物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)課件

定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)內(nèi)容提要通過定位系統(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)。內(nèi)容提要通過定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要研究課題。1位置信息2定位系統(tǒng)3定位技術(shù)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1位置信息本章內(nèi)容為什么需要定位？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)：Foursquare位置信息和我們的生活息息相關(guān)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）為什么需要定位？基于位置的服務(wù)位置信息不是單純的“位置”1位置信息2定位系統(tǒng)3定位技術(shù)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1位置信息本章內(nèi)容現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)：A-GPS，網(wǎng)絡(luò)定位現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS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(guó)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)美國(guó)：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國(guó)：北斗一號(hào)（區(qū)域）、北斗二號(hào)（全球）GPS是目前世界上最常用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位各國(guó)的衛(wèi)星定位系統(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(guó)國(guó)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（20m/300m)GPS：發(fā)展簡(jiǎn)史衛(wèi)星定位1973年，美國(guó)國(guó)防部開始GPS計(jì)劃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24顆工作衛(wèi)星：6軌道*4星地面監(jiān)控部分（全部在美國(guó)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GPS接收機(jī)（天線、處理器、時(shí)鐘）GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位宇宙空間部分GPS：定位原理衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)GPS：定位原理衛(wèi)星定位GPS：定位原理預(yù)備知識(shí)在地表室外絕大位置至少有6顆星在視線范圍每顆星上裝備銫原子鐘(140萬年誤差1秒：4.4*10^-13/s)衛(wèi)星不斷廣播信息：每條信息包含信息發(fā)出時(shí)刻、衛(wèi)星在該時(shí)刻的坐標(biāo)、時(shí)鐘誤差GPS：定位原理，GPS：定位原理，GPS：定位原理，GPS：授時(shí)原理20ns，GPS：授時(shí)原理20nsGPS：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)精度高全球覆蓋，可用于險(xiǎn)惡環(huán)境缺點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)(3-5分鐘)室內(nèi)信號(hào)差需要GPS接收機(jī)GPS：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位優(yōu)點(diǎn)北斗一號(hào)由4顆衛(wèi)星、中心控制系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)和各類用戶機(jī)組成系統(tǒng)能容納的用戶數(shù)為每小時(shí)540000戶用戶終端機(jī)工作時(shí)要發(fā)送無線電信號(hào)北斗一號(hào)北斗2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2020年完成由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成提供兩種服務(wù)方式，即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度為10米，授時(shí)精度為50納秒，測(cè)速精度0．2米／秒。授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。北斗2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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)星定位最初僅能提供位置和周邊地圖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”GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，感知更透徹蜂窩基站定位衛(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)行定位蜂窩基站定位衛(wèi)星定位GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)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（CellofOrigin）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(2-3S)，適用緊急情況單基站定位法衛(wèi)星定位COO定位（CellofOrigin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)三基站，最常用的是ToA/TDoA定位法基于時(shí)間的定位ToA（TimeofArrival）10STDoA（TimeDifferenceofArrival）二基站，AoA定位法AoA（AngleofArrival

）多基站定位法衛(wèi)星定位三基站，最常用的是ToA/TDoA定位法ToA定位法定位原理得到Ti(i=1,2,3)后，由Ti*c得到設(shè)備到基站i之間的距離Ri，然后根據(jù)幾何只是建立方程組并求解。誤差大時(shí)鐘同步精度要求高多徑效應(yīng)（波的反射和疊加原理）ToA定位法定位原理TDoA定位法定位原理對(duì)TOA定位的改進(jìn)，與TOA的不同之處在于，得到Ti后不是立即用Ti去求距離Ri，而是先對(duì)T1,T2,T3兩兩求差，然后通過建立方程組并求解。特點(diǎn)抵消其中很大一部分的時(shí)間誤差和多徑效應(yīng)帶來的誤差，因而可以大大提高定位的精確度TDoA定位法定位原理AoA定位法定位原理基于信號(hào)的入射角度進(jìn)行定位。根據(jù)夾角α1和α2，可以畫出兩條射線L1、L2；L1月L2的交點(diǎn)就是設(shè)備的位置特點(diǎn)需要定向天線陣列AoA定位法定位原理蜂窩基站定位：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)速度快信號(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)昂貴蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位優(yōu)點(diǎn)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(guó)E-911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)而用典型應(yīng)用：緊急電話定位衛(wèi)星定位美國(guó)E-911系統(tǒng)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)雜性多徑效應(yīng)原因：障礙物反射電磁波，反射波和原始波在接收端混疊室內(nèi)障礙物眾多，多徑效應(yīng)明顯需求主要來自企業(yè)和個(gè)人難以購置ToA，TDoA，AoA等技術(shù)所需的昂貴硬件無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性無線室內(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)RSS定位技術(shù)（RadioSignalStrength）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）RFID、紅外線、超聲波、藍(lán)牙、超寬帶……無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位RSS定位技術(shù)（RadioSignRFID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)備的狀況是否空閑是否故障是否老化RFID定位典型應(yīng)用衛(wèi)星定位資產(chǎn)管理新興定位系統(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-GPS（AssistedGPS）GPS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)間全程數(shù)十秒新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位A-GPS（AssistedGPS）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AP定位利用可見Wi-Fi接入點(diǎn)來定位（MAC∽AP位置）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（有GPS時(shí)：AP+GPS；AP）新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位無線AP定位新興定位系統(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)網(wǎng)絡(luò)定位用于無線傳感網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距離、方向、相對(duì)位置等地理信息通過少量位置已知節(jié)點(diǎn)，定位出全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)定位1位置信息2定位系統(tǒng)3定位技術(shù)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)？本章內(nèi)容1位置信息本章內(nèi)容3定位技術(shù)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：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)：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）3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：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d=波速v*傳播時(shí)間Δt傳播時(shí)間Δt=收到時(shí)刻t–發(fā)出時(shí)刻t0問題：接受端如何得知t0？（GPS）基于距離的定位（ToA）基于距離距離測(cè)量方法基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征方法1：利用波速差發(fā)送端同時(shí)發(fā)送一道電磁波和聲波（t0未知)接收端記錄：電磁波到達(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)化為如何得到？基于距離的定位（ToA）基于距離方法1：利用波速差如何得到？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)間距離基于距離的定位（ToA）基于距離方法2：測(cè)量波的往返時(shí)間基于距離的定位（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的定位（ToA）基于距離位置計(jì)算方法基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征ToA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ToA的局限基于距離差的定位（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的距離差基于距離差的定位（TDoA）基于距離距離差測(cè)距方法基于距離差的定位（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：基于距離差的定位（TDoA）基于距離位置計(jì)算方法基于信號(hào)特征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征ToA和TDoA都需要接收端特殊裝置基于信號(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：信號(hào)強(qiáng)度隨傳播距離衰減問題：理想公式實(shí)際難以應(yīng)用Pt:發(fā)送功率；G天線增益；載波波長(zhǎng)基于信號(hào)特征的定位基于距離ToA和TDoA都需要接收端特殊裝基于信號(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：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)：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解決方法：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)基于信號(hào)特征的定位基于距離LANDMARC：基于信號(hào)特征的動(dòng)1位置信息2定位系統(tǒng)3定位技術(shù)4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1位置信息本章內(nèi)容網(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物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)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)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)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)掌握了解位置信息的三要素。了解GPS的系統(tǒng)組成，定位原理，典型應(yīng)用和優(yōu)缺點(diǎn)。了解蜂窩基站定位（單基站和多基站）的方法以及優(yōu)缺點(diǎn)。回顧RFID的基本概念，舉例說明RFID定位的應(yīng)用，舉例說明新興定位技術(shù)。本章小結(jié)內(nèi)容回顧本章小結(jié)重點(diǎn)掌握（續(xù)）掌握基于位置的定位距離測(cè)量的兩種方法。掌握基于位置差的定位測(cè)量方法和位置計(jì)算方法，與基于位置的定位相比有何優(yōu)缺點(diǎn)。了解基于信號(hào)特征的定位方法。舉例說明物理網(wǎng)環(huán)境下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)。本章小結(jié)重點(diǎn)掌握（續(xù)）Thankyou!Thankyou!定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)內(nèi)容提要通過定位系統(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)。內(nèi)容提要通過定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要研究課題。1位置信息2定位系統(tǒng)3定位技術(shù)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1位置信息本章內(nèi)容為什么需要定位？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)：Foursquare位置信息和我們的生活息息相關(guān)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）為什么需要定位？基于位置的服務(wù)位置信息不是單純的“位置”1位置信息2定位系統(tǒng)3定位技術(shù)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1位置信息本章內(nèi)容現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)：A-GPS，網(wǎng)絡(luò)定位現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS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(guó)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)美國(guó)：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國(guó)：北斗一號(hào)（區(qū)域）、北斗二號(hào)（全球）GPS是目前世界上最常用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位各國(guó)的衛(wèi)星定位系統(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(guó)國(guó)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（20m/300m)GPS：發(fā)展簡(jiǎn)史衛(wèi)星定位1973年，美國(guó)國(guó)防部開始GPS計(jì)劃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24顆工作衛(wèi)星：6軌道*4星地面監(jiān)控部分（全部在美國(guó)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GPS接收機(jī)（天線、處理器、時(shí)鐘）GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位宇宙空間部分GPS：定位原理衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)GPS：定位原理衛(wèi)星定位GPS：定位原理預(yù)備知識(shí)在地表室外絕大位置至少有6顆星在視線范圍每顆星上裝備銫原子鐘(140萬年誤差1秒：4.4*10^-13/s)衛(wèi)星不斷廣播信息：每條信息包含信息發(fā)出時(shí)刻、衛(wèi)星在該時(shí)刻的坐標(biāo)、時(shí)鐘誤差GPS：定位原理，GPS：定位原理，GPS：定位原理，GPS：授時(shí)原理20ns，GPS：授時(shí)原理20nsGPS：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)精度高全球覆蓋，可用于險(xiǎn)惡環(huán)境缺點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)(3-5分鐘)室內(nèi)信號(hào)差需要GPS接收機(jī)GPS：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位優(yōu)點(diǎn)北斗一號(hào)由4顆衛(wèi)星、中心控制系統(tǒng)、標(biāo)校系統(tǒng)和各類用戶機(jī)組成系統(tǒng)能容納的用戶數(shù)為每小時(shí)540000戶用戶終端機(jī)工作時(shí)要發(fā)送無線電信號(hào)北斗一號(hào)北斗2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2020年完成由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成提供兩種服務(wù)方式，即開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度為10米，授時(shí)精度為50納秒，測(cè)速精度0．2米／秒。授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。北斗2衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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)星定位最初僅能提供位置和周邊地圖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”GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，感知更透徹蜂窩基站定位衛(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)行定位蜂窩基站定位衛(wèi)星定位GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)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（CellofOrigin）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(2-3S)，適用緊急情況單基站定位法衛(wèi)星定位COO定位（CellofOrigin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)三基站，最常用的是ToA/TDoA定位法基于時(shí)間的定位ToA（TimeofArrival）10STDoA（TimeDifferenceofArrival）二基站，AoA定位法AoA（AngleofArrival

）多基站定位法衛(wèi)星定位三基站，最常用的是ToA/TDoA定位法ToA定位法定位原理得到Ti(i=1,2,3)后，由Ti*c得到設(shè)備到基站i之間的距離Ri，然后根據(jù)幾何只是建立方程組并求解。誤差大時(shí)鐘同步精度要求高多徑效應(yīng)（波的反射和疊加原理）ToA定位法定位原理TDoA定位法定位原理對(duì)TOA定位的改進(jìn)，與TOA的不同之處在于，得到Ti后不是立即用Ti去求距離Ri，而是先對(duì)T1,T2,T3兩兩求差，然后通過建立方程組并求解。特點(diǎn)抵消其中很大一部分的時(shí)間誤差和多徑效應(yīng)帶來的誤差，因而可以大大提高定位的精確度TDoA定位法定位原理AoA定位法定位原理基于信號(hào)的入射角度進(jìn)行定位。根據(jù)夾角α1和α2，可以畫出兩條射線L1、L2；L1月L2的交點(diǎn)就是設(shè)備的位置特點(diǎn)需要定向天線陣列AoA定位法定位原理蜂窩基站定位：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)速度快信號(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)昂貴蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位優(yōu)點(diǎn)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(guó)E-911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)而用典型應(yīng)用：緊急電話定位衛(wèi)星定位美國(guó)E-911系統(tǒng)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)雜性多徑效應(yīng)原因：障礙物反射電磁波，反射波和原始波在接收端混疊室內(nèi)障礙物眾多，多徑效應(yīng)明顯需求主要來自企業(yè)和個(gè)人難以購置ToA，TDoA，AoA等技術(shù)所需的昂貴硬件無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性無線室內(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)RSS定位技術(shù)（RadioSignalStrength）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）RFID、紅外線、超聲波、藍(lán)牙、超寬帶……無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位RSS定位技術(shù)（RadioSignRFID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)備的狀況是否空閑是否故障是否老化RFID定位典型應(yīng)用衛(wèi)星定位資產(chǎn)管理新興定位系統(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-GPS（AssistedGPS）GPS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)間全程數(shù)十秒新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位A-GPS（AssistedGPS）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AP定位利用可見Wi-Fi接入點(diǎn)來定位（MAC∽AP位置）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（有GPS時(shí)：AP+GPS；AP）新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位無線AP定位新興定位系統(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)網(wǎng)絡(luò)定位用于無線傳感網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間距離、方向、相對(duì)位置等地理信息通過少量位置已知節(jié)點(diǎn)，定位出全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)定位1位置信息2定位系統(tǒng)3定位技術(shù)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)？本章內(nèi)容1位置信息本章內(nèi)容3定位技術(shù)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：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)：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）3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：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d=波速v*傳播時(shí)間Δt傳播時(shí)間Δt=收到時(shí)刻t–發(fā)出時(shí)刻t0問題：接受端如何得知t0？（GPS）基于距離的定位（ToA）基于距離距離測(cè)量方法基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征方法1：利用波速差發(fā)送端同時(shí)發(fā)送一道電磁波和聲波（t0未知)接收端記錄：電磁波到達(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)化為如何得到？基于距離的定位（ToA）基于距離方法1：利用波速差如何得到？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)間距離基于距離的定位（ToA）基于距離方法2：測(cè)量波的往返時(shí)間基于距離的定位（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的定位（ToA）基于距離位置計(jì)算方法基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征ToA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ToA的局限基于距離差的定位（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的距離差基于距離差的定位（TDoA）基于距離距離差測(cè)距方法基于距離差的定位（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)