山东老乔浅谈无线定位技术 ---- 从GPS到iBeacon

jackzhang

山东老乔浅谈无线定位技术 ---- 从GPS到iBeacon

定位技术是无线通信的一个分支应用，到目前为止出现了多种定位技术，根据应用场合不同可以分为两种：室外定位技术和室内定位技术。

1、室外定位技术

室外定位技术主要有两种：卫星定位技术，基站定位技术。卫星定位技术是非常成熟的技术，比如大家熟知的GPS技术，除GPS技术外，还有几种类似的技术：Glonass，Galileo，北斗等。

几种卫星定位技术的原理是相同的，都基于三维定位原理。如下图所示，一颗卫星可以定义用户的球面，两颗卫星可以定位用户所在的圆周，三颗卫星可以定位用户在圆周的两点，四颗卫星就可以定位用户位置。

                               
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几种卫星定位技术的区别在于他们的定位参考卫星的位置是不同的：

GPS：由21+3颗卫星组成分布在6个轨道平面上轨道高度20200Km运行周期11小时58分。

Glonass: 由24颗卫星组成，分布在3个轨道平面上，每个轨道面有8 颗卫星轨道高度19100Km，运行周期11小时15分

Galileo: 由30颗卫星组成，分布在3个轨道，轨道高度24126Km

北斗： 5（静止轨道）+30（非静止轨道）颗卫星；30=27（中轨道MEO）+3（倾斜同步）颗卫星；27颗卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，高度21500公里。

基站定位是利用移动通信的基站位置根据当前客户移动终端的连接来确定客户位置。常用的几种技术有：单基站定位，三基站定位，两基站定位以及多种模式的混合定位。下图所示的是三基站定位技术，基站的位置是已知的，移动设备通过计算到临近三个基站的位置就可以计算出设备当前所在的位置。

                               
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基站辅助的GPS定位，即A-GPS技术。GPS定位以其高精度得到更多的关注，但是其弱点也很明显：一是硬件初始化（首次搜索卫星）时间较长，需要几分钟至十几分钟；二是GPS卫星 信号穿透力弱，容易受到建筑物、树木等的阻挡而影响定位精度。A-GPS定位技术通过网络的辅助，成功的解决或缓解了这两个问题。在A-GPS中，通过从蜂窝网络下载当前地区的可用卫星信息（包 含当地区可用的卫星频段、方位、仰角等信息），从而避免了全频段大范围搜索，使首次搜星速度大大提高，时间由原来的几分钟减小到几秒钟；在无法获取GPS信号时，通过基站定位完成定位。

                               
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如上图所示,AGPS中从定位启动到GPS接收器找到可用卫星的基本流程如下：（1）设备从蜂窝基站获取到当前所在的小区位置（即一次COO定位）（2）设备通过蜂窝网络将当前蜂窝小区位置传送给网络中的AGPS位置服务器（3）APGS位置服务器根据当前小区位置查询该区域当前可用的卫星信息（包括卫星的频段、方位、仰角等相关信息），并返回给设备（4）GPS接收器根据得到的可用卫星信息，可以快速找到当前可用的GPS卫星至此，GPS接收器已经可正常接收GPS信号，GPS初始化过程结束。AGPS对定位速度的提高就主要体现在此过程中。

2、室内定位技术

室内定位技术是最近一段时间研究很火的一个课题，以苹果公司推出iBeacon技术为标志。其实室内定位技术一直有组织和相关公司做这方面的产品，但由于技术本身和成本限制一直没有得到广泛应用。

室内定位技术实现方式基本上有两种：一种是基于扩频信号到达时间的计算来完成定位，一种是根据信号接收能量的衰减来完成定位。

有一家公司Nanotron在基于扩频信号达到时间这种技术上有产品，该产品使用了带宽80MHz的扩频信号，通过一收一发的时间来确定无线电波在来回路径上的传输延时来计算两者的距离。无线电波的传输速率为30万公里/秒，如果要做到理论上1米的精度，那么最少要在时间区分精度做到3.333ns，这其实难度很大，有两个限制因素：一是扩频信号的选择，二是电路实现引入的抖动。有第三方数据显示，Nanotron的产品精度能够在1~2米左右。

基于无线信号能量的衰减来定位，这种实现方式很容易，而且有很多现存的无线通信系统都可以完成，比如WiFi，Bluetooth等。苹果公司推出的iBeacon技术就是基于Bluetooth技术的。

自由空间的无线信号衰减是有规律的，不同频率的信号在不同的环境下衰减特性也不尽相同。下图给出了2.4GHz无线信号在自由空间的衰减曲线：

                               
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从衰减曲线上来看，做距离检测在近距离可以做到近乎完美，但事实并非如此！通常说来信号能量的检测是由电路实现，电路实现的能量检测算法是有误差的：比如单纯的模拟电路实现可以做到+/-3dB，如果采用数字补偿算法，精度可以提高到+/-1dB左右。如果要做距离的计算，我们可以计算得到精度分别为750px、1250px、2500px时对电路的能量检测算法的精度要求如下图所示。看到这张图你就能明白为什么苹果的iBeacon建议使用范围在10米以内了。

                               
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山东老乔：乔俊杰

    IC咖啡发起人，坚信“乱世出英雄”的屌丝技术男，混迹于无线通信这个混乱的市场，一直专注RF架构/调制解调算法/SOC方面的技术，成功量产过的芯片包括蓝牙SOC，Sub1G SOC，私有协议的2.4G Transceiver；学习研究过DVB-C，WiFi，Zigbee，PLC，无线音视频，无线定位测距等有线/无线通信系统；目前关注超低功耗无线SOC，低成本无线互联/物联网方面的技术。

微博号：@山东老乔

maochrng

以后多交流交流经验，呵呵！

apteye

xuexiliao

sunjianhui

很好啊.....

zan3

Zan一下