作者：hacker发布时间：2022-11-10分类：黑客教程浏览：104评论：1
测量工作的实质是确定地面点的位置，而地面点的位置通常需要用三个量表示，即该点的平面（或球面）坐标以及该点的高程。因此，必须首先了解测量的坐标系统和高程系统。
一、坐标系统
坐标系统是用来确定地面点在参考椭球面或投影在水平面上的位置。表示地面点位在球面或平面上的位置，通常有下列三种坐标系统。
1.地理坐标
地面点在椭球面（大地水准面）上的位置用经度和纬度表示的，称为地理坐标。按照基准面和基准线及求算坐标方法的不同，地理坐标又可分为天文地理坐标（简称为天文坐标）和大地地理坐标（简称为大地坐标）两种。图1-2所示为天文地理坐标，它用天文经度λ和天文纬度φ表示地面点A在大地水准面上的位置。天文经度和天文纬度是用天文测量的方法直接测定的。大地坐标是用大地经度L和大地纬度B表示地面点在地球椭球面上的位置。大地经度L和大地纬度B是根据大地测量所得数据推算得到的。
图1-2 天文地理坐标
经度是从首子午线（首子午面）向东或向西自0°起算至180°，向东者为东经，向西者为西经；纬度是从赤道（赤道面）向北或向南自0°起算至90°，分别称为北纬和南纬。我国的国土范围位于北半球及东半球，经度为东经，纬度为北纬。例如江西省赣州市江西理工大学某点的大地坐标为东经L=114°55′20.22″，北纬B=25°51′26.17″；北京市某点的大地坐标为东经116°28′，北纬39°54′。
2.高斯平面直角坐标
上述地理坐标只能确定地面点在大地水准面或地球椭球面上的位置，不能直接用来测图。测量上的计算和绘图最好是在平面上进行，而地球椭球面是一个曲面，不能简单地展开成平面，那么如何建立一个平面直角坐标系呢？我国是采用高斯投影来实现的。
高斯投影首先是将地球按经线分为若干带，称为投影带。它从首子午线（零子午线）开始，自西向东每隔6°划为一带，每带均有统一编排的带号，用N表示，位于各投影带中央的子午线称为中央子午线（L0），也可由东经1°30′开始，自西向东每隔3°划为一带，其带号用n表示，如图1-3所示。我国国土所属范围位于6°带投影的第13带至第23带，即带号N=13～23。相应地，在3°带中位于为第24带至第46带，即带号n=24～46。
图1-3 投影分带与6°（3°）带
6°带中央子午线经度L0=6N-3，3°带中央子午线经度L′0=3n。例如，南京市某点的经度为东经118°47′。它属于6°带第20号带，即N=
=20（四舍五入取整数（四舍五入取整数值），相应6°带中央子午线经度L0=6N-3=6×20-3=117°；它属于3°带第40号带，即
（四舍五入取整数值），相应3°带中央子午线L′0=3n=3×40=120°。
图1-4 高斯平面直角坐标的投影
设想把一个椭圆柱体套在椭球外面，使椭圆柱体的轴心通过椭球的中心，并与椭球面上某投影带的中央子午线相切，然后将中央子午线附近（即本带东西边缘子午线构成的范围）的椭球面上的点、线投影到椭圆柱面上，如图1-4所示。再沿着过南北极的母线将圆柱面剪开，并展开为平面，这个平面称为高斯投影平面。在高斯投影平面上，中央子午线和赤道的投影是两条相互垂直的直线。我们规定中央子午线的投影为高斯平面直角坐标系的X轴，赤道的投影为高斯平面直角坐标系的Y轴，两轴交点O为坐标原点，并令X轴上原点以北为正，Y轴上原点以东为正，由此建立了高斯平面直角坐标系，如图1-5（a）所示。
在图1-5（a）中，地面点A，B在高斯平面上的位置，可用高斯平面直角坐标x，y来表示。
由于我国国土全部位于北半球（赤道以北），故我国国土上全部点位的x坐标值均为正值，而y坐标值则有正有负。为了避免y坐标值出现负值，我国规定将每带的坐标原点向西移500km，如图1-5（b）所示。由于各投影带上的坐标系是采用相对独立的高斯平面直角坐标系，为了能正确区分某点所处的位置，规定在横坐标y值前面冠以投影带带号，这样得到的坐标称为y坐标的通用值。例如，图1-5（a）中B点位于高斯投影带第20带内（N=20），其横坐标的自然值y=-113424.690m，按照上述规定y坐标的通用值为yb=20+（-113424.690+500000）=20386575.310，对比反之，人们从这个yb值中可以知道，该点是位于6°投影的第20带，其横坐标的自然值 y=386575.310-500000=-113424.690m。
图1-5 高斯平面直角坐标
高斯投影是正形投影，一般只需将椭球面上的方向、距离等观测值经高斯投影的方向改化和距离改化后，归化为高斯投影平面上的相应观测值，然后在高斯平面坐标系内进行平差计算，从而求得地面点位在高斯平面直角坐标系内的坐标。
3.独立平面直角坐标
当测量范围较小时（如半径不大于10km的范围），可以将该测区的球面看作平面，直接将地面点沿铅垂线方向投影到水平面上，用平面直角坐标来表示该点的投影位置。在实际测量中，一般将坐标原点选在测区的西南角，使测区内的点位坐标均为正值（第一象限），并以该测区中部的子午线（或磁子午线）的投影为X轴，向北为正，与之相垂直的为Y轴，向东为正，由此建立该测区的独立平面直角坐标系，如图1-6所示。
图1-6 独立平面直角坐标
上述三种坐标系统之间也是相互联系的，例如地理坐标与高斯平面直角坐标之间可以互相换算，独立平面直角坐标也可与高斯平面直角坐标（国家统一坐标系）之间连测和换算。它们都是以不同的方式来表示地面点的平面位置。
二、高程系统
新中国成立以后，我国曾以青岛验潮站多年观测资料求得黄海平均海水面作为我国的大地水准面（高程基准面），由此建立了“1956年黄海高程系”，并在青岛市观象山上建立了国家水准原点，水准原点高程H=72.289m。以后，随着几十年来验潮站观测资料的积累与计算，更加精确地确定了黄海平均海水面，称为“1985国家高程基准”，此时测定的国家水准原点高程H=72.260m。根据国家测绘总局国测发［1987］198 号文件通告，此后全国都应以“1985 国家高程基准”作为统一的国家高程系统。现在仍在使用的“1956年黄海高程系”及其他高程系统（如吴淞高程系统）均应统一到“1985国家高程基准”的高程系统上。在实际测量中，特别要注意高程系统的统一。
所谓地面点的高程（绝对高程或海拔）就是地面点到大地水准面的铅垂距离，一般用H表示，如图1-7所示。图中地面点A，B的高程分别为HA，HB。
在个别的局部测区，若远离已知国家高程控制点，为便于施工，也可以假设一个高程起算面（即假定水准面），这时地面点到假定水准面的铅垂距离，称为该点的假定高程或相对高程。如图1-7中A，B两点的相对高程为H′A，H′B。
地面上两点间的高程之差，称为高差，一般用h表示。图1-7中A，B两点间高差hAB为
hAB=HB-HA=H′B-H′A
式中：h的下标表示高差的起终点，如下标AB表示A点至B点的高差。高差有正有负，为正时表示终点高于起点，反之则表示终点低于起点。上式也表明两点间高差与高程起算面无关。
综上所述，当通过测量与计算，求得表示地面点位置的三个量，即X，Y，H或L，B，H，那么地面点的空间位置也就可以确定了。
图1-7 高程和高差
现在网络已经大部分覆盖了我们生活和工作的区域，“网络已连接”成为了我们日常不可或缺的一部分，但是我们在乘坐高铁、地铁时，仍会出现“网络信号不佳”甚至是“网络已断开”的情况。
在地面，我们通信是通过基站4G、5G组网信号覆盖，导航等也可以直接通过北斗定位，但在地下，由于建筑遮挡导致室内接收的信号波被削弱甚至被阻挡，导致了地下通信信号弱的现象普遍存在。同时，地铁的高速移动让地下信号回传定位更是加大了难度。
3月20日，我国首个地铁北斗定位系统在北京开工建设，此次“超大城市轨道交通系统高效运输与安全服务关键技术”项目采用了室内 北斗+5G 融合的定位技术，来实现室内定位信号的播发，让用户可以接收到导航定位的信号， 使地铁站地下空间的定位精度提高到优于2米 。该系统可用于车辆调度、客运组织、应急处置，同时还能让乘客能够在地下环境使用手机地图，并通过三维立体导航实现地铁站内的定位导航。
北斗+5G魅力何在
北斗卫星导航系统（简称：北斗系统） 主要是为全球用户提供全天候、全天时的定位、导航和授时服务。在2020年7月31日，北斗三号系统建成开通并提供全球服务，北斗系统进入全面推广应用的新阶段。
但北斗系统主要是解决室外的定位需求，在交通运输、农林渔业、水文监测、气象测报、救灾减灾、公共安全等方面都得到了基础的应用。其在室外的定位精度在10米左右，且测速精度为0.2米每秒，授时精度为20纳秒左右。但由于卫星信号无法覆盖室内且对环境免疫性较差，无法满足室内定位以及室外遮挡等复杂区域定位的必要条件，其在室内的应用也被大大限制了。
5G组网 是利用基站部署，具有密集组网、大带宽和多天线等对定位有利的条件，且其空中接口时延低至1ms，移动性支持500km/h的高速移动等，基于5G通信网络的定位技术可在室内实现亚米级甚至分米级的定位精度。
像地铁这类高速通行的地下环境，北斗+5G的深度融合可构建室内外覆盖定位体系，结合 5G大带宽、低时延、广连接 的优势和 北斗系统的导航定位能力 ，大大提高复杂室内环境的定位精度。
地铁北斗定位系统是首次应用在地铁的北斗+5G解决方案，但其实这项融合定位技术早已在市场出现。2021年4月，中国移动开发5G+北斗精准导航系统，并在重庆解放碑地下环道进行试验。
室内定位已是刚需
RFID（射频识别）技术： 利用射频方式，固定天线形成电磁场，附着于物品的标签经过磁场后感应电流生成把数据传送出去，从而进行非接触式双向通信交换数据，实现移动设备识别和定位的目的。它可以在几毫秒内获取厘米级的定位信息，且电磁场具有非视距的优点，RFID室内定位技术也具有传输范围大、成本较低的特征。但其不具有通信能力，抗干扰能力较差，不便于整合到其他系统之中，且用户的安全隐私保障和国际标准化都不够完善，因而一般应用在物流、仓库定位中。
WiFi技术： WiFi室内定位分为两种，一种是利用移动设备和无线网络接入点组成的无线局域网络，通过差分算法，来比较精准地对人和车辆的进行定位追踪。另一种是事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过新增设备的信号强度与巨量数据库对比，来完成定位跟踪。WiFi定位最高精确度大约在1米至20米之间，但Wi-Fi接入点通常都只能覆盖半径90米左右的区域，而且很容易受到其他信号的干扰，定位器的能耗也比较高。
ZigBee技术： ZigBee是一种短距离、低速率的无线网络技术。它主要是利用无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，通过传感器之间的相互协调通信进行设备的位置定位。因此ZigBee最显著的特点就是低功耗和低成本，但局限就在于信号传输受多径效应和移动的影响都很大，其衍射能力弱，穿墙能力弱。普遍用于大型的工厂和车间的人员在岗管理系统。
蓝牙技术： 作为一种短距离低功耗的无线传输技术，利用蓝牙接入点与用户连接，通过检测信号强度就可以获得用户的位置信息。蓝牙最大的优点是设备体积小、短距离、低功耗，容易集成在手机等移动设备中。但对于复杂的空间环境，蓝牙定位系统的稳定性稍差，受噪声信号干扰大。然而近些年大火的 蓝牙AOA 以接纳器和发射器为基础，能够在确认的区域内经过多天线丈量信标信号，以及三角形定位法，来核算出信标设备准确方位，精度可高达0.1里面，但蓝牙AOA的部署环境大部分要求在1-3米的精度场景内。
UWB（超宽带）技术： UWB是近些年兴起的一种传输速率高，发射功率较低，穿透能力较强并且是基于极窄脉冲的无线通信技术，它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1~10.6GHz量级的带宽。UWB定位精度可达到亚米级，多应用于室内静止或者移动的活体定位跟踪，但依然存在功耗和成本需优化的问题。
融合定位是未来之势
前文已提到了常见的六种室内定位技术，但物联网的碎片化现象，使得单一技术无法很好地满足场景需求应用，因此融合定位成为了行业需求的趋势。
在去年中国卫星导航定位协会发布《2021中国卫星导航与位置服务产业发展白皮书》中指出，2020年全行业总产值同比增长16.9％，达到4033亿元。其中 高精度定位市场增速远超全行业，2020年同比增长47.5%，总产值达到110.4亿元。 从2010年到2020年的11年之间，高精度定位产品年销售收入增长了10倍，年均复合增长率高达26%。
单一的定位技术无法填补海量市场差异化的需求，因此类似于 “北斗+”，“5G+”，“UWB+”等融合定位技术 逐渐被推出，逐步完善产业链。像自动驾驶、智慧交通在技术快速演进阶段，“北斗+5G”技术成为了新型的解决方案；在智慧矿井的人员定位系统中，“UWB+ZigBee”技术比单一运用UWB更灵活等等。融合定位可以在单一定位技术上进行缺陷互补，能在场景应用中将功耗、成本、定位精度进行最优化的把控，打造精细化定位方案。
未来，融合定位将会大放异彩。
gps定位分为码定位和载波定位。码定位速度快，理想情况下，一般民用3m精度，军用0.3m。载波定位速度慢，不分民用还是军用，精密单点定位的话半个小时以上，如果观测时间足够长可达到mm级精度。另外还有差分定位方式，就是已知一个或者几个点的准确位置，用这几个点对那些待定点的定位信息进行修改，可以用手机信号，电台的方式向待定点站进行数据传输，从而快速准确的获得待定点的坐标，但是这是有一定范围的。你所指的定位精度就是你测出的点位坐标（x，y，z）与参考基准（人类定义的椭球体，三维坐标的指向等）上该点的真实坐标的差距，真实坐标是无法求得的，一般这些精度都是估值，使用概率统计的数学方法求得的。
蜂窝移动网络定位技术
随着第二代、第三代到第四代移动网络通信长期演进(Long Term Evolution,LTE)定位技术的发展，基于基站的蜂窝移动网络定位技术的精度得到了较大提高;第五代移动网络通信技术协议投入商用对室内定位领域是一个巨 大的契机，其密集组网技术也使得基站定位具备广阔的应用前景和发展空间。蜂窝定位技术可以便捷使用搭建的基础设施，依靠移动通信系统的体系结构和传输信息实现用户的位置坐标推算。利用室内可直按测得的无线电通信信号，与WiFi、蓝牙、UWB技术相同，既可基于信号强度使用传统的位置指纹匹配方法，也可以进行TOA、TDOA、AOA等测距方式测量。蜂窝移动网络定位技术依赖通信基站，与基站密度密切相关:虽然室内信号受基站输出功率的动态调整和非视距传播效应的影响，定位精度不高，但在室内外无缝定位需求下，可作为普适化的室内外坐标- -体化的定位方案。
其他室内定位技术
1）伪卫星定位技术。 伪卫星是指安装在地面附近的能够发射类似于GNSS信号的装置，其本质是-一个GNSS信号模拟器，可以作为室内环境中对GNSS信号的补充。伪卫星技术定位的规模化难度比较低，同时定位精度为亚米级，能够满足大多数时候的定位需求，但是较高的基站部署成本使该技术停留在专业领域，尚未投入市场使用。目前国内上海交通大学、中国电子 科技 集团公司第54研究所也对伪卫星技术进行了深入的研究，对伪卫星的组网配置方案进行了详细的研究和分析，共同探讨伪p星独立组网配置方案的可行方案。
2)基于天然信源的室内定位技术。 基于天然信源的室内定位技术是指利用传感器将某此与位置相关的天然信源转换为可用于定位的信号以实现定位，例如，惯性导航技术利用惯性传感器感知载体的运动状态:地磁导航技术利用地磁传感器获取当前位置的磁场特征:气压计测高技术利用气压计测量当前位置的气压等。
3)惯性定位。 惯性导航技术是基于惯性测量单元(Inertial MeasuremenUnis, IMU)对状态进行预测，具体是利用加速度计、陀螺仪和磁力计等传感器对前一时刻的位置信息进行处理，得到当前时刻的相对位置。随着传感器的消失型集成化与低成本，近些年来IMU被广泛应用于室内定位导航。惯性导航系统基于航位推算方法实现终端的定位，具备较强的自主性，短时间内的定位精度连续性非常高;但定位导航精度极大地受限于器件成本，且不可避免地随着时间的推移产生累积误差，需要借助外界定位信息源不断地对位置推算进行校准准。零速校正是惯性导航技术中的一种误差补偿技术， 可以有效控制长时间的累积积分误差，提高系统精度。
4)地磁定位。 地球的磁场特性最先被广泛用于航海和军事等室外定位。地磁定位同样可以采用指纹匹配的方法，通过事先采集并构建精确的地磁指纹数据库，利用传感器获取人员当前位置的磁场数据，将实时数据与地磁指纹库基准备数据精确匹配获得最佳估测值，从而实现人员在指定区域中的定位。由于地球磁场分布方向的原因，室内采集到的地磁3轴数据本质上只具备2个维度的指纹信息，大型建筑物的室内地磁特征差异不明显，在传统的室内区域栅格化指纹路匹配方法中表现不佳，因此室内地磁信息多用于室内定位的多源信息融合，与惯性导航系统组合使用，起到辅助和误差纠正的作用。
5)多源融合定位技术。 上文介绍的各种定位技术各具优势和局限性，例如如，WiFi、 蓝牙和UWB信号属于射频信号，易受多径效应的影响;惯性导航虽不依赖外置信源，但定位误差会随时间累积。目前，国内主流的室内定位方法是根据场景需求及各类室内定位技术的特点，选择2种及以上的定位技术进行融合以获得当前位置的最优估计。融合方法有松耦合和紧耦合两种方法，两者的区别在于:松耦合需要各类传感器提供定位结果，而紧耦合需要各类传感器直接提供观测信息;松耦合易于实现，但要求各类传感器均输出定位结果，紧耦合与松耦合相比实现难度大，但各类传感器只需提供观测信息即可。信息融合理地实现依赖滤波算法，如卡尔曼滤波、无迹滤波和粒子滤波，目前工程应用多采用卡尔曼滤波器。融合定位的信息源可以是多种多样的，如GNSS信号、加速度计/陀螺仪、基站信号、WiFi、 蓝牙、气压计、地磁、视觉、室内地图等;但融合定位模型和方案同样需要考虑室内定位结果的精度和可靠性:多种信息的协同融合可以带来精度的提升，同样可能会导致灾难性的定位失准。获得传感器数据后需要对更多来源信息进行预处理以剔除原生和融合噪声，从数据中提取特征后要根据不同应用情景、设备条件和具体需求进行特征级融合，赋予不同的权重，结合地图信息和各种状态估计滤波算法后进行决策级融合。随着室内定位技术的不断进步，定位精度也逐渐提高到米级甚至亚米级，开始迈入消费级市场的水平。下表所示为不同室内定位技术的对比情况
GPS是美国开发的全球卫星定位系统，由28颗卫星组成，其中24颗担负提供全球卫星定位信号，4颗做备份星。最初是用于军事领域，定位精度在2米左右。后来为了谋取经济利益，对民用开放了定位精度在10米左右的信号。GPS民用卫星定位信号目前对全球免费开放。 “北斗星系统”是中国自主开发的卫星定位系统。但该系统目前只发射了6颗卫星，只能提供国内及周边国家的定位导航，还不能实现全球定位导航。并且目前还没有对民用开放。
北斗卫星定位系统与GPS定位系统的区别
1、覆盖范围：北斗定位系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°一140°，北纬5°一55°。GPS是覆盖全球的全天候定位系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。
2、卫星数量和轨道特性：北斗定位系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。
3、定位原理：北斗定位系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS定位系统是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。
4、定位精度：北斗定位系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。
5、用户容量：北斗定位系统由于是主动双向测距的询问--应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗定位系统的用户设备容量是有限的。GPS 是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS定位的用户设备容量是无限的。
各有优势。
全球卫星定位系统：在地球表面、近地空间的为用户提供3维坐标、速度、时间的定位定位系统。原理：卫星至用户间的距离基于卫星信号发射时间与接收之差，称为伪距，计算用户的三维位置和偏差，伪距测量至少接收4颗信号。随着全球发展，卫星定位系统在航空、汽车、测绘等领域均有应用。
目前，全球存在四大卫星定位系统，中国的北斗定位系统(BDS)，美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯定位系统(GNSS)以及伽利略定位系统(GSNS)。中国研制的全球卫星定位系统，由空间、地面和用户组成，在全球范围、全天、全时为用户提供高精度定位服务，通信能力，初步具备定位、定位能力，精度10米，0.2米/秒，授时10纳秒。
由美国研制建立的全方位、天候、时段的卫星定位系统，为用户提供高精度的位置和精确定时等信息。可提供车辆定位、行驶路线等功能，必须具备GPS终端、传输网络、监控平台。
最早开发于苏联时期，后由俄继续。1993年，俄独自建立卫星定位系统，2007年运营。只开放俄境内定位服务，2009年，服务范围拓展全球，该包括确定陆地、海上、空中目标的坐标及速度信息。
由欧盟研制的卫星定位系统，于1999年公布。系统由30颗卫星组成，27颗工作星，3颗备份。轨道高度约2.4万km，位于轨道平面内。
定位精度：均有民用10米能力。四大定位系统各有优势，GPS和GNSS应用领域广，也是普及率最高的定位系统，与它布局、投入密不可分。中国北斗仅差一颗就完成组网，在普及上仍有上升空间。
标签：地面与空间定位难易程度
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访客 评论于 2022-11-10 13:19:20 回复
位的信号以实现定位，例如，惯性导航技术利用惯性传感器感知载体的运动状态:地磁导航技术利用地磁传感器获取当前位置的磁场特征:气压计测高技术利用气压计测量当前位置的气压等。 3)惯性定位。 惯性导航技术是基于