无缝定位技术简介

无缝定位技术就是指在人类活动的地上、地下空间和外层空间范围内,能够联合采用不同定位技术以达到对各种定位应用的无缝覆盖,同时保证各种场景下定位技术、定位算法、定位精度和覆盖范围的平滑过渡和无缝连接。泛在计算对应的泛在定位技术,其相对于无缝定位技术而言,覆盖的范围偏向于城市和室内空间。集成定位技术是指两种或者两种以上不同的定位传感器或方法的集成,如GPS和INS两种不同传感器之间的集成,或者GPS和电子地图辅助定位两种不同方法之间的集成,其覆盖的范围可以是外层空间或者某一特定环境。

常用的无线定位技术有TOA(到达时间)、TDOA(到达时间差)、AOA(到达角度)、SSR(信号强度测距)、NFER(近场电磁测距)。广泛使用的GNSS因为卫星时间同步采用的是高精度的原子钟,所以基于GNSS的方法一般都是TOA技术。然而一般的无线通信系统由于基站数量多,时间同步精度受限,所以现有的基于无线通信的定位服务一般采用TDOA技术,当然在某些特定场合下也使用AOA技术;现有的短距离无线通信技术一般采用SSR技术。多种技术的联合使用使得测距的功能上有更多的自由度,并且增强了定位的精度、可靠性和安全性。

1.1无缝定位面临的挑战

具体而言,无缝定位技术面临以下几个主要的挑战:难以依靠单一的无线技术实现无缝定位,如GNSS技术无法在封闭空间发挥其高精度定位的特点;各种定位信号无法覆盖多个不同区域,需要解决室内外连接区域的无缝连接问题;无线信号在室内外NLOS(非视距传播)环境下的复杂传播信道;无缝定位系统所需的统一的坐标和时间系统、基础设施和软硬件成本、合适的移动定位设备、标准化问题;公众无线服务的定位服务模式;其他诸如支持开放式服务的API、电源、隐私安全等问题。

1.2无缝定位的关键技术

1.2.1无缝定位的框架和软硬件

[if !supportLists]1)[endif]无缝定位基础设施是指各种定位传感器网络基础设施的集合,包括GNSS的地面增强和连续跟踪站构成全球一体化的网络基础设施,城市的各种无线通信与电视广播基站,室内环境下已有的各种定位传感器网络设施等。这既包括利用现有的定位基础设施,也包括城市环境下的多种泛在无线信号源以及根据实际需要专门布设的各种小规模的定位传感器网络。

2)统一坐标系。按照现有的无缝定位基础设施层次,可以划分出若干个层级:全球框架、区域框架、城市框架、街区学校框架、单体建筑框架和楼层平面框架,依次由上一层坐标框架为下一层提供坐标基准,也可以采用空间信息网格作为支持。

3)时间系统。时间作为定位中重要的信息,可以按照统一坐标系的层级将GNSS提供的时间基准通过无缝定位基础设施进行分层时间传递服务,依次向下一级传感器网络提供时间基准。

4)通信设施。采用现有的各种通信网络设施以及无缝定位系统自身的通信功能,为各种服务应用和各种定位辅助信息的传递提供稳定的通信保障。

5)软硬件的框架。无缝定位硬件层面指不同接口之间的协同与集成,软件层面主要是定位软件的框架结构。

1.2.2无缝定位算法

无缝定位算法主要是针对多种无线定位技术(GPS、WLAN、ZigBee和UWB等)中多源定位观测量(RSSI、TOA、TDOA和Cel-l ID等)以及其他类型的定位传感器(加速度和高度计等)的定位观测量构建统一的融合定位模型,包括多种技术共用模式下的自动切换、选择、集成以及平稳过渡等相关技术的研究;针对城市和室内复杂非视线传播环境下对各种无线信号定位产生影响的误差源进行鉴别和消除技术;以及在定位解算过程中需要运用到的数据处理技术,如最小二乘算法、各种滤波技术以及相位模糊度解算等。具体可分为以下几类:(1)测时、测距和测信号强度相关的定位算法(TOA、TDOA和RSSI等)。(2)非无线定位传感器定位算法(航迹推测、加速度和高度计等)。(3)NLOS环境下各种误差源鉴别和消除算法(多路径消除技术、NLOS环境下的无线信道建模)。(4)定位解算与精度评定算法(最小二乘算法、滤波技术、模糊度解算、精度评定等)。(5)无缝定位算法(不同定位技术的无缝融合与集成算法)。

1.2.3无缝定位服务与应用模式

无缝定位服务面向的是广大的空间信息社会化用户群,无缝定位系统一旦构建实施,需要有足够的用户群体来支撑。无缝定位一方面在系统服务层面要考虑到终端用户的各种需求,包括合适的定位精度和与之相匹配的电子地图显示模式;还要考虑定位服务和各种空间数据的服务与收费模式。目前比较成熟的网络地理数据服务,如Google Earth/Maps等产品充分考虑到了用户的多元化和需求的多样性,为所有用户提供快捷、简便、有效的地理空间信息服务。无缝定位应针对用户群体多样化的特征,要求在相应的电子地图显示模式和终端服务模式方面考虑到用户的实际需求,以最简单有效的可视化方式、快捷便利的定位技术来为用户提供可靠的空间信息数据服务。终端的接入模式也可以根据需要以用户终端为主,或者充分利用现有的无线通信网络的优势,将部分的数据服务以网络的形式提供给用户使用。此外,还应针对定位技术和服务进行一系列的标准化、组件化、网络化、自适应化、集成化、智能化等方面的研究。

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