第1章 绪论

无线定位是指利用无线电波信号的特征参数估计特定物体在某种参考系中的坐标位置。其最初是为了满足远程航海导航和军事领域精确制导等要求而产生的，20世纪70年代全球定位系统（GPS）的出现使得定位技术产生了质的飞跃，定位精度可达到数十米范围。近年来，定位技术开始应用于蜂窝网系统设计、信道分配、切换、E-911 紧急援助、交通监控与管理领域。随着数据业务和多媒体业务的快速增加，在短距离高速率无线通信的基础上，人们对位置信息感知的需求也日益增多，尤其在复杂环境中，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井等，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品的位置信息，进而用于监控管理、安全报警、指挥调度、物流、遥测遥控和紧急救援等需求。然而，由于信号极易受到遮挡和多路径等传播因素的影响，在城市密集城区和室内封闭空间无法保证有效覆盖，因此对短距离高精度无线室内定位技术的研究和标准化工作可为最终实现室内外定位的平滑过渡和无缝连接提供有力的技术支持。

1.1 无线定位系统的历史与现状

1.1.1 无线定位的起源

20 世纪 80 年代以来，随着人们对智能交通运输系统的需要及蜂窝移动通信系统的出现，对无线电定位技术有了新的要求。美国在1991年开始实施的智能运输系统通信标准中，提出了通过移动通信网提供定位业务的要求。1996 年，美国联邦通信委员会（FCC，Federal Communications Commission）强制要求所有无线业务提供商，在移动用户发出紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作，并要求到2001年10月，67%的呼叫定位精度达到125 m。该委员会于1998年、1999年两次对标准进行了修改与补充，1998年提出了定位精度在400 m以内的概率不低于90%的服务要求，1999年12月，FCC99-245将E-911的需求做了进一步的修改和细化，不仅对网络设备和手机生产商、网络运营商等对定位技术在网络设备和手机中的实施和支持提出了明确要求和目标安排，而且根据定位的类型不同，对定位精度做出了更明确的规定：基于蜂窝网络的定位，要求定位精度在100 m以内的概率不低于67%，在300 m以内的概率不低于95%；基于移动台的定位，要求定位精度在50 m以内的概率不低于67%，150 m以内的概率不低于95%。到2001年10月1日，由于技术实现的难度，定位精度并没有达到FCC定位精度为125 m，满足这个定位精度的概率不小于67%的要求，但是FCC的这一规定明确了提供E-911定位服务将是今后各种蜂窝网络，特别是3G（3rd-generation，第三代移动通信技术）网络必备的基本功能。此外，欧洲和日本也在计划满足相应的要求[4]。

由于政府的强制性要求和市场本身的驱动，各国主要大公司均就GSM、IS-95和3G等网络开始制定各自的定位实施方案。特别是3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）和3GPP2上对定位的要求更具体化，促使国际上出现了基于蜂窝网络的无线定位技术的研究热潮。从检索的国际最新研究资料来看，目前虽然出现了一些新的定位方法和技术，但若仅依赖于蜂窝网络资源（即不改动移动终端），要完全满足E-911定位需求的要求还有一定差距，特别是要求在不影响系统其他主要性能指标的前提下高效、可靠地提供对移动台的定位功能还有许多问题有待深入研究[5]。

1.1.2 无线定位发展现状

自E-911定位需求颁布以来，移动台定位技术在国外受到高度重视和深入研究，近来在IEEE有关期刊和会议上，特别是在VTC上发表了大量研究论文，也出现了不少定位技术的发明专利及一些专门从事定位技术研究与开发的公司。各大跨国公司，如Motorola、Nokia、QUALCOMM、Samsung等，积极开展对基于GSM、IS-95和第三代移动通信系统中WCDMA和CDMA2000等网络采用的定位技术的研究。目前，研究的内容涉及蜂窝网络移动台定位技术的方方面面，并且侧重于如下研究：基本定位方法和技术的研究，定位算法的研究，TDOA/TOA检测技术的研究，抗非视距传播，多径和多址干扰技术的研究，数据融合技术的研究，定位技术实施方法的研究，定位系统的性能评估等[6]。

近年来，世界各国都在这方面积极开展研究，美国更在这一领域占据先机。休斯公司、利顿公司和美国空军实验室等部门在这一领域做了大量、有效的研究工作，基本完成定位与跟踪的理论基础研究，已经进入到飞行试验和工程应用的阶段。美国洛克希德-马丁公司的“沉默的哨兵”系统以及英国防御研究局研究的利用信号的无源探测定位系统是其中的突出代表。“沉默的哨兵”系统自身不发射电磁信号，而是利用商业FM广播信号和TV信号对空中目标进行探测和定位，不仅消除了常规低频雷达在探测目标时来自TV广播、FM无线电台和蜂窝电话发射台的干扰，而且具有与 C 波段跟踪雷达相当的定位精度。英国防御研究局研究的无源探测定位系统是一种双基系统，利用英国BBC的发射机发射的TV信号作为系统的照射源对空中目标进行探测和定位，以常规方法用卡尔曼滤波器获得多普勒频移和方位信息，再用扩展卡尔曼滤波器根据所获信息对目标定位和测速。这是一个与美国的“沉默的哨兵”系统完全不同的探测定位系统。此外，俄罗斯和以色列等国家在无源定位与跟踪技术方面也都有很多突破。

按照探测目标的方式，定位技术可以分为有源定位和无源定位。有源定位系统是通过主动发射电磁波来探测目标，定位精度高但极易受到敌方的干扰和攻击，特别是反辐射导弹的出现和使用对雷达等有源探测设备的战场生存状况提出了严峻的挑战。为了弥补有源定位方法的缺陷，人们在积极改进有源定位性能的同时也开始了无源定位问题的探索和研究。因此，对辐射源的无源定位具有重要的军事意义，引起世界各国的重视[7]。

在无线定位系统中，AOA（Angle of Arrival，到达角度）定位技术、TOA（Time of Arrival，到达时间）定位技术、TDOA（Time Difference of Arrival，到达时差）定位技术、FDOA（Frequence Difference of Arrival，到达频差）定位技术、AOA/TDOA联合定位技术和TDOA/FDOA联合定位技术等都是常用的基本定位技术。另外，卡尔曼滤波作为重要的最优估计理论，也被经常用于动态目标的跟踪系统中。

当前，基于无线传感器网络的定位系统所采用的定位方法主要有基于测距（range-based）和无需测距（range-free）两种。无需测距的系统在硬件成本和功耗上较低，但是以牺牲定位精度为代价，在很多精度需求较高的项目中难以应用。基于测距的定位方法目前主要有 RSSI、TOA、TDOA、AOA等。TDOA和AOA分别利用多个信号到达目标节点的时间差和角度来计算其位置信息，但这两种方法的硬件系统设备复杂、成本较高，不适合广泛的实际应用。RSSI是一种理论上比较理想的算法，它的原理是根据理论和经验模型，将传播损耗转化为距离。目前，国内外均有不少关于基于定位系统的研究，定位误差为 0.5～1.5 m，但多为模拟，少有实际可用的系统产生。TOA是利用无线信号在两个节点间的传播延时来计算物理距离的一种方法。但是没有改进过的算法对节点间的时钟同步有着苛刻的要求，而且微小的时钟漂移（clock drift）都会转化成为很大的测量误差，所以一直未被广泛应用[8]。

UWB（Ultra-WideBand，超宽带）脉冲由于具有极高的带宽，持续时间短至纳秒级，因而具有很强的时间分辨能力。为了充分利用UWB时间分辨能力强的特点，使用基于信号到达时间估计的测距技术最适合于UWB无线定位[9]。

角度定位在20世纪40年代就得以应用于电子对抗领域。当时人们利用简单的测向设备对目标进行多次测向，然后运用人工作图的方式来确定目标位置。一般来说，辐射源的角度变化慢、范围小，是最可靠的测量参数之一，特别是在现代战争高强度复杂电磁环境下，角度测量参数几乎成为唯一可靠的辐射源参数。因此，角度定位一直是定位方法研究的主要内容，人们在角度的定位原理、定位算法、定位精度分析、最佳布站分析、跟踪滤波及虚假定位消除等方面做了大量的工作，并取得了一定的成果。但是，由于角度定位方法对测向精度及其敏感以及虚假定位消除等方面的不足，因此目前角度定位很少单独使用，通常与其他定位技术联合使用，以提高定位精度。

时差定位（即TDOA）的研究源于20世纪60年代，并在许多方面取得了令人瞩目的成就，已成为现代高精度无线定位技术中的主要方法之一。时差定位是利用至少三个已知位置的观测站接收到的辐射源信号来确定辐射源的位置，任意两个观测站采集到的信号到达时间差确定了一个双曲面线，多个双曲面线相交即可确定目标的位置。由于测时精度的缘故，现有的无源时差定位要达到的相对定位精度一般采用基线距离长达数十公里的长基线系统。已知的有捷克的“TAMARA（塔玛拉）”系统及其改进型“VERA（维拉）”系统，俄罗斯的VEGA85V6-A三坐标无源定位系统，美国的AN/TRQ-109移动式无源定位系统，乌克兰的“恺甲”空情监视系统等。以上系统既可用来对机载、地面和海面电磁脉冲辐射源目标进行定位和跟踪，也可用做空情监视和航管系统的备份设备。

频差定位是收集接收机与目标之间因相对运动而产生的多普勒频移数据来对目标进行定位的一项新技术。任何具有相对运动的辐射源之间都会产生多普勒频率，这为频差定位提供了先决条件。对于运动目标而言，我们可以利用目标运动所引起的多普勒频率来确定目标的运动特性和位置；对于静止目标而言，我们可以人为地移动接收机使其与目标产生相对运动，利用运动产生的多普勒频率来确定目标的位置。频差受很多因素的影响，如载频、接收机平台和辐射源之间的相对位置、相对速度和速度方向等。

基于模式匹配的定位技术和基于指纹信息的定位技术已有大量研究，在这些定位技术中，相关信息对位置敏感，即这些信息能反映位置特征，通常在训练阶段（离线阶段）采集信息后送入数据库存储，在定位阶段（在线阶段）用于估计节点位置坐标。指纹数据库通常由来自不同参考节点和不同终端节点的接收信号强度构成，当然也可以是诸如平均附加时延、均方根时延扩展、最大附加时延、总接收功率、多径数等参数。该技术面临的主要问题是随着信道和环境的变化，指纹数据库存在不可靠因素，需要不断更新[1]。

1.1.3 无线定位系统的应用

自20世纪40年代定位技术初步应用于测绘和军事领域以来，特别是海湾战争以来，人们越来越认识到定位的重大作用。对于军用系统而言，它有助于提高武器的打击精度，为最终摧毁敌方提供有力的保障；就民用系统而言，可以为目标提供可靠的服务，起到安全保障作用。目前，无线定位技术已经广泛应用于社会生活的众多领域，成为各国在军事、国防、科技等领域较量的一个主要场所，也成为衡量一个国家综合实力的重要指标之一。

在军事领域，以目标被动式精确跟踪与定位为主要研究方向的辐射源无源定位技术正受到越来越广泛的重视。所谓无源定位，是指在不发射对目标照射的电磁波的条件下获取目标的位置。通过对辐射源信号的截获和测量，并利用相应的算法求解，无源定位系统即可获得目标的位置和轨迹。相对于雷达等有源探测系统，无源定位系统具有隐蔽性好、抗干扰能力强、作用距离远等优点，这对于提高侦察探测系统在现代化高强度电子战环境下的生存能力具有重要意义，因此被广泛应用于被动声呐、红外跟踪、空间飞行器系统的导航和定位之中。辐射源无源定位技术，因其在电子对抗中的巨大作用而备受重视，是各国重要的研究项目。

在民用领域，无线定位技术被广泛应用于海洋、陆地和空中交通运输的导航，并在地质勘探、资源调查、海洋测绘、海上石油作业、地震预测、气象预报等领域得到广泛应用。近年来，随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。可以预见在未来几年内，基于无线定位技术的移动增值业务将越来越多地走进普通人的生活。

我国定位服务比北美、欧洲和亚太地区的主要移动通信运营商起步晚，2001年北京移动首开位置服务先河，在国内率先推出手机位置服务业务。随后，中国联通于2004年在“定位之星”统一品牌下推出基于高精度定位的业务。2001年至2004年LBS在中国的发展始终处于非常缓慢的增长阶段。2005年至2007年是曾被誉为“中国LBS年”的高速发展年，但实际情况却再次让人失望，市场并没有出现人们想象中的“井喷”。直到2010年我国才真正步入LBS稳定发展期。国内的LBS应用如下[10]：

① 车辆导航。用户在车载导航仪的电子地图中设定目的地，车载导航仪通过接收GPS/GPSOne 获取用户当前位置，在电子地图中显示，根据用户设定的规则为用户提供一条最优路径，并提供语音导航服务。

② 移动梦网。中国移动于2001年5月推出了移动梦网卡的位置服务，包括SMS和WAP两种方式。通过移动梦网中的位置服务选项获得以 SMS 形式存在的定位导航服务，文字短信获得用户当前位置，亲朋好友的当前位置，用户周边的饭店、娱乐、商场、加油站、停车场、医院、银行、邮电局等的查找。WAP方式除了SMS的这三项服务外还设置了电子地图显示和行车路线的导航。

③ 定位之星。中国联通于2004年推出了基于CDAM1X网络的定位之星服务。该服务采用定位技术，可以为用户提供“亲情大搜索”、“导航之星”等多项业务。可以实现城市内或城市间大范围电子地图查找、路线导航、周边信息搜索、电子地图、E-mail等多种服务。具体服务包括“出行导航”、“地点搜索”、“城市公交”、“行车指南”、“公共设施”等。

④ 亚运会移动资源智能调度系统。2010 年，亚运会期间，广州市推出了“亚运会移动资源智能调度系统”，该系统覆盖了所有亚运参赛场馆，为所有参会车辆及警务用车提供准确定位、实时状态监控、统一指挥、及时调度和危机处理等服务。

⑤ 切客。切客源自英文check in，他们是热衷于即时记录生活轨迹的都市潮人，利用移动互联网终端记录自己所在的位置，发现并探索身边的城市，并与他人分享此地的精彩。盛大网络于2010年11月5日启用了切客网的域名，为盛大用户提供切客服务。用户只需要打开手机客户端，手机就会自动识别使用者所在地，在摄像头捕捉到的真实影像旁显示所在地附近的位置信息标签，使用者只需用手指轻点屏幕，即可查找附近的位置信息标签，然后进行签到、发记录、拍照片、抢地主、得游票等一系列操作。