物联网时代的定位系统

文 / 刘云浩

在互联网普及之前，当人们想要上街购物时，往往需要做很多准备工作。首先需要找张地图，找到要去的商场，再研究好路线。然后还要翻阅报纸，杂志上面的各种信息，找出各种打折优惠的商店。如果逛街的时间较长，或许还得事先看看各种餐厅的广告，查好附近有哪些吃饭的地方，哪家餐厅比较美味实惠……然而，不管事前谋划得如何充分详细，人算不如天算，实际情况有时候并不会和人们预想的一样，因此还需要动态地调整方案，为此可能还要事先做好备用方案。

到了互联网时代，情况发生了改观。人们不再需要查询地图，不再需要翻阅报纸。所有的一切，只需要连上互联网，敲入人们想知道的内容，通过搜索引擎一搜，就都知道了。互联网时代将各种信息进行了整合，让人们可以快速便捷地获取各类信息，再根据这些信息来制订计划，付诸实施。然而人们依然需要事先做好准备，同时也无法应对计划外的情况。

到了物联网时代，情况再一次发生了巨大的变革。人们不再需要做事前的准备。开车的时候用GPS定位自动导航，计算机就会自动算出最优的路线；而在逛街的时候，手机或者PDA可以自动根据当前的位置，查询附近店铺的打折优惠消息；在要吃饭的时候，手机也可以自动根据位置找到附近餐馆的信息，甚至可以给出电子菜单。从过去的事前制订“万全之策”，变成“随机应变”，或者说是“以不变应万变”——不管情况出现什么变化，都只需要打开移动设备进行查询就可以了。

位置信息

是什么使人们的任务变轻松了呢？隐藏在各种琳琅满目的自动化服务背后的是一个共同的信息——位置。位置信息可以说是最重要的信息之一。在军事上，地理因素经常对战局起着关键性的作用。在日常生活中，位置信息也有着重要的作用。

位置信息不只是空间信息。具体而言，位置信息包括三大要素：所在的地理位置、处在该地理位置的时间、处在该地理位置的对象（人或设备）。也就是说，位置信息承载了“时间”、“空间”、“人物”三大关键信息，其信息的内涵可谓十分丰富。利用这些信息，不仅可以“因地制宜”，提供所在地附近的相关服务．还可以根据时间“见机行事”，提供时效性更佳的服务。更可以“因人而异”，提供个性化的定制服务。

既然位置信息如此重要，如何获取位置信息就理所当然地成为了物联网时代的一个重要研究课题。几十年来，人们在定位技术领域做出了大量的研究，使定位变得越来越简单，越来越接近人们的生活。十几年前，GPS还是只有科学考察、探险等特殊应用才装备的专业工具，而今天，即使是人们平常随身携带的手机，都可以配备上GPS定位模块。根据ABI Research的一项调查数据显示，2009年全球GPS手机的销量达到了2.4亿台。

定位系统

1、GPS

GPS（Global Positioning System）是目前世界上最常用的卫星导航系统。GPS计划开始于1973年，由美国国防部领导下的卫星导航定位联台计划局（JPO）主导进行研究。经过数十年的研究和试验，1989年正式开始发射GPS工作卫星，1994年，第24颗（也是最后一颗）工作卫星的发射，标志着GPS卫星星座组网的完成，从此GPS正式投人使用。

 由于美国国防部的背景，GPS系统最初被设计为军用。1983年，时任美国总统的里根做出指示，当GPS的研究与应用成熟后，将对民用工业开放，允许民间自由使用GPS技术。然而，在GPS投人使用之后，对民间应用仍有诸多限制，仅有军用接收机可以享受到高质量的信号（精度可达20m），供民用的信号质量被故意降低（精度约300m）。2000年5月1日，美国总统比尔.克林顿命令取消GPS系统的这种区别对待，从此民用GPS信号也可以达到20m的精度，极大地拓展GPS在民用工业方面的应用。

由于GPS在军事及民用方面的应用效果显著，为了避免战时受制于人，其他的国家也陆续展开了卫星导航系统的研究和部署。目前已经投人使用的有俄罗斯的GLONASS全球卫星导航系统和我国的北斗一号区域性卫星导航系统。欧盟的伽利略定位系统目前正在部署中，预计将于2014年正式投人使用。我国目前正在建设自主研发的北斗二号全球卫星导航系统，届时将可提供全球范围的信号覆盖。

 GPS系统由以下三大部分组成。

 1） 宇宙空问部分。GPS系统的宇宙空间部分由24颗工作卫星构成，最初的设计将24颗卫星均匀分布到3个轨道平面上，每个平面8颗卫星，但之后改为采用6轨道平面，每平面4颗卫星的设计。GPS的卫星布局保证在地表绝大多数位置，任一时刻都有至少6颗卫星在视线之内，可以进行定位。

 2） 地面监控部分。GPS系统的地面监控部分包括1个位于美国科罗拉多州Schriever空军基地的主控中心（Master Control Station,MCS），4个专用的地面天线，以及6个专用的监视站。此外还有个紧急状况下备用的主控中心，位于马里兰州盖茨堡。

3） 用户设备部分。要使用GPS系统，用户端必须具备一个GPS专用接收机。接收机通常包括一个和卫星通信的专用天线，用于位置计算的处理器，以及一个高精度的时钟。随着技术的发展．GPS接收机变得越来越小型和廉价，已经可以集成到大多数日用电子设备中，目前配备有GPS接收机的手机已不在少数。

 GPS定位的基本运作原理很简单，首先测得接收机与三个GPS卫星之间的距离，然后通过三点定位方式确定接收机的位置。不熟悉三点定位的读者可以用一个例子来简单了解三点定位的原理：首先拿出三根铅笔，假设这三根铅笔的长度表示测得的接收机到三颗卫星的距离；然后将三个铅笔的一头固定在桌面上的某个位置，这个位置就表示三颗卫星在空间中的位置；最后，移动三根铅笔未被固定的另一头，使它们交汇在一点（在这个例子里面，只可能有一个位置可以让三点交汇），这个交汇的位置就是接收机的位置。实际的GPS系统中，根据参考卫星的空间坐标，以及到参考卫星的距离，可以在空间中确定出一个唯一的球面；三颗卫星可以确定出三个球面，通常情况下，两个球面的交集是一个圆，三个球面的交集是两个点。因为其中有一个点的位置在宇宙空间中——这显然不可能是接收机的位置，因此只需要选取靠近地面的那个点作为接收机的坐标即可。

 了解了三点定位的原理之后，问题只剩下一个：如何测得接收机与GPS卫星间的距离？每一颗GPS工作卫星都在不断地向外发送信息，每条信息中都包含有信息发出的时刻，以及卫星在该时刻的坐标。接收机会接收这些信息，同时根据自己的时钟记录下接收到信息的时刻。这样，用接收到信息的时刻，减去信息发出的时刻，就得到信息在空间中传播所用的时间。将这个时间乘上信息传播的速度（信息通过电磁波传递，其速度为光速），就得到了接收机到信息发出时的卫星坐标之间的距离。

根据GPS的工作原理，可以看出时钟的精确度对定位的精度有着极大的影响。目前GPS工作卫星上搭载的是铯原子钟，精度极高，140万年才会出现1秒的误差。然而，受限于成本，接收机上面的时钟不可能拥有和星载时钟同样的精度，而即使是微小的计时误差，乘上光速之后也会变得不容忽视。因此，尽管理论上三颗卫星就已足够进行定位．但是实际中GPS定位需要借助至少四颗卫星。换句话说，所处的位置必须至少能接收到四颗卫星的信号，方可以应用GPS来进行定位。这极大地制约了GPS的适用范围，当处于室内环境时，由于电磁遮蔽的效应，往往难以接收到GPS的信号，因此GPS这种定位方式主要在室外场景施展拳脚。其中最为典型的应用就是汽车导航。

随着人类社会的发展，城市变得越来越大，交通系统也变得越来越复杂。没有经验的驾驶员往往容易在城市中迷失方向，或是“找不着北”（搞不清楚自己的位置），或是“南辕北辙”  （走错了路线绕了弯路）。汽车导航系统利用了GPS技术，通过在汽车上安装GPS接收机，就可以通过卫星信号来找到自己的位置，再利用内置的地图来辅助驾驶。由于汽车的行驶区域大部分都是户外，仅有少数时候会进人隧道等有遮蔽的地方，因此大多数时候GPS定位效果都非常良好。

随着感知技术和智能技术的不断发展，汽车导航系统也在不断进化。最早期的汽车导航系统，仅仅能通过卫星定位找出当前位置，并显示当前区域的地图，具体要走哪条路，还得驾驶员自己拿主意。这只能解决“找不着北”的问题，如果对道路不熟悉的话，还是会出现“南辕北辙”的情况。第二代汽车导航系统作出了改进，不但可以显示出当前的位置，还可以根据驾驶员输入的目的地来自动找出最短的路线，从而避免走弯路。而到了互联刚时代，汽车导航系统又进一步进化，可以通过移动电话的GSM网络与交通管理部门的服务器取得联系，获取最新的路况资讯，从而指导路线的选择。譬如通过网络得知某路段正在施工，或者正在堵车，那么在规划路线的时候，计算机就会自动避开该路段，使得路线更加优化。

到了物联网时代，汽车导航技术又会有什么进化呢？物联网的一大特点是感知更加透彻，除了道路状况，还可以感知各种各样的要素——污染指数，紫外线强度、天气状况、附近的加油站……同时还可以更深入地感知驾驶员的状况——健康状况、驾驶水平、出行目的……路线的选择不再是“最快速到达目的地”，而是“最适合驾驶员，最适合这次出行”。比如探测到驾驶员身体状况不佳，在安排路线的时候就尽量避开环境较差的路段，转而选择空气清新景色秀丽的路线；比如驾驶员要做长途驾驶，就要根据汽车的油量，选择在恰当的时候经过加油站，以便于加油，比如驾驶员刚领驾驶执照没几天，那就要避开一些路况复杂的路段。物联网时代，汽车导航将从过去的“以路为本”转变为“以人为本”，更好地改善人们的驾驶质量。