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实现室内地图定位导航，需要解决哪些技术难题？

2015-06-18 15:00:00　来源: 知乎每日精选　跟贴 0 条 手机看新闻

Wi-Fi指纹定位是什么原理？

室内定位中的位置指纹法，简单来说，就是事先把各个位置上的信号特征（各Wi-Fi的信号强度）测量一遍，存入指纹数据库。定位的时候，将当前的信号特征与指纹库中的进行匹配，从而确定位置。
下图是我本科毕设时画的示意图（AP就是WiFi，RP是离线采集选取的参考点）：

离线阶段：记录下每个RP处测到的信号强度，每组数据（指纹）包含4个信号强度和对应的位置。离线阶段：记录下每个RP处测到的信号强度，每组数据（指纹）包含4个信号强度和对应的位置。
在线阶段：使用当前的扫描到的4个信号强度，与数据库中的指纹进行匹配。
最常见的算法为kNN，也可以使用概率方法进行计算，实验定位精度大概3米左右（与WiFi热点个数有关），实际应用的话由于各种因素（人对信号的遮挡、环境的变化、指纹数据库的老化等）会使得精度有所降低。
祭出一篇经典论文，2000年Microsoft Research：IEEE Xplore Abstract 。

还有哪些其他的室内定位技术？

室内无线定位技术可以这样分成三类：近邻法、三边（角）测量法、模式匹配法。
近邻法：
最简单的方式，直接选定那个信号强度最大的AP的位置。纠正一个很容易被误导的地方，目前大多数手机中的定位方式为（GPS/AGPS、基站定 位、WiFi定位），这里的WiFi定位并不是位置指纹法，而是近邻法，定位结果是热点位置数据库中存储的当前连接的WiFi热点的位置。
三边（角）测量法：
通过信号的各种参数得到目标与AP的距离或者角度，用几何方法计算出位置。
包括到达时间法、相对到达时间法、到达角度法、基于信号强度的测距方法，及其混合算法。
这些方法一般应用在蜂窝网基站定位中。
模式匹配法：
基本就是上面所说的位置指纹法了，只是这个说法更宽泛一些。

除了上面这些使用无线信号进行定位的技术外，还有基于地磁的定位和惯性导航技术，可以用来和上面的方法进行混合定位。
地磁信息：手机里的磁力计可以测得磁场强度，而建筑物导致了各个位置处的磁场有些区别。
惯性导航：加速度计、磁力计/陀螺仪，用来判断目标的移动方向与移动距离，从而进行位置跟踪。
另外，学术界研究的室内定位方式主要包括：红外线、超声波、蓝牙、RFID、UWB、WiFi、ZigBee、麦克风阵列、室内电力线、地磁、惯性测量、计算机视觉。

实现精确的室内导航需要解决哪些问题？

各种方案的缺点：
近邻法定位精度得不到保证；三边（角）测量法理论上精度较高，但对于普通设备来说，时间、角度这些参数较难获取；基站覆盖范围大，角度偏一点就 会造成很大误差，更何况各种非视距和多径环境的影响，精度一般百米以上。所以现在手机室内高精度定位大多使用第三种方法（位置指纹法）。但是很多年过去 了，室内定位的推广远没有当时预想的那么快，原因在于：

定位技术的应用及分类
　 　近年来，随着用户需求的增加，无线定位技术受到越来越多的关注，推动了对无线定位技术的研究及测距技术的发展。如何尽可能地利用现存网络资源，低成本地 实现对用户的精确定位一直是研究的焦点。总的来说，实现无线定位主要有两大类解决方案，第一类是由移动站(ms)主导的定位技术。单从技术角度讲，这种技 术更容易提供比较精确的用户定位信息，它可以利用现有的一些定位系统，例如，在移动站中集成gps接收机，从而利用现成的gps信号实现对用户的精确定 位。但这类技术需要在移动站上增加新的硬件，这将对移动站的尺寸和成本带来不利的影响。第二类是由基站(bs)主导的定位技术，这种解决方案需要对现存的 基站、交换中心作出某种程度的改进，但它可以兼容现有的终端设备。其可选用的具体实现技术主要包括：测量信号方向(信号的到达角度，简称aoa)的定位技 术、测量信号功率的定位技术、测量信号传播时间特性(到达时间，简称toa；到达时间差，简称tdoa)的定位技术。为了提高定位的精度，也可以采用利用 采用上面数种技术的组合。由于第二类的解决方案能更好的利用现有的网络及其终端设备，因而具有更广泛的应用前景，所以本文将以它作为讨论的主要内容。

测量接收信号功率的定位技术
　　依据接收到的无线信号的功率是来实现无线定位 的一种常用的方法。通过测量基站(bs)收到的来自移动站(ms)的信号功率，以及它们之间无线信道的传输模型，可以估计出移动站到基站的大致距离为d。 这样对一个基站bs(i)来讲，移动站必处于以bs(i)为圆心，d为半径的圆上。当采用三个或三个以上的基站对同一个移动站进行测距时，即可以测得该移 动站的所在位置。
　　在这种方法中，无线信号传输过程中的多径效应和通过障碍时产生的阴影效应是产生定位误差的主要原因。在信号的传输方向上，多 径效应有时会使在相距仅0.5个波长的两点上信号强度相差30～40db左右。为了克服多径效应对测距的影响，对高速移动中的无线用户可以通过求得其信号 功率的平均值来提高定位的准确性，但对于缓慢移动甚至静止的无线用户有效的功率平均值是很难测得的。阴影效应是产生定位误差的另一个主要原因，克服阴影效 应的最主要的方法是预先测量每个基站周围的信号功率损耗等高线。
　　在实际应用的cdma系统中，为了减小近距离用户对远距用户的干扰，必须要 采用功率控制技术，在一些tdma系统中，为了减小移动站(ms)的功耗也应用了功率控制。在这样的采用功率控制的蜂窝系统中，要实现用测量信号功率为基 础的定位技术，移动站必须以足够高的精度告知基站其发射信号的功率，基站再由接收到的信号功率计算出信号传输过程中的损耗，进而推算出移动站到基站的距离 估值，实现对无线用户的定位。
测量接收信号方向(aoa)的定位术　　
　 　测量信号的到达角度(angle of arr技ive，简称aoa)也是一种在蜂窝网中常用的定位技术。这种方法需要在基站采用专门的天线阵列来测量特定信号的来源方向。对于一个基站来 讲，aoa测量可以得出特定移动站所在方向，当两个基站同时测量同一移动站所发出的信号时，两个基站各自测量aoa所得的方向直线的焦点就是移动站所在的 位置。尽管这种定位方法的原理非常简单，但在实际的应用中存在一些难以克服的缺点。首先，aoa定位要求被测量的移动站与参与测量的所有基站之间，射频信 号是视线传输(los)的。非视线传输(nlos)将会给aoa定位带来不可预测的误差，参见图1。即使是在以los传输为主的情况下，射频信号的多径效应依然会干扰aoa的测量。其次，由于天线设备角分辨率的限制，aoa的测量精度是随着基站与移动站之间的距离的增加而不断减小的。
　　
　 　由于测量aoa的定位方法具有上述的特点，所以对于处于城市地区的微小区来讲，引起射频信号反射的障碍物多且其到移动站的距离与小区半径可以相比，这样 就会引起比较大的角测量误差。在这种情况下，基于aoa的定位方法没有实际的意义。对于宏小区，因为其基站一般处于比较高的位置，与小区的半径相比，引起 射频信号反射的障碍物多位于移动站附近，nlos传输引起的角测量误差比较小。所以测量信号到达角度的定位方法多用于宏小区，或者与其他定位技术混合使用 来提高定位的精度。

测量信号传播时间特性的定位技术
　　最后一类主要的定位技术是通过测量基站到移动站之间射频信号传输时间特性来实现的。这类定位技术实现起来比较容易，与aoa相比较，在同等条件下(参与定位的基站数目相同)能够提供更高的定位 精度，因而在实际中应用得最广泛。它主要有两种具体的实现手段。第一种是测量信号到达时间(toa)，即由基站向移动站发出特定的测距命令或指令信号，并 要求移动站对该指令进行响应。基站会纪录下由发出测距指令到收到移动站确认信号所花费的时间t，该时间主要由射频信号在环路上的传播时延、移动站的响应时 延和处理时延、基站的处理时延组成。如果能够准确地得到移动站和基站的响应和处理时延，就可以算出射频信号的环路传播时延td。因为无线电波在空气中以光 速c传播，所以基站与移动站之间的距离估值dm=c*td/2。当有三个基站参与测量时，就可以根据三角定位法来确定移动站所在的区域，如图2所示。
　 　由于这种定位方法是以时间为基准的，多径效应和非视线传输(nlos)所带来的传输时延增加是产生测距和定位误差的主要原因，所以在实际的系统中，测距 结果dm一般都要大于基站与移动站之间的实际距离d。为了克服nlos以及多径效应带来的不利影响，提高定位精度，参与同次定位的基站数目n一般都要大于 3，这样可以缩小图2中阴影区域的面积。另外对于每次测量的结果都要应用一些定位算法，使定位估计值在某种准则下达到误差最小。例如，t是每个基站测得的 toa，i为参与测量的基站编号，在某坐标系下，移动站的位置估计是(x，y)，基站i的位置是(xi，yi)。以函数fi=c*ti-作为基站bs测距 的性能测度，也就是基站bs的测距误差。在理想状态下，即当(x，y)是移动站的实际位置，并且移动站到每一个基站无线信号都是视线传输(los)的，那 么对每一个参与测量的基站来讲，fi应该为零。但在实际中，由于受到nlos传输和多径效应的影响，一般不可能求得(x，y)使 fi=0(i=1，2，...，n)都成立。所以整个定位系统来讲，可以用参与定位的基站的测距误差的加权平方和f作为系统性能测度函数，并以使f最小的 (x，y)作为一次定位测量的结果。式中ai是基站bs在测量结果中的加权系数，其大小反映了bs到ms测距的精确性和可信程度。
　　另一种基于 信号传输时间特性的定位方法是测量不同基站接收到同一移动站的定位信号的时间差(tdoa)，并由此计算出移动站到不同基站的距离差。移动站到任何两个基 站的距离差d可以在两个基站之间给出一条双曲线，移动站一定处于该曲线之上。当同时有n个基站参与测距时(n≥3)，由多个双曲线之间的交汇区域就是对用 户位置的估计，如图3所示。这种方法要求所有参与测量的基站的时钟是严格同步的。与toa相比，它的主要好处是不需要精确地求得基站和移动站的响应和处理 时延。与toa一样，tdoa的定位误差也是主要来自射频信号的非视线传输和多径效应。解决这一问题的主要途径也是通过增加参与定位的基站数目和采用高精 度的估计算法。
结束语
　　本文主要介绍了数种利用现有蜂窝系统中向用户提 供定位服务的基本方法，这些方法不需要改动现有的移动通信终端，但它们都需要对现有的网络设备做出某种程度的改进。在实际的系统中，可以根据用户对定位精 度的要求、无线传输的环境、成本的变化来选用一种或几种技术的组合来实现对用户的定位。一般说来，toa/tdoa能够提供比较高的定位精度，并且也较容 易实现，因而应用较为广泛，现存的cdma系统多采用这种方法。

　　思全球领先的导航、定位及无线测试解决方案供应商思博伦通信今 天宣布正式发布其全新的混合定位技术解决方案（HLTS）。思博伦HLTS是此类解决方案中的开山之作，融合了Wi-Fi、A-GNSS、MEMS传感器 和蜂窝定位技术。它能够为正在开发中的支持混合定位技术的移动设备提供可重复和可靠的基于实验室的特性和能力，使用户在任何地点均能获得精确的位置，包括 室内等最常见的使用场景。

　　基于位置的服务（LBS）是当今移动设备上使用最普遍的服务，并且呈现出强劲的发展势头。而这一切又使用户对 改进LBS性能的需求和期望与之俱增。作为导航卫星模拟和定位测试领域的领导者，思博伦已经认识到，任何一种单独的定位技术都不能提供许多智能电话应用所 需的“处处精确”的定位能力，而这种能力对于美国的E911等下一代增强型应急服务具有至关重要的意义。

　　HLTS不仅集成了多种定位技 术，还可以协助设备开发商对这些技术加以优化，实现更为精确的定位能力。例如，HLTS可用于优化Wi-Fi/传感器算法和硬件选择，在不存在A- GNSS条件时为室内定位提供支持。该解决方案通过单一用户界面（SimHybrid）实现配置和控制，且无需额外的代码或脚本编制，使用户能够轻松创建 真实的混合测试场景，并且大幅度缩短开发所需的时间。HLTS可为测试结果提供详细的分析能力，以及全面的调试工具和日志。

　　思博伦通信 副总裁HeshamElHamahmy指出：“思博伦很荣幸能够提供第一种集成了四种完全不同定位技术的测试解决方案。该解决方案将加速无线设备中下一代 定位技术的开发进程。这一解决方案再次彰显了思博伦在此类技术的领导地位和以及对测试前沿技术的持久承诺。”

　　以独一无二的方 式，HLTS将混合定位技术的所有组成部分结合为一体，并且实现了各组成部分之间的同步。它提供两种测试模式：测量/回放，以及仿真。测量与回放模式可在 现场对真实的Wi-Fi、GPS、传感器和蜂窝数据信号加以测量和记录，经过处理后便可在实验室中的HLTS上回放出来。仿真模式则充分利用了思博伦在移 动设备定位技术所涉及信号的仿真方面所具备的全球领先优势。

　　思博伦在定位测试领域拥有大量创新并且创造众多市场第一，作为这些成就中的最新成员，HLTS是第一种，也是惟一能够提供必要工具和能力的解决方案，使设备开发商在移动设备上实现“处处精确”定位能力。

GSM蜂窝基站定位基本原理浅析

2010-12-10 23:49 by MagicBoy110, 23554 阅读, 11 评论, 收藏, 编辑

CellID = GetCurrentCellID();

Position=GetPosition(CellID);

Location=GetLocation([Pisition1,α1],[Position2,α2]);

飞蜂窝可作中电信Wi-Fi补充方式

   立足于已有网络运营和业务开展实际，重组后中国信应将业务战略发展重点定位于融合数据业务，用户发展重点应该在力争个人用户同时通过推广移动语音与无线数 据业务吸引政企、家庭客户群体。CDMA网络部署要配合信总体发展战略，满足业务发展对CDMA网承载能力及服务质量要求。应该说。中国信从联通手中接手 CDMA网络从目前情况来看具有比较强承载能力，大多数省份使用率低于50%，但远不能满足全业务运营下容量需求。因此，对于CDMA网络部署，可采取提 高CDMA现网服务质量，为迎接用户、业务增长带来容量压力而进行网络扩容，积极探索其他系统对CDMA网络业务分流可能，发展综合业务管理平台等措施。 其中，Wi-Fi和飞蜂窝是目前主流移动网业务分流技术。具体应用将结合中国信实际情况来进行。

    在目前主流移动网业务分流技术中，Wi-Fi和飞蜂窝这两种技术各有优劣。而且，针对不同运营商已有网络，优劣也更加突出。

    对于中国信而言，Wi-Fi优势更加明显。目前，中国信已经部署了相当规模Wi-Fi网络，实现“万”量级热点覆盖，很多家庭也在使用Wi-Fi接入点 （AP）实现无线宽带接入。该技术最大缺点在于需要“CDMA+Wi-Fi”双模终端，并且信级安全性与QoS也无法得到保障，但是，Wi-Fi仅仅分流 了CDMA部分数据流量，已是非常可观。这对于移动运营商而言具有非常重要意义，因为数据流量更加消耗无线信道资源与功率资源。目前，移动Wi-Fi还受 到政策限制，技术层面（Wi-Fi覆盖范围小、小区间切换频繁等）也还存在不足，业务开展尚有许多困难需要克服，但是，不同技术总会存在相应市场机会与业务需求，问题也会随着技术发展不断解决，一旦政策放开，中国信全面推出Wi-Fi手机将对竞争对手产生巨大冲击。

    飞蜂窝则是一种家庭型网关产品，通过已有固定宽带提供回程。对于中国信而言，飞蜂窝可以充分利用固定宽带资源，减轻对CDMA网络业务流量压力。作为一种 技术融合型产品，飞蜂窝近年来受到各大运营商广泛关注与追捧。飞蜂窝相对于Wi-Fi最大优势在于不需要双模终端，流量通过接入网关接入CDMA网络，在 飞蜂窝上可以开展CDMA网所有业务，终端用户体验比较。此技术缺点是标准和产业链均不成熟，在“CDMA＋Wi-Fi”双模终端普及情况下优势似乎不是 特别明显，并且目前飞蜂窝设备成本还比较高，需要投入较大。

    飞蜂窝可以作为一种补充通信方 式投入商用。中国信已经具有相当规模Wi-Fi网络，一旦政策壁垒消除，中国信自然应该充分利用Wi-Fi网络，通过加大投入，以无线城市建设为契机谋求 最大程度政府支持，确立在城域网接入侧绝对优势。在此之前，可以积极探索“CDMA+Wi-Fi”组合运营模式和相应产品研发，在日后为用户提供高速、无 缝无线接入服务打基础。同时，注意跟踪飞蜂窝技术发展动态，等待产业链成熟以及设备成本下降，可以考虑适时将其作为一种补充通信方式投入商用。无论Wi- Fi还是飞蜂窝，都需要使用宽带网络承载业务。据统计，中国信宽带网络使用率相对较高，大多数省份网络使用率在70%～80%之间，网络建设需要进一步投 入。

LBS随着移动互联网的火热而在近年成为一个火热的概念，其本义是基于位置的服务（Location Based Service），而如何定位位置成为LBS中的基本。即便是智能手机的定位，也是通过设备自带的GPS模块实现，但定位系统的选择不仅仅只有GPS一种 选择。本篇文章即意在概述下关于定位系统的那些事儿！

一、全球定位系统（GPS）

全球定位系统（Global Positioning System，简称：GPS），是美国国防部研制和维护的中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高 精度的时间标准。全球定位系统可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗 GPS卫星；地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及 海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。

GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，Standard Positioning Service）和军规的精确定位服务（PPS，Precise Positioning Service）两类，定位精度为10米。

GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨 道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，各轨道平面的升交点的赤经相差60° ，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局可保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。

GPS接收器要确定当前设备的位置，需要四颗GPS卫星协助定位，所需要的信息包括：

1、四颗卫星的空间位置坐标：根据星载时钟（原子时钟）所记录的时间在卫星星历中查出，每颗GPS卫星都实时向全球广播自己的空间位置信息。

2、四颗卫星到GPS接收器的距离：通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间（GPS接收器的时间戳-GPS卫星发出信号时的时间戳），再将其乘以无线电波的速度（即光速）得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR））。

由于无线电波速度也会受到空中电离层的影响，GPS卫星广播的自己的位置也可能会有误差，GPS接收器使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所 以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一颗卫星与GPS接收器之间的时间差作为计算参数，以校正误差。所以如果想知道GPS接收器所处的位置，至少 要能接收到4颗卫星的信号。

二、辅助全球定位系统（AGPS）

由于在城市中，GPS卫星发出的信号会受到包括电离层、建筑物、植被的削弱及多径效应的干扰，导致GPS接收器接收到的GPS信号非常弱。一些 GPS接收器在贫弱的GPS信号下无法实现定位，只有在持续一定时间地接受清晰的GPS信号时才能进行定位，且定位时长可达12.5分钟，故需要利用手机 基站信号，配合GPS信号进行定位，从而让定位速度更快。

在蜂窝移动通信系统中，AGPS系统通过手机定位服务器作为辅助服务器来协助GPS接收器（通常是手机）完成测距和定位服务，辅助定位服务器有比 GPS接收器强大得多的GPS信号接收环境和能力，在这种情况下，辅助定位服务器通过网络与手机的GPS接收器通信而提供定位协助。

三、GSM蜂窝基站定位

GSM网络的基础结构是由360px-Base_station_mexico-city一系列的蜂窝基站构成的，这些蜂窝基站把整个通信区域划分成一个个蜂窝小区，这些小区小则几十米，大则几千米。GSM定位，就是借助这些蜂窝基站进行定位。

GSM蜂窝基站定位技术包括以下几种：

1、COO（Cell of Origin）定位

COO定位是一种单基站定位，即根据设备当前连接的蜂窝基站的位置来确定设备的位置，之所以可以通过单基站定位，是因为可以获取确定的基站地理位置 信息，终端通过获取当前设备接入的基站位置信息和当前基站周围完整的GIS（地理信息系统），就可以实现移动终端的定位。运营商在建立基站时对每一个基站 都有确切的位置记录，因此，用户在需要定位时首先发出定位申请，运营商根据用户所处基站提取用户位置信息反馈给用户，从而实现移动终端定位。

COO定位的精度就取决于蜂窝小区的半径。在基站密集的城市中心地区，通常会采用多层小区，小区划分的很小，这时定位精度可以达到50M以内；而在其他地区，可能基站分布相对分散，小区半径较大，可能达到几千米，也就意味着定位精度只能粗略到几千米。

2、七号信令定位

该技术以信令监测为基础，能够对移动通信网中特定的信令过程，如漫游、切换以及与电路相关的信令过程进行过滤和分析，并将监测结果提供给业务中心， 以实现对特定用户的个性化服务。该项技术通过对信令进行实时监测，可定位到一个小区，也可定位到地区。故适用对定位精确度要求不高的业务，如漫游用户问候 服务，远程设计服务、平安报信和货物跟踪等。目前，国内各省和地区移动公司的短信欢迎系统采用的就是此种技术。

3、TOA/TDOA定位

TOA(Time of Arrival，到达时间)、TDOA(Time Difference of Arrival,到达时间差)都是基于电波传播时间的定位方法。同时也都是三基站定位方法，二者的定位都需要同时有三个位置已知的基站合作才能进行。

TOA原理是用基站传输到用户设备的时间与电磁波速度乘积获得两两之间的距离，然后建立三元一次方程组获得用户设备所在位置。由于距离的计算完全依 赖于时间，因此TOA算法对系统的时间同步要求很高，任何很小的时间误差都会被放大很多倍，同时由于多径效应的影响又会带来很大的误差，因而单纯的TOA 在实际中应用很少。

TDOA的原理是将基站传输到用户设备的时间做两两求差，再根据一定的数学方法获得用户设备的位置信息。TDOA的求差过程会抵消其中很大一部分的时间误差和多径效应带来的误差，因而可以大大提高定位的精确度。

4、AOA定位

AOA(Angle of Arrival，到达角度)定位是一种两基站定位方法，基于信号的入射角度进行定位。

AOA定位通过两直线相交确定位置，不可能有多个交点，避免了定位的模糊性。但是为了测量电磁波的入射角度，接收机必须配备方向性强的天线阵列。

5、基于场强的定位

该方法是通过测出接收到的信号场强和已知的信道衰落模型及发射信号的场强值估计收发信短的距离，根据多个三个距离值就可以得到设备的位置。从数学模型上看，和TOA算法类似，只是获取距离的方式不同。场强原理虽然简单，但是由于多径效应的影响，定位精度较差。

6、混合定位

根据以上几种定位方式混合使用的定位方法，比如上文提到的AGPS。

四、WIFI定位

WIFI定位依靠检测WIFI接入点(WiFi Access Point)的MAC Address (类似10-78-D2-93-58-C2这样的格式)，去比对资料库中该MAC Address的座标，交叉连集出所在地。此法尚须有网路连线做资料库查询才能完成定位。

WIFI定位主要用于GPS定位条件不满足的情况，比如多径效应信号干扰环境以及信号被阻隔的室内环境，类似的系统比如室内定位系统，该方法的应用 得益于近十多年城市公共WIF热点的快速增长，使用WIFI定位服务的商业公司包括Google、Navizon、AlterGeo和Skyhook。

以Google为例，其建立WIFI接入点资料库的方式靠的是Google街景车，Google街景车除了拍下街景以外，另外还做了两件事情：

1、沿路搜集所有公开的无线网路MAC Address，与当时的经纬度一并记录。

2、根据拍下的街景来建立建筑物3D模型资料。

Google的WIFI信息资料库会面临过期与需要更新的问题，更新的方法是使用定位设备和Google程序的用户在WiFi与手机基地台定位或 GPS定位同时开启时，手持装置藉由手机基地台定位或GPS定位这两种方式可以获得目前的座标，再透过WiFi搜寻到附近所有的MAC Address，背后向Google的资料库做更新。

用WIFI接入点定位是基于检测接收到的WIFI信号的强度（received signal strength，简称RSS），即三角（点）定位法和指纹识别方法，定位的精度则受到WIFI接入点数据库中的接入点数量的影响。

1、三角定位法

基于三角定位算法的WiFi定位可分成两个阶段：测距与定位。

①测距阶段：待测点首先接收来自三个不同已知位置WIFI接入点的RSS，然后依照无线信号的传输损耗模型将其转换成待测目标到相应WIFI接入点的距离。无线信号在传输过程中通常会受路径损耗、阴影衰落等的影响，接收信号功率随距离的变化关系可由信号传输损耗模型给出。

②定位阶段：通过三角形算法计算待测点位置，即分别以已知位置的三个WIFI接入点为圆心，以其各自到待测点的距离为半径为范围，所得三个圆形范围的交点即为待测点位置。

由此可见，基于三角定位法很大程度上依赖于确知的WIFI接入点位置信息及准确的信号传输损耗模型。

2、指纹识别定位法

与通常意义上的指纹识别类似，位置指纹识别依靠表征目标特征的数据库进行识别，其定位过程主要分为训练与定位两个阶段。

①训练阶段：其目标在于建立一个位置指纹识别数据库。首先，选择合理的参考点分布，确保能为定位阶段的准确位置估计提供足够的信息。接着依次在各个 参考点上测量来自不同AP的RSS值，将相应的MAC地址与参考点的位置信息记录在数据库中，直至遍历关注区域内所有的参考点。由于受环境影响，无线信号 强度并不稳定，为了克服RSS不稳定对定位的影响，通常在每个参考点上多次测量取平均。

②定位阶段：给定数据库后，依据一定的匹配算法将待测点上接收的AP RSS与数据库中的已有数据进行比较，计算位置估计值。常用的匹配算法有最近邻法（NN）、KNN、神经网络等。

相比三角测量基于信号传输模型来估算无线终端与WIFI接入点间的相对距离，指纹识别具有更高的准确度，因为它使用的是真实采集的信号信息而不是根 据经验公式来推算。但该法同样存在很大的问题：首先，指纹识别数据库的构建需要耗费大量的人力物力，数据库完备程度会影响到定位的精度。其次，WLAN无 线信号时变特性导致预先采集的数据在某种意义上只具有“瞬时”有效性，而且所部署环境的变化都会导致RSS或大或小的变化，使得需要重构指纹识别数据库。

查水表的定位术

有关部门定位嫌疑人的方式并不是通过日志来查询、锁定，而是通过网络运营商提供的数据来查找。网络运营商会提供某可疑IP上网时间以及该IP分配电 话、宽带注册地址等等信息供相关部门锁定嫌疑人真实信息。如果嫌疑人有预留电话号码，无论该电话号码是否是实名注册，通过移动手机设备自身的一个串码即可 以查询嫌疑人的手机用过几张SIM卡以及每个卡的号码是多少，当确定某个电话号码开通，便会利用无线电天线来侦查嫌疑人位置，调查人员还可以监听手机短 信。当我们的手机接通后基站会给我们建立一个通讯频率，该频率运营商是确切掌握的，手机会通过本振频率来放大无线电波，放大无线电波的目的是为了准确的搭 建起来语音通话频。运营商的无线电波属于短波F/0，穿透力比较弱，周期比较短。当确定嫌疑人手机号码后运营商会提供一个网络波段的密码。调查人员通过设 备连接到该频率即可收听到语音通话内容。

语音监听的步骤大致为，A手机号码给B手机号码打电话的时候，手机发送频率会上升，当手机频率上升后会发送给基站一个信号，这个信号里面包括手机串 号和手机卡串号进行一个身份认证和扣费计时，我们每次打电话的时候都要等待1-5秒的时间才会有嘟嘟的声音的过程就是信号的发送过程。当B手机接通以后手 机频率会降低，降低就是为了减少无线电波的干扰和噪音，也就是跳频技术。当降到1200-900MHZ在这个范围里本振频率开始工作，每个手机都有这个功 能，这个本振频率有一个振动器是感觉不到的，它的作用就是将手机信号放大，当调查人员进入被监听者手机频率的时候，被监听者会听到电话里有滋滋的电波声 音，或者亚音破音。这说明目标已被锁定，可以通过语音取证了。运营商提供给公众的语音服务就是点对点的一个加密模式，运营商提供给有关部门通话频率密码的 条件下，被监听者的通话则易如反掌。如果提供的是基站的通信密码则可以对该基站范围的语音进行监听。

在苹果公司2008年全球开发者大会上，史蒂夫·乔布斯先生曾预言iPhone 3G的发布体现了两大行业趋势：“位置服务将成为iPhone的一个重要功能……而且必将迅速发展。我们以前都是通过信号发射塔(基站)和WiFi获取位 置数据。不过，现在我们用GPS获取这些数据，它让我们实现了真正的位置追踪。”

　　第一种趋势显而易见，位置服务确实已经成为了iPhone中的一个主要功能(现有超过1000个基于位置的应用程序，Foursquare等应 用已经风靡全球)，谷歌最新发布的免费移动设备TBT(Turn-by-Turn)导航只会加速这种趋势发展。第二种趋势则不太明显，那就是移动设备中多 种(混合)定位技术的融合。那么这两种趋势间存在什么样紧密的联系，混合定位技术如何为用户提供一个最佳的基于位置服务的体验效果?

　　乔布斯提到了三种定位技术：信号塔定位、WiFi定位和全球定位系统(GPS)。如果是单独来看的话，每一种技术都不可能完全满足用户的需求 ——快速、准确地为任意地点的用户定位。LBS只适用于用户位置已知的情况，它需要融合多种技术来准确地实现这一目标，这也增加了设备的成本和复杂程度。 当然，每种技术都存在不同的优缺点，只有将这些方式有效结合才能取得最好的定位效果。

　　GPS导航

　　GPS是所有定位系统中最著名的，它能够做出最准确的定位计算，也是目前最为先进的定位技术。移动设备中的辅助数据大多是由蜂窝网络提供的，它 为实现更加快速、准确的定位计算提供了条件。在支持辅助GPS技术(A-GPS)的网络中，用户可在10秒内完成定位，且精度可达5米左右。A-GPS技 术已在大部分智能手机中得到使用。但随着城市楼群的密集度不断加大，数据获取很容易受阻，尤其是在室内。单纯依靠GPS来实现定位已经变得越来越困难。

　　更多的GNSS系统

　　GLONASS是俄罗斯研制的一种导航定位系统，在概念上类似于GPS。2010年之后，它将主要影响移动设备定位市场，最近对这方面投资的增 长和全民数据访问的开放就是一个信号。GLONASS定位系统的加入会对许多环境中的定位有所帮助，例如城市街道等。拥挤的建筑物可能会阻碍卫星信号的传 输，而且大楼上的反射信号可能会对卫星接收器造成干扰。定位一台设备至少需要3颗卫星，因此太空中可用卫星数目的增多也会提高获取卫星信号的几率。相对于 单纯使用GPS的设备而言，同时使用GPS和GLONASS的设备的可用卫星数增加了近一倍，这为定位困难的环境提供了更好地定位能力。A- GLONASS通过蜂窝网络发送辅助信息，这将进一步提高定位装置的速度和可靠性。但如同GPS一样，GLONASS在室内也无法接收到信号，因此GPS 技术和GLONASS技术的组合也是不够的。

　　此外，欧洲的伽利略系统、中国的北斗卫星系统都在迅速发展着，如果导航设备能够同时接受多个系统卫星的信号，对定位将会有很大的促进。

　　Wi-Fi的促进

　　在我们生活和工作的环境中，尤其是在市区和室内环境，Wi-Fi接入点的数目正在不断增加。该技术通过使用包含方位点位置的综合数据库来实现定 位。现在，几乎所有智能手机都支持Wi-Fi，许多地方都会存在多个Wi-Fi信号，因此可以采用三角定位或者其它定位方法来提高定位能力。值得注意的 是，在某些环境下室内导航应用程序已经可用，例如商场等。在较好的环境中，设备可在几秒内完成定位，精度可达到10到20米。这项技术的一个主要缺陷就是 城区的Wi-Fi接入点可能还比较密集，但郊区和农村地区就要差很多，因此该技术也很难被独立应用。

　　蜂窝网络

　　在GPS、GLONASS和Wi-Fi信号都不可用的情况下，蜂窝网络定位通常会是最为“可靠的”技术。通过手机身份(Cell-ID)识别可 以对正在使用这一手机的用户进行定位，不过该技术的精度还不是很高。无论是基于强信号还是时间信号，蜂窝网络三角定位都可以提高定位精度，而且基于时间的 方法也是普遍采用的。与A-GPS或者A-GLONASS相比，蜂窝网络定位往往更加快速(大约5秒)，不过其精度不是很高(50米至数公里)。此外，还 有一个特点是，该技术只有在没有蜂窝信号的时候才会完全不可用，不会受到高建筑物阻挡或室内的影响。

　　混合定位技术带来的挑战

　　混合定位技术会在带来便利的同时，无疑也增加了设备的成本和复杂性。成本的增加一般可以通过性能的不断完善得到解释，而复杂性的增强却很难量 化。更高的复杂性可能会诱发更多难以预见的问题。如果没有将各种定位技术很好地结合起来，那么性能的提高只能是句空话。详尽的混合定位技术测试对于验证性 能的提高是必要的，否则就没有办法知道这些额外的投资是否已显成效。我们有理由相信，混合定位技术是大规模LBS使用的先决条件。在未来，可以实现快速、 准确定位的潜在应用程序的数目会让人难以置信，我们也将会从中受益。这也是确保定位技术能够很好地集成在一起的一个非常重要的因素。

蜂窝网络无线定位技术及应用

一、前言
　　近年来，随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。
这主要归因于政府的强制性要求和市场本身的驱动。 FCC于1996年10月颁布了无线E9ll呼叫应急服务功能，其核心是要求所有移动通信网络必 须分阶段的提供紧急呼叫用户的经纬度位置信息。针对E911定位需求的具体实施，各国主要大公司均就 GSM、IS-95 CDMA以及第三代移动通信系统开始制定各自的定位实施方案。特别是 3GPP和3GPP2上对定位的要求更加具体化，这也是对蜂窝无线定位市场潜力的肯定。另一方面，移动通信用户对移动定位业务的需求日益迫切。蜂窝网络无 线定位技术能够在移动台处于空闲状态或通话状态的情况卜获取其地理位置等信息，利用移动台的定位信息，运营商可以1hJ用户提供各种增值业务，如位置环境 信息查询、紧急救援、智能交通、广告发布等等，同时还可以作为移动通信网络运行、维护和管理的辅助数据。到目前为止，基于蜂窝网络的无线定位技术的研究已 经取得了很大的进展。可以预见在未来几年内，基于蜂窝网络定位技术的移动业务将得以迅猛的发展。
　　二、蜂窝网络无线定位技术
　　利用移动蜂窝网络对移动台定位的方法主要有三类，(l)基于电波场强的定位技术；(2)基于电波到达入射角(AOA)的定位技术；(3)基于电波到达时间(TOA)或到达时间差(TDOA)的定位技术。
　　1．场强定位技术
　 　电波场强定位技术根据移动台接收的信号强度与移动台至基站的距离成反比关系，通过测量接收信号的场强值和已知信道衰落模型及发射信号的场强值可以估算出 收发信机之间的距离，由多个距离测量值(至少三个)可以估算移动台的位置。这一技术的关键在于如何建立一个能够准确的反映服务传播范围内的无线电波传播模 型，这在实际应用中很难实现。除此之外，由于小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜、无线系统的不断调整以及地理环境、车辆等因素都会对定位精度产生影响。 由于移动通信环境中电波传播的复杂性，决定了这？技术在定位精度上的局限性，但是由于该技术比较简单易行、在对精度要求不是很高的情况下仍被采用。为了改 善其性能，人们开始研究利用电波传播中的射线跟踪方法来逛一步提高定位的精度。
　　2．到达入射角的定位技术
　　电 波到达入射角的定位技术利用基站的阵列天线来测出移动台来波信号的人射角、构成从基站到移动台的径向连线，即测位线，这两条连线的交点即为目标移动台的位 置。由于两条直线只能相交于？点，这种方法不会产生定位模糊性。但是它需要在每个小区基站上放置 4？ 12组的天线阵。这些天线阵？起工作，从而确定移动台发送信号相对于基站的角度。当有多个基站都发现了该信号源时，那么它们分别从基站引出射线，这些射线 的交点就是移动台的位置。AOA的优点在于它仅需要两个基站参与便可实现移动台定位，同时不存在移动台位置的模糊性问题。但是该技术需要在现有的基站增加 天线阵列，由此增加了大量的建设费用。与此同时，电波到达入射角估计会受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响，移动台距离基站较远 时，基站定位角度的微小偏差也会导致定位距离的较大误差。
　　3．到达时间/到达时间差的定位技术
　　到达时间／到 达时间差的定位技术是基于蜂窝网络的无线定位系统应用最广泛的一项技术。到达时间定位技术通过测量从目标移动台发出的信号以直线到达基站的时间，根据电磁 波在空中的传播速度可以得到移动台与基站之间的距离。移动台即位于以基站为圆心，移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。通过多个基站进行上述测量计 算，移动台的二维位置坐标可出三个圆的交点确定。到达时问定位技术要求接收信号的基站知道移动台发送信号的时间，并要求基站有非常精确的时钟。为了克服这 一缺点，人们提出了到达时间差的定位技术，它是通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来实现移动台定位的，而不是到达的绝对时间来确定移动台的位置，这 就大大降低了对时间同步要求。很明显，移动台一定位于以两个基站为焦点的双曲线上。所以通过建立两个以上双曲线方程，求解双曲线的交点即可得到移动台的二 维位置坐标。
　　以上两种基于时间的定位技术的只要求基站能够从接收到的射频信号中准确的提取时延估计值，而无需对现有的网络设备加以 大规模的改造就可以实现对移动台的高精度定位，因此成为了蜂窝网络无线定位技术的研究重点。TruePosition公司所提供40米精度的定位业务就是 采用了 U-TDOA定位技术。
　　三、影响定位精度的主要因素
　　由于移动通信系统的通信环境复杂多变，因此各种依赖于通信信号测量的定位技术都受到各中因素的影响。
　　1．多径传传播
　 　影响蜂窝无线定位的？个基本因素之一就是多径传播问题。在移动信道中，由于反射物体和散射体的存在会产生一个不断变化的环境，使得信号能量在幅值、相位 和时间延迟方面产生弥散。这些效应导致发射信号经过不同的路径到达接收天线时的形式各异，显示出不同的时间和空间方位。不问的多径分量的随机幅值和相位引 起信号强度的扰动，从而产生小尺度衰落和信号畸变，使接收信号的信噪比严重下降，最终影响定位精度。多径传播是造成定位误差的主要原因，因此多径干扰的抑 止是定位的关键技术之？。
　　2．NLOS传播
　　导致定位错误的另一个重要因素是移动台和基站之间的信号为非视距 传播(NLOS)信号。LOS传播是得到准确的信号特征测量值的必要条件。但是在城市和近郊，移动台和多个基站之间实现LOS传播通常是很困难的，更多的 情况是通过反射和折射的方式进行传播的，从而影响了到达场强，接收电波的到达方向，以及电波传播时间。在这样环境下，即便没有多径干扰且系统能提供足够高 的定时精度也同样会导致定位测量误差。
　　3．CDMA多址接入干扰
　　由于 CDMA系统个的各用户均使用同一频段，这种高容量也带来了远近效应和多址干扰。多址干扰会严重影响定位测量信号估计。在CDMA系统中通常采用功率控制 来克服远近效应，但由于无线定位需要多个基站同时监测移动台发射的信号，功率控制只对服务基站起作用，对非服务基站，移动台的信号仍然受到严重的多址干 扰，因而影响常规接收机的性能。研究表明，多址干扰会严重影响 TOA和 TDOA的定位精度。
　　4．参与定位的基站数的限制
　 　本文所述的定位技术需要至少两个或三个以上基站的参与。但是，在基站稀疏的环境下很难同时存在多个基站参与移动台定位，即使在基站稠密的城市环境中，也 可能由于建筑物的遮挡而无法接收到视距传播的信号。另外，由于CDMA系统采用了功率控制技术来克服远近效应，当移动台靠近服务基站时，其它基站就很难接 收到移动台发出的定位测量信号。
　　表 1给出了各种环境下所能参与移动台定位的基站数量的统计情况。统计数据表明，在乡村或郊区同时存在三个或三个以上基站与移动台保持联系的可能性较小。为此，摩托罗拉公司提出了将目标移动台发射功率瞬时调到最大的Power Up方法来加以改善。
　　表1 各种环境下不同X取值统计表
　　区域 　　　　 X表示能够同时接收到信号功率大于-100dBm的基站数
　　　　　　　　　X=1 X=2 X=3 X=4 X=5
　　乡村 　　　　 98.3% 86.3% 57.1% 33.8% 16.7%
　　郊区 　　 　　91.9% 80.9% 69.2% 56.7% 44.1%
　　城市 　　　　100.0% 96.8% 92.4% 85.0% 76.2%
　　5．几何精度因子（GDOP）
　 　参与定位的各基站之间的相对位置、移动台与基站之问的相对位置的差异造成的几何精度因子( GDOP)的不同也会影响定位算法的性能，造成定位精度的差异。特别是在高速公路附近，基站沿着高速公路直线分布的情况下，TDOA的定位精度将严重恶 化。为此，人们提出采用 TDOA/AOA混合定位技术来克服这种由于基站地理位置带来的对定位准确度的影响。

四、蜂窝网络无线定位技术应用
　　根据美国权威机构战略集团的最新预测，到2005年仅在欧洲市场无线定位服务市场的收入就可达到320亿美元，远远超出移动运营商的现有单项增值服务可带来的收入。此外，随着人们对公共安全和 紧急救援日益增长的需求，基于移动定位的增值业务也开始得到业界越来越多的关注。近年来，随着对蜂窝网络无线定位技术研究的不断深入，基于现有移动通信系 统的无线定位的性能得到了很大的改善和提高，据笔者了解，现有的部分商用移动台定位系统已经能够提供约40米的定位精度，并且这一数据还将被逐步刷新。这 就为移动运营商开展基于移动台位置信息的增值业务提供了良好的技术基础。
　　结合移动核心网和互联网的网络信息资源，移动定位技术有着 广阔的应用前景。从商业服务角度来说．它主要可以分为个人定位应用和企业级定位应用。个人定位应用通常是指面向移动台用户提供定位服务，主要包括基于位置 的信息查询和发布、导购导游导航以及弱势群体监护和救助。企业级应用则是一种面向集团手机或专用终端客户提供定位服务，如交通监控和车辆调度、防盗保安、基于位置差别收费和欺诈管理等。下面将列举几种主要的具体应用：
　　1．移动台位置敏感型计费
　 　基于用户位置的计费方式将是未来移动通信运营商拓展业务，吸引客户的重要手段。不同的用户在移动电话的使用和收费上对运营商提出的要求也各不相同，运营 商为了适应用户的这种需求采取了不问的收费方式来满足各种用户的需要，例如按照移动台使用的频率和时间段不同实行不同的资费标准。随着移动定位业务的提 出，移动通信运营商又可以增加一种新型的收费方式，即按移动台的使用位置灵活收费，在呼叫频率高的区域收取较高的通话费，而在呼叫频率低的区域收取较低的 费用，达到调节蜂窝系统容量、提高系统整体利用率的目的，这将有利于运营商扩大业务，增加收入，实现移动通信网络资源的经济效益最大化。基于移动台位置信 息的计费系统可以采用如厂的收费策略，
　　(l)在家里和／或办公室内，可以适当降低通话价格，从而与固定电话运营商展开竞争；
　　(2)用户进行大范围漫游时，则需支付较高的通信费用；
　　(3)在密集的商业区内提高收费标准，减小该区域的系统负载；
　　这种基于移动台位置信息的计费策略对于运营商和用户而言是双赢互惠的。

　　2．紧急救助
　 　近年来由于移动用户的快速增长，移动用户的报警呼叫和求助呼叫的数量也急剧增加，据美国公众安全机构的1999年的调查报告显示：有15%到40%的紧 急呼叫(911)是来自于移动电话的，其每年呼叫总次数超过一千万。但是，在很多情况下公众安全应答服务机构(PSAP)无法获知报警者的具体位置，移动 用户也不能准确地提供其所在的地理位置信息这将会大大延长 PSAP的反应时间，以至于不能给报警者以及时的救助。利用蜂窝网络定位技术，报警者在拨打应急服务号码后，移动定位系统就能立即识别出来，并对呼叫手机进行自动的快速定位，手机的位置信息就会被传输到PSAP，从而大大改善公众安全系统的反应能力。可以预计：蜂窝网络定位技术为公众安全提供了新的手段，这将会成为进一步扩大移动通信市场的又一推动力。

　　3．移动黄页查询
　 　移动互联网技术与移动定位业务相结合，可以轻而易举地实现个性化的移动黄页查询。移动网络首先得到移动用户的位置信息，然后根据互联网提供的信息通过短 消息或者电子地图的方式为用户提供其所处位置附近的相关信息，例如：提供离用户最近的餐馆、加油站、旅馆、自动取款机的位置以及用户所处区域的天气、交通 状况等信息。

　　4．网络规划和管理
　　移动定位技术的另一个重要应用就是无线网络本身的规划和优化。由于移动通信 网络的不断扩大，其频谱资源不易再扩展，无线网络的设计者必须对频率的再用进行精心的规划，以保证有效的覆盖，同时防止干扰和串话。利用蜂窝网络无线定位 技术，用户的呼叫位置可以被确定，相应的处理该呼叫的蜂窝和接收到的信号功率也可以被确定。根据这些信息，系统规划人员就可以更好对网络进行规划、扩展、 部署和运营。在微观上还能准确地监测移动台的移动情况，使网络方面能更好地决定什么时候进行切换。目前主要应用于网络优化以及对无线资源进行智能化管理和 分配。

　　5．智能交通系统（ITS）
　　目前各大城市开始建设智能交通系统，来解决车辆和交通的管理、导航等问 题。利用蜂窝网络无线定位技术，我们只需要在车辆上安装移动电话(或其收发模块)，就能够以最小的投资成本、最快的建设速度方便的实现 ITS，提供监测交通事故，疏导交通，对车辆进行定位跟踪、调度和管理等服务，促进城市数字化的进程。这？应用对于出租车、公交车辆、警用车辆以及一些特 种用途车辆的管理是非常有吸引力的。

　　6．人员或物资的安全性管理
　　在这一应用中、一种特殊的微型的收发信机(Widget)将用于取代手机。这种微型收发信机具有和手机相同的收发模块，但没有用户接口、如话筒，耳机，键盘和 显示屏等，因此其体积小，隐蔽性强，成本也较低。这些微型的收发信机可由个人(如：老人和儿童)携带，或者被固定在各种物品(如：汽车和贵重资产)上，并 间歇地收发信号。通过移动通信网络，有关部门就可以有效地实现对人员的安全监护，货物运输存放的监控和管理，提高货物运输和存放的安全性等。

蜂窝网络无线定位技术及应用：

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无线定位技术

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