第七章 定位技術(shù)

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)講義講義 第七章、定位技術(shù) 內(nèi)容提要 WSN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型定位系統(tǒng) 展望 1. WSN定位概述 什么是定位？ 定位的應(yīng)用領(lǐng)域 定位的技術(shù)指標 定位系統(tǒng)的設(shè)計要點 定位服務(wù)的標準化 1. WSN定位概述-什么是定位？ 定位就是確定位置。 定位的兩種意義： 一種是確定自己的在系統(tǒng)中的位置； 一種是確定目標在系統(tǒng)中的位置。 位置信息的類型： 物理位置指目標在特定坐標系下的位置數(shù)值， 表示目標的相對或者絕對位置。 符號位置指在目標與一個基站或者多個基站接 近

2、程度的信息，表示目標與基站之間的連通關(guān) 系，提供目標大致的所在范圍。 1. WSN定位概述-定位的應(yīng)用 領(lǐng)域 導(dǎo)航：了解移動物體在坐標系中的位置， 指導(dǎo)移動物體成功到達目的地的工作 跟蹤：系統(tǒng)實時地了解物體所處位置和移 動的軌跡 虛擬現(xiàn)實：定位物體的位置和方向 基于地理位置的路由：優(yōu)化的路由可以提 高系統(tǒng)性能、安全性，節(jié)省寶貴的電能 基于位置的服務(wù)（LBS, Location Based Service） ：新的增值服務(wù) 1. WSN定位概述-定位的技術(shù) 指標(1) 精度-最重要的指標，指定位系統(tǒng)提供的位 置信息的精確程度。 絕對精度指以長度為單位度量的精度。 相對精度，通常以節(jié)點之間距離的百

3、分比來定義。 覆蓋范圍是另一個重要指標，它和精度是一 對矛盾。 1. WSN定位概述-定位的技術(shù) 指標(2) 刷新速度是提供位置信息的頻率。比 如GPS每秒鐘刷新1次 WSN相關(guān)的指標 功耗，WSN是功耗受限制的 帶寬，協(xié)議棧開銷+數(shù)據(jù)的有效載荷 節(jié)點密度，節(jié)點密度要求越高，單次定 位的通信開銷越大，消耗的電能越多。 1. WSN定位概述-定位系統(tǒng)的 設(shè)計要點 兩個主要因素： 定位機制的物理特性 相應(yīng)的算法 其他設(shè)計要求： 節(jié)點密度 擴展性 魯棒性的要求 1. WSN定位概述-定位服務(wù)的 標準化 定位系統(tǒng)往往是訂制系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一 的標準 GPS系統(tǒng)，事實標準 E-911，1996年美國聯(lián)邦通信

4、委員會 （FCC） 制定的運營商（緊急救援）服務(wù) 標準 WSN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型定位系統(tǒng) 展望 主要參考文獻 內(nèi)容提要 2. 基于測距（range-based） 的定位技術(shù) 三邊定位和多邊定位 測距的方法有： 信號強度（RSS） 信號傳播時間/時間差（TOA/TDOA/RTOF） 接收信號相位（PDOA） 近場電磁測距（NFER） 接收信號角度定位 2. 基于測距的定位技術(shù)-三邊定 位和多邊定位 多邊定位多邊定位Multilateration 多次測量方程的個數(shù)大于變量的個數(shù) 估計方法：

5、最小二乘（LS，Least Square） 極大似然（MLE, Maximum Likelihood Estimation） 最小均方差（MMSE, Minimum Mean Square Error） A1 A2 A3 A4 A5 N r1 r2 r3 r4 r5 2. 基于測距的定位技術(shù)-三邊定 位和多邊定位 三邊定位三邊定位Trilateration（多邊定位特例）（多邊定位特例） n多次測量方程的個數(shù)等于變量的個數(shù) n需要考慮無解的情況，求最優(yōu)近似解 A1 A2 A3 N r1 r2 r3 A1 A2A3 N r1 r2 r3 (a)(b) 2. 基于測距的定位技術(shù)-三邊定 位和多邊定

6、位 信號強度（信號強度（RSS ） 通過信號在傳播中的衰減來估計節(jié)點之間的 距離 根據(jù)信道模型求解距離： 信道的時變特性： 信道由于受到多徑衰減（Multi-path Fading） 非視距阻擋（Non-of-Sight Blockage）的影響 X d d ndPLdPL 0 0 log10)()( 2. 基于測距的定位技術(shù)-三邊定 位和多邊定位 信號傳播時間信號傳播時間/時間差（時間差（TOA/TDOA/RTOF） T0 T1 發(fā)射機接收機發(fā)射機接收機 T0 T1 T2 T3 T0 T3 發(fā)射機接收機 T2 T1 TOATDOARTOF VTTd*)( 01 2 *)()( 1203 VT

7、TTT d USRF USRF VV VV TTTTd * *)()( 0213 到達時間到達時間差 往返傳播時間 2. 基于測距的定位技術(shù)-三邊定 位和多邊定位 接收信號相位（接收信號相位（PDOA） 通過測相位差，求出信號往返的傳播時間，計算出往返 距離 其中，fc是信號頻率，是信號的波長，是發(fā)送信號和 反射信號的相位差。由上式可知d的范圍是0, 。 不同的距離如果相差倍，則測量獲得的相位相同。 222 cc f c f cd 2. 基于測距的定位技術(shù)-三邊定 位和多邊定位 近場電磁測距（近場電磁測距（NFER） 利用了在近場電場與磁場的相位差來測量距離。射頻信 號包括電場和磁場2部分。

8、相位(度) 范圍（波長） 90 75 60 45 30 15 0 0.10.20.30.40.5 近場電磁測距方法的測距范圍0.05 0.5 之間，最佳測量范圍0.08 0.3 之間。 2. 基于測距的定位技術(shù)-接收信 號角度定位 利用角度關(guān)系定位利用角度關(guān)系定位 A1 A2 N 1 2 A1 A3A2 N 12 111222 12 111222 cotcot )cot()cot( tantan )tan()tan( yxyx y xyxy x )cos1 (2)()( )()( )()( 2 1 2 3 2 3 2 1 2 12 2 12 2 1 2 11 2 11 Ccc CCC CCC

9、ryyxx ryyxx ryyxx 已知一個頂點和夾角的射線確定一點已知一個頂點和夾角的射線確定一點 已知三點和三個夾角確定一點已知三點和三個夾角確定一點 WSN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型定位系統(tǒng) 展望 主要參考文獻 內(nèi)容提要 3. 無需測距（range-free）的 定位技術(shù) 質(zhì)心算法 DV-Hop算法 不定形（Amorphous）定位算法 APIT算法 3. 無需測距的定位技術(shù)-質(zhì)心算 法 質(zhì)心（Centroid）指多邊形的幾何中心，是 多邊形頂點坐標的平均值。設(shè)多邊形定點位 置的向量表示為

10、pi=（xi, yi）T，則 質(zhì)心為 連通度和RSSI信息的質(zhì)心定位加權(quán)算法 （W-Centroid） ) 1 , 1 (),( 11 n i i n i iestest Y n X n YX ).1( . . ,),( 1 1 1 1 NiCMts P YP P XP YX i n i i n i ii n i i n i ii estest L3 A L1 L2 3. 無需測距的定位技術(shù)- DV- Hop算法 測量確定分布在2個參考節(jié)點之間的待定節(jié)點構(gòu)成 的多跳網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)，估算出每一跳的距離，從而 確定每個節(jié)點的位置。 精度：網(wǎng)絡(luò)平均連通度為10，參考節(jié)點比例為 10%的各向同性網(wǎng)絡(luò)中定位

11、精度約為33%。 缺點：僅僅在各向同性的密集網(wǎng)絡(luò)中，校正值才 能合理地估算平均每跳距離。 3. 無需測距的定位技術(shù)- APIT 算法 近似三角形內(nèi)點測試法（APIT, Approximate Point- In-Triangulation test）找到若干個由參考節(jié)點構(gòu)成 的三角形，則節(jié)點必然在這些三角形的交集內(nèi)。使 用這個交集的重心估計節(jié)點的位置。 APIT算法分四步：（1）信標交換，（2）三角形內(nèi) 點測試（PIT, Point-In-Triangulation testing）， （3） 交集運算計算三角形的重合區(qū)域，（4）重 心（COG, Center of Gravity）計算求節(jié)點

12、的位置。 WSN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型定位系統(tǒng) 展望 主要參考文獻 內(nèi)容提要 4. 定位相關(guān)的其它技術(shù) 節(jié)點和事件的跟蹤 測距方式對精度的影響 貝葉斯濾波 卡爾曼濾波 其它技術(shù) 4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-節(jié)點和 事件的跟蹤 定位是跟蹤的技術(shù)基礎(chǔ) 跟蹤是WSN的重要應(yīng)用 目標或現(xiàn)象的檢測、定位、數(shù)據(jù)收集與分享、以及預(yù)測 和組管理。 對移動的目標或者事件進行動態(tài)的監(jiān)測 目標：讓盡可能少的、足夠的節(jié)點參與跟蹤任務(wù)， 最大可能地降低電能的消耗和信道的開銷 方案：協(xié)同信號與信息處理(CSIP, coll

13、aborative signal and information processing) 4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-測距方 式對精度的影響 Radio（VHF、UWB、CDMA、光、光、 紅外光）紅外光） 0.10.31310301003001K3K 技術(shù)壁壘 室內(nèi) 室外局域 室外全球 GSM/3G蜂窩電話 Cell-ID AOA TOA TDOA GPS DGPS WLAN DECT 藍牙 RSS TDOA 專有微波 方案 TDOA RTOF 自動化/控制等跟蹤/導(dǎo)航等 一米的壁壘：更高的精度非常困難一米的壁壘：更高的精度非常困難 4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-測距方 式對精度的影響 聲音（聲波

14、、超聲波）聲音（聲波、超聲波） 超聲波的傳播速度約300m/s，設(shè)TDOA達到的時 鐘精度為1ms，則測距精度30cm。 1ms的時鐘精度是很低的，經(jīng)過優(yōu)化的時間同步 方案可以提供幾十微秒的精度。那么使用超聲波 測距的方法可以達到1cm的精度。 超聲波的傳播速度受到環(huán)境的影響，同時傳播距 離在幾米到幾十米的范圍。由于聲波接收的方向 性，需要小心的部署。 4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-貝葉斯 濾波 濾波可以看作是根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，推斷系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài) 的過程。順序估計就是通過后驗密度（Posterior Density） 給定了濾波密度就可以通過估計子計算系統(tǒng)的狀態(tài)。 估計子有很多種，最常用的是均值估計子：

15、 實際應(yīng)用：順序蒙特卡羅（SMC, sequential Monte Carlo）和馬爾可夫蒙特卡羅（MCMC, Markov Chain Monte Carlo）的基本原理。 kkkkkk pyyyYxxxXYX, ),|( 2121 且其中 kkkkkkk dpExYxxYxx)|(| 4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-卡爾曼 濾波 卡爾曼濾波：貝葉斯濾波的特例 要求：線性系統(tǒng)，高斯噪聲 非線性非高斯系統(tǒng)：擴展卡爾曼濾波 線性化運動方程和觀測方程 Jacobian矩陣計算協(xié)方差 非察覺型卡爾曼濾波器（Unscented Kalman filter） 更加精確的捕捉真實的均值和方差的方法 使用一個確

16、定的采樣技術(shù)選取均值附近的采樣點的最小 集合（Sigma Points, SP） 4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-其它技 術(shù) 模式匹配 數(shù)據(jù)融合等算法 數(shù)據(jù)壓縮 數(shù)據(jù)庫 多媒體技術(shù) 以RADAR系統(tǒng)為例， 該系統(tǒng)采用RSS方式進 行實時定位，定位主要 分成兩個階段： （1） 離線階段測量并 記錄移動節(jié)點在現(xiàn)場不 同位置情況下各個參考 節(jié)點的RSS，構(gòu)成RSS 指紋庫（footprint）； （2） 實時階段將收到 的信號強度與指紋庫中 的數(shù)據(jù)進行比較，估計 出節(jié)點位置。 WSN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型

17、定位系統(tǒng) 展望 主要參考文獻 內(nèi)容提要 5. 典型定位系統(tǒng) 全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng) 全球?qū)Ш较到y(tǒng) 地區(qū)導(dǎo)航系統(tǒng) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng) 使用RSS方式定位的系統(tǒng) 使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng) 混合定位系統(tǒng) 無需測距的定位系統(tǒng) 5. 典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)?航系統(tǒng) 全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍 GPS GPS（Global Positioning System）二十世紀70 年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間 衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。 起初為了軍事目的。 Galileo系統(tǒng) 伽利略系統(tǒng)（GALILEO satellite radio navigation system）是歐洲自主的、獨立的全 球

18、多模式衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，提供高精度、高 可靠性的定位服務(wù)，同時它實現(xiàn)完全非軍方控 制、管理。 5. 典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)?航系統(tǒng) 全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍 GPS GPS使用24顆人造衛(wèi)星在離地面約2萬公里 的高空上，以12小時的周期環(huán)繞地球運行。 在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆 以上的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的位置精確可知，通 過4顆衛(wèi)星發(fā)出的信號，我們可得到衛(wèi)星到 接收機的距離。 GPS精度達到5m，專用車載GPS導(dǎo)航儀已經(jīng) 廣泛使用于車輛導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域。 5. 典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)?航系統(tǒng) 全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍 Galileo系統(tǒng) 伽利略系統(tǒng)是中高度圓軌道（MEO）方案， 該系

19、統(tǒng)將由30顆中高度圓軌道衛(wèi)星和2個地 面控制中心組成，其中27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星， 3顆為候補。衛(wèi)星高度為24126公里，位于3 個傾角為56度的軌道平面內(nèi)。 伽利略系統(tǒng)可以分發(fā)實時的米級定位精度信 息，這是現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所沒有的。同 時伽利略系統(tǒng)能夠保證在許多特殊情況下提 供服務(wù) 5. 典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)?航系統(tǒng) 地區(qū)導(dǎo)航系統(tǒng)：區(qū)域范圍 LORAN系統(tǒng) LORAN（LOng RAnge Navigation）是一種地區(qū)導(dǎo)航系統(tǒng)?；疽砸?定的時間間隔發(fā)送低頻無線信號，船只、飛機等接收到多個信號基站 的信號后，可以計算出自身所處的位置。LORAN系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷LORAN- A、LORA

20、N-C、LORAN-D和LORAN-F，最為重要的是LORAN-C系統(tǒng)。 LORAN-C是測量脈沖和測量相位相結(jié)合的雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)，工作頻段 90110kHz，1957年開始建設(shè)，直到現(xiàn)在已經(jīng)建成大量電臺鏈，覆蓋 了北半球大部分地區(qū)。 北斗 北斗雙星定位系統(tǒng)是我國自行建立起來的一種區(qū)域性定位系統(tǒng) （RDSS）。2003年5月25日，我國成功發(fā)射了第三顆“北斗一號”導(dǎo)航 定位衛(wèi)星，作為“北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)”的備份星，連同2000年10月31日 和12月21日發(fā)射升空的兩顆“北斗一號”導(dǎo)航定位衛(wèi)星和一個地面中心 站，形成了一個較為完善的“雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”?！半p星導(dǎo)航定位系統(tǒng)” 應(yīng)歸于“衛(wèi)星無線電定

21、位服務(wù)”（RDSS）。 5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)定位系統(tǒng) 使用RSS方式定位的系統(tǒng) RADAR（1998） Microsoft的RADAR定位系統(tǒng)利用“指紋識別” 技術(shù)進行定位，解決WLAN中定位移動 計算設(shè)備的問題。 SpotON（1999） 5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)定位系統(tǒng) 使用RSS方式定位的系統(tǒng) RADAR（1998） 通過對特定環(huán)境下的RF信號衰落特 征值進行處理實現(xiàn)的。 數(shù)據(jù)處理處理分成2個階段：離線階 段（office-line phase）和實時 階段（real-time phase）。離 線階段記錄目標節(jié)點的位置所 對應(yīng)3個基站的信號信息，生 成以位置

22、為變量的信號信息函 數(shù)。實時階段在采集3個基站 的信號信息，根據(jù)信號信息函 數(shù)求解位置。 5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)定位系統(tǒng) 使用RSS方式定位的系統(tǒng) SpotON（1999） SpotOn標簽的硬件由 Dragonball EZ處理器、在 916.5MHz的TR1000射頻收 發(fā)器和10-bit A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。 該系統(tǒng)基于射頻接收信號強 度（RSS）分析的三維位置 感知方法，實現(xiàn)小范圍內(nèi)的 定位。 5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)定位系統(tǒng) 使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng) Bat System（1999） Cricket（2000） 5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)定

23、位系統(tǒng) 使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng) Bat System（1999） Cricket（2000） 室內(nèi)定位系統(tǒng)Badge系統(tǒng)是Active Badge的 后繼發(fā)展，是一種基于測距（range-based） 的定位技術(shù)。如圖 7 19，該系統(tǒng)使用超聲 波信號的TOA實現(xiàn)三維空間定位，使用多邊 定位方法提高精度。Bat系統(tǒng)的定位精度最 高達到3cm。 MIT提出了一種融合TDOA和信號到達相位差的硬件解決方案Cricket Compass， 其原型系統(tǒng)可在40角內(nèi)以5的誤差確定接收信號方向。 Cricket系統(tǒng)是麻省理工學(xué)院的Oxygen項目的一部分，用來確定移動或靜止節(jié)點在 大樓內(nèi)的具體

24、所在房間位置。該定位系統(tǒng)利用射頻信號與超聲波信號到達時間間隔 和各自的傳播速度，計算出未知位置節(jié)點到已知位置節(jié)點的距離。 5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)定位系統(tǒng) 混合定位系統(tǒng) Calamari AHLoS（Ad Hoc Localization System） （2001） 兩個系統(tǒng)本質(zhì)上都是cell-based方式定位的系統(tǒng) 5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)定位系統(tǒng) 混合定位系統(tǒng) Calamari Calamar采用超聲波傳播時間（TOA）和接收電信號強度（RSS）方式定 位。使用超聲波的測距，將49個節(jié)點部署在144 平方米的范圍。定位中等 誤差0.53m。使用RSS，系統(tǒng)分別在

25、半個足球場，定位中等誤差4.1m。 5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)定位系統(tǒng) 混合定位系統(tǒng) AHLoS（Ad Hoc Localization System）（2001） AHLoS使用RSS進行接近情況探測，同時使用RF和超聲波的收發(fā)時間進行 TDOA測量。 AHLoS系統(tǒng)中使用3種多邊定位算法：原子式（atom multilateration）、協(xié)作 式（collaborative multilateration）和迭代式（iterative multilateration）。原 子式多邊定位就是普通的最大似然估計定位。 X X 未知目標位置 參考節(jié)點位置 (a)(b) (c) 5.

26、典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)定位系統(tǒng) 無需測距的定位系統(tǒng) Active Badge（1992） 每一個目標上安裝一個badge。每個badge周期 地每15秒鐘，紅外線發(fā)送大約持續(xù)0.1秒的唯一 ID號。已知位置的參考節(jié)點收到這些信號，傳 送到網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)知道當前某個badge在哪一個 cell附近。Active Badge系統(tǒng)的缺點是部署大規(guī) 模網(wǎng)絡(luò)困難，同時，紅外線容易受到光線的干 擾，尤其是在戶外。因此，Active Badge是一 個室內(nèi)的基于蜂窩單元（cell-based）的定位系 統(tǒng)。 5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)定位系統(tǒng) 無需測距的定位系統(tǒng) UC Berkeley（200

27、6） 使用Trio傳感器節(jié)點 多傳感器融合算法，使用空間相關(guān)性，融合后的二進制 測量值提供更加精細的位置信息。融合后的數(shù)據(jù)通過數(shù) 據(jù)關(guān)聯(lián)的馬爾可夫-蒙特卡羅算法（Markov chain Monte Carlo Data Association - MCMCDA） 跟蹤未知個數(shù)的目 標。 WSN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型定位系統(tǒng) 展望 主要參考文獻 內(nèi)容提要 6. 展望 UWB定位 Nanotron CSS定位 6. 展望-UWB定位 隨著通信技術(shù)，特別是物理層的發(fā)展，UWB （Ultra Wide Band，超寬帶）可能成為下一個廣 泛使用的技術(shù)。UWB具有一系列優(yōu)良獨特的技術(shù) 特