各类室外定位技术介绍

我来对各类室外定位技术做简单的介绍。

1、卫星定位之 GPS

GPS 系统由 24 颗导航卫星构成的空间部分和分布在世界各地的地面监控部分组成，GPS 卫星的分布使得地球上任何 位置都可同时观测到 4 颗以上的卫星。各星不断将自身参数、测距码发往地面，用户使用 GPS 接收机接收相应信号，并按 一定准则解算出接收天线处的位置和速度等，从而实现对物体定位跟踪。

空间星座部分

根据目前的方案，GPS 卫星的空间部分记作 (21+3)GPS 星座，高度约 2.02 万千米，均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨道面上 ( 每轨道面四颗 )，轨道倾角为 55 度。 卫星向地面发射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为 1575.442 兆赫兹 (L1 波段 ) 和 1227.6 兆赫兹 (L2 波段 )， 卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性，在载波上调制有表示卫星位置的广播星历，用于测距的 C/A 码和 P 码，以及其它系统信息，能在全球范围内，向任意多用户提供高精度、全天候、连续性、实时性的三维测速、三维定位 和授时信息。

地面控制部分

GPS 系统的控制部分由设在美国本土的四个监控站、一个上行注入站和一个主控站组成。监控站的主要任务是取得卫 星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地，主要任务是收集各监控站对 GPS 卫星的全部观测数 据，利用这些数据计算每颗 GPS 卫星的轨道和卫星钟改正值。而上行注入站也设在范登堡空军基地，它的任务主要是在每 颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。

用户设备部分

用户设备部分即 GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星 的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、 高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包构成完整的 GPS 用户设备。GPS 接收机 的结构分为天线单元和接收单元两部分。

GPS 卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户 拥有能够接收、跟踪、变换和测量 GPS 信号的接收设备，即 GPS 信号接收机，就可在任何时候用 GPS 信号进行导航定位测量。 根据使用目的的不同，用户要求的 GPS 信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产 GPS 接收机，产品也有 几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。

2、卫星定位之 GLONASS

与 GPS 系统一样，GLONASS 星座由 GLONASS 星座共由 24 颗卫星组成，包括 21 颗工作星和 3 颗备份星组成。

GLONASS 星座

24 颗星均匀地分布在 3 个近圆形的轨道平面上，这三个轨道平面两两相隔 120 度，每个轨道面有 8 颗卫星，同平面 内的卫星之间相隔 45 度， 轨道高度 1.91 万公里，运行周期 11 小时 15 分，轨道倾角 64.8 度 . 地面支持系统 地面支持系统由系统控制中心、中央同步器、遥测遥控站（含激光跟踪站）和外场导航控制设备组成。

地面支持系统

的功能由前苏联境内的许多场地来完成。随着苏联的解体，GLONASS 系统由俄罗斯航天局管理， 地面支持段已经减少到 只有俄罗斯境内的场地了， 系统控制中心和中央同步处理器位于莫斯科，遥测遥控站位于圣彼得堡、捷尔诺波尔、埃尼谢 斯克和共青城。

用户设备

用户设备（即接收机）能接收卫星发射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航 电文。接收机处理器对上述数据进行处理并计算出用户所在的位置、速度和时间信息。GLONASS 系统提供军用和民用两 种服务。GLONASS 系统绝对定位精度水平方向为 16 米，垂直方向为 25 米。GLONASS 系统的主要用途是导航定位，当然 与 GPS 系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的定位、导航和时频领域等。

3、卫星定位之 Galileo

Galileo 系统是由欧盟主导、由欧洲空间局和欧洲导航卫星系统管理局研制和建造的全球卫星导航定位系统，于 1999 年 2 月首次提出，2002 年 3 月正式启动，预计耗资 53 亿欧元。作为一个多国参与的项目，以色列、乌克兰、印度、摩洛哥、 韩国、挪威、瑞士等国先后与欧盟签署了合作协议，加入该计划，并向其提供资金和技术支持。

伽利略系统的全球设施部分由空间段和地面段组成。空间段由分布在 3 个轨道上的 30 颗中等高度轨道卫星 (MEO) 构成， 其中 24 颗工作卫星，6 颗备用卫星，轨道高度为 23,222km，轨道倾角为 56 度。地面段包括全球地面控制段、全球地面任 务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。伽利略系统的总部设在捷克共和国的布拉格，两个地面 操控站分别位于德国慕尼黑附近的奥伯法芬霍芬和意大利的富齐诺。用户端主要就是用户接收机及其等同产品，伽利略系 统考虑将与 GPS、GLONASS 的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。

4、基站定位

基站定位一般应用于手机用户，手机基站定位服务又叫做移动位置服务（LBS，Location Based Service），它是通过 电信移动运营商的网络（如 GSM 网）获取移动终端用户的位置信息。

由于距离基站越远，信号越差，因此根据手机收到的信号强度可以大致估计距离基站的远近，当手机同时搜索到至少 三个基站的信号时，大致可以估计出距离基站的远近；基站在移动网络中是唯一确定的，其地理位置也是唯一的，也就可 以得到三个基站（三个点）距离手机的距离，根据三点定位原理，只需要以基站为圆心，距离为半径多次画圆即可，这些 圆的交点就是手机的位置。

5、LoRa 定位

2020 年，LoRa Edge 地理定位平台发布，主要针对 10-50m 的定位范围，是一套实现中精度定位的定位系统，其定位 原理为采用低功耗 WiFi 和 GNSS 扫描功能，结合 LoRa Cloud 地理定位以及设备管理服务完成地理定位。

LoRa Edge 平台不仅可提供覆盖室内外的定位能力，还可以在定位设备和 LoRa Cloud 之间分配计算量，使设备拥 有长达数月甚至数年的电池寿命。此外，LoRa Edge 可支持解决方案供应商充分利用 LoRa 特有的定位功能，同时兼容 LoRaWAN 标准，从而满足包括中国、美国和欧洲在内的全球无线通信监管要求。

LoRa Edge 整套系统都使用的是 LoRa 联盟认证，可覆盖室内室外。室内定位使用超低功耗 Wi-Fi，其 Wi-Fi sniffer 技 术是目前所有做室内 Wi-Fi 定位方案里功耗最低的。室外定位则是通过云服务的 GNSS 定位，单次定位冷唤醒时间的功耗 也能达到业内最低。

整个 LoRa Edge 系统里的软件部分是由 LoRa Cloud 来提供服务。LoRa Cloud 包含两部分的功能：一部分是提供地理 定位的处理器，LoRa Edge 负责地理定位，LoRa Cloud 则将室内室外的定位数据都通过云平台完成计算分析；另一部分是 提供关于数据管理、数据服务、调试解调器的服务，并可将其视为一个 SaaS 解决方案的一部分功能。