不能满足要求。电磁式运动捕捉的优点首先在于它记录的是六维信息，即不仅能得到空间位置，还能得到方向信息，这一点对某些特殊的应用场合很有价值.其次是速度快，实时性好，表演者表演时，动画系统中的角色模型可以同时反应,便于排演、调整和修改。装置的定标比较简单,技术较成熟，鲁棒性好，成本相对低廉。它的缺点在于对环境要求严格，在表演场地附近不能有金属物品，否则会造成电磁场畸变，影响精度。系统的允许表演范围比光学式要小，特别是电缆对表演者的活动限制比较大，对于比较剧烈的运动和表演则不适用。四、 结束语随着科技的不断进步，定位的方法已经出现了很多种类，不论是投入使用的还是正在研制的，对于不同的环境,每种定位技术都有其不同的使用效果。在未来的世界里，无论做什么都需要很好地利用各种科学技术来为我们服务.而导航定位的技术必然会贯穿于我们生活的各个方面。未来的战争也必然不是人数上的战争，而是科技上的战争。所以谁能更好的利用导航定位技术，谁就可以取得最终战争的胜利。对于现在的我们，很多都还是未知的知识，了解了皮毛，就应该有个大概的学习方向，在自己感兴趣的方面好好学习,将来做出自己应有的贡献。五、 参考文献1 GPS测量与数据处理(武汉大学出版社）2 导航系统理论与应用刘建业等（西北工业大学出版社）3 惯性/天文组合导航系统研究-廖凯北京航空航天大学4 GLONASS系统研究刘晖-北京航空航天大学