衛星導航定位技術綜述

莊春華，趙治華，張益青，羅巧梅

（北京環球信息應用開發中心，北京 100094）

1 引言

近年來，無線通信、網絡、嵌入式計算、無線傳感網以及其它技術的飛速發展，使得人們生活的三維物理空間中充滿了海量的數據和信息，促使位置服務的功能從原有的定位服務（Where am I？）、位置感知服務（Where are you？）向情景感知服務（Context aware service？）發展。具有無縫位置服務的普適計算（ubiquitous computing或者pervasive computing）平臺，將使人們可以在生活和工作環境中隨時、隨地得到位置信息和服務，無縫定位技術將在現代社會生活中發揮著日益重要的作用［1］。

無縫定位技術是指在人類活動的地上、地下空間和外層空間范圍內，能夠聯合采用不同定位技術以達到對各種定位應用的無縫覆蓋，同時保證各種場景下定位技術、定位算法、定位精度和覆蓋范圍的平滑過渡和無縫連接。它是當前無線定位技術研究的熱點和難點，國內外學者在該領域進行了多年探索，但是到目前為止，還沒有在任意真正信道環境下（尤其是在鬧市區）滿足高精度無縫定位要求的實用系統出現［2］。

本文對常用的室內外定位技術進行了介紹，總結了國內外專家學者在無縫定位技術、算法、系統等領域的研究成果，并對無縫定位技術面臨的問題以及發展方向進行了探討。

2 常用的室內外定位技術

無線定位技術有多種分類方式，按照定位所采用的基礎設施的不同，定位技術可分為基于衛星的定位、基于射頻信號的定位、基于自包含傳感器的定位等三大類。圖1給出了常用的室內外定位技術所用到的傳感器［3］。

不同的定位技術由于使用的定位信號、定位方法不同，導致可獲得的定位精度以及適用的環境存在較大差別。在實際應用中，需要根據定位精度、功耗、成本等具體要求進行選擇。圖2顯給出了現有定位系統的定位性能、定位測量技術與應用環境［4］。

2.1 GNSS定位技術

圖1 導航系統衛星及常用的定位傳感器

全球衛星導航系統（global navigation satellite systemGNSS 是所有在軌工作的衛星導航系統的總稱［5］。GNSS定位的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，綜合多顆衛星的數據交會出接收機的具體位置［6］。GNSS定位至少需要接收到4顆衛星信號才能求解出自身坐標，在空曠的室外環境中，終端可以暢通無阻地接收到足夠的衛星信號實現高精度定位。但是在城市峽谷區域，終端和衛星之間有高山、建筑物、隧道等物體或地面阻擋時，終端無法接收到4顆以上的衛星，就難以實現有效定位。

2.2 基于射頻信號的定位技術

無線通信技術和各種無線傳感器網絡技術的發展，為無縫定位提供了基礎和軟硬件環境，利用射頻信號技術實現定位已成為定位研究領域的發展趨勢，主要無線定位技術有無線保真（wireless fidelity，WiFi）［7］、射頻識別（radio frequency identification，RFID）［8］、超寬帶（ultra wide band，UWB）［9］、偽衛星［10］、移動通信［11］、藍牙（Bluetooth）［12］、紫蜂（ZigBee）［13］、紅外線［14］、超聲波［15］、電視（TV）信號［16］等來進行定位，表1為基于射頻信號定位技術。

表1 基于射頻信號的定位技術

2.3 基于自包含傳感器的定位技術

基于射頻信號的定位技術需要移動通信基站、無線網絡接入點、信號發射塔或中繼器等外部設施支持，和預先建立室內環境的接收信號強度指示（received signal strength indication，RSSI）數據庫，增加了行人導航服務提供商的建設成本，而且用戶只能在這種環境下獲取位置信息，限制了導航的范圍，而基于自包含傳感器的定位技術具有導航定位自主性和連續性等優點。

最普遍的自包含傳感器包括慣性傳感器（加速度計和陀螺儀）磁羅盤、氣壓計和傾斜儀等，這些傳感器也叫做航跡推算（dead reckoning，DR）傳感器。另外借鑒移動機器人同步定位和制圖（simultaneous location and mapping，SLAM）的原理，還可以引入視覺傳感器［17］、和激光雷達［18］等傳感器。基于不同的物理特性和應用環境，這些傳感器可以相互組合實現不同的配置方案，如陀螺和加速度計組合的慣性導航系統，磁力計和加速度計組成的無漂移定位方法，陀螺儀、磁力計和加速度計冗余定位方法等。

3 無縫定位的關鍵技術

3.1 無縫定位體系結構

無縫定位體系結構主要涉及到無縫定位基礎設施、統一坐標系、時間系統、通信設施和軟硬件框架等方面。

無縫定位基礎設施是指各種定位傳感器網絡基礎設施的集合，包括GNSS的地面增強和連續跟蹤站構成全球一體化的網絡基礎設施，城市的各種無線通信與電視廣播基站，室內環境下已有的各種定位傳感器網絡設施等。這既包括利用現有的定位基礎設施，也包括城市環境下的多種泛在無線信號源以及根據實際需要專門布設的各種小規模的定位傳感器網絡。無縫定位信息基礎設施是建立無縫定位系統的基礎，也是必要條件。

統一坐標系。按照現有的無縫定位基礎設施層次，可以劃分出若干個層級：全球框架、區域框架、城市框架、街區學校框架、單體建筑框架和樓層平面框架，依次由上一層坐標框架為下一層提供坐標基準，也可以采用空間信息網格作為支持。

時間系統。時間作為定位中重要的信息，可以按照統一坐標系的層級將GNSS提供的時間基準通過無縫定位基礎設施進行分層時間傳遞服務，依次向下一級傳感器網絡提供時間基準。

通信設施。采用現有的各種通信網絡設施以及無縫定位系統自身的通信功能，為各種服務應用和各種定位輔助信息的傳遞提供穩定的通信保障。

軟硬件的框架。無縫定位硬件層面指不同接口之間的協同與集成，軟件層面主要是定位軟件的框架結構。

3.2 無縫定位的主要算法

無縫定位算法主要是針對多種無線定位技術，例如全球定位系統（global positioning system，GPS）、無 線 局 域 網 絡（wireless local area networks，WLAN）、紫蜂（ZigBee）和超寬帶（ultra wide band，UWB）等中多源定位觀測量，例如RSSI、到達時間（time of arrival，TOA）、到達時間差（time difference of arrival，TDOA）和 小區識別碼（cell identity，Cell－ID）以及其他類型的定位傳感器（加速度和高度計等）的定位觀測量構建統一的融合定位模型，包括多種技術共用模式下的自動切換集成以及平穩過渡等相關技術的研究；針對城市和室內復雜非視線傳播環境下對各種無線信號定位產生影響的誤差源進行鑒別和消除技術；以及在定位解算過程中需要運用到的數據處理技等。

3.2.1 常用的定位解算算法

基于測距的定位機制是通過測量相鄰節點間的實際距離或方位進行定位。在基于測距方式解算算法中，測量節點間距離或方位時采取的方法有TOA，TDOA和到達角（arrival of angle，AOA）等，圖3是基于測距的算法原理圖。

圖3 基于測距的算法原理圖

非測距的算法主要有傳播模型法、位置指紋法、基于Cell－ID的定位方法、行人航跡推算（pedestrian dead reckoning，PDR）方法［19］等。

3.2.2 非視距誤差源鑒別和消除算法

1）非視距消除算法

由于無線傳感器網絡發射的無線電波具有視距傳輸特性，故非視距傳播是測距、測角定位系統的主要誤差源，目前已提出的非視距（non line of sigh，NLOS）消除方法可以分為兩大類，一類是誤差模型法，一類是非模型法。誤差模型法是利用信道模型假設出NLOS誤差的分布。非模型法又可以分為利用測量數據空間冗余度；利用測量數據時間冗余度；利用幾何約束三類［20］。

國內外學者提出的NLOS消除方法有誤差模型 法［21］、散 射 體 模 型 重 構 法［22］、 殘 差 比 對 法［23］、加權定位法［24］、幾何約束法［25］、距離尺度因子法［26］、卡爾曼濾波重構法［27］等。NLOS誤差傳播問題已經成為目前定位技術研究的重點和難點問題，已經提出的各種NLOS誤差消除算法，都是在各種假設和限定條件下提出的優化方法，到目前為止，還沒有一種真正簡單有效、廣泛適用的非視距誤差消除算法提出。如何鑒別并消除NLOS誤差的影響，或提出符合NLOS誤差分布規律的誤差模型，提高定位的精度，是無縫定位技術廣泛應用的關鍵［2］。

2）抗多徑干擾估計算法的研究

在基于無線傳感器網絡定位系統中，多徑干擾是影響定位精度的主要因素之一，尋找具有抗多徑干擾能力的時延估計算法也是無線定位技術研究的重點。目前主要的抗多徑干擾時延估計算法有基于擴展卡爾曼濾波的到達時間［28］、多徑聯合估計算法［29］、RAKE結構的 TDOA 估計器［30］、高分辨率抗多徑干擾時延估計方法［31］、TLS－ESPRIT（total least squares version of estimation of signal parameters via rotational invariance technique）時延估計方法等［32］。

3.2.3 定位解算與精度評定算法

1）定位解算算法

目前定位解算算法研究比較成熟，主要的定位算法有基于最小二乘（LS）的定位求解算法［33］、二重最小二乘算法［34］、泰勒級數展開算法［35］、Fang算 法［36］、球面相交算法［37］和分類征服算法［38］。

2）定位精度評定方法

為了正確評價各種定位算法的定位性能，需要首先確定評價定位準確率的指標。目前最常用的指標是定位解均方誤差（MSE）、均方根誤差（RMSE）、克拉美羅下界（CRLB）、幾何精度因子（GDOP）、圓誤差概率（CEP）。累計分布函數（cumulative distribution function，CDF）也常被作為評價指標，CDF是指在某個精度門限下的定位結果的次數在總定位次數中所占的比例。其他的評價指標還有圓／球誤差概率、幾何精度因子（geometric dilution of precision，GDOP）和相對誤差等。

3.2.4 多傳感器數據融合算法

目前還沒有一種通用的融合多傳感器信息的方法，一般要根據具體的應用背景而定。在聯合不同信息系統，處理來自不同傳感器的信息時，按照信息層次，可以將信息融合分為三個層次，即底層的原始信息融合、中間層的目標級融合，以及高層的決策級融合［39］。圖4為多傳感器數據融合模式。

圖4 多傳感器數據融合

在無縫定位技術中，常用的信息融合算法主要有綜合平均法、神經網絡、加權最小二乘、卡爾曼濾波、貝葉斯估計、模糊邏輯法、D－S法（dempster shafter）、專家系統等。在進行多源、異構定位技術融合以實現無縫定位的研究中，信息融合的工作十分重要，除前述幾種常用的信息融合方法，還有品質因數、模板方法、聚類分析以及統計決策等。

3.2.5 定位模式的切換準則

切換是指由于衛星的運行或用戶的移動，使用戶接收到的衛星數目或無線接入點發生變化的情況。實質就是定位模式重新選擇的過程，對定位精度和定位可用性具有重要影響。切換不僅增加了定位系統中需更新的信息通信量，而且為定位程序的運行帶來了額外的負擔，因此需要對切換策略進行研究。圖5為無縫定位切換基本情況。

圖5 無縫定位切換基本情況

切換策略基本原則是具有較低的時延、較小的切換頻率及較少的切換次數［40］。在組合定位系統中，可采用的切換準則主要以下幾種：最大可用性準則、最大定位精度準則、最小負荷準則。

3.3 典型的室內外無縫定位系統

綜合GNSS以及各種傳感器，國內外研究機構已經推出了各種室內外無縫定位系統，部分系統已經得到實際應用。

其中Skyhook公司提出了混合定位系統XPS，XPS是基于軟件的定位解決方案，定位時綜合利用WiFi、GPS和蜂窩網絡信息獲得用戶位置，其定位精度可達10～20m，是目前最成熟的無縫定位解決方案［41］。

滿足美國聯邦通訊委員會（Federal Communications Commission，FCC）的輔助全球定位系統（assisted global positioning system，A－GPS）和GPSone技術，這兩種定位技術同時采用了無線通信網絡信號和GPS衛星信號，改善了定位的可用性、靈敏性、精確度和定位耗時［42－43］。

日本宇宙開發局于2009年推出了新的室內精確定位系統（indoor messaging system，IMES），該系統通過一些預置在室內的信號發射器、移動設備中經過修改的內嵌固件、以及相應的信息服務器，組成了無縫的室內定位系統［44］。

國內的唐恩科技公司于2005年底開發出國內第一套民用UWB定位系統iLocate無縫定位系統，該系統集成了核心定位引擎，可以融合多種無線傳感信號進行無縫定位［45］。

歐空局研發的室內全球導航衛星系統定位演示器（demonstrator for indoor GNSS positioning，DINGPOS）［46］聯合使用了能在室內接收到GPS和伽利略信號的高靈敏度接收器和輔助定位傳感器如加速器和陀螺儀傳感器、WiFi等，并結合地圖匹配技術可依據當前建筑的計算機模型綜合本地現有的數據在室內外進行無縫定位。

國內的北京郵電大學研制了天地一體化的TC－OFDM定位與通信融合新型信號體制，構建了天地一體的室內外無縫定位體系，實現了基于移動通信網絡的高精度室內外無縫定位與融合衛星導航的室外高精度定位，它水平定位精確到3m，高度定位精確到1m，能有效提高北斗系統的定位速度、精度、范圍與核心競爭優勢，滿足北斗系統應用發展的迫切需求。

美國的WiFiSLAM公司采用結合WiFi網絡的 “印跡”及手機內置的加速度計和指南針來進行定位，它能夠在沒有定位數據庫信息的區域快速建立起定位服務，精度可達到所在位置的 “十幾步”之內。通過導航的算法用來處理WiFi網絡“印跡”和人的腳步的變換模式，在電腦系統中重現人曾走過的路途，隨后那條蹤跡會與建筑物的地圖相結合，從而使WiFiSLAM告訴用戶他們在這個環境中的所在位置。

4 無縫定位服務與應用模式

無縫定位服務面向的是廣大的空間信息社會化用戶群，無縫定位系統一旦構建實施，需要有足夠的用戶群體來支撐。無縫定位在系統服務層面要考慮到終端用戶的各種需求，包括合適的定位精度和與之相匹配的電子地圖顯示模式，還要考慮定位服務和各種空間數據的服務與收費模式。

無縫定位應針對用戶群體多樣化的特征，要求在相應的電子地圖顯示模式和終端服務模式方面考慮到用戶的實際需求，以最簡單有效的可視化方式、快捷便利的定位技術來為用戶提供可靠的空間信息數據服務。終端的接入模式也可以根據需要以用戶終端為主，或者充分利用現有的無線通信網絡的優勢，將部分的數據服務以網絡的形式提供給用戶使用。此外，還應針對定位技術和服務進行一系列的標準化、組件化、網絡化、自適應化、集成化、智能化等方面的研究。

5 無縫定位面臨的挑戰及發展方向

5.1 無縫定位技術存在的問題

無縫定位技術還面臨以下幾個問題：難以依靠單一的無線技術實現無縫定位，如GNSS技術無法在封閉空間發揮其高精度定位的特點；各種定位信號無法覆蓋多個不同區域，需要解決室內外連接區域的無縫連接問題；無線信號在室內外NLOS傳播環境下的復雜傳播信道；無縫定位系統所需的統一的坐標和時間系統、基礎設施和軟硬件成本、合適的移動定位設備、標準化問題；公眾無線服務的定位服務模式；其他諸如支持開放式服務的應用編程接口（application programming interface，API）、電源、隱私安全等問題［47］。

5.2 無縫定位算法研究重點

（1）進一步研究基本定位方法和定位算法，提出新的定位方法和原理，重點研究定位算法的抗NLOS和抗多徑、多址干擾能力。

（2）在現有定位算法研究基礎上，深入研究影響定位精度的主要誤差源，嘗試建立符合實際的誤差模型或對影響定位精度的誤差統計特性進行適當假定和合理描述；重點研究如何減少或消除NLOS傳播和多徑干擾對定位精度的影響。

（3）針對影響時延估計精度的多徑干擾問題，重點研究在蜂窩移動信道環境下的抗多徑時延估計算法，提高時延估計的準確度。

（4）充分利用現有的各種定位方法和定位數據進行綜合或數據融合定位。

5.3 無縫定位發展趨勢

（1）開展導航與位置服務技術研究，突破GPS／北斗系統雙系統高精度軟硬件接收機關鍵技術，通過與電子羅盤、慣性導航與地圖匹配技術相融合，開發出城市道路和高遮擋地區不間斷定位和導航的軟硬件系統。

（2）以無線 WiFi、藍牙、空氣聲學定位、慣性導航和環境場匹配技術為基礎，在無線定位中融入光學、慣性、電磁場和超聲波等技術，通過多傳感器集成和數據融合算法的研究，研究出性價比高的室內定位系統。

（3）突破GNSS技術與地面移動通信網、無線互聯網、地面物聯網、室內地下導航定位系統之間高可靠性通訊技術和方法，實現室內外、地上地下無縫、高精度、高可用性的空間定位。

（4）減少定位算法對前期環境勘測的依賴，進一步提高定位準確性及速度，實現系統的軟件層替代原本硬器件完成的功能，即硬件功能的軟件無線電化。利用各種認知的無線電技術如無線頻譜感知技術來提升泛在無線信號在無縫定位中所發揮的作用。

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