第四章 空间位置与定位导航（87-122）

地理位置对所有生活在地球上的生命而言意义重大。地球上的许多动物具有空间定位与导航的本能，既有利用自身器官功能对距离和方位进行感知，也有利用自然信号对距离和方位进行感知，对目的地或目标进行判断的。在人类的生产、生活和军事领域，越来越多的应用依赖于高精度的定位导航技术，采用的方法有：天文定位导航、传感器导航、无线电导航、惯性导航、室内定位导航、太空定位导航、光纤光栅传感器定位导航、量子定位导航等，而无线电导航又分为：无线电信标、无线电测向运动、双曲线导航、卫星定位导航。当今，空间定位与导航技术应用的普遍性和重要性前所未有。本章在介绍有关地理位置定位与表达基本知识的基础上，从卫星定位导航、室内定位导航、混合定位导航三个方面重点讲授现代定位导航技术发展，最后结合基于位置的地理信息服务案例，展现定位导航技术的实际应用。

4.1 地理位置及其定位与表达

4.1.1 地理位置

位置是指所在或所占的地方，所处的方位。而地理位置就是在地理空间（geographical  space）所在或所占的地方，以及所处的方位。

地理位置是相对于地理空间而言的。地理空间是指地球表层和表层附近的空间，是物  质、能量、信息的数量及行为在地理范畴中的广延性存在形式，几乎所有的人类活动都发生在该空间范围内。

由于使用者的需求不同，对地理空间上同一位置可以从不同的角度进行描述，例如，反映其自然地理区位和特征的自然地理位置，表达其区域经济职能和地位的经济地理位置，描述其地缘政治意义的政治地理位置，表达其在地球空间几何意义的地理坐标（经度、纬度和海拔高度）位置等。

4.1.2 定位与导航

1 定位

定位是指，“和表达地理对象、现象、事件发生在什么时间、什么空间位置的理论方法与技术，即解决什么时间(when）在什么地点（where）有什么地理对象、地理现象或发生什么事件（what）的问题。

    如图4.1所示，左图是一张电影票，时间是“2012年3月29日，地点是“某影城3号影厅5排6号”，事件是“放映电影《变形金刚》”；右图是3号影厅的座位分布图。从前往后顺序为第1排、第2排、…，前6排，每排有8个座位，座位顺序号从右往左依次是1～8。确定自己看电影的位置，就是确定影城、影厅。然后根据排号（行）和座位号（列）找到自己的位置，实际上是构成了一个定位的“坐标系”。

一般来说，不同应用背景，所采用的“坐标系”也有所不同，因而用来描述这个位置 的参数也不同。

其他诸如火车票，飞机登机牌，会议座次表等。。。。。。

2.导航

导航是指按照预定路线从起点出发，安全、准确、经济地引导到目的地的方法和技术，基于我在哪（where am I），进而解决如何（how）、何时（when ）到达目的地的问题（图4.2）。

定位是导航的基础，导航是定位的主要应用之一。导航技术就是实现对运动目标进行实时、动态定位，定位技术基本上都是为导航服务而开发的。定位和导航两者关系密切，有时甚至不加区分，称为“定位导航”或“导航定位”

4.1.3地球生物的空间定位导航

各种生物都生存在地球上具有特定生态位的地理位置上。为了尽可能地获取生长和繁衍所需要的资源，它们都拥有一定的定向、定位能力。

20世纪80年代，科学家在沼泽沉枳物和海洋淤泥中就分别观测到了能够感应破场的细菌；类似向日葵的正向光性植物，生长素在其茎中不断地背着阳光移动，通过刺激背光面细胞的迅速繁殖，使整个花盘总是向着太阳方向；在广阔的海域上空，在阴天或漆黑的夜晚，动物都可以找到自己的方向，发现并确定猎物的位置。

定位和导航是许多动物生存的本能。动物定位导航的方式形形色色，其中一些导航机理人类至今尚未完全研究清楚。

1.主动式定位导航

主动式定位导航是指动物利用自身器官功能对距离和方位进行感知，对目的地或目标进行判断〉。

例如，大蝠蝠的视觉和嗅觉都很灵敏，其取食对象是目标较大的水果或花朵中的花粉与花蜜，因此它们通过视觉和嗅觉实现准确的定位与导航；小蝙蝠的视觉退化，且主要以体型微小并处于运动状态的小昆虫为食，所以它们通过喉部发出短促且高达2万--10万赫兹的超声波，利用被附近物体反射回来形成的回声，确定前方物体的位置、大小、形状、结构以及运动速度与方向，好似一座活动的“雷达站”（图4.3）。小蝠蝠就是利用超声波进行精确定位导航，追捕食物或避开障碍物。

海豚也是通过发出超声波.利用水波回声获知目标的体貌、尺寸及距离，完成定位和导航的（图4.4）。

图4.4海豚利用超声波导航定位

2.被动式定位导航

被动式定位导航是指动物利用自然值号对距离和方位进行感知，对目的地进行判断。夜间迁徙的鸟类，会利用落日的余晖在起飞时定向西的方向，在夜晚则通过辨别夜空中的星星导航；蜜蜂和信鸽利用太阳作为罗盘确定自己将飞往何处，依靠太阳每日的运行规律，利用体内的生物钟，计算出飞行距离。

栖息于刚果丛林的巨型食果蝠每年10月下旬从刚果丛林启程，飞越中非到达南部的赞比亚，在那里停留约6周后再重新飞回刚果丛林。这些蝙蝠迁徙时飞行高度可达数千米，飞行距离长达数千千米，它们就是利用地球磁场来进行远距离定位与导航的。地球磁场具有磁场极性、磁场强度、磁偏角和磁倾角，其中磁场极性和磁偏角可提供方向信息，磁场强度和磁倾角随纬度变化形成梯度，可提供纬度信息，两方面信息结合起来就构成了可以定位的地球球面坐标信息。

1978年和2015年，美国和中国科学家先后发现了生物体内的光受体Cry蛋白质和磁感应受体MagR蛋白质，随后的动物免疫组织化学实验也证明，磁感应受体蛋白质和光受体蛋白质在鸽子视网膜存在共定位，这意味着鸽子可能可以“看”到地球磁场的存在，从而轻松完成远距离的定位导航（图4.5）。

2003年，瑞典科学家发现，以粪便为食的非洲蜣螂可以利用月光的偏振来进行导航定位。非洲蜣螂利用月光，采用直线路径回家能减少被其他捕食者抢夺或捕杀的机会，是一种安全、高效的生存方式。沙蚁也具有利用偏振光导航的本领。

4.1.4人脑的位置认知功能

人脑是如何在复杂的环境中确定自己的方位，又是如何确定从一个地方到另一个地方 的路线？这些位置信息是如何存储在大脑中，以便我们在下次重复同样的路线时能够迅速 査找到这些信息？这些都是现代科学所关注的重大科学问题。

    1971年，美国认知神经生物学家约翰•奥基夫发现在大鼠的大脑海马CA1区存在被称为位置细胞的神经元，不同的位置细胞共同作用，能使大鼠在大脑中形成所在活动区域的认知地图，并指导其运动。位置细胞同样存在于人类的大脑中，指导人类认知环境形成认知地图。

2002年，挪威神经生物学家梅•布里特•莫泽和爱德华•莫泽夫妇发现在大鼠的内嗅皮质中存在“网络细胞”，当大鼠处于某一特定位置时，一组特定的网格细胞就被激活， 当它活动到另一个位置时，另一组网格细胞被激活，该特性与海马CA1区的位置细胞极为相似。当大鼠进入到一个全新的环境时，网格细胞放电以帮助大鼠重新建立对新环境的认知地图。莫泽夫妇认为，位于内嗅皮质中的网格细胞对大脑中建立认知地图发挥着重要作用，是大脑定位系统的又一个重要组成部分。同位置细胞一样，功能性核磁共振的结果也证实了网格细胞同样存在于人类大脑中。

奥基夫和莫泽夫妇（图4.6）因在大脑中构成定位系统的神经细胞研究的突出贡献，获得了 2014年诺贝尔生理学或医学奖。

图4.6神经生物学家奥基夫（右）和莫泽夫妇

4.1.5人类的定位导航技术

为满足生产生活的需要，人类很早就开始探索定位导航的方法和技术，掌握并应用于实践。

1.天文定位导航

天文定位导航是一种通过观测天体来测量车、船等航行体位置，以引导航行体到达预定目的地的方法和技术。

早在石器时代，为了狩猎方便，人类祖先学会了利用简单的恒星导航方法。在古代远洋航行出现后，天文定位导航就一直是船舶航行重要的导航手段。

天文定位的基本思路是建立与地球相对应的天球，根据观测者与星体的天顶距交会出观测者的位置。其基础工作是编制天文年历，观测者根据观测日期和时间，在天文年历中査找到可见星体在空中的位置，进而获得星体在地球上投影点的地理位置（图4.7）。北极星是最为人们所熟悉的导航星。在晴朗的夜晚，明亮的北极星不仅能指明方向，而且利用其天顶距还能确定观测者所在的纬度。

2.传感器导航

    借助仪器能够快速、准确地定位和导航。各种可用于定位导航的仪器统称为导航传感器。

    导航传感器种类较多，有六分仪、磁罗盘、无线电罗盘、空速表、气压高度表、惯性传感器、雷达、星体跟踪器、信号接收机等。

    最早得到广泛应用的导航传感器是指南针，古称司南（图4.8）。在《鬼谷子·谋篇第十》中曾记载：“故郑人之取玉也，载司南之车，为其不惑也。”

20世纪20年代，仪表导航系统开始在飞机上使用；30年代无线电导航系统诞生，飞机通过信标接收机和无线电罗盘获得地面导航台信息进行导航，随后甚高频导航系统出现。1954年，安装在飞机上的惯性导航系统试验成功，开创了惯性导航时代。

1957年，世界上第一颗人造卫星发射成功后，即开始研制利用卫星进行定位、导航的导航系统。

    20世纪60年代后，无线电导航得到进一步发展，并与人造卫星导航相结合。80年代以来，导航系统主要朝着以惯性导航系统为基础的组合导航系统方向发展，可组合的导航传感器除了卫星定位系统外，还有星光、地形和各种无线电导航设备。

3.无线电导航

无线电导航是所有传感器导航手段中最重要的一种。

电磁波在均匀理想介质中沿直线传播，传播速度恒定，当遇到障碍物或在不连续介质界面上会发生反射。利用电磁波的这些传播特性，发展了无线电导航技术。迄今约有100个无线电导航系统投人使用，平台从陆基发展到星基，功能由单一发展到多功能，作用距离从近到远发展到全球、定位精度由低到高，应用领域从军事步人国民经济和日常生活。

（1）无线电信标（radio beacon）。无线电信标诞生于1929年，精度30～100，全球约有10000余个无线电信标台。虽然该系统技术陈旧，精度又低，但价格低廉，使用简单，工作可靠，大量用于民用飞机及小型船舶导航。无线电信标作为一种低成本与备份导航系统一直保留到21世纪。图4.9是澳大利亚南部Vincent码头的无线电航海信标。

（2)无线电测向运动（radio orienteering）。无线电测向运动是一种类似于捉迷藏的游戏，利用手中的测向机，通过测量无线电信号的来向或强弱确定方位，寻找自动发射电台（图4.10）。

（3)双曲线导航（hyperbolic navigation）。双曲线导航是利用双曲线位置线实现定位导航的一

种陆基无线电导航系统。

    如图4.11所示，距两个固定点V和M的距离差为常数的动点轨迹，是以该两点为焦点的一条双曲线。舰船作为动点，在航行中利用无线电接收装置，接收陆地导航台（固定点）发射的无线电波，测定距两个固定点的距离差并画出双曲线，交会求得船舰位置。

   双曲线导航不受气候影响，能在短时间内测定舰船位置，具有较高的精度，但夜间受天波  干扰．精度降低。此系统必须有地理位置精确的陆地导航台，其工作范围受发射台功率的限制。

（4）卫星定位导航。陆基无线电导航普遍存在定位精度低、信号覆盖范围有限等问题，难以满足现代航空、航海、军事和陆地车辆的高准确度导航定位需要。因此，星基无线电导航系统应运而生。

卫星导航系统利用飞行的卫星不断向地面广播发送某种频率，并加载某些特殊定位信息的无线电信号，实现定位、导航和测时。目前在轨服务的卫星导航系统有中国的BDS、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS和欧盟的Galileo。

4.惯性导航

    惯性导航（inertial navigation）是一种不依赖外部信息，也不向外部辐射能量的自主式导航定位技术。惯性导航的核心设备是加速计和陀螺仪，加速计测量位移加速度，陀螺仪测量不同方向的旋转角速度，通过对时间的积分得到位移和瞬时三维姿态，从而进行导航。图4.12是有三个自由度装备的惯性测量装置中的陀螺仪示意图；图4.13是法国中程弹道导弹S3（IRBM S3）上装备的惯性测量装置。

惯性导航目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表等多种方式，陀螺仪也由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中占据着主导位置。光纤陀螺仪是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，与激光陀螺仪相比，光纤陀螺仪没有闭锁问题，且成本相对较低，在现代航空、航海、航天、高铁和国防工业中有广泛使用。

5.室内定位导航

    室内定位和导航（indoor positioning and indoor navigation, PIN）是指在建筑物内，利用精确的定位技术确定位置，并得到到达指定位置的最佳路线。室内定位导航可以广泛运用于商场、机场、体育馆等大型建筑中，方便人们找人、找地点、找出口。

    因为卫星信号难以穿透建筑物，所以室内定位无法直接利用卫星定位导航技术。可用于室内定位的技术较多，如WiFi、蓝牙、红外线等技术。随着WiFi在公共场所覆盖度的迅速提升，这项原本被用于无线上网的技术成为了室内定位领域应用最广泛的技术。

    室内定位导航技术越来越广泛地应用于我们的生活、工作中，在带来很多方便的同时也提升了工作效率，降低了人力资源成本。这是一项很有潜力和前景的技术，会给人们的生活带来意想不到的变化！

6.太空定位导航

    进人太空，当航天器轨道高度超过定位卫星轨道高度时，卫星定位系统的导航信号就无法使用了。目前，太空航天器采用基于甚长基线干涉测量的深空导航定位技术Delta-DOR（delta differential oneway rangmg）导航定位，其原理是通过两个相距甚远的天线同时跟踪一个发射探头，测量信号到达两站的延迟时间（图4.14）。从理论上讲，延迟时间仅取决于天线和航天器的位置。

    若Delta-DOR系统的观测天线不在可见范围，或通信出现故障，太空航天器还可采用X射线脉冲星自主导航。脉冲星是太阳系以外的遥远夭体，它们的位置坐标可构成一种高精度惯性参考系。脉冲星按一定频率发射稳定的脉冲信号，其长期稳定度好于地球上最稳定的艳原子钟。因此，脉冲星可以提供绝好的空间参考基准和时间基准。利用脉冲星发出的X射线，计算脉冲到达太空航天器的时间，并与一个参考位置的到达时间相比较，就可以用三角测量方法确定目标航天器的位置。

7.光纤光栅传感器定位导航

光纤光栅传感器可以实现对温度、应变等物理量的直接测量。其基本原理是利用具有不同温度和应变响应灵敏度的光纤光栅构成温度与应变传感器，通过确定光纤光栅的温度与应变响应灵敏度系数，求解出温度与应变。

    光纤光栅传感器定位技术已在高速铁路列车定位和追踪领域应用。在高速铁路全程紧贴铁轨内侧，按一定间隔安置光纤光栅组，光纤的一端通过环行器连接到行车指挥中心的多波长激光发射器，另一端通过环形器连接到光纤放大器和分波器。当机车行驶到某个光纤光栅组敏感区时，就会产生相应波长的振幅振荡，经由分波器分出波长、光电转换成电信号和数字信号处理终端处理后，可准确计算出列车所在的位置、速度和加速度。

    光纤光栅传感器列车定位和实时追踪技术经历了从单个光纤或光纤光栅到相干性光纤光栅的发展。光纤光栅传感器具有抗干扰能力强、重复性好、便于组建大规模传感器阵列进行大范围监控等优点，非常适合对运行环境复杂、各种干扰强烈以及需要对大量关键部位振动、应变等参数进行检测的高速列车的定位和追踪。

8.量子定位导航

    量子定位系统（quantum positioning system, QPS）是基于量子力学基本原理，利用量子纠缠、量子压缩等特性，通过量子信号的形式，来实现高精度定位的一种新型技术系统。量子定位系统具有高精度和高安全性，但目前还处于理论研究和试验阶段。

    量子定位系统可分为有源和无源两类。有源最子定位系统采用收发量子信号的方式进行导航定位，无源量子定位系统采用量子传感器装置进行导航定位。

    2001年，美国麻省理工学院（MIT）V. Giovannetti博士在Nature发表论文，首次提出量子定位系统概念，根据脉冲测距原理，通过向目标发送量子信号，计算量子信号达到的时间延迟确定需要定位目标的位置。

    2004年，美国陆军研究实验室（ARL）提出基于量子干涉原理的量子定位系统。该系统由6颗卫星两两构成3条基线对，3条基线的空间位置坐标已知，仍然通过测定量子信号到达的时间延迟计算目标位置。

    2010年，美国国防高级研究计划局（DARPA）启动“定位、导航与授时微技术”（Micro-PNT）计划，研发一种采用量子陀螺仪、量子加速度计等量子传感器的小型化高精度时钟与量子惯性导航技术（图4.15）。这种技术主要应用于GPS服务受限条件下或高动态条件下的精确定位和导航服务，如导弹、无人飞行器、无人潜水器等的导航定位。

2014年，英国报道了一种超冷原子（离子）量子定位系统，其原理是激光能捕获真空容器中的原子（离子）云，并使其冷却到绝对零度和1K温度之间，超低温下原子（离子）会变成一种量子态，这种量子态很容易受外力干扰而被破坏，利用另一束激光跟踪检测干扰造成的变化，测定外力大小，进而计算目标位置。这种定位技术将主要用于潜艇导航。

4.1.6地理位置表达

    表达事物在地理空间的位置是人类活动的基本需求之一。

    地名地址是当前最重要的地理空间位置表达形式。地名是人们赋予某一特定空间位置上自然或人文地理实体的专有名称，而地址则是不同地理实体层次等级关系的编码体系，如行政区划、邮政编码等。每当提及一个大家熟知的地名或地名地址时，它所包含的地理位置就会映现在人们的大脑中。

    利用地名表达地理位置虽然直观、易记，但是不够精确，而用地名地址来表达地理位置则使位置精度得以保证。

    建立具有严密数学基础的坐标系统，可以准确地表达地理事物的地理位置。一是在地球表面模型基础上，建立球面坐标系，用经度、纬度确定目标点在地球椭球面上的位置，同时建立高程系，用绝对高程（海拔）确定目标点距离大地水准面的距离，这样地理空间中任一点的位置就可以被唯一准确表达了。二是将小范围的地球表面视为平面，建立平面坐标系，或利用地图投影将球面坐标系转换成平面坐标系，用平面直角坐标或平面极坐标表达地理位置。

    地图是可视化表达地理位置极为重要的方法和手段，被称为地理学的第二语言。虽然用图像、文字、数字等形式都可以表达地理位置，但是由于地图具备其他形式所不可替代的特点，使得地图在人类文明早期就成为地理空间视觉表达的工具，这些地图常常被绘制在岩壁、石板、木片、陶片、桦树皮上。

随着日算机制图技术和地理信息系统的发展，人类对地理空间的表达能力越来越强。通过数字化具有地理定位意义的点，建立其拓扑关系，再匹配以对应的属性数据，如地名、类型、数值等，便可以表达一个比较完整的地理空间了（图4.16）。