物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)綜述

林吉

摘 要：無線通信技術(shù)的發(fā)展推動了物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，越來越多的應(yīng)用都需要自動定位服務(wù)。“物”節(jié)點(diǎn)位置是反映網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的重要信息，在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和應(yīng)用中占據(jù)重要地位。本文對當(dāng)今三類物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)進(jìn)行綜述，介紹它們各自的原理和應(yīng)用場景，對這些技術(shù)在精度、范圍和移動性等方面進(jìn)行比較。

關(guān)鍵詞：定位技術(shù)；GPS；性能

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

物聯(lián)網(wǎng)通過實(shí)現(xiàn)人對物的管理、物對物的自主管理，達(dá)到物的信息網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)信息資源共享和交換。物聯(lián)網(wǎng)定位就是采用某種計算技術(shù)，測量在選定的坐標(biāo)系中人、設(shè)備、以及事件發(fā)生的位置，是物聯(lián)網(wǎng)科學(xué)發(fā)展和應(yīng)用的主要課題之一。物聯(lián)網(wǎng)中常用的定位技術(shù)主要有GPS、移動蜂窩測量技術(shù)、WLAN、短距離無線測量（Zigbee、RFID）、WSN等。本文主要介紹了前3種技術(shù)的基本原理、定位特點(diǎn)和應(yīng)用場合，并對以上幾種技術(shù)性能進(jìn)行對比。

1. 定位技術(shù)分類

1.1 GPS定位。GPS是物聯(lián)網(wǎng)延伸到移動物體，采集移動物體信息的感知技術(shù)。其定位的基本原理是GPS接收機(jī)將高速運(yùn)動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，并測量出到衛(wèi)星的距離，計算出接收機(jī)運(yùn)動方向、運(yùn)動速度和時間信息，當(dāng)接收到大于等于4顆GPS衛(wèi)星信號時，便可列出4個定位方程，聯(lián)立可求出觀測點(diǎn)位置。GPS可實(shí)現(xiàn)全天候、高精度、連續(xù)迅速的三維定位 （緯度、經(jīng)度和高度）和測速，這在車輛導(dǎo)航管理，測繪與跟蹤服務(wù)中扮演著重要角色。圖1為GPS車載定位系統(tǒng)示意圖：天線捕獲并放大GPS 信號，GPS接收機(jī)記錄GPS 信號并對信號進(jìn)行解調(diào)和濾波處理，還原出GPS 衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，或采用測后處理的方式，獲得定位、測速、定時等數(shù)據(jù)。導(dǎo)航計算機(jī)承擔(dān)整個系統(tǒng)的管理、控制和實(shí)時數(shù)據(jù)處理。外設(shè)包括鍵盤和視屏監(jiān)控器等，是進(jìn)行人機(jī)交流部件。

1.2無線蜂窩定位。受移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的推動，基于CDMA技術(shù)的3G及4G移動通信能夠?qū)崿F(xiàn)民用級的導(dǎo)航定位，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的定位主要指對移動臺的位置坐標(biāo)和定位精度估計，獲取時間戳等信息。有3種定位方案，方案一是基于移動臺的定位系統(tǒng)，移動臺接收多個發(fā)射機(jī)信號，確定其與各發(fā)射機(jī)的幾何位置關(guān)系，再由移動臺計算出位置。主要定位方法有：應(yīng)用于TDMA系統(tǒng)的下行鏈路E-OTD方法、上行鏈路TDOA方法和應(yīng)用于CDMA系統(tǒng)的下行鏈路OTDOA-IPDL方法。方案二是基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)，是接收機(jī)同時檢測移動臺發(fā)射的信號，將接收信號攜帶的移動臺位置信息送到網(wǎng)絡(luò)中的移動中心處理，計算出移動臺的位置。方法有：基于Cell-ID或基于TA方法，上行鏈路TOA、TDOA和AOA定位方法。方案三是借助于GPS輔助定位系統(tǒng)，由集成在移動臺的GPS定位裝置實(shí)現(xiàn)定位功能。

1.3 WLAN定位技術(shù)。WLAN定位就是在無線局域網(wǎng)中通過對接收到的無線電信號的特征信息進(jìn)行分析，根據(jù)特定的算法來計算出被測物體所在的位置。首先，系統(tǒng)建立WLAN信號在覆蓋區(qū)域下的信號空間，推導(dǎo)出信號覆蓋的覆蓋模型。然后，無線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)在需要被定位的WLAN客戶端進(jìn)行空間信號的實(shí)時采樣，采集的數(shù)據(jù)指用戶攜帶的無線通信設(shè)備測量出到達(dá)用戶的無線信號指標(biāo)，包括信號傳輸時間（TOA）、到達(dá)角度（AOA）、強(qiáng)度（RSS），定位模塊利用采集到的這些信息，搜索相應(yīng)的定位算法，得出位置預(yù)測結(jié)果，并最終通過顯示模塊顯示出來，如圖2所示。

2.定位技術(shù)性能對比

GPS定位范圍最廣，定位精度小于50m，定位精度相對最高，支持節(jié)點(diǎn)高移動性，但GPS成本過高，冷啟動時間長，首次定位需要1分鐘，并易受電磁屏蔽影響，GPS不能室內(nèi)定位。蜂窩定位的優(yōu)勢在于定位方便，速度快，只要定位終端處于移動通信的覆蓋范圍內(nèi)，便可隨時定位，不受天氣，建筑物的影響，但定位精度和定位范圍遜于GPS，在基站不足的偏遠(yuǎn)地區(qū)，無法定位。WLAN定位速度快，但精度低，可在室內(nèi)進(jìn)行，但必須在互聯(lián)網(wǎng)支持下運(yùn)行，定位范圍有限，WLAN將在較長時間內(nèi)稱為蜂窩系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充。另外兩個短距離的定位技術(shù)Zigbee和RFID都支持移動性且靈活性高，Zigbee優(yōu)點(diǎn)是功耗低，時延短，缺點(diǎn)是只能專網(wǎng)專用，數(shù)據(jù)傳輸速率低，適用于較小區(qū)域內(nèi)長時間的定位，精度可達(dá)1～3m。RFID實(shí)現(xiàn)成本低，用于人員的識別定位并不側(cè)重位置精度，實(shí)時性強(qiáng)，定位時間少于1s，可在惡劣的環(huán)境下工作，顯著優(yōu)勢是安全性好、成本低，但作業(yè)距離近。

結(jié)語

綜上所述，定位技術(shù)有其自身的特點(diǎn)和應(yīng)用場景，物聯(lián)網(wǎng)感知終端所在的環(huán)境不同，實(shí)際中可根據(jù)定位場景的需要選擇相應(yīng)技術(shù)。面對復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，任何單一種定位方法不足以滿足需求時，只有將他們有機(jī)結(jié)合起來才能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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