北斗+Galileo，全球卫星导航格局加速演变

（1）移动定位的通信方式

有三类较为常用的无线电信号可以为用户提供移动定位服务，它们分别是卫星广播信号、蜂窝移动通信信号和短距离无线通信信号，不同的信号各自对应不同的数据处理机制，以及不同的定位精度。

1）卫星广播通信

地球上空的导航卫星全天候地向地面广播卫星导航系统信号，地球上的各种接收器可以通过天线接收到这些信息。每一颗卫星在广播自己的位置和发送位置信息的同时，还会附加上该数据包发出时的时间戳。地面接收器接收到位置精确的卫星导航信号后，对其进行解析得出位置三维坐标及接收机钟差，从而得到自己的地理位置和时间信息。

全球卫星导航系统（GNSS）的信号覆盖范围最广，几乎可以实现全球范围的覆盖，主要工作于室外环境，目前主要有美国的GPS、欧洲的Galileo、俄罗斯的GLONASS以及我国的北斗卫星导航（BDS）信号。

全球四大卫星导航系统

①美国的GPS全球定位系统

GPS全球定位系统是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为美国的陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集和应急通讯等军事目的。

整个GPS导航系统的研究试验共历时20余年。第一阶段为方案论证和初步设计阶段：1973年到1979年，美国共发射4颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网；第二阶段为全面研制和试验阶段：1979年到1984年，美国又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途的接收机，GPS定位精度远远超过设计标准；第三阶段为实用组网阶段，1989年2月首颗GPS工作卫星发射成功，GPS系统进入工程建设阶段，1993年底实用的（21+3）GPS星座建成，1994年3月，由24颗GPS卫星星座组成的、全球覆盖率高达98%的GPS全球导航系统正式完成。

GPS全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，可以在全球绝大部分区域全天候工作，定位精度优于10米，采用差分定位精度可达厘米级和毫米级，是迄今应用最为广泛的导航定位系统，随着GPS系统的改进，其应用领域仍在不断的拓展。

②欧盟的伽利略（Galileo）全球定位系统

伽利略定位系统（Galileo Positioning System）是一个由欧盟和中国合作建立的全球卫星导航定位系统，有“欧洲版GPS”之称，是继美国现有的“全球定位系统”（GPS）及俄罗斯的GLONASS系统外的第三个民用GNSS。

1999年2月10日，欧洲委员会在其名为《伽利略（Galileo）——欧洲参与新一代卫星导航服务》的报告中首次提出了“伽利略计划”。该计划分为4个阶段：论证阶段（2000年—2001年），论证计划的必要性、可行性以及落实具体的实施措施；系统研制和在轨验证阶段（2001年—2005年）；星座布设阶段（2006年—2007年）；运营阶段（从2008年开始），系统的保养和维护，提供运营服务，按计划更新卫星等。

该系统计划由32颗中高度圆轨道卫星和2个地面控制中心组成，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补。卫星高度为24126km，位于3个倾角为56度的轨道平面内，该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心，以商业运营的模式全部民用。2003年3月，美国对伊拉克作战使得欧盟加速该定位系统的研发。

Galileo是全球第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，系统预计总耗资超过30亿欧元，所需资金当中近三分之二来自私营公司及投资者，其余部分由欧盟及欧洲航天局拨出。欧盟计划在2019年完成Galileo系统的全部卫星发射并实现全球覆盖。

③俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）全球定位系统

格洛纳斯（GLONASS）是俄语全球卫星导航系统的缩写，该系统最早开发于1976年，由苏联颁布法令建立，后由俄罗斯继续该研究。1993年俄罗斯开始独自建立本国的全球卫星导航系统，系统运营之初只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。1995年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作，也由24颗卫星组成，原理和方案都与GPS类似。到2009年，GLONASS的服务范围已经拓展到全球，主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。GLONASS的公开化，首先打破了美国对卫星导航独家经营的局面。

GLONASS系统将24颗卫星实现全球定位服务，可提供高精度的三维空间和速度信息，也提供授时服务。地面支持系统由系统控制中心、中央同步器、遥测遥控站（含激光跟踪站）和外场导航控制设备组成。

为进一步提高GLONASS系统的定位能力，开拓民用市场，俄政府计划将GLONASS更新为GLONASS-M系统，具体包括改进一些地面测控站设施，延长卫星的在轨寿命到8年，实现系统高的定位精度（位置精度提高到10～15米，定时精度提高到20～30NS，速度精度达到0.01M/S）。

④中国的北斗（BDS）全球定位系统

北斗卫星导航系统（英文简称“COMPASS”，中文音译名称“BD”或“Beidou”）是我国自主建设、独立运行，并与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统。北斗导航卫星是北斗卫星导航系统的组成部分，总计划发射35颗导航卫星。2012年12月，我国宣布北斗导航系统正式提供区域定位导航服务，我国成为第三个拥有自主卫星导航系统的国家。北斗导航卫星提供两种服务方式，即开放服务和授权服务（属第二代系统）。在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0.2米/秒。北斗卫星导航系统有望在2020年前具备全球组网能力。

北斗卫星导航系统可在任何天气条件下，为水上航行船舶提供导航定位和安全保障，北斗卫星导航系统特有的短报文通信功能将支持各种新型服务的开发。在航空航天方面，通过将北斗卫星导航系统与其他系统的有效结合，将为航空运输提供更多的安全保障。在救灾应急方面，北斗卫星导航终端设备可及时报告终端所处位置和受灾情况，有效缩短救援搜寻时间，提高抢险救灾时效，大大减少人民生命财产损失。

2014年10月，北斗系统开始在青海省牧区试点建设北斗卫星放牧信息化指导系统，主要依靠牧区放牧智能指导系统管理平台、牧民专用北斗智能终端和牧场数据采集自动站，实现数据信息传输，并通过北斗地面站及北斗星群中转、中继处理，实现草场牧草、牛羊的动态监控。

2）蜂窝移动通信

蜂窝移动通信信号的覆盖范围依赖于基站的位置和数量，移动终端只要能接收到基站信号就能实现定位，主要用于室外环境以及某些室内环境，目前主要使用3G及4G通信信号。其定位原理是通过对移动端接收到的信号的幅度、相位、时间以及到达角度等参数进行测量，然后通过特定的算法并结合基站的坐标来判断出移动端所在的位置。

3）短距离无线通信

移动终端能够通过Wi-Fi、蓝牙、RFID和ZigBee等短距离通信信号实现定位，这些网络信号的覆盖范围相对较小，一般都在10米左右，但定位精度可以达到1米以内，其定位服务主要应用于商场、机场等室内环境。

短距离无线通信定位技术(www.xing528.com)

①Wi-Fi定位技术

几乎所有的移动终端都配备有Wi-Fi网络接入的功能，而且，大部分的商场、办公大楼、机场等公共场合都已经实现Wi-Fi信号的覆盖，正是基于以上两点，Wi-Fi组网成为解决室内定位问题的一个重要方案。

Wi-Fi定位技术主要有三种：第一种是基于接收信号强度的三边测量定位（也叫接收信号强度定位法），这也是现在业界应用最多的Wi-Fi定位技术，不过定位精度不高，大概只能达到10～20米的精度，有些情况甚至会更低；第二种是基于接收信号强度的指纹定位，可以达到3～5米的定位精度；第三种是基于信号飞行时间的测量，它可以达到低于1米的精度，不过其生态系统还不完备，现有的设备不完全支持。

总的来说，Wi-Fi定位技术的优点有：网络已广泛部署，产品成熟，价格低廉；无需额外设备，成本低；具有良好的可扩展性。但也存在不少缺点，如信号容易受到环境的干扰、定位精度还不够高且具有较强的时变性及训练数据采集工作量大等。Wi-Fi定位技术想要在大量的建筑内使用，要解决的主要问题是如何可靠地产生并动态地维护数据库。

②RFID技术

RFID技术的应用范围很广，比较典型的应用是图书馆、门禁系统及视频安全溯源等。该技术可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或者光学接触。比如，将射频标签附在一辆正在生产中的汽车，解读器就可以接收到该标签发出的无线电波，然后进行解码，最后送至中央信息系统进行有关数据处理，就这样达到了自动辨识与追踪的目的，就可以了解此车在生产线上的进度。

该技术的优点是，无源RFID标签的定位成本低、有源RFID标签的定位范围相对较大，而且可根据不同的应用需求选择不同的定位方法。局限的地方在于无源RFID读写器成本较高、需要部署多个读写器构建定位基础设施及难以大规模部署等。并且定位精度随着标签及部署方式的不同变化较大。所幸的是，通过增加参考标签的方法可以提高定位精度。

③低功耗蓝牙（Bluetooth）技术

蓝牙（Bluetooth）是一种短距离无线组网的技术标准，也是无线通讯的一种协议，满足该协议标准的固定设备和移动设备通过2.4—2.485GHz全球统一开放的UHF无线电波实现数据交换。采用低功耗蓝牙技术所进行的微定位技术，其定位成本低，部署方便，但定位精度约3米以内，抗干扰能力也较差。

基于蓝牙技术的定位服务在零售领域的应用变得越来越重要。较有代表性的蓝牙定位技术是美国苹果公司的iBeacon服务。2013年9月，苹果公司发布的移动设备上采用了基于低功耗蓝牙技术的iBeacon功能，其工作方式是使用蓝牙技术向周围发送终端特有的ID，接收到该ID的应用软件会采取相应的行动。

④ZigBee技术

ZigBee（紫蜂协议）是一种低速短距离传输的无线网络协议，从下到上分别为物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层、应用层等，其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4低功耗局域网标准协议的规定。根据该标准，ZigBee协议支持数千个微小传感器之间相互协调实现通信，以类似自然界中蜜蜂群接力的方式，通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，这些传感器只需要消耗很少的能量。与其他短距离通信技术类似，ZigBee技术配合专用定位软件后，其定位精度约为1—2米。

⑤超宽带（UWB）技术

超宽带技术（UWB，Ultra Wide Band）是一种新型的无线通信技术，它利用纳秒至亚纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，使信号具有GHz量级的带宽。由于UWB的脉冲宽度极窄，时间分辨率极高，所以UWB用于定位具有伪距测量精度高、抗多径千扰能力强的优势。目前典型的UWB定位系统有Multispectral Solution公司开发的Sapphire定位系统以及Ubisense公司开发的Unbise定位系统。

UWB室内定位精度在视距环境下较Wi-Fi、Zigbee、RFID等定位系统精度大幅提高，但UWB系统目前不及其他系统普及，且作用距离仅为10米量级，产业推广难度较其他短距离通信系统更加困难。

（2）移动定位的空间范围

1）室外广域空间

开敞的室外空间是移动定位服务主要的应用场所，交通领域的车辆定位导航、海上作业的船只导航以及农林业等领域的定位都属于典型的室外空间导航定位。卫星广播信号在开阔的室外环境下可提供较精确的定位服务，该信号是使用最广的定位信号，其次才是蜂窝移动通信信号。

全球卫星定位系统是目前最重要的户外移动定位系统，它在军用和民用领域均发挥着越来越重要的作用。在军事上，它可为国防测绘提供保障，为导弹和潜艇提供精准的实时定位；在交通运输上，它可为海陆空的交通提供准确的线路，提高交通干线勘选效率；在民用领域，它已在电信、电力、勘测等各种行业中发挥不可或缺的作用。目前，除了车载、船载接收机外，大部分的智能手机和部分便携式平板电脑都配备有位置导航模块，可以轻松地实现定位导航，以满足各种户外活动需求。

2）室内局部空间

在高楼密集的中心城区和室内，卫星信号受建筑物遮挡、干扰较为严重。由于无法感知足够的卫星广播信号，接收机的定位精度会急剧下降，甚至无法定位。为了弥补卫星导航系统存在的定位盲区，需采取其他定位方式进行辅助，实现室内高精度定位。

室内定位技术是移动终端由室外场景向室内场景延展的基础，随着先进制造业和体验式服务业的发展，室内定位服务也逐渐走入人们的视野。德国的“工业4.0”制造模式展示了一种全新的智能制造场景，这种高度自动化的生产流水必须有精准室内定位技术的支持才能完成。在日常生活领域，使用蓝牙或Wi-Fi技术可实现室内的精准定位，为用户带来更好的购物体验。

2015年6月，国内手机地图软件“百度地图”开始利用一项名为IndoorAtlas的地磁定位技术为用户提供室内定位的服务。IndoorAtlas能够利用地球磁场将室内定位精度提升至1米之内，突破此前室内定位精度仅为3—5米的局限，为基于位置的广告和其他服务内容创造空间。

3）室内外融合空间

由上可知，卫星传播信号在户外具有较好的定位性能，而短距离通信则在室内有较高的定位精度，因此，如果要同时实现室内外两个空间的融合定位，则必须同时借助不同类型的多种无线电信号和专门的处理机制。

北京邮电大学研制出一种TC-OFDM定位与通信融合的新型信号体制，基于地面移动通信网，可利用数量众多、信号覆盖良好的通信基站，通过定位信号和通信信号的一体化融合，实现高精度的广域室内外无缝定位。TC-OFDM定位系统利用地面上行站将通信信号与授时信号上行至卫星，卫星将通信信号与授时信号播发至地面广播基站，由卫星授时接收机对通信基站进行高精度时间同步，通信基站将高精度定位信号融合到OFDM信号上，形成高同步精度的TC-OFDM定位信号，定位精度可达3米以内。