定位技术的发展及现代应用

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，人类开始摸索海洋日勺时候，定位技术也随之催生。重要日勺定

位措施是运用当时的航海图和星象图，拟定自己H勺位子。

随着社会和科技日勺不断发展，对导航定位的需求已不仅仅局限于老式日勺航

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。特别在军事领域，对导航定位提出了更高的规定。导航定位口勺措施从

初期的陆基无线电导航系统到目前常用日勺卫星导航系统，经历了80数年的I发展,

从少数的几种精度差、设备较庞大日勺陆基系统到H前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、可用性等方面均获得质

的飞越。

1.1陆基无线电导航系统

1.1.1第一次世界大战期间

陆基无线电导航系统是从20世纪代第一次世界大战期间开始发展起来日勺。一方

面是应用在航海，逐渐扩展到航空领域。其技术手段重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，从而拟

定自身H勺航向。这时的导航重要侧重是侧向，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，浮现了许多新的

系统，并在不断发展，到目前大多系统仍在广泛使用。

这其中重要有罗兰-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

(2)罗兰-A和罗兰-C的基本原理是发射脉冲信号，运用双曲线交会定位，20

世纪50年代末产生□勺罗兰-C在罗兰-A的基础上，对发射信号进行了改

善，使得顾客可以得到几百米量级口勺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。

（3）台卡和奥米伽

（4）台卡也是一种双曲线，重要针对欧洲日勺海上顾客。其精度和覆盖范畴均

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。

（5）奥米伽是针对以上儿种系统存在日勺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。采用低频持续波发射（10—14KHz）,双曲线定

位。缺陷是定位精度低、有多值性、数据率低和设备昂贵等。随着卫星

导航定位系统口勺使用，奥米伽已于1997年关闭。

（6）伏尔+测距器（DME）

（7）该系统重要针对航空顾客研制。本质仍是一种甚高频全向信标，只能给

飞机批示方位.因此，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，采用询问和应答日勺方式，可觉得110架左右飞机提供

距离测量的服务。

（8）塔康（Tacan）

工作在L频段，采用脉冲体制，同步提供方位和距离坐标，具有设备小时

长处，在航空导航欧较为广泛的应用。

1.2自主式导航

1.2.1路基导航定位系统虽然具有价格低、可靠新高等长处，但它依赖于电磁波

在空中的传播，系统日勺生存能力、抗干扰能力和抗欺骗能力较为单薄。因

此，自主导航也逐渐得到了发展。重要有惯性导航和多普勒导航两种。

1.2.2惯性导航

1.2.3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。

是以惯性测量器件一一陀螺为中心，通过测量载体日勺三维加速度。积分测

速和测距，然后根据起点坐标推算载体目前坐标的一种定位措施。其长处

是完全自主导航，缺陷是精度随着距离和时间H勺退役逐渐减少，往往需

要定期校准。

1.2.4目前惯性导航系统一般都和卫星导航系统结合使用，运用卫星导航系统

为其提供校准坐标。

1.2.5多普勒导航

20世纪50年代开始发展，运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。与惯性导航日勺区别是使用机载雷达完毕载体日勺实时三维速

度测量。相似之处是：由于雷达存在测量误差，因此其定位误差随时间日勺累积逐

渐扩大。

二、现代定位技术

随着数据业务和多媒体业务的迅速增长，人们对定位与导航日勺需求日益增大，

特别在复杂口勺室内环境，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，常常需要拟定移动终端或具持有者、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

位技术目前还无法较好地运用。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、射频辨认技术、

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（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），其他定位技术（计算机视觉、航位推算等），以及

GNSS和无线定位组合日勺定位技术（A-GPS或A-GNSS）o

2.1GPS与A-GPS定位

常见的GPS定位的原理可以简朴这样理解：由24颗工作卫星构成，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顾

客接受机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可懂得接受机的具体位置。在

整个天空范畴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

也许需要数分钟日勺时间。这也是为啥我们在使用地图的时候常常会浮现先浮现一

种大的圈，之后才会精确到某一种点日勺因素。但是，如果我们在进行定位之前可

以事先懂得我们H勺粗略位置，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的长处在于无辐射，但是穿透力很弱，

无法穿透钢筋水泥。一般要在室外看得到天日勺状态下才行。信号被遮挡或者削减

时，GPS定位会浮现漂移，在室内或者较为封闭的空间无法使用。正是由于GPS

的这种缺陷，因此常常需要辅助定位系统协助完毕定位，就是我们说日勺A-GPS。

例如iPhone就使用了A-GPS,即基站或WiFiAP初步定位后，根据机器内存储

的GPS卫星表来迅速寻星，然后进行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（cellID定位）

社区辨认码（CellID）通过辨认网络中哪一种社区传播顾客呼喊并将该信息翻

译成纬度和经度来拟定顾客位置「CellII）实现定位的基本原理：即无线网络上

报终端所处日勺社区号（根据服务的基站来估计），位置业务平台把社区号翻译成

经纬度坐标。基本定位流程：设备先从基站获得目前位置（CellID）0（第一次

定位一一〉设备通过网络将位置传送给agps位置服务器一一＞Agps服务器根据位

置查询区域内目前可用口勺卫星信息，并返回设备。一一＞设备中的GPS接受器根

据可用卫星，迅速查找可用的GPS卫星，并返回GPS定位信息。

2.3Wifi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H勺应用领域内实

现复杂H勺大范畴定位、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。目前比较流行时府-Fi定位是无线局域网络系列原则之TEEE802.11

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，能采用相似的I底层无线网络构造，系统总精度高。

设备只要侦听一下附近均有哪些热点，检测一下每个热点日勺信号强弱，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，就能懂得客户端的具体位置了。一次成功的定位需

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

有有关记录。

芬兰的Ekahau公司开发了可以运用Wifi进行室内定位的软件。Wifi绘图的精

确度大概在1米至20米欧|范畴内，总体而言，它比蜂窝网络三角测量定位措施

更精确。但是，如果定位的测算仅仅依赖于哪个N'i-Fi日勺接入点近来，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，它应用于小范畴

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，并且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度,

定位器口勺能耗也较高

FRID.二维码定位

射频辨认技术运用射频方式进行非接触式双向通信互换数据以达到辨认和定位

时目的C通过设立一定数量日勺读卡器和架设天线，根据读卡器接受信号的强弱、

达到时间、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，且传播范畴很大，成本较低。同步由于其

非接触和非视距等长处，可望成为优选的室内定位技术。目前，射频辨认研究的

热点和难点在于理论传播模型的建立、顾客口勺安全隐私和国际原则化等问题。长

处是标记的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，并

且不便于整合到其他系统之中，无法做到精拟定位，布设读卡器和天线需要有

大量的工程实践经验难度大。

2.4红外线定位技术

红外线定位技术定位的原理是：红外线JR标记发射调制的红外射线，通过安光

学传感器接受进行定位。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。直线视距和传播距离较短这两大重

要缺陷使其室内定位日勺效果很差。当标记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受天线，造价较高。因此，红外线只适合

短距离传播，并且容易被荧光灯或者房间内的灯光干扰，在精拟定位上有局限

性

2.5超声波定位技术

超声波测距重要采用反射式测距法，通过三角定位等算法拟定物体的位置，即

发射超声波并接受由被测物产生日勺回波，根据回波与发射波日勺时间差计算中待

测距离，有日勺则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一种主测

距器构成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号日勺作用下向位置固定

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步向主测距

器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间H勺距离。当同步有3个或3

个以上不在同始终线上的应答器做出回应时，可以根据有关计算拟定出被测物

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，构造简朴，但超

声波受多径效应和非视距传播影响很大，同步需要大量的底层硬件设施投资，

成本太IWJ。

2.6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播技术,

在室内安装合适的蓝牙局域网接入点，把网络配备成基于多顾客的基础网络连

接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网（piconct）的主设备，就可

以获得顾客日勺位置信息。蓝牙技术重要应用于小范畴定位。蓝牙室内定位技术最

大的长处是设备体积小、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顾客，只要设备日勺蓝牙功

能启动，蓝牙室内定位系统就可以对其进行位置判断。采用该技术作室内短距离

定位时容易发现设备且信号传播不受视距的影响。其局限性在于蓝牙器件和设备

的价格比较昂贵，并且对于复杂口勺空间环境，蓝牙系统的稳定性稍差，受噪声

信号干扰大。

2.7超宽带技术

超宽带技术是一种全新日勺、与老式通信技术有极大差别日勺通信新技术。它不需要

使用老式通信体制中的载波，而是通过发送和接受具有纳秒或纳秒级如下的极

窄脉冲来传播数据，从而具有GHz量级的带宽。超宽带可用于室内精拟定位，例

如战场士兵口勺位置发现、机器人运动跟踪等。超宽带系统与老式的窄带系统相比,

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、能提供精拟

定位精度等长处。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。

2.8ZigBee技术

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它介于射频辨认和蓝牙之

间，也可以用于室内定位。它有自己的无线电原则，在数千个微小日勺传感器之间

互相协调通信以实现定位。这些传感器只需要很少口勺能量，以接力口勺方式通过无

线电波将数据从一种传感器传到另一种传感器，因此它们的通信效率非常高。

ZigBee最明显的技术特点是它的低功耗和低成本。

除了以上提及的I定位技术，尚有基于计算机视觉、光跟踪定位、基于图像分析、

磁场以及信标定位等.此外，尚有基于图像分析的定位技术、信标定位、二角定

位等。目前诸多技术还处在研究实验阶段，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

全球定位系统日勺重要用途：（1）陆地应用，重要涉及车辆导航、应急反映、大气

物理观测、地球物理逐源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市攻规

划控制等；（2）海洋应用，涉及远洋船最佳航程航线测定、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，涉及飞机导航、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。

3.1.1GPS在道路工程中的应用

目前重要是用于建立多种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路

H勺迅速发展，对勘测技术提出了更高的规定，由于线路长，已知点少，因此,

用常规测量手段不仅布网困难，并且难以满足高精度H勺规定。目前，国内已逐渐

采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规措施布设导线加密。实践

证明，在几十公里范畴内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规措施难以实

现的精度，同步也大大提前了工期。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，同步对检测常规测量的

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，减少了常规措施H勺中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显日勺经济和

社会效益。

3.1.2GPS在汽车导航和交通管理中口勺应用

三维导航是GPS日勺首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以运用GPS

导航器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来日勺一门新

GPS应用型技术-汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微解决机、车速传感

器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示屏构成。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。

3.1.3GPS定位技术进行高精度海洋定位

为了获得较好日勺海上定位精度，采用GPS接受机与船上的导航设备组合起

来进行定位。例如，在GPS伪距法定位的同步，用船上日勺计程仪（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。如果一种基准站能覆盖150KM范畴，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。经数年研

究，不断成熟的I广域差分技术（WASGPS）,可以实目前一种国家或几种国家范畴

内的广大区域进行差分定位。之后，将运用建成日勺纯民间系统GNSS进行全球范

畴内的导航定位。

运用差分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，在岸上设立一种基准站，此外在前后两条地震船上都安装差分

GPS接受机。前面口勺地震船按预定航线运用差分CPS导航和定位，按一定距离或

一定期间通过人工控制向海底岩层发生地震波，后续船接受地震反射波，司步

记录GPS定位成果。通过度析地震波在地层内的传播特性，研究地层的构造，从

而寻找石油资源H勺储油构造。根据地质构造日勺特点，在构造图上设计钻孔位置。

运用差分GPS技术按预先设计的孔位建立安装钻井平台。具体措施是在钻井平

台上和海岸基准站上设立GPS系统。如果在钻井平台的四周都安装GPS天线,

由四个天线接受的信息进入同一种接受机，同步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受机上。通过平台上日勺微机同步解决五组数据，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。

3.1.4GPS航路导航

航路重要指洋区和大陆空域航路。多种研究和实验己经证明，GPS和一种称之

为接受机自主完善性监测（RAIM）的技术能满足洋区航路对GPSH勺导航精度、完

善性和可用性的规定，并且精度也能满足大陆空域航路的规定。GPS和广域增

强系统也能满足大陆空域航路精度、完善性和可用性的规定。GPS日勺精度远优

于既有任何航路用导航系统，这种精度的提高和持续性服务的改善有助于有效

运用空域，实现最佳的空域划分和管理、空中交通流量管理以及飞行途径管理,

为空中运送服务开辟了广阔的应用前景，同步也减少了营运成本，保证了空中

交通管制的灵活性。GPS曰勺仝球、仝天候、无误差积累的特点，更是中、远程航

线上目前最佳H勺导航系统。按照国际民航组织的部署，GPS将逐渐替代既有的

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长了许多灵活性。

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

舶吃水量进行测量。系统日勺动态测量精度规定达到0.1m,而传感器日勺反复测量

精度、机械安装精度以及系统日勺安装误差和不同水温与水质对声速日勺影响等都可

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

传播模块等构成。

计总机用制系统代

熊03

现场通信模块

4

现

场

环

境

(H电

专

模

效

块

采

现

生

场

化

患检乱门同步升降控制

供

狂系统

置

欢

州质吃水怜制n

在整个系统中，检测门是一长30多米的钢质析架，规定其强度可以承受自

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。此

外，由于系统工作时检测门要位于•定深度的水下，因此在设计析架时采用日勺

钢材料必须要通过良好日勺防腐解决。单波束超声波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一般使用日勺方向相反，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H勺传播速度，计算得到被测船底与检测门的距离，同步结合测量模型，得

到被测船舶H勺实际吃水量。

传第器阵列安装架

现场供电模块为多种传感器和解决器提供电源，同步还要为检测门升降系统提

供动力电源。涉及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

感器构成，重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,

涉及室外温度、现场水质、压强等，为系统日勺误差修正提供数值根据:通信模块

要实现口勺是各类型传感器的数据采集、解决以及通信合同的转换等功能，保证采

集到口勺数据可以进行实时传播，同步计算机控制系统也可以对数据进行实时的

解决。计算机控制系统却专用日勺一体式工业计算机，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，此外加入了误差补偿、环境参数修正以及

船底数据三维显示等功能，使测量成果更精确、更直观明了。检测门同步升一降

控制系统是本论文所研究H勺重要内容，它涉及两个异步交流电机，两个升降控

制器以及控制面板等，重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、检修的以便。

系统工作时，系统的控制中心根据测量的规定，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。采集测深传感器日勺初始值

对检测门口勺安装水深进行调节，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,

顺次迅速采集测深传感器H勺值，结合环境参数和误差修正模型，通过数据解决

得到船舶日勺实际吃水量，并合成船只水下部分吃水量分布日勺三维图形，从而直

观的显示通航船舶的实际吃水深度，同步将测量数据通过无线传播的方式传到

三峡船闸通航控制中心，控制中心接受到现场数据后再进行综合解决和对比，

形成通航船舶过闸预警信号，并对超吃水的船舶采用相应日勺措施。

3.3电磁式运动捕获技术

运动捕获技术波及尺寸测量、物理空间里物体的定位及方位测定等方面可以由计

算机直接理解解决的数据。在运动物体H勺核心部位设立跟踪器，由运动捕获系统

捕获跟踪器位置，再通过计算机解决后向顾客通过可以在动画制作中应用的数

据。当数据被计算机辨认后，动画师即可以在计算机产生的镜头中调节、控制运

动口勺物体。从应用角度来看，表演动画系统重要有表情捕获和身体运动捕获两

类；从实时性来看，可分为实时捕获系统和非实时捕获系统两种。到目前为止，

常用的运动捕获技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式和光学式。同步，

不依赖于专用传感器，而直接辨认人体特性H勺运动捕获技术也将不久走向实用。

不同原理的设备各有其优缺陷，一般可从如下几种方面进行评价：定位精度；实

时性；使用以便限度；可捕获运动范畴大小；成本；抗干扰性；多目的捕获能力。

电磁式运动捕获系统是目前比较常用的运动捕获设备。一般由发射源、接

受传感器和数据解决单元构成。发射源在空间产生按一定期空规律分布的

电磁场；