2.1 定位系统

定位系统用于确定人或物体相对于已知位置的位置，或者在一个坐标系统中的位置。定位系统分为基于距离的（Range-based）定位系统和距离无关的（Range-Free）定位系统。基于距离的定位系统是利用接收信号的特征（如ToA、DoA和接收信号强度）来进行定位的，距离无关的定位系统是利用网络连接来定位的。根据定位范围的不同，基于距离的定位系统可分为全球卫星导航系统和局部定位系统两大类^[1]，如图2-1所示。

2.1.1 全球卫星导航系统

全球卫星导航系统（GNSS）是利用卫星向用户提供位置信息的系统。GNSS主要包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）卫星导航系统、欧洲的伽利略（GALILEO）卫星导航系统和我国的北斗（Beidou）卫星导航系统。

1.GPS

GPS是户外环境中最常见和最成功的定位系统之一，由31颗地球同步轨道卫星组成，可对带有GPS接收器的用户或物体进行定位，确定其经/纬度和海拔，定位精度为几米。31颗地球同步轨道卫星在20200km的高度环绕地球运行，运行周期大约为11小时58分钟。在地球表面的任何时间、任何地点，至少有4颗卫星是可见的。GPS需要精确的时间和卫星的位置，卫星携带了稳定性极高的原子钟，卫星与地面要进行时间同步，卫星之间也要进行时间同步，卫星的位置很精确。

2.GLONASS卫星导航系统

GLONASS卫星导航系统不像GPS那样具有广泛的覆盖范围，但使用GPS+GLONASS卫星导航系统可提高覆盖范围和定位精度。例如，在城市地区中，当GPS卫星的信号被巨大的建筑物阻挡时，可以通过GLONASS卫星导航系统的卫星来进行定位。越来越多的智能手机采用GPS+GLONASS卫星导航系统来提供基于位置的服务。

3.GALILEO卫星导航系统

GALILEO卫星导航系统是欧洲航天局的导航和定位系统，可提供精确、可靠的全球定位服务。GALILEO卫星导航系统与GPS和GLONASS卫星导航系统具有互操作性。GALILEO卫星导航系统由27颗活动卫星和3颗备用卫星组成，在24000km的高度环绕地球运行。GALILEO卫星导航系统和GPS具有相似的带宽和中心频段，这意味着GALILEO卫星导航系统可以与GPS顺利互操作，其信号性能也优于GPS。GALILEO卫星导航系统的信号性能提高是由于其采用了一种称为复合二进制偏移载波的新型调制技术，该技术的接收功率是C/A编码技术的2倍。此外，除了引入更多的频带信号，GALILEO卫星导航系统接收端设计的复杂度也较低。

4.北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统是我国出于国家安全和经济社会发展的考虑，自主建设运行的全球卫星导航系统，可以为全球用户提供全天候的高精度定位、导航和授时服务，是国家重要的时空基础设施^[2]。我国政府高度重视北斗卫星导航系统建设，20世纪80年代开始探索适合国情的卫星导航系统，形成了“三步走”发展战略：2000年，建成“北斗一号”系统，向国内提供服务；2012年，建成“北斗二号”系统，向亚太地区提供服务；2020年，建成“北斗三号”系统，向全球提供服务。到2035年，将建成以北斗卫星导航系统为核心，更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。北斗卫星导航系统的定位精度为水平10m、高程10m（95%），测速精度为0.2m/s（95%），授时精度为20ns（95%）。

上述4种卫星导航系统的定位原理大致相同。GPS由空间部分、控制部分和用户部分构成。控制部分由1个主控站、5个监测站和3个注入站组成，作用是监测和控制卫星运行、编算卫星星历（导航电文）、保持系统时间同步。主控站的作用是从各个监测站收集卫星数据，计算卫星的星历和时钟修正参数等，并通过注入站注入卫星；向卫星发布指令，控制卫星，当卫星出现故障时，调度备用卫星。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星运行状态，收集天气数据，并将这些信息发送给主控站。注入站的作用是将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。用户设备部分包含GPS接收器及相关设备。GPS接收器主要由GPS芯片构成，如车载、船载GPS导航仪，内置GPS功能的移动设备，其作用是接收、跟踪、变换和测量GPS信号。

GPS的定位方式包括伪距单点定位、载波相位定位和实时差分定位。伪距测量是指测定卫星到GPS接收机的距离，即由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传输时间乘以光速所得的距离。伪距单点定位利用GPS接收机在某一时刻测定与4颗以上GPS卫星的伪距，并从卫星导航电文中获得的卫星瞬时坐标，采用距离交会法求出天线在世界大地坐标系（World Geodetic System, WGS）中的坐标。载波相位测量是指测定GPS卫星载波信号到GPS接收机天线之间的相位延时。GPS卫星载波上调制了测距码和导航电文，GPS接收机接收到卫星信号后，先将载波上的测距码和导航电文去掉，重新获得载波，称为重建载波。GPS接收机将重建载波与GPS接收机内由振荡器产生的本振信号通过相位计比相后可得到相位差。实时差分定位的原理是在已有的精确地心坐标点上安放GPS接收机（称为基准站），利用已知的地心坐标和星历计算GPS观测值的校正值，并通过无线电通信设备（称为数据链）将校正值发送给移动中的GPS接收机（称为流动站）。流动站利用校正值对自己的GPS观测值进行修正，以消除上述误差，从而提高实时定位精度。GPS的动态差分主要有位置差分、伪距差分、载波相位实时差分和广域差分等。

2.1.2 局部定位系统

局部定位系统（Local Positioning Systems, LPS）是通过锚节点向用户提供位置信息的。LPS的覆盖范围有限，只能在网络的覆盖范围内进行定位。根据不同的网络特性，如可用性、环境和传输介质等，可对LPS进行分类^[3]。

1.定位系统的结构

根据定位系统的结构，可将LPS分为分布式LPS和集中式LPS。在分布式LPS中，每个用户都可以通过锚节点来确定自己的位置。与分布式LPS不同，在集中式LPS中，每个用户使用到达时间（ToA）、到达角度（AoA）、到达时间差（TDoA）或接收信号强度（RSS）来确定其邻域信息，邻域信息保存在一个中心站中，中心站发现用户的位置并与用户共享位置信息。

2.定位环境

由于定位系统严重依赖于定位环境，因此针对不同的定位环境开发了不同的LPS。根据定位环境的不同，可将LPS分为户外LPS、室内LPS和水下LPS。

1）户外LPS

户外LPS一般使用GPS，其定位精度为5～10m。借助于广域增强系统，其定位精度可提高到1～8m，但这种定位精度仍然无法满足某些应用的需求。采用基于局部差分GPS的室外LPS，其定位精度为1cm，但由于功率和成本的限制，传感器节点往往不带有GPS接收器。

2）室内LPS

近年来，由于室内LPS的商业价值和社会价值而使其备受关注，在2020年，室内LPS的市场价值达到100亿美元。室内环境较为复杂，存在大量的障碍物、信号波动、噪声、环境变化、非视距通信、多径干扰等问题，因此大部分的研究工作都致力于开发精确、低成本、节能的室内LPS。室内结构的复杂性（包括移动物体、开放/封闭空间、多层空间以及房间、墙壁和楼梯等室内构件的动态变化结构）对定位方案提出了更多的要求。

3）水下LPS

水下LPS通常用于水下光无线通信系统中。由于声波传输速度较慢，人们开始研究高速的水下光无线通信系统。与声学系统相比，水下光无线通信（Underwater Optical Wireless Communication, UOWC）系统在清澈的水中可以实现几Gbit/s的通信速率，而且几乎没有散射，但其传输距离较短，只能在发送端和接收端之间实现精确定位。

3.定位系统传输介质

根据传输介质的不同，可将LPS分为基于无线电信号的LPS和基于非无线电信号的LPS两大类。

1）基于无线电信号的LPS

采用无线电信号进行通信的技术有很多，如WiFi、蓝牙、ZigBee、RFID、UWB、LoRaWAN^[4,5]。考虑室内环境情况，采用的无线电信号的频率通常为2～5 GHz。基于无线电信号的LPS主要分为基于蜂窝网络、无线局域网和射频识别的LPS。在基于蜂窝网络的LPS中，移动台的位置是由基站通过单元几何图形来确定的。基于无线局域网的LPS具有成熟的基础设施，可以使用最近邻居技术来定位和跟踪用户。基于无线局域网的LPS的定位精度是2～3m。基于射频识别的LPS主要应用于复杂的室内环境，如办公室、医院、地铁等。

（1）WiFi。WiFi采用IEEE 802.11标准，现已成为最常用的无线通信技术之一，因此IEEE 802.11标准也通常称为WiFi。WiFi工作在工业、科学和医学（ISM）频段，主要功能是提供网络连接，如在私有、公共和商业环境中为不同的设备提供网络连接。最初，WiFi的通信范围约为100m，现在已扩展到了1km左右。目前，大多数智能手机、笔记本电脑等都支持WiFi，这使得WiFi成为室内定位的理想选择，基于WiFi的定位技术也成为应用最为广泛的定位技术之一。由于现有的WiFi接入点可以作为信号采集的锚节点，因此可以建立基本的定位系统（可以达到合理的定位精度），而不需要额外的基础设施。

WiFi的主要目的是网络连接，因此连接速度和数据传输速率是优先考虑的，定位不是其主要的关注点。另外，WiFi的广泛可用性也会带来一些挑战，随着接入设备的增加，可能会出现干扰现象。

（2）蓝牙。蓝牙采用IEEE 802.15.1标准的物理层规范和MAC层规范，用于在特定的个人空间内连接固定或移动的无线设备。蓝牙特别兴趣组（SIG）于2010年推出了低功耗蓝牙（BLE），BLE是针对不需要进行大量数据传输的应用设计的，可降低设备的功耗和成本。与经典蓝牙相比，BLE可以提供24 Mbit/s的数据传输速率和70～100m的通信范围，具有更高的能量效率。虽然BLE可以与不同的定位技术一起使用，但是大多数基于BLE的定位系统都依赖于RSS，限制了定位系统的定位精度。基于BLE开发的定位系统，如iBeacons（苹果公司）和Eddystone（谷歌公司）等，主要用于提供基于上下文感知的邻近服务。

（3）ZigBee。ZigBee采用IEEE 802.15.4标准，该标准关注的是低成本、低数据传输速率和节能，主要用于WSN。ZigBee的网络层负责多跳路由和网络组织，应用层负责分布式通信和应用开发。由于ZigBee不易在大多数用户设备上实现，因此不利于用户携带移动设备进行室内定位^[6]。

高效的定位技术是WSN的主要研究领域之一，包括网络路由、拓扑控制、查询、覆盖、边界检测等网络服务和目标应用。在WSN中，定位可以通过两种不同的方式实现：第一种方式是分布式定位，每个节点都可以对自己进行定位；第二种方式是集中式定位，节点将自己的数据发送到一个集中式的单元中，对数据进行处理后提取位置信息。在集中式定位方式中，所有的计算都在一个集中式的单元中完成，解决了节点计算能力受限的问题；但节点必须与集中式的单元进行通信，通信的功耗较大。在分布式定位方式中，计算是在每个节点中进行的，与集中式定位方式相比，功耗相对较低。

（4）RFID。RFID包括有源RFID和无源RFID两种基本类型，因此采用RFID的定位也分为两种类型。

基于有源RFID的定位：有源RFID工作在超高频和微波频段，有源RFID会把它们的ID周期性地发送给数百米外的阅读器，具有通信范围大、成本低、可嵌入被跟踪对象等优点，常用于目标的定位和跟踪。

基于无源RFID的定位：无源RFID的通信范围为1～2m，无须电池，具有体积更小、质量更轻、成本更低等优点，可工作在低频、高频、超高频和微波频段。基于无源RFID的定位的通信范围有限，不适合用于室内定位。

（5）UWB。在超宽带（Ultra Wideband, UWB）中，时间周期小于1ns的超短脉冲可在3.1～10.6 GHz的频率上传输，带宽大（通常大于500 MHz），占空比非常低，从而降低了功耗。UWB主要用于室内的短距离通信，也可用于室内定位技术。UWB信号可以免受其他信号的干扰（原因是UWB采用了截然不同的信号类型和无线电频谱），可穿透多种材料（尽管金属和液体可能会干扰UWB信号）。此外，UWB信号的持续时间非常短，使得它对多径效应不敏感，能够在存在多径信号的环境中识别主路径，并提供准确的ToF，可达到10cm的定位精度。

（6）LoRaWAN。LoRaWAN是一种低功耗、广域网络协议，针对物联网的关键要求，具有双向通信、端到端安全性、移动性和本地化服务的特点。LoRaWAN工作频率为915 MHz，在牺牲数据传输速率的前提下，使通信范围达到了15km。LoRaWAN使用三边测量技术进行定位，使用RSS确定发送节点和接收节点的近似距离。使用频率低于2.4 GHz的好处是，可以使信号穿过墙壁和障碍物，从而传输更远的距离。由于915 MHz的频率是相对空闲的，因此不会干扰其他传输设备，使得LoRaWAN对噪声不那么敏感。对于室内定位而言，数据传输速率的大小不是关键，因此LoRaWAN可用于室内定位。

2）基于非无线电信号的LPS

基于非无线电信号的LPS通常使用光、声和磁等信号，使用不同的信号，对应产生了不同的定位系统。

（1）基于光信号的LPS。基于光信号的LPS可进一步分为基于可见光的LPS和基于红外线的LPS，这里重点介绍基于可见光的LPS。

由于可见光技术的进步，导致了基于可见光通信的迅速发展。可见光通信（Visible Light based Communication, VLC）是一种高速通信技术，使用400～800 THz的可见光信号（主要由发光二极管产生）。基于可见光的LPS使用光传感器来测量发射可见光信号的LED的位置和方向。也就是说，LED发射可见光信号，当接收端（光传感器）接收到可见光信号后，就可以进行定位。对于可见光信号，AoA是最精确的定位技术。基于可见光的LPS的优势在于其定位范围大（甚至可能超过WiFi），但其限制是LED和光传感器之间的视距需要精确定位，理论精度为厘米级。

基于可见光的LPS的主要问题有多路反射、同步、覆盖和隐私等。例如，基于可见光的LPS需要视距（LoS）链路来估计距离，但由于多路反射造成的多径效应，可能会无法使用视距链路。如果采用ToA来测距，则同步问题也是基于可见光的LPS的一个重要问题，同步所有的LED和光传感器是一个挑战。

（2）基于声信号（Acoustic Signal）的LPS。在定位系统中，可以使用声信号来定位节点或用户的位置。在基于声信号的LPS中，可以利用移动设备（如智能手机）中的麦克风来捕捉声源发出的声信号，并根据锚节点的位置来估计用户的位置。基于声信号的LPS采用的定位算法是先发送调制后的声信号（其中包含时间戳或其他与时间相关的信息），然后通过麦克风计算To F，也可以利用接收到的声信号中多普勒效应的敏感相位和频移来估计相对的位置与速度。

虽然基于声信号的LPS具有较高的定位精度，但由于移动设备麦克风的限制（采样频率/抗混叠滤波器），只能对小于20kHz的声信号进行准确的估计，因此要求传输功率足够低，以免造成声音污染。也就是说，采用的声信号频率应该是人耳难以察觉的，因此需要采用先进的信号处理算法来提高接收端对低功率信号的检测能力。此外，由于基于声信号的LPS需要额外的基础设施和较高的更新频率，使得基于声信号的LPS并不是一个非常主流的定位系统。众所周知，蝙蝠就是利用声信号来进行定位和导航的，受此启发，业界开发了基于声信号的蝙蝠主动定位系统，该系统可提供三维定位功能。蝙蝠主动定位系统由声学系统和三角定位算法组成，发送端（如声源）和接收端之间的距离是通过ToA来测量的。

（3）基于超声波（Ultrasound）信号的LPS。基于超声波信号的LPS主要通过超声波信号（频率大于20kHz）的ToF和声速来估计发送端和接收端之间的距离。已有研究表明，基于超声波（Ultrasound）信号的LPS在室内定位时可达到厘米级的定位精度，并同时跟踪多个移动目标，具有能量效率高、零泄漏等优点。与射频信号不同的是，当湿度和温度发生变化时，声信号的传输速率会发生显著的变化，因此在基于超声波信号的LPS中通常会使用温湿度传感器来检测环境的温度和湿度。

（4）基于磁传感器的LPS。基于磁传感器的LPS不需要捕获GPS信号，可通过磁场的变化来绘制需要定位的位置图。很多材料都会留下磁场的变化痕迹，因此信鸽等动物可通过这些磁场的变化找到它们的回路。每个建筑、每层楼、每条走廊、每个电梯等，都会产生自己的扰动，使磁场发生变化，根据磁场的变化可生成位置图。基于磁传感器的LPS的定位精度可达10cm，而且不需要外部设备。

（5）基于摄像机的LPS。通过图像处理的方法，可以从图像中提取关于位置的信息，从而实现定位的目的。

（6）基于惯性传感器的LPS。利用运动学方法可以从惯性传感器采集的数据中获取位置信息，从而得到物体的移动方向和移动速度。基于惯性传感器的LPS中的误差会随时间的增长而变大，需要定时校准定位系统。

表2-1从定位的角度总结了不同的无线通信技术特点，包括定位技术的最大距离、最大吞吐量、功耗、优缺点。