GPS之家

在互联网普及之前，当人们想要上街购物时，往往需要做很多准备工作。首先需要找张地图，找到要去的商场，再研究好路线。然后还要翻阅报纸，杂志上面的各种信息，找出各种打折优惠的商店。如果逛街的时间较长，或许还得事先看看各种餐厅的广告，查好附近有哪些吃饭的地方，哪家餐厅比较美味实惠……然而，不管事前谋划得如何充分详细，人算不如天算，实际情况有时候并不会和人们预想的一样，因此还需要动态地调整方案，为此可能还要事先做好备用方案。

    到了互联网时代，情况发生了改观。人们不再需要查询地图，不再需要翻阅报纸。所有的一切，只需要连上互联网，敲入人们想知道的内容，通过搜索引擎一搜，就都知道了。互联网时代将各种信息进行了整合，让人们可以快速便捷地获取各类信息，再根据这些信息来制订计划，付诸实施。然而人们依然需要事先做好准备，同时也无法应对计划外的情况。

    到了物联网时代，情况再一次发生了巨大的变革。人们不再需要做事前的准备。开车的时候用GPS定位自动导航，计算机就会自动算出最优的路线；而在逛街的时候，手机或者PDA可以自动根据当前的位置，查询附近店铺的打折优惠消息；在要吃饭的时候，手机也可以自动根据位置找到附近餐馆的信息，甚至可以给出电子菜单。从过去的事前制订“万全之策”，变成“随机应变”，或者说是“以不变应万变”——不管情况出现什么变化，都只需要打开移动设备进行查询就可以了。

    位置信息

    是什么使人们的任务变轻松了呢？隐藏在各种琳琅满目的自动化服务背后的是一个共同的信息——位置。位置信息可以说是最重要的信息之一。在军事上，地理因素经常对战局起着关键性的作用。在日常生活中，位置信息也有着重要的作用。

    位置信息不只是空间信息。具体而言，位置信息包括三大要素：所在的地理位置、处在该地理位置的时间、处在该地理位置的对象（人或设备）。也就是说，位置信息承载了“时间”、“空间”、“人物”三大关键信息，其信息的内涵可谓十分丰富。利用这些信息，不仅可以“因地制宜”，提供所在地附近的相关服务．还可以根据时间“见机行事”，提供时效性更佳的服务。更可以“因人而异”，提供个性化的定制服务。

    既然位置信息如此重要，如何获取位置信息就理所当然地成为了物联网时代的一个重要研究课题。几十年来，人们在定位技术领域做出了大量的研究，使定位变得越来越简单，越来越接近人们的生活。十几年前，GPS还是只有科学考察、探险等特殊应用才装备的专业工具，而今天，即使是人们平常随身携带的手机，都可以配备上GPS定位模块。根据ABIResearch的一项调查数据显示，2009年全球GPS手机的销量达到了2.4亿台。

    定位系统

    1、GPS

    GPS（GlobalPositioningSystem）是目前世界上最常用的卫星导航系统。GPS计划开始于1973年，由美国国防部领导下的卫星导航定位联台计划局（JPO）主导进行研究。经过数十年的研究和试验，1989年正式开始发射GPS工作卫星，1994年，第24颗（也是最后一颗）工作卫星的发射，标志着GPS卫星星座组网的完成，从此GPS正式投人使用。

    由于美国国防部的背景，GPS系统最初被设计为军用。1983年，时任美国总统的里根做出指示，当GPS的研究与应用成熟后，将对民用工业开放，允许民间自由使用GPS技术。然而，在GPS投人使用之后，对民间应用仍有诸多限制，仅有军用接收机可以享受到高质量的信号（精度可达20m），供民用的信号质量被故意降低（精度约300m）。2000年5月1日，美国总统比尔.克林顿命令取消GPS系统的这种区别对待，从此民用GPS信号也可以达到20m的精度，极大地拓展GPS在民用工业方面的应用。

    由于GPS在军事及民用方面的应用效果显著，为了避免战时受制于人，其他的国家也陆续展开了卫星导航系统的研究和部署。目前已经投人使用的有俄罗斯的GLONASS全球卫星导航系统和我国的北斗一号区域性卫星导航系统。欧盟的伽利略定位系统目前正在部署中，预计将于2014年正式投人使用。我国目前正在建设自主研发的北斗二号全球卫星导航系统，届时将可提供全球范围的信号覆盖。

    GPS系统由以下三大部分组成。

    1）宇宙空问部分。GPS系统的宇宙空间部分由24颗工作卫星构成，最初的设计将24颗卫星均匀分布到3个轨道平面上，每个平面8颗卫星，但之后改为采用6轨道平面，每平面4颗卫星的设计。GPS的卫星布局保证在地表绝大多数位置，任一时刻都有至少6颗卫星在视线之内，可以进行定位。

    2）地面监控部分。GPS系统的地面监控部分包括1个位于美国科罗拉多州Schriever空军基地的主控中心（MasterControlStation,MCS），4个专用的地面天线，以及6个专用的监视站。此外还有个紧急状况下备用的主控中心，位于马里兰州盖茨堡。

    3）用户设备部分。要使用GPS系统，用户端必须具备一个GPS专用接收机。接收机通常包括一个和卫星通信的专用天线，用于位置计算的处理器，以及一个高精度的时钟。随着技术的发展．GPS接收机变得越来越小型和廉价，已经可以集成到大多数日用电子设备中，目前配备有GPS接收机的手机已不在少数。

    GPS定位的基本运作原理很简单，首先测得接收机与三个GPS卫星之间的距离，然后通过三点定位方式确定接收机的位置。不熟悉三点定位的读者可以用一个例子来简单了解三点定位的原理：首先拿出三根铅笔，假设这三根铅笔的长度表示测得的接收机到三颗卫星的距离；然后将三个铅笔的一头固定电子眼在桌面上的某个位置，这个位置就表示三颗卫星在空间中的位置；最后，移动三根铅笔未被固定电子眼的另一头，使它们交汇在一点（在这个例子里面，只可能有一个位置可以让三点交汇），这个交汇的位置就是接收机的位置。实际的GPS系统中，根据参考卫星的空间坐标，以及到参考卫星的距离，可以在空间中确定出一个唯一的球面；三颗卫星可以确定出三个球面，通常情况下，两个球面的交集是一个圆，三个球面的交集是两个点。因为其中有一个点的位置在宇宙空间中——这显然不可能是接收机的位置，因此只需要选取靠近地面的那个点作为接收机的坐标即可。

    了解了三点定位的原理之后，问题只剩下一个：如何测得接收机与GPS卫星间的距离？每一颗GPS工作卫星都在不断地向外发送信息，每条信息中都包含有信息发出的时刻，以及卫星在该时刻的坐标。接收机会接收这些信息，同时根据自己的时钟记录下接收到信息的时刻。这样，用接收到信息的时刻，减去信息发出的时刻，就得到信息在空间中传播所用的时间。将这个时间乘上信息传播的速度（信息通过电磁波传递，其速度为光速），就得到了接收机到信息发出时的卫星坐标之间的距离。

    根据GPS的工作原理，可以看出时钟的精确度对定位的精度有着极大的影响。目前GPS工作卫星上搭载的是铯原子钟，精度极高，140万年才会出现1秒的误差。然而，受限于成本，接收机上面的时钟不可能拥有和星载时钟同样的精度，而即使是微小的计时误差，乘上光速之后也会变得不容忽视。因此，尽管理论上三颗卫星就已足够进行定位．但是实际中GPS定位需要借助至少四颗卫星。换句话说，所处的位置必须至少能接收到四颗卫星的信号，方可以应用GPS来进行定位。这极大地制约了GPS的适用范围，当处于室内环境时，由于电磁遮蔽的效应，往往难以接收到GPS的信号，因此GPS这种定位方式主要在室外场景施展拳脚。其中最为典型的应用就是汽车导航。

    随着人类社会的发展，城市变得越来越大，交通系统也变得越来越复杂。没有经验的驾驶员往往容易在城市中迷失方向，或是“找不着北”（搞不清楚自己的位置），或是“南辕北辙”（走错了路线绕了弯路）。汽车导航系统利用了GPS技术，通过在汽车上安装GPS接收机，就可以通过卫星信号来找到自己的位置，再利用内置的地图来辅助驾驶。由于汽车的行驶区域大部分都是户外，仅有少数时候会进人隧道等有遮蔽的地方，因此大多数时候GPS定位效果都非常良好。

    随着感知技术和智能技术的不断发展，汽车导航系统也在不断进化。最早期的汽车导航系统，仅仅能通过卫星定位找出当前位置，并显示当前区域的地图，具体要走哪条路，还得驾驶员自己拿主意。这只能解决“找不着北”的问题，如果对道路不熟悉的话，还是会出现“南辕北辙”的情况。第二代汽车导航系统作出了改进，不但可以显示出当前的位置，还可以根据驾驶员输入的目的地来自动找出最短的路线，从而避免走弯路。而到了互联刚时代，汽车导航系统又进一步进化，可以通过移动电话的GSM网络与交通管理部门的服务器取得联系，获取最新的路况资讯，从而指导路线的选择。譬如通过网络得知某路段正在施工，或者正在堵车，那么在规划路线的时候，计算机就会自动避开该路段，使得路线更加优化。

    到了物联网时代，汽车导航技术又会有什么进化呢？物联网的一大特点是感知更加透彻，除了道路状况，还可以感知各种各样的要素——污染指数，紫外线强度、天气状况、附近的加油站……同时还可以更深入地感知驾驶员的状况——健康状况、驾驶水平、出行目的……路线的选择不再是“最快速到达目的地”，而是“最适合驾驶员，最适合这次出行”。比如探测到驾驶员身体状况不佳，在安排路线的时候就尽量避开环境较差的路段，转而选择空气清新景色秀丽的路线；比如驾驶员要做长途驾驶，就要根据汽车的油量，选择在恰当的时候经过加油站，以便于加油，比如驾驶员刚领驾驶执照没几天，那就要避开一些路况复杂的路段。物联网时代，汽车导航将从过去的“以路为本”转变为“以人为本”，更好地改善人们的驾驶质量。

    2、蜂窝基站定位

    虽然GPS可以说是定位界的龙头老大，但是它并不能应付所有的情况。如同前面所说，在室内环境中，GPS的定位效果很差，甚至很多时候根本就无法进行GPS定位。此外，GPS接收机的启动也相对比较缓慢，往往需要3～5分钟的时间，因此定位速度也相对较慢。有时候，人们的应用其实并不需要GPS那么高的精度，为了一些简单的定位应用而请出龙头老大，未免杀鸡用牛刀。另一方面，尽管随着GPS接收机的廉价化和小型化，配备GPS接收机的设备正变得越来越多，但始终还有大量的移动设备并没有集成GPS模块。移动通信设备对于定位有很大的需求，然而，并不是每一台手机都配备了GPS接收器。综合这两方面因素，在很多时候人们都需要用蜂窝基站定位来作为GPS定位的补充。

    蜂窝基站定位主要应用于移动通信中广泛采用的蜂窝网络，目前大部分的GSM、CDMA、3G等通信网络均采用了蜂窝网络架构。蜂窝网络基于一个数学猜想；在各种各样的图形中，正六边形可以使用最少的顶点覆盖最大的面积，而蜂窝的名字也正是由此而来。在通信网络中，通信区域被划分成一个个蜂窝小区，通常每个小区有一个对应的基站。以GSM网络为例，当移动设备要进行通信时，先连接所在蜂窝小区的基站，然后通过该基站接入GSM网络进行通信。换言之，在进行移动通信时，移动设备始终是和一个蜂窝基站联系起来的，蜂窝基站定位就是利用这些基站来定位移动设备的。

    最简单的定位方法是COO定位（CellofOrigin），它是一种单基站定位方法。这种方法非常原始，就是用移动设备所属基站的坐标视为移动设备的坐标。可想而知，这种定位方法的精度很低，其精度直接取决于基站覆盖的范围。如果基站覆盖范围半径为50m，那么其误差最大就是50m。在一些基站分布十分疏松的区域，一个基站覆盖的范围，半径可达几千米，这个误差就相当大了。这种定位方法唯一的优势在于速度，通常只需要2～3秒时间就可以完成定位，因此适用于情况紧急的场合。

    只使用一个基站测得的数据，是很难得到目标精确的位置的。要想更精确地定位，需要更全面的测量。利用多个基站同时测量可以做到这一点。多基站定位方法中，最常用的是TOA／TDOA定位。TOA（Time0fArrival）基站定位法很像之前介绍过的GPS定位方法，不同之处在于把卫星换成了基站。这种计算方法对时钟同步精度要求很高，而基站时钟精度自然远远比不上GPS卫星的水平；此外多径效应也会对测量结果产生误差。实际中，人们用得更多的是TDOA（TimeDifference0fArrival）定位法，不是直接用信号的发送和到达时间来求位置，而是用信号到达不同基站的时间差来建立方程组求解位置，通过时间差抵消掉了一大部分时钟不同步带来的误差。

    TOA和TDOA测量法都至少需要三个基站才能进行定位，如果人们所在的区域基站分布比较稀疏，周围能收到信号的基站只有两个，情况就比较尴尬了。在这种情况下，可以使用AOA（AngelofArrival）定位法。如图4.1所示。只要知道了定位目标与两个基站间连线的方位，就可以利用两条射线的交点确定出目标的位置。然而，要测量目标到基站间连线的力向可不是一件简单的事情，需要配备价格不菲的方向性强的天线阵列。

    蜂窝基站定位法的一个典型应用是紧急电话定位。对紧急电话作出定位非常重要，设想一下，假如人们目击到有小偷正在偷东西，于是拨打110报警。如果不知道拨打电话时所在的位置，那就只好把电话接到110总部，在听取了详细情况，询问了位置之后，再将电话转拨到附近的警察局。这么一来一去大费周章，小偷只怕早就逃之夭夭了。所谓兵贵神速，如果在用手机拨打110的时候，手机可以自动根据附近的基站确定出当前的位置，将电话直接接到附近的警局，那么警方就可以及时出动，惩恶锄奸。

    再举一个例子。假如人们去野外登山，在陶醉于大自然的美景之后迷失了方向，所幸手机还有信号，可以向外求援。如果不知道当前的位置，手机又没有GPS定位功能，那只能寄望于搜救队的地毯式搜索。而基站定位可以大展神威，即使不能非常精确地得知人们的位置，也可以迅速确定人们所在的大致范围，极大地加快搜救工作的速度。

    北美地区的E-911系统（Enhanced911）是目前比较成熟的紧急电话定位系统（911是北美地区的紧急电话号码，相当于我国的110）。在这套系统中，除了之前提到的ToA、TDoA、AoA信号强度等定位方法以外，还应用了一系列混合定位方祛，譬如在后续章节将会介绍的A-GPS辅助定位技术。在使用时，E-911系统会尝试各种定位方法，择优而用，毕竟人命关天，草率不得。

    3、无线室内环境定位

    无线通信领域，室内和室外的环境可以说有着天壤之别。往往一个在室外环境中很简单就能解决的问题，到室内环境中就变成了一个棘手的世界级难题。定位也是一样，在室外露天环境，只需要用GPS就可以得到很高的定位精度了，用基站定位也不赖。可是到了室内环境中，GPS由于信号受到遮蔽，变得很难使用，而甚站定位的信号受到多径效应的影响，定位效果也会大打折扣。

    多径效应可以说是无线通信领域中的室内杀手。其产生是由于波的反射和叠加原理。电磁波是向四面八方发射出去的，除了沿一条直线传递到接收端以外，还有可能存在别的路径到达接收端。譬如电磁波沿某方向传播，遇到了一堵墙，就会在墙面产生反射，而反射的电磁波就有可能到达接收端。这下接收端就收到了两列电磁波，这两列波叠加在一起，信号发生了混叠，就使信号的强弱发生了变化，甚至产生了变形。室外环境通常比较空旷，能反射电磁波的物体少，多径效应不明显。而室内环境障碍物众多，这些障碍物都可以反射电磁波，因此多径效应在室内变得非常显著。

    室内环境的众多障碍物带来的另一个问题就是对电磁波信号的阻碍作用。电磁波的波长决定了电磁波的传播距离和穿透障碍能力，而这两个能力可说是势同水火，注定了鱼和熊掌不可兼得。简单来说，电磁波的波长越长，波的传输距离也就越长，但是它的穿透能力也越弱；反过来，波长越短，传输距离也越短，但是穿透能力却变强了。GPS信号需要进行长途跋涉，从卫星到达地面，因此GPS使用的是长波信号，其穿透能力很弱。而在室内环境，为了应付障碍众多的情况，应该选用短波信号来进行通信。也是因为这个原因，室内环境的定位，同样应该采用短波。

    ToA、TDoA、AoA等定位技术都需要专门的硬件支持，而这些硬件往往造价不菲，像电信公司这种豪门或许还能承担得起，但是室内定位的需求往往来自于普通企业和个人，使用昂贵的硬件就显得不值得了。现存大多数室内定位系统都基于信号强度（ReceivedSignalStrength或者RadioSignalStrength，RSS），其优点在于不需要专门的定位设备，可以就地取材，利用已有的架设好的网络（如蓝牙网络、wiFi网络、ZigBee传感网等）来进行定位，非常经济实惠。目前室内环境进行短途定位的方法有很多种，包括传统的红外线定位、超声波定位，以及新兴的蓝牙定位、射频识别定位、超宽带定位、ZigBee定位等。其中射频识别的定位技术，由于其性价比很高，而且射频标签便携易用，在实际中有着很广泛的应用前景。

    利用RFID标签，人们几乎可以对一切物体进行定位。资产管理就是一个很好的应用。人们日常生活中常常会出现“找不着东西”的尴尬情况，有时候急着要用又找不到，只好再重新买一个救急。更尴尬的是，往往过几天收拾屋子的时候，之前不翼而飞的东西又出现在眼前，令人哭笑不得。个人尚且如此，对于拥有众多资产的企业来说，这种情况就更加严重了。比如说医院，在大型的医院里面有无数大大小小的医疗设备。有的设备如心电图机、呼吸机等，由于价格昂贵，而使用频率又不是特别高，一般都不会每个科室都配备一台，而是根据使用的需要随时移动，用少量的几台就可以解决大部分问题。然而这种移动性有时候也会带来不便，比如突然来了个急诊病人，需要使用某些医疗设备，但是这些设备又不知道被移动到哪里去了，也不知道哪些正在空闲哪些正在使用。如果在寻找设备上花费大量时间，就有可能耽误了病人的病情，造成严重的后果。而利用射频识别定位技术就可以很好地解决这个问题，只要在每个设备上都装上射频标签，在需要使用的时候就可以利用这些射频标签快速锁定设备的位置同时利用射频标签感知设备状态，还可以知道设备是否空闲。

    除此之外，使用RFID技术还可以做到随时监控设备的状况，设备出现故障时可以及时报警，通知相关人员进行维护，还便于及时更换老化的设备，同时也可以避免因设备找不到而引发的重复购买，提高设备利用率。使用RFID进行资产管理，还可以简化管理的流程，购买了一台新设备时，以往需要手工登记，而使用RFID只需要用RFID读取器扫描一下标签就可以完成记录。

    4、新兴定位系统

    除了上面介绍的几种相对较为成熟的定位系统外，近来随着技术的发展，又诞生了很多新的定位系统。这里介绍其中具有代表性的两个定位系统：A-GPS定位和无线AP定位。

    A-GPS（AssistedGlobalPositioningSystem）意为辅助GPS定位，这种定位方法可以看作是GPS定位和蜂窝基站定位的结合体。前面多次提到，GPS定位的速度相对较慢，初次定位时，往往需要用好几分钟来搜索当前可用的卫星信号（也就是当前位置“可见”的卫星）。而基站定位虽然速度快，但是其精度又不如GPS高。A-GPS可以说是取长补短，利用基站定位法，快速确定当前所处的大致范围，然后利用基站连入网络，通过网络服务器查询到当前位置上方可见的卫星，极大地缩短了搜索卫星的速度。在知道哪些卫星可用之后，只需要利用这几颗卫星进行GPS定位，就可以得到非常精确的结果。使用A-GPS定位，全过程只需要数十秒，而又可以享受到GPS的定位精度，可以说是两全其美。目前在很多手机中都采用了A-GPS定位技术。

    无线AP（AccessPoint，接入点）定位是一种WiFi定位技术，它与蜂窝基站的COO定位技术类似，通WiFi接人点来确定目标的位置。随着WiFi的普及，城市中的无线接入点正变得越来越多，在美国的大城市中，同时收到3～5个无线接人点信号的情况很常见，而随着我国无线互联网的不断发展，AP数量也会越来越多。每个AP都在不断向外广播信息，以方便各种WiFi设备寻找接入点，而信息中就包含有自己的MAC地址。一般来说，一个无线AP的MAC地址可以看做是全球唯一的。因此，如果用一个数据库记录下全世界所有无线AP的MAC地址，以及该AP所在的位置，那么就可以通过查询数据库来得到附近AP的位置，再通过信号强度来估算出较精确的位置。实际中，这个技术也可以和GPS结合使用（也就是上面提到的A-GPS定位的一种方式）。目前，Skyhook公司已经建立了一个这样的庞大数据库，而iPhone就是采用了这种技术，在有GPS信号的时候，用AP定位辅助GPS来提高定位速度，而在没有GPS的时候，通过AP定位来得到一个不太精确的结果。

    近年来，随着传感网、无线网状网络等无线自组织网络的兴起，网络定位应运而生。和传统的基站定位相比，网络定位适用于无中心的网络结构，利用网络节点间距离、方向、相对位置等地理信息，计算节点的地理位置。在网络定位模式中，少量节点的位置已知，其余未知位置节点测量相对于已知位置节点的地理信息并计算自身的位置。获取位置后，节点将自己的身份由未知位置节点转变为已知位置节点，并进一步参与到定位其他未知位置节点的过程中。网络定位如今已经发展成为一个相对完整的学科方向，有兴趣的读者可以参考其他文献资料，了解更深入的内容。