第4章_定位系統(tǒng)v11

1、內(nèi)容提要通過定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要研究課題。本章將典型的定位系統(tǒng)和定位技術(shù)。第3章介紹了傳感器技術(shù)傳感器的設(shè)計(jì)需求（低成本與微型化，低功耗，靈活性與擴(kuò)展性，魯棒性）傳感器的軟硬件平臺(tái)本章介紹位置信息的概念，重點(diǎn)介紹典型的定位系統(tǒng)（衛(wèi)星定位，蜂窩基站定位，無線室內(nèi)環(huán)境定位，新興定位系統(tǒng)）以及三種常見的定位技術(shù)。內(nèi)容回顧4.1 位置信息位置信息4.2 定位系統(tǒng)4.3 定位技術(shù)4.4 物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)位置信息的三大要素是什么？本章內(nèi)容為什么需要定位？基于位置的服務(wù)基于位置的服務(wù)自動(dòng)導(dǎo)航搜索周邊服務(wù)信息基于位置的社交網(wǎng)絡(luò)：Four square位置信息和我們的生活息息相

2、關(guān)位置信息和我們的生活息息相關(guān)位置信息位置信息不是單純的“位置”地理位置（空間坐標(biāo)）處在該位置的時(shí)刻（時(shí)間坐標(biāo)）處在該位置的對(duì)象（身份信息）4.1 位置信息4.2 定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)4.3 定位技術(shù)4.4 物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)典型的定位系統(tǒng)有哪些？各自有哪些特點(diǎn)？本章內(nèi)容現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：衛(wèi)星定位：GPS蜂窩基站定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)：新興定位系統(tǒng)：A-GPS，網(wǎng)絡(luò)定位衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)美國：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國：北斗一號(hào)（區(qū)域）、北斗二號(hào)（全球）G

3、PS是目前世界上最常用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS：發(fā)展簡(jiǎn)史衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)1973年，美國國防部開始GPS計(jì)劃1983年，里根承諾將來對(duì)民間開放使用1989年，正式開始發(fā)射GPS工作衛(wèi)星1994年，衛(wèi)星星座組網(wǎng)完成，投入使用2000年，克林頓下令取消軍用/民用信號(hào)的精度差別對(duì)待GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)宇宙空間部分宇宙空間部分24顆工作衛(wèi)星地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分（全部在美國境內(nèi)）1個(gè)主控中心（另有1個(gè)備用）4個(gè)專用地面天線6個(gè)專用監(jiān)視站用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分GPS接收機(jī)GPS：定位原理衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興

4、定位系統(tǒng)GPS：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)精度高全球覆蓋，可用于險(xiǎn)惡環(huán)境缺點(diǎn)缺點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)室內(nèi)信號(hào)差需要GPS接收機(jī)GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)最初僅能提供位置和周邊地圖第二代汽車導(dǎo)航系統(tǒng)可根據(jù)目的地自動(dòng)計(jì)算“最短”路線互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，汽車導(dǎo)航可從交管部門取得路況咨詢，優(yōu)化路線，找出“最快”路線GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，感知更透徹綜合道路狀況，污染指數(shù)，天氣狀況，加油站的分布，駕駛員的身體狀況等各種因素找出“最佳”路線由“以路為本”轉(zhuǎn)變到“以人為本”蜂窩基站

5、定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊區(qū)域被分割成蜂窩小區(qū)每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)通訊基站通訊設(shè)備連接小區(qū)對(duì)應(yīng)基站進(jìn)行通訊利用基站位置已知的條件，可對(duì)通訊設(shè)備進(jìn)行定位單基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)COO定位（Cell of Origin）將移動(dòng)設(shè)備所屬基站的位置視為移動(dòng)設(shè)備的位置精度直接取決于基站覆蓋的范圍基站分布疏松地區(qū)，一個(gè)基站覆蓋范圍半徑可達(dá)數(shù)公里，誤差巨大優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、快速，適用緊急情況多基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)ToA/TDoA定位法需要三個(gè)基站才能定位稀疏地區(qū)可能只能收到兩個(gè)基站的信號(hào)，不適用AoA

6、定位法蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)不需要GPS接收機(jī)，可通訊即可定位啟動(dòng)速度慢信號(hào)穿透能力強(qiáng)，室內(nèi)亦可接收到缺點(diǎn)定位精度相對(duì)較低基站需要有專門硬件，造價(jià)昂貴典型應(yīng)用：緊急電話定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)美國美國E-911系統(tǒng)系統(tǒng)撥打報(bào)警電話時(shí)，根據(jù)基站定位出手機(jī)位置，自動(dòng)接到最近警局綜合了各種定位系統(tǒng)，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS使用時(shí)嘗試各種定位方法，擇優(yōu)而用無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性多徑效應(yīng)原因：障礙物反射電磁波，反射波和原始波在

7、接收端混疊室內(nèi)障礙物眾多，多徑效應(yīng)明顯對(duì)電磁波的阻礙作用長(zhǎng)波信號(hào)（GPS）傳播能力強(qiáng)，穿透能力弱室內(nèi)應(yīng)選用短波信號(hào)來進(jìn)行定位無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)需求需求主要來自企業(yè)和個(gè)人：難以購置ToA，TDoA，AoA等技術(shù)所需的昂貴硬件RSS定位技術(shù)定位技術(shù)使用信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位利用已有的無線網(wǎng)絡(luò)（藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee）紅外線、超聲波、藍(lán)牙、RFID、超寬帶RFID定位典型應(yīng)用衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)資產(chǎn)管理資產(chǎn)管理在設(shè)備上貼上RFID標(biāo)簽需要使用時(shí)通過RFID定位找到標(biāo)簽的位置，從而定位設(shè)備的位置結(jié)合感知技術(shù)，還可以監(jiān)控設(shè)備的狀

8、況是否空閑是否故障是否老化新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)A-GPSGPS定位和蜂窩基站定位的結(jié)合體利用基站定位確定大致范圍連接網(wǎng)絡(luò)查詢當(dāng)前位置可見衛(wèi)星大大縮短搜索衛(wèi)星的時(shí)間新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)無線無線AP定位定位利用可見Wi-Fi接入點(diǎn)來定位在大城市中，無線AP數(shù)目多，定位非常精確在iPhone中成熟應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)定位網(wǎng)絡(luò)定位用于無線傳感網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)通過少量位置已知節(jié)點(diǎn)，定位出全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置4.1 位置信息4.2 定位系統(tǒng)4.3 定位技術(shù)定位技術(shù)4.4 物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)除了距離，哪些空間信息還可用于定位技術(shù)？本章

9、內(nèi)容4.3 定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：定位技術(shù)的關(guān)鍵：有一個(gè)或多個(gè)已知坐標(biāo)的參考點(diǎn)得到待定物體與已知參考點(diǎn)的空間關(guān)系定位技術(shù)的兩個(gè)步驟：定位技術(shù)的兩個(gè)步驟：測(cè)量物理量根據(jù)物理量確定目標(biāo)位置常見定位技術(shù)：常見定位技術(shù)：基于距離的定位（ToA）基于距離差的定位（TDoA）基于信號(hào)特征的定位（RSS）基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征距離測(cè)量方法距離測(cè)量方法距離d = 波速v * 傳播時(shí)間t傳播時(shí)間t = 收到時(shí)刻t 發(fā)出時(shí)刻t0問題：?jiǎn)栴}：接受端如何得知t0？基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征方法方法1：利用波速差發(fā)送端同時(shí)發(fā)送一道電磁波和聲波接收端記錄：電磁

10、波到達(dá)時(shí)刻聲波到達(dá)時(shí)刻距離由于 遠(yuǎn)大于 ，上式可簡(jiǎn)化為rtstrssrrsv vttdvvrvsvssrdvtt基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征方法方法2：測(cè)量波的往返時(shí)間發(fā)送端于時(shí)刻 發(fā)送波接收端收到波后，等待時(shí)間 后返回同樣的波發(fā)送端記錄收到回復(fù)的時(shí)間距離0tt02v tttdt基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征位置計(jì)算方法位置計(jì)算方法多邊測(cè)量多邊測(cè)量（也稱多點(diǎn)測(cè)量）平面上定位，取三個(gè)參考點(diǎn)以每個(gè)參考點(diǎn)為圓心，到該參考點(diǎn)的距離為半徑畫圓，目標(biāo)必在圓上平面上三個(gè)圓交于一點(diǎn)實(shí)際中取用超過三個(gè)參考點(diǎn)，用最小二乘法減少誤差基于距離差的定位（TDoA）基于距

11、離基于距離差基于信號(hào)特征ToA的局限的局限需要參考點(diǎn)和測(cè)量目標(biāo)時(shí)鐘同步TDoA不需要參考點(diǎn)和測(cè)量目標(biāo)時(shí)鐘同步參考點(diǎn)之間仍然需要時(shí)鐘同步基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征距離差測(cè)距方法距離差測(cè)距方法測(cè)量目標(biāo)廣播信號(hào)參考點(diǎn)i，j分別記錄信號(hào)接收到的時(shí)刻ti，tj測(cè)量目標(biāo)到i，j的距離差ijijdv tt基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征位置計(jì)算方法位置計(jì)算方法至少兩組數(shù)據(jù)聯(lián)立方程求解實(shí)際采用多組數(shù)據(jù)最小二乘法求解每次測(cè)量結(jié)果參考點(diǎn)坐標(biāo)到參考點(diǎn)的距離構(gòu)建方程：22222iijjijxxyyxxyyd ,iix y,jjxyijd基于信號(hào)特征的定位基于距

12、離基于距離差基于信號(hào)特征ToA和TDoA都需要接收端特殊裝置基于信號(hào)特征的定位基于信號(hào)特征的定位直接利用無線通信的射頻信號(hào)定位，不需要額外設(shè)備原理：原理：信號(hào)強(qiáng)度隨傳播距離衰減問題：?jiǎn)栴}：理想公式實(shí)際難以應(yīng)用 24rttrP dPGGd基于信號(hào)特征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征解決方法：解決方法：將信號(hào)強(qiáng)度看做“特征”預(yù)先布置N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)測(cè)出N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)的強(qiáng)度，得到一個(gè)N維向量事先測(cè)出區(qū)域中每個(gè)位置的特征向量將目標(biāo)測(cè)出的特征向量和事先測(cè)量值比對(duì)，找出位置缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)變化基于信號(hào)特征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征LANDMARC：基于信號(hào)特征的動(dòng)態(tài)定位方法除了信號(hào)發(fā)送

13、源，再布置一系列RFID標(biāo)簽作為參考標(biāo)志每個(gè)標(biāo)志隨時(shí)記錄自己收到的RSS信號(hào)強(qiáng)度特征向量將目標(biāo)測(cè)得的信號(hào)特征向量與參考標(biāo)志此時(shí)的特征向量進(jìn)行比對(duì)，確定位置，誤差在1m范圍以內(nèi)4.1 位置信息4.2 定位系統(tǒng)4.3 定位技術(shù)4.4 物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)物聯(lián)網(wǎng)背景對(duì)定位技術(shù)有哪些新的需求？本章內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)接入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備五花八門連接起來的網(wǎng)絡(luò)各自不同如何讓不同的設(shè)備在不同的網(wǎng)絡(luò)下準(zhǔn)確定位環(huán)境多變環(huán)境多變室外 vs. 室內(nèi)空曠地帶 vs. 障礙物眾多靜止設(shè)備 vs. 頻繁運(yùn)動(dòng)4.4 物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)信息安全與隱私保護(hù)信息安全與隱私保護(hù)位置信息內(nèi)涵豐富且隱私息息相關(guān)高精度位置信息泄露的后果嚴(yán)重如何既保證信息精度，又保護(hù)個(gè)人隱私大規(guī)模應(yīng)用大規(guī)模應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備將超過500億臺(tái)如何應(yīng)對(duì)龐大的數(shù)量增長(zhǎng)如何讓定位技術(shù)為簡(jiǎn)單設(shè)備（如RFID標(biāo)簽）所用4.4 物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)本章小結(jié)內(nèi)容回顧內(nèi)容回顧本章介紹了位置信息的基本概念，重點(diǎn)討論了四種定位系統(tǒng)以及三種典型的定位技術(shù)，最后探討了物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)。重點(diǎn)掌握重點(diǎn)掌握了解