位置信息、定位技术与位置服务

位置是物联网信息的重要属性之一，缺少位置的感知信息是没有实用价值的，位置服务采用 定位技术 ，确定智能物体当前的地理位置，利用 地理信息系统技术 与 移动通信技术，向物联网中的智能物体提供与其位置相关的信息服务。

为什么位置信息对我们这么重要呢？因为有了目的地，才会有后续的控制，就像我们说，只有想不到，没有做不到（JOJO的奇妙比喻）,如果我们想不到我们可以实现什么，那么那个领域我们永远也触及不到。就像位置信息一样，只有定位到位置信息，我们才可以去做我们想要做的事。

位置信息在物联网中的作用

刚才自顾自的说了很多，但是位置信息真正对于物联网的作用是什么呢？

（1）位置信息是各种物联网应用系统能够实现服务功能的基础。（即我们所说的，先有了位置信息，才能有后续的服务） 在很多情况下，无线传感网络节点需要知道自身的物理位置，以及等等其他应用。地图与导航：百度地图搜索周边服务信息：大众点评
基于位置的社交网络：微信。
（2）位置信息涵盖了 空间（空间坐标）、时间（时间坐标）、对象（身份信息）三要素（这句话精辟极了） ，不能再赞同了，位置服务的目的是服务，仅仅知道一个坐标对于服务来说是没有任何意义的。

定位系统

数字地球（很值得去了解）是以信息技术为核心，多科学交叉、融合的研究成果，从数字地球的数据获取、收集、传输、存储、处理到利用， 可以看出支撑数字地球的核心技术主要包括：
遥感（RS）、 全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GIS）、互联网地图。

（1）航空航天遥感技术（RS）

Remote Sensing， 现代遥感技术主要是指航空航天遥感技术，通过遥感飞机和遥感卫星的遥感遥测，对地球进行完整的扫描，将地球任何一个地点的自然、人文景观实地拍摄下来。今后大地资源卫星、气象卫星、海洋卫星、环境与灾害监测小卫星群和航空遥感将构成一个完整的航空航天对地观测体系，实现对地球的陆地、大气、海洋的立体观测和动态监测。

遥感系统基本概念：
航空航天遥感技术由 运载平台、成像传感器系统 与 数据处理系统 组成。

• 运载平台 “用什么观测” 首先要有观测平台，从遥感观测平台与地面距离的角度看，比较远的是卫星、近一点的是飞机、直升飞机、气球等工具。
• 成像传感器系统 ， “如何获取影像” 卫星遥感影像是通过成像传感器系统来获取的。卫星遥感问世以来，卫星遥感影像的空间分辨率已经有了很大的提高。空间分辨率指影像上所能看到的地面最小目标尺寸。 在成像传感器技术中，光学高分辨率传感器技术进展最快，现在有 2m, 军事可以达到 10 cm。
• 数据处理系统 “如何获取影像中的信息” 三个发展趋势，一是由以数据为主转向以信息与知识为主； 二是用户由专家为主转向广大社会用户； 三是由信息提取和数据检索转向信息承载与数据可视化。

（2）全球定位系统（GPS）

准确的说，全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）泛指所有的卫星导航系统，包括美国的全球定位系统（Global Positioning System , GPS）、俄罗斯的“格洛纳斯” （GlONASS ）卫星定位系统，欧洲的“ 伽利略” （Galileo）卫星导航系统，以及中国的“北斗”（BeiDou）卫星导航系统。 由于美国的GPS发展的比较早，技术成熟，应用面广，因此人们习惯用GPS 代替了更准确的术语 GNNS。

GPS是一种全新的定位方法，它将卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，具有全时空、全天候、高精度、连续实时的提供导航、定位和授时的特点， 给空间定位技术方面带来了革命性的变化，已经在越来越多的领域替代了常规的光学与电子定位设备。

北斗卫星导航定位系统：
BeiDou Navigation Satellite System , BDS 由 5 颗静止轨道卫星和30 颗非静止轨道卫星组成，计划2020年左右覆盖全球。北斗卫星导航系统四大功能； 定位、导航、授时与通信。

GPS的组成：
GPS由三个独立的部分组成，即 空间星座部分 、地面监控部分 和 用户设备部分。

（1）空间星座部分——卫星聚集群
GPS的空间星座部分由 21 颗工作卫星 与 3 颗备用卫星组成。 24颗卫星分布在 6 轨道上，每一个轨道上不均匀分布着 4 颗卫星， 轨道高度为 20200 km， 卫星接收从地面监控部分发射的导航信息，执行控制指令， 通过推进器调整自身的运行。

图仅供参考,数量不是重点 （2）地面监控部分 GPS的地面监控由分布在全球的 1 个主控站， 6 个监控站与 4 个注入站组成。 监控站的主要任务是**对卫星进行连续观测和数据采集**(由监控站完成）， 并将检测数据传送到**主控站（核心）**。

——主控站主要的任务————

• 监视所有卫星的运行轨道。
• 计算卫星运行轨道的各种修正参数。
• 计算卫星时钟误差， 维护GPS系统的时间基准。
• 发送调整卫星轨道的命令，确保卫星按预定的轨道运行。
• 监视卫星运行情况， 发现故障时启动备份卫星。

GPS的注入站将主控站的卫星导航报文与 控制命令发展到各个卫星。

（3）用户设备部分
我们平时使用的GPS接收机、智能手机、以及飞机、轮船与汽车中的导航设备属于用户设备部分， 用户设备由接收机硬件、数据处理软件、微处理机与终端设备组成。

用户设备的主要功能是跟踪可见的GPS卫星， 对接收到的卫星无线信号进行处理，计算出位置信息与导航信息。

GPS定义一个位置理论上使用三颗卫星，但是在实际应用中，卫星系统的时钟与GPS接收机的时钟肯定有误差，计算出的 △t 就有误差， 由此计算出来的卫星与接收机的之间距离R，以及计算出的接收机坐标就有误差。
所以接收机需要找到第四颗卫星， 通过第四颗卫星计算出接收机时钟与卫星系统时钟的误差，从而修正计算出的卫星信号在空间传播的时间 △t 来提高定位精度。 也就是说， 如果接收机同时能够接收到四颗GPS卫星的信号，就可以完成定位的任务了。

（3）地理信息系统 (GIS)

地理信息系统是在 地理学、遥测遥感技术、全球定位系统、管理科学与计算机科学的基础上发展起来的交叉学科。

与遥感和GPS的关系：
遥感影像可以作为 GIS系统的一种基本地图，由 GPS系统提供的精确位置数据，以及其他社会经济数据共同形成地理空间数据库。

GIS是以地理空间数据库为基础，在计算机技术的支持下， 运用系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，为智慧城市规划和建设科学依据。

关键词： 地理空间数据库 计算机技术 系统工程 信息科学

基于位置的服务（Location Based Service） LBS的核心是 位置与地理信息， 两者相辅相成，缺一不可。

一个经纬度位置对于一般的用户来说不具有任何意义，必须将用户的位置信息置于一个地理信息之中。
代表某个地点、标志、方位等，才能被人们所理解。
因此， 在GPS终端获得位置信息的基础上，必须通过GIS将经纬度转换成用户真正关心的地理信息。
如地图、位置、路径以及关注的学校、商店、加油站等搜索结果，才能真正发挥作用。

（4）高精度地图

随着互联网的高速发展与应用， 以Web 方式访问电子地图的应用受到越来越多的网民的欢迎。 互联网地图（Internet Map）经历了从简单到复杂，从提供静态地图到提供动态地图的发展过程。

现有的互联网地图精度一般只能达到米级， 而现在热点之一的自动驾驶汽车需要达到厘米级（如10 cm ~20cm。未来自动驾驶汽车的运行很大程度上依托于高精度地图，因此高精度地图的价值体现在两个方面。 一是所呈现的内容要求越来越接近于现实道路状态越有价值， 而是覆盖的地理范围越广越有价值。

定位的技术

1. 移动通信定位技术

GPS在位置服务领域起到了主导作用， 但是GPS有它的缺点：

• GPS接收机在开机后进入稳定工作状态需要 2 ~ 5分钟， 因为GPS接收机需要找到起码 3 颗卫星之后才能够提供位置信息。
• 在室内不能稳定接收，或者根本就不能接收到卫星信号。

同时，很多种手机和数字移动通信终端并没有配置GPS接收机模块，因此有必要研究基于移动通信基站的定位技术。

定位方法：
（1）单基站定位方法
我们目前使用的手机移动通信网采用小区制的蜂窝结构。 每一个小区都有一个基站， 单基站定位方法是指将基站的坐标视为接入基站的手机坐标。

也就是说，如果一部手机通过基站 i 接入移动通信网， 那么我们就用基站 i 的坐标（X_i, Y_i）去标识该手机的当前位置。

• 优点 ： 简单， 定位速度一般为 3 ~5秒
• 缺点： 误差大， 如果基站覆盖区域的半径是 50 m ,那么手机的位置误差最大也是 50 m ，有时很多基站的区域半径可以达到几千m 。
• 使用情况： 对于大型、复杂地形景区的安全保卫是非常有价值的。

（2）多基站定位方法：
主要方法： 基于距离的定位以及基于入射角度的定位。

基于距离的定位要首先测出移动节点到它能够接收到信号的多个基站的距离， 然后结合基站的坐标计算出目标的位置坐标数据。
多基站定位方法的精度高于单基站定位精度， 但是也只能用于对定位精度要求较低的应用场景。

2. A-GPS技术——结合移动通信定位技术的加强版

优点： GPS技术具有全天候、 高精度定位的优点，
缺陷： 在利用GPS定位时， GPS接收机一定要能够找到 3 颗以上的 GPS卫星，同时接收机与卫星之间不能有建筑物、树木的遮挡，因此，在建筑物密集的城区、树林以及建筑物内部存在 GPS信号接收的盲区。

辅助GPS(Assisted GPS, A-GPS) 定位技术融合了GPS高精度定位与移动通信网高密集覆盖的特点， 一般GPS在开机之后的 2 ~ 5分钟才能正常接收到 GPS卫星信号， 而 A-GPS 技术可以将开机寻找GPS卫星的时间减少到 5~ 10 s, 理想情况下误差在 10 m 以内。

工作原理：

1. 在 A-GPS 手机没有捕捉到GPS卫星信号之前， 首先将手机的 基站地址 通过 移动通信网 传输到A-GPS 中的 位置服务器。
2. 位置服务器 根据手机当前的位置，将与该位置相关的 GPS辅助信息（GPS卫星的方位与俯仰角数据）传送到 手机。
3. 手机根据卫星的方位与俯仰角数据能够立即寻找到 GPS卫星信号。
4. 手机在接收到GPS初始信号后，计算出手机到卫星的 伪距（受到各种GPS误差影响的距离数据），然后将这个数据传送回 位置服务器。
5. 位置服务器根据传送的GPS伪距信息，结合其他的定位手段计算出手机更为精确和动态的位置数据。
6. 位置服务器实时地将该手机的位置信息传送到位置服务平台，使得手机可以获得更为及时和更高精度的服务。

3. 基于 Wi-Fi的定位技术——解决GPS受遮挡问题

什么是 Wi-Fi 的位置指纹？

• 一个 Wi-Fi 的接入点（AP）设备发送的无线信号可以用来唯一地表示这个 AP 设备。因为 IEEE 已经做出了相关规定。

无线接入点（Access Point），在无线网络中，AP就相当于有线网络的集线器，它能够把各个无线客户端连接起来，无线客户端所使用的网卡是无线网卡，传输介质是空气（电磁波）， 无线AP是无线网与有线网之间沟通的桥梁。

无线AP与无线路由： 无线路由相当于扩展型AP。

单纯性AP由于缺少了路由功能，相当于无线交换机，仅仅是提供了一个无线信号发射的功能，
它的工作原理是将网络信号通过双绞线传送过来（就像水管中的水流到AP），经过无线AP的编译，将电信号转换成无线电讯号发送出来，形成一个无线网络覆盖，就像一个磁场一样，根据不同的功率，网络覆盖程度不同，一般无线AP最大覆盖距离可达400m。

无线路由器，也就是扩展型AP，带有无线覆盖能力的路由器，它主要应用内于用户上网和无线覆盖， 通过路由功能，实现家庭无线网络中的Internet 连接共享。

想想我们用同一个wifi 进行传输文件。

可以通过无线路由器把无线和有线连接的终端都分配到一个子网，使得子网中的各个设备可以方便的交换数据。

真的印象很深，在使用一个pdf APP的时候，它可以支持电脑与手机互连，但是需要在同一个子网中，这就是无线网络可以做的。

• IEEE 802. 11 协议规定， 在正常工作的情况下，AP设备要每隔一段时间，发送一个信标帧。信标帧包括这个接入点设备唯一的设备号。
• 一个AP设备覆盖的地理范围是有限的，如果无线终端设备超出AP覆盖的最大距离，那么移动终端设备就无法正常接收AP发送的无线信号。

基于以上理由，我们可以得出一个结论，只要这个AP设备没有被人为的移动，那么只要检测到一个含有设备号的信标帧，就说明监测设备在这个AP设备的 100m 范围之内。 也可以说，这个AP设备包含我们所利用 Wi-Fi 信号定位的位置信息，即位置指纹。

基于Wi-Fi 位置指纹的定位方法：

既然位置指纹可以标识，下一步考虑是否可以建立一个位置指纹数据库，这个数据库保存着很多收集来的 AP 设备的设备号， 以及这个AP设备在不同位置产生的不同信号强度， 如果能够建成一个这样的数据库，我们就能通过一个移动终端当前接收到的 AP 的设备号与信号强度，在数据库中查找它当前的地理位置。

为什么想到要用 wifi 来查找移动终端位置，个人认为一方面原因是 wifi 确实它的普及还是做的不错的， 更多时候它都是GPS的补充吧，即室内GPS无法定位时，可以考虑使用 wifi， 但是更多的还是把它作为一种可考虑选项。

在基于 Wifi 的定位系统中，我们将保存AP 的设备号、对应于不同位置信号强度的数据库叫做位置指纹数据库，同时配备一台位置搜索引擎服务器。

当你想要定位某个终端时， 将位置查询请求发给位置搜索引擎服务器， 服务请求中包含它接收到的发送无线信号的AP设备号、信号强度（这不是很诡异吗？既然要搜索某个终端，自然是和它不在一起的，怎么还能知道它的AP设备号与信号强度呢？）

wifi 定位一般采用 “紧邻法”判断 ， 即最靠近哪个热点或基站，即认为处在什么位置，如附近有多个信源，则可以通过交叉定位（三边定位），提高定位精度。
WiFI热点受到周围环境的影响会比较大，精度较低。
为了更精准是性 wifi 指纹方案

4. 基于RFID的定位技术

当RFID标签与 RFID标签读写器交互时，RFID标签读写器也会记录下带着RFID标签物体的位置。基于RFID的定位技术具有其应用场景，比如说在 供应链管理中。

其实就是一个顺带的作用，更多是需要RFID的数据信息，从而顺便可以应用它的定位技术。

5. 无线传感网络定位技术

在无线传感网络中，位置信息是事件发生位置报告、目标各种、路由控制、网络管理的前提。事件发生的位置或获取信息的节点位置， 是传感器节点监测信息中包含的重要信息，没有位置信息的监测数据是毫无意义的，错误的位置信息往往会导致判断的错误。

正如我们之前说的，知道它的位置，我们才能进一步做出行动，如森林火灾现场位置，天然气管道泄漏具体地点，这些如果传感器本身就可以提供位置信息而不是人力去排查，将会对我们提供更高的便捷性。

无线传感器节点有两种基本的部署方法：确定部署与随机部署。
对于一些特定的领域，如高层建筑、桥梁安全性检测项目中，无线传感器节点都是在预先设计好的位置部署。
但是，一般应用多是随机部署。因为无线传感器网络工作条件一般都很恶劣，传感器节点通常以随机播撒的方式部署，部署之后再进行定位。