位置定位

简介

位置定位的核心任务是获取目标在给定坐标系中的坐标。定位与导航有所区别：定位解决的是确定自身所在位置，导航则是在已知位置的基础上规划并引导到达目的地的过程。在三维空间中，位置通常由经度、纬度和高度三个分量描述，因此解算至少需要与 3 个已知位置的参考点建立距离关系^[1]。

实际上，由于接收设备时钟精度远低于卫星上的原子钟，时间误差会被光速放大成显著的距离误差，所以通常把接收机钟差也作为未知量一并求解，这就使卫星定位一般需要同时观测 4 颗以上卫星。随着移动互联网发展，基于位置的服务把定位结果与地图、商业和生活信息结合，成为定位技术面向普通用户的主要形态之一^[2]。

定位技术可按测量媒介分为无线电、光学、声学、惯性与地磁等类别，也可按作用范围分为全球、区域和室内等层级。不同手段在精度、覆盖、成本和终端适配性上差别明显，往往需要在多种指标之间权衡取舍^[2]。在室外开阔环境，卫星导航通常是首选；在卫星信号受遮挡的室内，则需要依靠无线网络、信标或传感器推算等方式^[3]。

沿革

早期的位置确定主要依靠天文观测、地磁指南与大地测量。20 世纪 50 年代全站仪投入使用后，能够在现场快速建立空间坐标系并完成较精确的位置传递，至今仍是精度较高的空间定位手段之一^[4]。

卫星定位的发展与航天技术密切相关。美国的全球定位系统（GPS）于 20 世纪 70 年代开始研制，1978 年 2 月发射首颗试验卫星，1994 年 3 月完成 24 颗工作卫星的星座部署，具备全球覆盖能力^[5][6]。此后俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略等系统相继建设，全球卫星导航系统逐渐形成多系统并存的格局^[7]。

中国的北斗卫星导航系统于 1994 年立项，2000 年底建成北斗一号试验系统，2012 年底建成北斗二号区域系统，2020 年 7 月 31 日北斗三号全球系统正式开通，星座由 3 颗地球静止轨道卫星、3 颗倾斜地球同步轨道卫星和 24 颗中圆轨道卫星组成^[8][9]。北斗一号在国际上首次实现由地球静止轨道卫星提供导航定位服务，北斗二号则首创由静止轨道与倾斜同步轨道卫星为骨干、兼有中圆轨道卫星的混合星座^[10]。

室内定位的需求随移动终端普及而上升。2013 年 9 月，苹果公司推出基于蓝牙 4.0 的 iBeacon 室内定位技术，信标覆盖半径约 50 米，体积小、功耗低，可以密集布设^[3]。2019 年发布的蓝牙 5.1 引入阵列天线角度测量能力，使室内开阔空间的定位精度进一步提高^[3]。

特点

卫星定位采用单向广播体制，卫星持续播发自身位置与信号发射时刻，终端被动接收即可解算，不向卫星回传信息，因此同一系统可同时服务的终端数量理论上不受限制^[7][1]。其覆盖范围大、可全天候工作，但信号微弱，在室内、地下和城市峡谷等遮挡环境中容易失效^[2]。差分与网络实时动态等手段通过增设地面基准站来削弱误差，可将精度提升到厘米级^[4]。

蜂窝网络定位以基站标识或信号到达时间差为依据，速度快、功耗低，可作为卫星定位的补充，精度大致在数百米至数千米量级^[2]。无线局域网定位多采用信号强度指纹或往返时间测距，2.4 吉赫兹频段精度一般在 3 至 5 米，5 吉赫兹可提高到 2 至 3 米；超宽带则利用纳秒级窄脉冲测量飞行时间或到达角，精度可达分米乃至厘米量级，但需要专用硬件^[3][11]。

惯性测量依靠加速度计和陀螺仪推算运动轨迹，短期精度较高，但误差随时间累积，需要与其他定位方式组合修正^[12]。地磁定位利用建筑物内磁场的畸变特征建立指纹库，无需额外布设设备，但特征维度低，通常与行人航位推算结合使用^[11]。视觉定位通过相机成像与相机位姿求解确定位置，光学方法在机器人目标定位、路径规划等场景中应用较多^[13]。

水声定位是水下作业的主要手段。按基线长度可分为长基线、短基线和超短基线三类，长基线系统在海底布设应答器阵，通过测量信号往返时延获得目标到各应答器的斜距，再解算目标坐标^[14]。深海探测中，脉冲星导航则利用脉冲到达时间的偏移反演航天器位置，不依赖地面发射信号^[15]。

参见

• 全球定位系统 —— 20 世纪 70 年代起研制、1994 年完成星座部署的卫星导航定位系统

• 北斗卫星导航系统 —— 中国自主建设、2020 年建成全球系统的卫星导航定位系统

• 室内定位 —— 解决卫星信号受遮挡环境下位置获取问题的定位技术集合

• 超宽带 —— 可实现厘米级精度的无线定位与通信技术

• 基于位置的服务 —— 以定位结果为基础向用户提供信息与服务的应用形态