LBS隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的火熱而在近年成為一個(gè)火熱的概念，其本義是基于位置的服務(wù)(Location Based Service)，而如何定位位置成為L(zhǎng)BS中的基本。即便是智能手機(jī)的定位，也是通過(guò)設(shè)備自帶的GPS模塊實(shí)現(xiàn)，但定位系統(tǒng)的選擇不僅僅只有GPS一種選擇。本篇文章即意在概述下關(guān)于定位系統(tǒng)的那些事兒!

一、全球定位系統(tǒng)(GPS)

全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，簡(jiǎn)稱：GPS)，是美國(guó)國(guó)防部研制和維護(hù)的中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)(98%)提供準(zhǔn)確的定位、測(cè)速和高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。全球定位系統(tǒng)可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)精確的確定三維位置、三維運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的需要。該系統(tǒng)包括太空中的24顆GPS衛(wèi)星;地面上1個(gè)主控站、3個(gè)數(shù)據(jù)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站及作為用戶端的GPS接收機(jī)。最少只需其中3顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度;所能收聯(lián)接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來(lái)的位置就越精確。

GPS信號(hào)分為民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS，Standard Positioning Service)和軍規(guī)的精確定位服務(wù)(PPS，Precise Positioning Service)兩類，定位精度為10米。

GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面上，即每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對(duì)于地球赤道面的軌道傾角為55°，各軌道平面的升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60° ，一個(gè)軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星升交角距超前30°。這種布局可保證在全球任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻至少可以觀測(cè)到4顆衛(wèi)星。

GPS接收器要確定當(dāng)前設(shè)備的位置，需要四顆GPS衛(wèi)星協(xié)助定位，所需要的信息包括：

1、四顆衛(wèi)星的空間位置坐標(biāo)：根據(jù)星載時(shí)鐘(原子時(shí)鐘)所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出，每顆GPS衛(wèi)星都實(shí)時(shí)向全球廣播自己的空間位置信息。

2、四顆衛(wèi)星到GPS接收器的距離：通過(guò)紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間(GPS接收器的時(shí)間戳-GPS衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)時(shí)的時(shí)間戳)，再將其乘以無(wú)線電波的速度(即光速)得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距(PR))。

由于無(wú)線電波速度也會(huì)受到空中電離層的影響，GPS衛(wèi)星廣播的自己的位置也可能會(huì)有誤差，GPS接收器使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一顆衛(wèi)星與GPS接收器之間的時(shí)間差作為計(jì)算參數(shù)，以校正誤差。所以如果想知道GPS接收器所處的位置，至少要能接收到4顆衛(wèi)星的信號(hào)。

二、輔助全球定位系統(tǒng)(AGPS)

由于在城市中，GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)會(huì)受到包括電離層、建筑物、植被的削弱及多徑效應(yīng)的干擾，導(dǎo)致GPS接收器接收到的GPS信號(hào)非常弱。一些GPS接收器在貧弱的GPS信號(hào)下無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位，只有在持續(xù)一定時(shí)間地接受清晰的GPS信號(hào)時(shí)才能進(jìn)行定位，且定位時(shí)長(zhǎng)可達(dá)12.5分鐘，故需要利用手機(jī)基站信號(hào)，配合GPS信號(hào)進(jìn)行定位，從而讓定位速度更快。

在蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)中，AGPS系統(tǒng)通過(guò)手機(jī)定位服務(wù)器作為輔助服務(wù)器來(lái)協(xié)助GPS接收器(通常是手機(jī))完成測(cè)距和定位服務(wù)，輔助定位服務(wù)器有比GPS接收器強(qiáng)大得多的GPS信號(hào)接收環(huán)境和能力，在這種情況下，輔助定位服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)的GPS接收器通信而提供定位協(xié)助。

三、GSM蜂窩基站定位

GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是由360px-Base_station_mexico-city一系列的蜂窩基站構(gòu)成的，這些蜂窩基站把整個(gè)通信區(qū)域劃分成一個(gè)個(gè)蜂窩小區(qū)，這些小區(qū)小則幾十米，大則幾千米。GSM定位，就是借助這些蜂窩基站進(jìn)行定位。

GSM蜂窩基站定位技術(shù)包括以下幾種：

1、COO(Cell of Origin)定位

COO定位是一種單基站定位，即根據(jù)設(shè)備當(dāng)前連接的蜂窩基站的位置來(lái)確定設(shè)備的位置，之所以可以通過(guò)單基站定位，是因?yàn)榭梢垣@取確定的基站地理位置信息，終端通過(guò)獲取當(dāng)前設(shè)備接入的基站位置信息和當(dāng)前基站周圍完整的GIS(地理信息系統(tǒng))，就可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端的定位。運(yùn)營(yíng)商在建立基站時(shí)對(duì)每一個(gè)基站都有確切的位置記錄，因此，用戶在需要定位時(shí)首先發(fā)出定位申請(qǐng)，運(yùn)營(yíng)商根據(jù)用戶所處基站提取用戶位置信息反饋給用戶，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端定位。

COO定位的精度就取決于蜂窩小區(qū)的半徑。在基站密集的城市中心地區(qū)，通常會(huì)采用多層小區(qū)，小區(qū)劃分的很小，這時(shí)定位精度可以達(dá)到50M以內(nèi);而在其他地區(qū)，可能基站分布相對(duì)分散，小區(qū)半徑較大，可能達(dá)到幾千米，也就意味著定位精度只能粗略到幾千米。

2、七號(hào)信令定位

該技術(shù)以信令監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，能夠?qū)σ苿?dòng)通信網(wǎng)中特定的信令過(guò)程，如漫游、切換以及與電路相關(guān)的信令過(guò)程進(jìn)行過(guò)濾和分析，并將監(jiān)測(cè)結(jié)果提供給業(yè)務(wù)中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定用戶的個(gè)性化服務(wù)。該項(xiàng)技術(shù)通過(guò)對(duì)信令進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可定位到一個(gè)小區(qū)，也可定位到地區(qū)。故適用對(duì)定位精確度要求不高的業(yè)務(wù)，如漫游用戶問(wèn)候服務(wù)，遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)服務(wù)、平安報(bào)信和貨物跟蹤等。目前，國(guó)內(nèi)各省和地區(qū)移動(dòng)公司的短信歡迎系統(tǒng)采用的就是此種技術(shù)。

3、TOA/TDOA定位

TOA(Time of Arrival，到達(dá)時(shí)間)、TDOA(Time Difference of Arrival,到達(dá)時(shí)間差)都是基于電波傳播時(shí)間的定位方法。同時(shí)也都是三基站定位方法，二者的定位都需要同時(shí)有三個(gè)位置已知的基站合作才能進(jìn)行。

TOA原理是用基站傳輸?shù)接脩粼O(shè)備的時(shí)間與電磁波速度乘積獲得兩兩之間的距離，然后建立三元一次方程組獲得用戶設(shè)備所在位置。由于距離的計(jì)算完全依賴于時(shí)間，因此TOA算法對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間同步要求很高，任何很小的時(shí)間誤差都會(huì)被放大很多倍，同時(shí)由于多徑效應(yīng)的影響又會(huì)帶來(lái)很大的誤差，因而單純的TOA在實(shí)際中應(yīng)用很少。

TDOA的原理是將基站傳輸?shù)接脩粼O(shè)備的時(shí)間做兩兩求差，再根據(jù)一定的數(shù)學(xué)方法獲得用戶設(shè)備的位置信息。TDOA的求差過(guò)程會(huì)抵消其中很大一部分的時(shí)間誤差和多徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差，因而可以大大提高定位的精確度。

4、AOA定位

AOA(Angle of Arrival，到達(dá)角度)定位是一種兩基站定位方法，基于信號(hào)的入射角度進(jìn)行定位。

AOA定位通過(guò)兩直線相交確定位置，不可能有多個(gè)交點(diǎn)，避免了定位的模糊性。但是為了測(cè)量電磁波的入射角度，接收機(jī)必須配備方向性強(qiáng)的天線陣列。

5、基于場(chǎng)強(qiáng)的定位

該方法是通過(guò)測(cè)出接收到的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)和已知的信道衰落模型及發(fā)射信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值估計(jì)收發(fā)信短的距離，根據(jù)多個(gè)三個(gè)距離值就可以得到設(shè)備的位置。從數(shù)學(xué)模型上看，和TOA算法類似，只是獲取距離的方式不同。場(chǎng)強(qiáng)原理雖然簡(jiǎn)單，但是由于多徑效應(yīng)的影響，定位精度較差。

6、混合定位

根據(jù)以上幾種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定位依靠檢測(cè)WIFI接入點(diǎn)(WiFi Access Point)的MAC Address (類似10-78-D2-93-58-C2這樣的格式)，去比對(duì)資料庫(kù)中該MAC Address的座標(biāo)，交叉連集出所在地。此法尚須有網(wǎng)路連線做資料庫(kù)查詢才能完成定位。

WIFI定位主要用于GPS定位條件不滿足的情況，比如多徑效應(yīng)信號(hào)干擾環(huán)境以及信號(hào)被阻隔的室內(nèi)環(huán)境，類似的系統(tǒng)比如室內(nèi)定位系統(tǒng)，該方法的應(yīng)用得益于近十多年城市公共WIF熱點(diǎn)的快速增長(zhǎng)，使用WIFI定位服務(wù)的商業(yè)公司包括Google、Navizon、AlterGeo和Skyhook。

以Google為例，其建立WIFI接入點(diǎn)資料庫(kù)的方式靠的是Google街景車，Google街景車除了拍下街景以外，另外還做了兩件事情：

1、沿路搜集所有公開(kāi)的無(wú)線網(wǎng)路MAC Address，與當(dāng)時(shí)的經(jīng)緯度一并記錄。

2、根據(jù)拍下的街景來(lái)建立建筑物3D模型資料。

Google的WIFI信息資料庫(kù)會(huì)面臨過(guò)期與需要更新的問(wèn)題，更新的方法是使用定位設(shè)備和Google程序的用戶在WiFi與手機(jī)基地臺(tái)定位或GPS定位同時(shí)開(kāi)啟時(shí)，手持裝置藉由手機(jī)基地臺(tái)定位或GPS定位這兩種方式可以獲得目前的座標(biāo)，再透過(guò)WiFi搜尋到附近所有的MAC Address，背后向Google的資料庫(kù)做更新。

用WIFI接入點(diǎn)定位是基于檢測(cè)接收到的WIFI信號(hào)的強(qiáng)度(received signal strength，簡(jiǎn)稱RSS)，即三角(點(diǎn))定位法和指紋識(shí)別方法，定位的精度則受到WIFI接入點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的接入點(diǎn)數(shù)量的影響。

1、三角定位法

基于三角定位算法的WiFi定位可分成兩個(gè)階段：測(cè)距與定位。

①測(cè)距階段：待測(cè)點(diǎn)首先接收來(lái)自三個(gè)不同已知位置WIFI接入點(diǎn)的RSS，然后依照無(wú)線信號(hào)的傳輸損耗模型將其轉(zhuǎn)換成待測(cè)目標(biāo)到相應(yīng)WIFI接入點(diǎn)的距離。無(wú)線信號(hào)在傳輸過(guò)程中通常會(huì)受路徑損耗、陰影衰落等的影響，接收信號(hào)功率隨距離的變化關(guān)系可由信號(hào)傳輸損耗模型給出。

②定位階段：通過(guò)三角形算法計(jì)算待測(cè)點(diǎn)位置，即分別以已知位置的三個(gè)WIFI接入點(diǎn)為圓心，以其各自到待測(cè)點(diǎn)的距離為半徑為范圍，所得三個(gè)圓形范圍的交點(diǎn)即為待測(cè)點(diǎn)位置。

由此可見(jiàn)，基于三角定位法很大程度上依賴于確知的WIFI接入點(diǎn)位置信息及準(zhǔn)確的信號(hào)傳輸損耗模型。

2、指紋識(shí)別定位法

與通常意義上的指紋識(shí)別類似，位置指紋識(shí)別依靠表征目標(biāo)特征的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行識(shí)別，其定位過(guò)程主要分為訓(xùn)練與定位兩個(gè)階段。

①訓(xùn)練階段：其目標(biāo)在于建立一個(gè)位置指紋識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)。首先，選擇合理的參考點(diǎn)分布，確保能為定位階段的準(zhǔn)確位置估計(jì)提供足夠的信息。接著依次在各個(gè)參考點(diǎn)上測(cè)量來(lái)自不同AP的RSS值，將相應(yīng)的MAC地址與參考點(diǎn)的位置信息記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中，直至遍歷關(guān)注區(qū)域內(nèi)所有的參考點(diǎn)。由于受環(huán)境影響，無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度并不穩(wěn)定，為了克服RSS不穩(wěn)定對(duì)定位的影響，通常在每個(gè)參考點(diǎn)上多次測(cè)量取平均。

②定位階段：給定數(shù)據(jù)庫(kù)后，依據(jù)一定的匹配算法將待測(cè)點(diǎn)上接收的AP RSS與數(shù)據(jù)庫(kù)中的已有數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計(jì)算位置估計(jì)值。常用的匹配算法有最近鄰法(NN)、KNN、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

相比三角測(cè)量基于信號(hào)傳輸模型來(lái)估算無(wú)線終端與WIFI接入點(diǎn)間的相對(duì)距離，指紋識(shí)別具有更高的準(zhǔn)確度，因?yàn)樗褂玫氖钦鎸?shí)采集的信號(hào)信息而不是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)推算。但該法同樣存在很大的問(wèn)題：首先，指紋識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建需要耗費(fèi)大量的人力物力，數(shù)據(jù)庫(kù)完備程度會(huì)影響到定位的精度。其次，WLAN無(wú)線信號(hào)時(shí)變特性導(dǎo)致預(yù)先采集的數(shù)據(jù)在某種意義上只具有“瞬時(shí)”有效性，而且所部署環(huán)境的變化都會(huì)導(dǎo)致RSS或大或小的變化，使得需要重構(gòu)指紋識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)。

查水表的定位術(shù)

有關(guān)部門定位嫌疑人的方式并不是通過(guò)日志來(lái)查詢、鎖定，而是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的數(shù)據(jù)來(lái)查找。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商會(huì)提供某可疑IP上網(wǎng)時(shí)間以及該IP分配電話、寬帶注冊(cè)地址等等信息供相關(guān)部門鎖定嫌疑人真實(shí)信息。如果嫌疑人有預(yù)留電話號(hào)碼，無(wú)論該電話號(hào)碼是否是實(shí)名注冊(cè)，通過(guò)移動(dòng)手機(jī)設(shè)備自身的一個(gè)串碼即可以查詢嫌疑人的手機(jī)用過(guò)幾張SIM卡以及每個(gè)卡的號(hào)碼是多少，當(dāng)確定某個(gè)電話號(hào)碼開(kāi)通，便會(huì)利用無(wú)線電天線來(lái)偵查嫌疑人位置，調(diào)查人員還可以監(jiān)聽(tīng)手機(jī)短信。當(dāng)我們的手機(jī)接通后基站會(huì)給我們建立一個(gè)通訊頻率，該頻率運(yùn)營(yíng)商是確切掌握的，手機(jī)會(huì)通過(guò)本振頻率來(lái)放大無(wú)線電波，放大無(wú)線電波的目的是為了準(zhǔn)確的搭建起來(lái)語(yǔ)音通話頻。運(yùn)營(yíng)商的無(wú)線電波屬于短波F/0，穿透力比較弱，周期比較短。當(dāng)確定嫌疑人手機(jī)號(hào)碼后運(yùn)營(yíng)商會(huì)提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)波段的密碼。調(diào)查人員通過(guò)設(shè)備連接到該頻率即可收聽(tīng)到語(yǔ)音通話內(nèi)容。

語(yǔ)音監(jiān)聽(tīng)的步驟大致為，A手機(jī)號(hào)碼給B手機(jī)號(hào)碼打電話的時(shí)候，手機(jī)發(fā)送頻率會(huì)上升，當(dāng)手機(jī)頻率上升后會(huì)發(fā)送給基站一個(gè)信號(hào)，這個(gè)信號(hào)里面包括手機(jī)串號(hào)和手機(jī)卡串號(hào)進(jìn)行一個(gè)身份認(rèn)證和扣費(fèi)計(jì)時(shí)，我們每次打電話的時(shí)候都要等待1-5秒的時(shí)間才會(huì)有嘟嘟的聲音的過(guò)程就是信號(hào)的發(fā)送過(guò)程。當(dāng)B手機(jī)接通以后手機(jī)頻率會(huì)降低，降低就是為了減少無(wú)線電波的干擾和噪音，也就是跳頻技術(shù)。當(dāng)降到1200-900MHZ在這個(gè)范圍里本振頻率開(kāi)始工作，每個(gè)手機(jī)都有這個(gè)功能，這個(gè)本振頻率有一個(gè)振動(dòng)器是感覺(jué)不到的，它的作用就是將手機(jī)信號(hào)放大，當(dāng)調(diào)查人員進(jìn)入被監(jiān)聽(tīng)者手機(jī)頻率的時(shí)候，被監(jiān)聽(tīng)者會(huì)聽(tīng)到電話里有滋滋的電波聲音，或者亞音破音。這說(shuō)明目標(biāo)已被鎖定，可以通過(guò)語(yǔ)音取證了。運(yùn)營(yíng)商提供給公眾的語(yǔ)音服務(wù)就是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的一個(gè)加密模式，運(yùn)營(yíng)商提供給有關(guān)部門通話頻率密碼的條件下，被監(jiān)聽(tīng)者的通話則易如反掌。如果提供的是基站的通信密碼則可以對(duì)該基站范圍的語(yǔ)音進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。