无线通信的定位技术

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1、山东老乔浅谈无线定位技术 从GPS到iBeacon定位技术是无线通信的一个分支应用,到目前为止出现了多种定位技术,根据应用场合 不同可以分为两种:室外定位技术和室内定位技术。1、室外定位技术室外定位技术主要有两种:卫星定位技术,基站定位技术。卫星定位技术是非常成熟的 技术,比如大家熟知的GPS技术,除GPS技术外,还有几种类似的技术:Glonass, Galileo, 北斗等。儿种卫星定位技术的原理是相同的,都基于三维定位原理。如下图所示,一颗卫星可以 定义用户的球面,两颗卫星可以定位用户所在的圆周,三颗卫星可以定位用户在圆周的两点, 四颗卫星就可以定位用户位置。川户位置住球而上叫!12S2川

2、户位置两球相交的倒周I:川户位丁圆周两点之上几种卫星定位技术的区别在于他们的定位参考卫星的位置是不同的:GPS:由21+3颗卫星组成分布在6个轨道平面上轨道高度20200Km运行周期11小时58分。 Glonass:由24颗卫星组成,分布在3个轨道平而上,每个轨道而有8颗卫星轨道高度 19100Km,运行周期11小时15分Galileo:由30颗卫星组成,分布在3个轨道,轨道高度24126Km北斗:5 (静止轨道)+30 (非静止轨道)颗卫星;30=27 (中轨道MEO +3 (倾斜同步) 颗卫星;27颗卫星平均分布在倾角55度的三个平面上,高度21500公里。基站定位是利用移动通信的基站位置

3、根据当前客户移动终端的连接来确定客户位置。常 用的儿种技术有:单基站定位,三基站定位,两基站定位以及多种模式的混合定位。下图所 示的是三基站定位技术,基站的位置是已知的,移动设备通过计算到临近三个基站的位置就 可以计算出设备当前所在的位置。()基站2ftlft: Pisition2基站3位置;Position3信号传播时间:T2基站1位置:PositionlLocation=GetLocation(Positin1, T1Jt Positin2, T2, Positin3,T3)基站辅助的GPS定位,即A-GPS技术c GPS定位以其高精度得到更多的关注,但是其 弱点也很明显:一是硬件初始化(

4、首次搜索卫星)时间较长,需要几分钟至十几分钟;二是 GPS卫星信号穿透力若,容易受到建筑物、树木等的阻挡而影响定位精度。A-GPS定位技 术通过网络的辅助,成功的解决或缓解了这两个问题。在A-GPS中,通过从蜂窝网结下载 当前地区的可用卫星信息(包 含当地区可用的卫星频段、方位、仰角等信息),从而避免了 全频段大范围搜索,使首次搜星速度大大提高,时间由原来的几分钟减小到几秒钟;在无法 获取GPS信号是,通过基站定位完成定位。如上图所示,AGPS中从定位启动到GPS接收器找到可用卫星的基本流程如下:(1)设 备从蜂窝基站获取到当前所在的小区位置(即一次COO定位)(2)设备通过蜂窝网络将当 前蜂

5、窝小区位置传送给网络中的AGPS位置服务器(3) APGS位置服务器根据当前小区位 置查询该区域当前可用的卫星信息(包括卫星的频段、方位、仰角等相关信息),并返回给 设备(4) GPS接收器根据得到的可用卫星信息,可以快速找到当前可用的GPS卫星至此,GPS接收器己经可正常接收GPS信号,GPS初始化过程结束。AGPS对定位速度的提高就 主要体现在此过程中。2、室内定位技术室内定位技术是最近一段时间研究很火的一个课题,以苹果公司推出iBeacon技术为标 志。其实室内定位技术一直有组织和相关公司做这方面的产品,但由于技术本身和成本限制 一直没有得到广泛应用。室内定位技术实现方式基本上有两种:一

6、种是基于扩频信号到达时间的计算来完成定位, - 种是根据信号接收能量的衰减来完成定位。有一家公司Nanotron在基于扩频信号达到时间这种技术上有产品,该产品使用了带宽 80MHz的扩频信号,通过一收一发的时间来确定无线电波在来回路径上的传输延时来计算 两者的距离。无线电波的传输速率为30万公里/秒,如果要做到理论上1米的精度,那么最 少要在时间区分精度做到3.333ns,这其实难度很大,有两个限制因素:一是扩频信号的选 择,二是电路实现引入的抖动。有第三方数据显示,Nanotron的产品精度能够在12米左 右O基于无线信号能量的衰减来定位,这种实现方式很容易,而且有很多现存的无线通信系 统都

7、可以完成,比如WiFi, Bluetooth等。苹果公司推出的iBeacon技术就是基于Bluetooth 技术的。自由空间的无线信号衰减是有规律的,不同频率的信号在不同的环境下衰减特性也不尽 相同。下图给出了 2.4GHz无线信号在自由空间的衰减曲线:距离/m从衰减曲线上来看,做距离检测在近距离可以做到近乎完美,但事实并非如此!通常说 来信号能量的检测是由电路实现,电路实现的能量检测算法是有误差的:比如单纯的模拟电 路实现可以做到+/3dB,如果采用数字补偿算法,精度可以提高到+/-ldB左右。如果要做距 离的计算,我们可以计算得到精度分别为30cm、50cm、100cm时对电路的能量检测算法的 精度要求如下图所示。看到这张图你就能明白为什么苹果的iBeacon建议使用范围在10米 以内了。信号能量检测要求2468101214161820距离/mrIL3 2

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