lbs定位技術從方法上可分成三類:基於三角關係的定位技術、基於場景分析的定位技術、基於臨近關係的定位技術(唐毅和楊博雄,2003)。
本博文首先對基於三角關係的定位技術進行了介紹,並對其中的應用最廣泛的代表gps進行闡述。
該技術的基本原理很簡單,可以抽象成如下問題:已知a、b、c三個點的座標,以及該三點至d點的距離(分別是d0,d1,d2),求d點的座標。可以列出以下公式(式1),三個方程三個未知數,能求出唯一解。這種定位技術根據測量得出的資料,利用幾何三角關係計算被測物體的位置,它是最主要的,也是應有最廣的一種定位技術。
gps(全球定位系統)的空間部分使用24顆高度約2.02萬千公尺的衛星組成衛星星座。衛星分布在六個中距離近圓形軌道面上(每軌道面四顆),軌道傾角為55度。衛星的分布使得在全球的任何地方,任何時間都可觀測到四顆以上的衛星。
gps定位的基本原理即前面提到的三角關係法。接收機接收各個衛星si傳送的訊息mi,訊息mi不僅包含著衛星si的空間座標,還包括衛星傳送訊息的時間ti。接收機在接收mi後就可根據本地接收機的時間與衛星傳送訊息時間之差來計算距離di:di = c*t;其中c是光速,t是時間差。然而,由於各種原因,包括大氣、建築物,時鐘誤差等等因素,光速c以及時間差t是具有誤差的,di的結果很不準確,因此在計算時候需要加個誤差項進行修正,並且假設各個衛星的誤差項一樣(式2)
除了空間位置三個引數,現在又多出了誤差項,共有4個引數需要求解,至少需要4個衛星才能解算(如式3所示)。
在野外開闊地區,可接收的衛星數目一般大於4顆,這時可以採用兩種方法提高精度:1)挑選訊號較強,並且並能保持良好定位解算精度的幾何圖形的4顆衛星資料進行計算,採用式3解方程即可算出結果;2)所有衛星資料都參與計算,使用最小二乘法進行求解。由於第二種方法能顯著減小系統誤差,因此被廣泛使用。
一般的接收機在計算位置座標時採用的是牛頓迭代法來求解非線性方程組,該法在計算時需要首先提供個初始座標,然後在此基礎上反覆迭代計算,直到滿足規定的限差為止。
gps接收機(如手機或導航儀等)初次定位一般比較,主要有兩個原因:
a) 重新搜星
gps接收機需要根據衛星的訊號頻率來捕捉衛星訊號,和大家收聽收音機一樣,需要知道某台的頻率,然後調到那個頻率才能收聽。直觀上,由於gps衛星數目(24顆)以及各個衛星的訊號頻率是已知的,因此只需要按照給定的頻率窮舉搜尋即可,即每次以某一頻率搜尋訊號,最多搜尋24次。然而,由於都卜勒效應的存在(都卜勒效應指的是:當乙個訊號源與觀察者有相對運動時,觀察者觀察到的訊號源的頻率會發生變化),gps訊號和地球的運動造成地面觀察到的gps訊號的頻率大概有正負5khz的誤差,因此需要對正負5khz區間內的頻率進行窮舉匹配,相對於原來對24個頻率點進行窮舉而言,這種對24個頻率區間內的各個頻率進行窮舉匹配顯然極為耗時。
gps接收機在首次搜尋到衛星時,一般會將搜尋到的衛星訊號頻率等資訊進行儲存,稱之為「星曆」。當gps連續使用時候,此時星曆一般不會變化,因此無需進行搜星操作,速度會大大提高。一段星曆最多覆蓋300km的範圍,若在a地點確定星曆後,關機後gps導航被移動超過300公里後,gps導航位置處於另一段星曆之下,此時gps導航會重新搜星,以確定星曆。
b)初始位置不準確
前面講過,gps接收機計算時一般使用的是牛頓迭代法,該法需要給定初始位置,初始位置越精確,迭代收斂越快!由於是第一次啟動,初始位置是上一次開機時儲存的最後一次定位的座標,往往與現在所處的真實位置偏差較大,由此使得計算的迭代次數顯著增多,計算較慢。
當連續使用gps時可以發現定位速度明顯變快,因為此時初始位置與實際位置較為接近(初始位置為上次定位的位置),計算能很快收斂,一般只需迭代兩三次。
目前手機定位採用的最普遍的技術是a-gps(輔助全球衛星定位系統)。a-gps定位包括以下幾個流程:
a) 手機從基站獲取到當前所在的小區位置(初始位置值);
b)手機通過基站或網路將當前小區位置傳送給網路中的agps位置伺服器(走流量),apgs位置伺服器根據當前小區位置查詢該區域當前可用的衛星資訊(包括衛星訊號的都卜勒頻偏,初始位置值),並返回給手機;
c)手機根據從agps伺服器得到的衛星訊號的都卜勒頻移資訊,只需要對很少的幾個頻率點或頻率區間進行搜尋,搜星速度大大加快;此外由於基站也給出了初始位置值,該位置與實際位置相差不會太大,因此計算的迭代次數較少。
除gps定位之外,目前常使用的就是基於wifi或基站的定位,具體原理可參考:基於樸素貝葉斯的定位演算法
唐毅, 楊博雄. 電信工程技術與標準化, 58-62, 2003
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