基于LoRa技术的地理位置解决方案解析

首先，举个例子：

假如你和好朋友约好在某个广场见面，你跟朋友说你在距离A大厦200m的位置。此时，在你朋友看来，你所处的位置有无数种可能：

如果你再补充一个信息：你距离旁边的肯德基大概150m。此时，在你朋友看来，你所处的位置有两种可能：

若是再多给一个信息：距离你100m的地方有个麦当劳。那么，你朋友便能准确知道你所在的位置：

此时，如果把A大厦、肯德基和麦当劳这三个已知的地点换成是三个固定的网关，而你本人比作是一个移动的物联网终端的话，那么就可以理解为，通过三个网关是能够确定一个终端的位置，这也正是为什么实现地理位置功能至少需要三个网关接收数据包的原因所在。

LoRa定位方法及原理

最初，LoRa作为一种窄带无线通信技术为人们所熟知，但是近两年来，LoRa在定位方面开始崭露头角。

在LoRaWAN协议提供的两种定位方法中，有一种叫到达时间差定位(TDoA)，其定位原理与开头的例子正有共通之处。只是在TDoA中，不再直接用距离作为参数来确定终端的位置，而是用数据包到达时间差为参数，因此要求所有的网关必须共享一个共同的时基。

相比于LoRaWAN协议提供的另外一种基于接收信号强度指示(RSSI)的定位方法，TDoA的定位更加精准，其精度范围在20-200m之间，而RSSI的精度范围在1-2Km之间，主要用于粗略定位。

接下来，我们继续来看看LoRa技术完成LoRa终端定位的完整过程，这个过程包含了两个步骤，一是从终端节点到网关之间数据传输，二是网关到网络服务器之间的数据传输。

当任何一个LoRaWAN终端设备发送一个数据包时，数据包会被所在网络范围内的所有网关接收。这些上行数据并不需要是特定的位置信息，它们可以普通的LoRaWAN数据帧结构。

当数据包被送到时，网关并不知道数据包来自哪个LoRa终端设备，因此所有网关需要给接每个接受到的数据包加上精确的时间戳，之后一并被转发到网络服务器上。

当带有时间戳的数据包被传输到网络服务器后，只有经过授权的网络服务提供商才能提供解密服务，根据订阅的服务级别对数据进行解密，通过网络服务器端的算法对到达时间、信号强度、信噪比及其他参数来计算LoRa终端节点的位置。

到此，整个LoRa定位的完成过程基本已经结束。

影响LoRa定位精度元素及提高方法

LoRa定位的精确度主要与以下几个因素相关：

1、传播环境和路径

2、网关部署策略和密度

3、用于定位的算法

4、网关时间同步的精度

5、终端设备的动态和结构

从前文也可以看出，到达时间差的精准度直接影响了最终终端位置的准确度，那么有何方法可以提高到达时间差的精准度?

一是，可以利用混合数据融合技术和地图匹配增强来改善到达时间差。

二是，更多、更密集的网关也能提高定位精度和容量。这是因为当更多的网关接收到相同的数据包时，网络服务器会得到更多信息，从而提高了地理位置精度。

三是，减少多路径传输。如下图所示，一些数据包直接送到了网关，一些数据包并没有送到，但是它有一个反射信号，还有另外一些数据包可能包含了以上两种情况。因此可以使用更多数据包传输来减少多路径传输。

LoRa定位优势及特点

基于LoRa技术的地理位置解决方案将能够实现作为整体解决方案中一部分需要位置确定的应用。这样做的好处在于，新功能可由任何正在工作的LoRaWAN终端支持，消除了额外的成本，并且不需要额外的处理能力，同时保持数据和位置的最佳安全性。

1、最低功耗

传感器中没有位置任务的处理

发送位置数据不需要“空中时间”

可能使用尽可能小的LoRaWAN数据包进行地理位置定位

2、最低成本

传感器中没有GNSS或其他硬件

更小的电池，因为没有使用传感器电源来获取位置

最小尺寸，包括电子部分，电池，外壳

3、最低环境影响

传感器硬件最小化(包括电子部分，电池，外壳尺寸等)

许多传感器安装一个终生电池

LoRa定位的应用场景

目前，定位类技术已有很多，总体上可分为室外和室内定位技术。最初，LoRa定位技术主要集中在室外的应用场景中，但是随着技术的迭代，开始在室内定位场景中发力，为LoRa贡献新的增长点。

以下列举一些LoRa定位应用场景：

1、车辆监管

汽车应用中的地理位置定位功能可用于事故跟踪和通知，以及预测性维护需求，可在车辆上安装监控器，实时监控车辆状态、智能管理车辆使用状况，为车辆监管提供规范用车系统。

2、动产监管

安装定位、位移等感知设备在资产上，这些资产一旦偏离设定状态，即刻预警，地理位置服务用于动产监管科实现更有效的管理。

3、共享单车

安装定位、位移等感知设备在单车上，自动定时发送位置信息，云端后台智能监控、记录运动轨迹、异常预警。为共享单车提供规范监管系统。

4、牧群/家畜定位

对牧群及个体进行位置定位实现有效管理，同时可设立电子围栏，当牧群离开围栏，监控平台会及时提出预警，有效解决畜牧走失隐患，甚至在一些濒危物种上也能发挥巨大价值。

5、工业资产管理

除了简单地提供资产位置信息以外，也能够协助供应链和工业管理公司更高效地监控其设备健康状况并预测维护情况。

此外，基于LoRa技术的位置定位服务还可应用在建筑、保险和消费行业等，用于跟踪高价值资产，如建筑材料、保险商品、宠物或者人员。

结 语

位置服务并不是一个新的产业，无论是GNSS还是室内小无线定位技术，都已经经历了数十年的积累。随着最近几年物联网产业的强势崛起，相关应用对定位的要求越来越多，定位技术商业机遇开始大量涌现，尤其是一些资产跟踪等的应用。关注物联网定位领域的人或许看过以下两组数据：

根据Machina Research研究，到2020年底，物联网将会有超过15亿台连接设备。其中约三分之一将严重依赖地理数据，60%应用将可能包括地理数据。

科技行业数据公司IDTechEx预测，至2024年，仅室内定位产品市场的规模将超过100亿美元。健康管理、资产追踪、智能制造，每一个相关领域都将产生一个千亿级别的定位需求市场。

可见，未来物联网定位市场有着广阔的应用前景。当然了随着技术的不断进步，基于LoR技术，结合TDoA定位算法，打造高精度、低成本的地理位置解决方案同样大有可为。