物联网几种定位技术的分析比较

摘 要：定位技术在社会领域已得到广泛应用，如何利用定位技术更准确更全面地获取位置信息，成为当今物联网时代亟待解决的重要课题。本文通过对GPS定位、WiFi定位、RFID定位、ZigBee定位等四种常用定位技术原理、方法、优缺点的分析，以及服务区域、定位精度、定位时间、应用场景的比较，为实际应用范围的不同选择合适的定位技术，以实现较为精确的定位，提供了指导、实践和研究价值。

关键词：物联网；定位技术；分析；比较

中图分类号：TP393 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

目前，在互联网、通信、传感器、射频识别等新技术的推动下，一种能够实现人与人、人与物、物与物之间直接沟通的全新网络架构——“物联网”正蓬勃发展，越来越多的领域都用到了物联网相关技术。根据信息产生到应用的整个过程，可把物联网系统从结构上分为感知层、传输层、支撑层和应用层。物联网感知层主要用于采集物理世界的各类信息，其中一项重要信息就是位置信息，位置信息是物联网很多应用和底层通信的基础。在物联网中用于获取物体位置的技术统称为定位技术，该技术是物联网感知层的重要技术之一。

在物联网诸多领域的应用中，对象的位置信息即定位起着愈来愈重要的作用。在很多情况下，我们用传感器、射频设别等设备或其他采集工具感知到的信息内容必须有位置的标识才可能有意义。例如，我们可以把传感器网络部署在森林里，如果发生火灾，消防员就需要立刻知道发生火灾的具体地点以便将火扑灭，这就要求那些用于检测火灾的传感器节点知道自己的位置，并在检测到火灾时将自己的位置信息报告给服务器，以便确定火灾的准确位置[1]。纵观物联网应用领域，定位技术在物流运输、生产制造、交通、矿井、医疗保健等行业都有广泛应用，并且位置信息不可或缺，如何利用定位技术更准确更全面地获取位置信息，成为物联网时代一个重要的研究课题。

2 物联网几种定位技术的分析（Analysis of severalpositioning technology of the Internet of things）

物联网领域现使用的定位技术主要有卫星定位技术、WiFi定位技术、RFID定位技术、ZigBee定位技术等，下面对这些定位技术从定位原理、方法和特点等方面进行梳理和分析。

2.1 卫星定位技术

卫星定位系统主要有美国的GPS、欧洲的Galileo、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗，其中应用最广使用最普遍的是美国的GPS卫星定位系统。这里重点分析GPS定位系统。

2.1.1 GPS定位系统组成

GPS定位系统由三部分组成：空间部分、控制部分、用户设备部分。空间部分主要由21颗可用卫星和3颗备用卫星构成，这24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，每个轨道有4颗卫星，空间部分主要功能是广播定位信号。控制部分主要由监测站、主控站、备用主控站、信息注入站构成，主要负责GPS卫星阵的管理控制，包括有效载荷监控、定位数据注入、定位精度保障、卫星维护和问题监测等。用户设备部分主要是GPS接收机，主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得定位信息及观测量，经数据处理实现定位。

2.1.2 GPS定位原理和定位方法

（1）GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，利用GPS接收器测量出的到卫星的距离，计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息，以得到待测点的位置。当GPS接收机能接收到四颗或四颗以上的GPS卫星信号时，就可以计算GPS接收机的位置。假设t时刻在待测点位置观测到四个卫星，并测出信号从该观测点到四个卫星的传播时间，便可以列出相应的四个方程式组成方程组求出观测点的位置。

（2）GPS定位方法按待定点的状态不同可分为静态定位和动态定位；按定位模式不同可分为绝对定位（单点定位）、相对定位（差分定位）。

在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的，这种定位测量称为静态定位。静态定位优点是可靠性强、定位精度高，是测量工程中精密定位的基本方法；缺点是定位观测时间过长，多余观测量大。

在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的，这种定位测量称为动态定位。它发展速度最快，应用较广，尤其是实时动态（RTK）测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合的一种新的定位方法。从动态定位的精度来看，可分20m左右的低精度，5m左右的中等精度，0.5m左右的高精度定位。

绝对定位（单点定位）是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量。优点是作业方式简单，可以单机作业；缺点是定位精度较低，一般为25—30m。

相对定位（差分定位）是采用用两台或两台以上的接收机，同步跟踪相同的卫星信号，以确定接收机天线间的相对位置（三维坐标或基线向量）的方法。它既可以采用伪距观测量也可以采用相对观测量，它有较高的定位精度，具有伪距差分功能的GPS接收机的定位精度在1—10m。

2.1.3 GPS定位的主要特点

（1）优点

①能覆盖全球98%的面积，并确保实现全球全天候连续的导航定位服务。

②室外定位精度高。应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以内可达10—6m，100—500km可达10—7m，1000km可达10—9m。

③高效率、低成本，测站间无需通视。GPS测量只要求测站上空开阔，不要求测站之间互相通视，因而不再需要建造觇标，这一优点可大大减少测量工作的经费和时间。

④操作简便，GPS测量的自动化程度越来越高，只需要一台GPS接收机即可准确确定用户所在位置。endprint

⑤GPS不限制终端数，在GPS卫星信号不被阻挡的情况下，在地球上任何地点、任何时间，任何GPS终端都可以得到正确的位置和时间。

⑥功能多，应用广泛，可应用于军事、道路、车辆、船舶等导航等多种应用中。

（2）缺点

需要终端内置卫星信号接收模块，定位精度受终端所处环境的影响较大。如果终端处于大型建筑物之间或者室内环境下时，能接收到的卫星信号太弱，卫星定位的精度将降低，无法进行定位计算而无法完成定位。所以GPS定位只适用于室外的应用场景，而且首次定位时间比较长，一般小于40s。

2.2 WiFi定位技术

WiFi是一种短程无线传输技术，WiFi定位技术是随着WiFi的广泛使用发展而来的一种新兴的定位技术，基于IEEE 802.11a/b/g/n通信协议。

2.2.1 WiFi定位原理

WiFi定位技术将信号源变成WiFi的AP，将定位流程的承载由移动信令网变成了普通的互联网。WiFi信号接入点（AP）会向周围连续的发射信号，信号中包含WiFi AP的ID（包括AP的MAC地址、AP的名称等参数）以及终端接收到的WiFi信号强度RSSI等信息。终端侦听周围的WiFi AP信息，选择信号最强的AP进行连接。WiFi定位平台有每个WiFi AP位置的数据库，终端检测到周围WiFi AP的MAC地址、AP的名称等参数，并将这些参数上报给WiFi定位平台的WiFi AP数据库查询。WiFi ID具有唯一性，WiFi定位平台根据查询到的WiFi AP的位置，WiFi定位系统就可以根据WiFi AP的位置信息估算出终端的位置。如果再加上终端接收的WiFi信号强度信息，就可以估算出更准确的终端位置[3]。

2.2.2 WiFi定位方法

目前，WiFi定位常用的方法有TOA（到达时间）、TDOA（到达时间差）、AOA（到达角度）、RSSI（接收信号强度）测距方法，近似法，位置指纹法，其中位置指纹法是WiFi定位技术中用的较多的一种方法。

另外，还可以采用简易算法、基于模型的算法、指纹算法和概率算法等WiFi定位算法来提高定位的精度。

2.2.3 WiFi定位的主要特点

（1）优点

①定位速度快。定位时间小于3s，首次定位时延小于2s。

②定位精度高。AP密度越大、越密集定位精度越高，一般3—15m。

③能进行室内定位。GPS做不到。

④高带宽、高速率、高覆盖度。

⑤成本低。WiFi网络应用覆盖广泛，可以利用已铺设的WiFi网络，施工简单，无需建设专用网络，避免网络的重复建设，可降低成本。

⑥强大的网络扩展功能，具有很强的兼容性。

（2）缺点

WiFi定位受服务范围限制，没有方向、速度等数据，不能导航。WiFi定位系统能耗较大。WiFi布网缺乏统一的规划和优化。

2.3 RFID定位技术

RFID是一种通过发射或反射电磁波来传递数据的标签，利用RFID标签对活动的物体或人员进行定位，其服务范围基本上都是限于某个或某种特定场馆。

2.3.1 RFID定位原理

RFID定位技术主要由RFID标签和RFID阅读器两部分组成，是一种非接触式的自动识别技术。RFID的工作需要标签和读写器配合，通过简单的电磁场原理完成信息交互，RFID阅读器接收来自于RFID标签的信号，两者间的通信使用特定的射频信号及相关协议完成。

在RFID定位系统中，可采用接收信号强度（RSSI）定位。在目标区域大量布置信标节点，移动节点上附上一个RFID标签，根据RSSI和距离的关系（移动目标离RFID阅读器越近，其RSSI值越大，反之则越小），可判断出移动节点距离某一个参考节点的距离，进而在三个或三个以上参考节点的重复覆盖范围内，分别根据获得的RSSI值得出阅读器与参考点之间的距离，再根据三角关系计算出移动节点的位置[4]。

2.3.2 RFID定位方法

RFID定位方法可以归类为距离估算法、场景分析法和邻近法。

2.3.3 RFID定位的主要特点

（1）优点

①识别速度快，阅读器能够同时处理多个标签，实现批量识别。

②实时性强，定位时间小于1s。

③易于操控，读取方便快捷。使用寿命长，应用范围广，可以再各种恶劣环境下工作。

④体积小，可嵌入或附着在不同形状、类型的产品上。

⑤标签数据可动态更改。

⑥安全性好，成本低。

⑦穿透性好，能进行穿透性通信。

（2）缺点

作用距离近。随标签和部署方式不同，定位精度变化也会较大。

2.4 ZigBee定位技术

ZigBee是根据IEEE 802.15.4协议开发的一种短距离、低功耗的无线通信技术。

2.4.1 ZigBee定位原理

在待定位区域布设大量通过无线通信方式通信的参考节点，这些参考节点形成一个自组织网络系统。需要对待定位区域的节点进行定位时，在通信距离内的参考节点能快速的采集到这些节点信息，同时利用路由广播的方式把信息传递给其他参考节点，最终形成一个信息传递链并经过信息的多级跳跃回传给终端加以处理，从而实现对一定区域长时间监控和定位[5]。

2.4.2 ZigBee定位方法

基于测距技术的定位和不基于测距技术的定位。基于测距技术的定位主要有TOA、TDOA、信号强度测距法；不基于测距技术的定位算法主要有质心法、凸规划定位算法、距离矢量跳数的算法。endprint

2.4.3 ZigBee定位的主要特点

（1）优点

①低功耗。ZigBee的待机模式非常省电，其功耗远低于其他无线设备。

②时延短。ZigBee的响应速度极快，从睡眠状态转入工作状态仅需15ms，节点进入网络仅需30ms。因此ZigBee技术适用于对实时定位要求较高的应用。

③网络容量大。最多一个主节点可管理254个子节点；每个主节点还可由上一层网络管理，最终可组成包含65000个节点的网络。

④低速率。ZigBee工作在20—250kbps的较低传输速率。

⑤低成本。ZigBee通信协议简洁，降低了对控制器的要求。

（2）缺点

只能专网专用。因ZigBee的数据率较低，不适用于要求传输速率高的应用场景。

3 物联网几种定位技术的比较（Comparison of

several positioning technology of the internet of

things）

通过以上对GPS定位技术、WiFi定位技术、RFID定位技术、ZigBee定位技术等定位技术从定位原理、定位方法、特点等方面进行的分析，我们可以看到这些定位技术各有其特定的定位环境和定位优势。在实际工作中，不同的场景、不同的环境、不同的定位要求下所选择应用的定位技术也有所不同，定位的广度和精度也不同，使用范围也不同。下面对这几种定位技术从提供服务的区域、定位精度、定位时间、应用场景等方面进行了比较（表1），以便在应用中根据实际应用范围的不同选择适合的定位技术来实现较为精确的定位。

4 结论（Conclusion）

定位技术在物联网各个领域有着广泛的应用，随着物联网行业的发展，人们对定位服务有着越来越高的需求，虽然现在已经有多种定位技术，无论是传统的GPS定位技术还是借助于无线网络的定位技术和短距离无线定位技术，每种定位技术都有自身的局限性，将这些定位技术有机结合起来形成混合定位技术，必然是定位技术未来的发展趋势，发挥各自定位技术的优点，不断提高定位精度和定位响应时间，同时扩大定位覆盖范围，终会实现更加精准和完美的定位服务[6]。

参考文献（References）

[1] 黄东军.物联网技术导论[M].北京：电子工业出版社，2012：148-157.

[2] 梁久祯.无线定位技术[M].北京：电子工业出版社，2013：22-23；84-86.

[3] 杨恒，等.定位技术[M].北京：电子工业出版社，2013：134-136.

[4] 万群，等.室内定位理论、方法和应用[M].北京：电子工业出版社，2012：17-18.

[5] 李雪梅.物联网中几种定位技术应用的比较分析[J].科技创新与生产力，2011（9）：88-90.

[6] 刘媛媛，李建宇.定位技术在物联网领域的应用发展分析[J].信息通信技术，2013（5）：41-46.

作者简介：

翟鸿雁（1978-），女，硕士，副教授.研究领域：物联网应用技术.endprint

2.4.3 ZigBee定位的主要特点

（1）优点

①低功耗。ZigBee的待机模式非常省电，其功耗远低于其他无线设备。

②时延短。ZigBee的响应速度极快，从睡眠状态转入工作状态仅需15ms，节点进入网络仅需30ms。因此ZigBee技术适用于对实时定位要求较高的应用。

③网络容量大。最多一个主节点可管理254个子节点；每个主节点还可由上一层网络管理，最终可组成包含65000个节点的网络。

④低速率。ZigBee工作在20—250kbps的较低传输速率。

⑤低成本。ZigBee通信协议简洁，降低了对控制器的要求。

（2）缺点

只能专网专用。因ZigBee的数据率较低，不适用于要求传输速率高的应用场景。

3 物联网几种定位技术的比较（Comparison of

several positioning technology of the internet of

things）

通过以上对GPS定位技术、WiFi定位技术、RFID定位技术、ZigBee定位技术等定位技术从定位原理、定位方法、特点等方面进行的分析，我们可以看到这些定位技术各有其特定的定位环境和定位优势。在实际工作中，不同的场景、不同的环境、不同的定位要求下所选择应用的定位技术也有所不同，定位的广度和精度也不同，使用范围也不同。下面对这几种定位技术从提供服务的区域、定位精度、定位时间、应用场景等方面进行了比较（表1），以便在应用中根据实际应用范围的不同选择适合的定位技术来实现较为精确的定位。

4 结论（Conclusion）

定位技术在物联网各个领域有着广泛的应用，随着物联网行业的发展，人们对定位服务有着越来越高的需求，虽然现在已经有多种定位技术，无论是传统的GPS定位技术还是借助于无线网络的定位技术和短距离无线定位技术，每种定位技术都有自身的局限性，将这些定位技术有机结合起来形成混合定位技术，必然是定位技术未来的发展趋势，发挥各自定位技术的优点，不断提高定位精度和定位响应时间，同时扩大定位覆盖范围，终会实现更加精准和完美的定位服务[6]。

参考文献（References）

[1] 黄东军.物联网技术导论[M].北京：电子工业出版社，2012：148-157.

[2] 梁久祯.无线定位技术[M].北京：电子工业出版社，2013：22-23；84-86.

[3] 杨恒，等.定位技术[M].北京：电子工业出版社，2013：134-136.

[4] 万群，等.室内定位理论、方法和应用[M].北京：电子工业出版社，2012：17-18.

[5] 李雪梅.物联网中几种定位技术应用的比较分析[J].科技创新与生产力，2011（9）：88-90.

[6] 刘媛媛，李建宇.定位技术在物联网领域的应用发展分析[J].信息通信技术，2013（5）：41-46.

作者简介：

翟鸿雁（1978-），女，硕士，副教授.研究领域：物联网应用技术.endprint

2.4.3 ZigBee定位的主要特点

（1）优点

①低功耗。ZigBee的待机模式非常省电，其功耗远低于其他无线设备。

②时延短。ZigBee的响应速度极快，从睡眠状态转入工作状态仅需15ms，节点进入网络仅需30ms。因此ZigBee技术适用于对实时定位要求较高的应用。

③网络容量大。最多一个主节点可管理254个子节点；每个主节点还可由上一层网络管理，最终可组成包含65000个节点的网络。

④低速率。ZigBee工作在20—250kbps的较低传输速率。

⑤低成本。ZigBee通信协议简洁，降低了对控制器的要求。

（2）缺点

只能专网专用。因ZigBee的数据率较低，不适用于要求传输速率高的应用场景。

3 物联网几种定位技术的比较（Comparison of

several positioning technology of the internet of

things）

通过以上对GPS定位技术、WiFi定位技术、RFID定位技术、ZigBee定位技术等定位技术从定位原理、定位方法、特点等方面进行的分析，我们可以看到这些定位技术各有其特定的定位环境和定位优势。在实际工作中，不同的场景、不同的环境、不同的定位要求下所选择应用的定位技术也有所不同，定位的广度和精度也不同，使用范围也不同。下面对这几种定位技术从提供服务的区域、定位精度、定位时间、应用场景等方面进行了比较（表1），以便在应用中根据实际应用范围的不同选择适合的定位技术来实现较为精确的定位。

4 结论（Conclusion）

定位技术在物联网各个领域有着广泛的应用，随着物联网行业的发展，人们对定位服务有着越来越高的需求，虽然现在已经有多种定位技术，无论是传统的GPS定位技术还是借助于无线网络的定位技术和短距离无线定位技术，每种定位技术都有自身的局限性，将这些定位技术有机结合起来形成混合定位技术，必然是定位技术未来的发展趋势，发挥各自定位技术的优点，不断提高定位精度和定位响应时间，同时扩大定位覆盖范围，终会实现更加精准和完美的定位服务[6]。

参考文献（References）

[1] 黄东军.物联网技术导论[M].北京：电子工业出版社，2012：148-157.

[2] 梁久祯.无线定位技术[M].北京：电子工业出版社，2013：22-23；84-86.

[3] 杨恒，等.定位技术[M].北京：电子工业出版社，2013：134-136.

[4] 万群，等.室内定位理论、方法和应用[M].北京：电子工业出版社，2012：17-18.

[5] 李雪梅.物联网中几种定位技术应用的比较分析[J].科技创新与生产力，2011（9）：88-90.

[6] 刘媛媛，李建宇.定位技术在物联网领域的应用发展分析[J].信息通信技术，2013（5）：41-46.

作者简介：

翟鸿雁（1978-），女，硕士，副教授.研究领域：物联网应用技术.endprint