物聯(lián)網(wǎng)定位系統(tǒng)

定位系統(tǒng)內(nèi)容提要通過(guò)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)。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）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)容現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(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(wú)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)。GPS：發(fā)展簡(jiǎn)史衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)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(kāi)始GPS計(jì)劃1983年，里根承諾將來(lái)對(duì)民間開(kāi)放使用1989年，正式開(kāi)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：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)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：定位原理衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)GPS：定位位原理理預(yù)備知知識(shí)在地表表室外外絕大大位置置至少少有6顆星在在視線線范圍圍每顆星星上裝裝備銫銫原子子鐘(140萬(wàn)年誤誤差1秒：4.4*10^-13/s)衛(wèi)星不不斷廣廣播信信息：：每條條信息息包含含信息息發(fā)出出時(shí)刻刻、衛(wèi)衛(wèi)星在在該時(shí)時(shí)刻的的坐標(biāo)標(biāo)、時(shí)時(shí)鐘誤誤差，GPS：定位位原理理，GPS：授時(shí)時(shí)原理理20nsGPS：主要要優(yōu)缺缺點(diǎn)衛(wèi)星定定位蜂窩基基站定定位無(wú)線室室內(nèi)環(huán)環(huán)境定定位新興定定位系系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)精度高高全球覆覆蓋，，可用用于險(xiǎn)險(xiǎn)惡環(huán)環(huán)境缺點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)長(zhǎng)(3-5分鐘)室內(nèi)信信號(hào)差差需要GPS接收機(jī)機(jī)北斗一一號(hào)由4顆衛(wèi)星星、中中心控控制系系統(tǒng)、、標(biāo)校校系統(tǒng)統(tǒng)和各各類用用戶機(jī)機(jī)組成成系統(tǒng)能能容納納的用用戶數(shù)數(shù)為每每小時(shí)時(shí)540000戶用戶終終端機(jī)機(jī)工作作時(shí)要要發(fā)送送無(wú)線線電信信號(hào)北斗2衛(wèi)星導(dǎo)導(dǎo)航系系統(tǒng)2020年完成成由5顆靜止止軌道道衛(wèi)星星和30顆非靜靜止軌軌道衛(wèi)衛(wèi)星組組成提供兩兩種服服務(wù)方方式，，即開(kāi)開(kāi)放服服務(wù)和和授權(quán)權(quán)服務(wù)務(wù)開(kāi)放服服務(wù)是是在服服務(wù)區(qū)區(qū)免費(fèi)費(fèi)提供供定位位、測(cè)測(cè)速和和授時(shí)時(shí)服務(wù)務(wù)，定定位精精度為為10米，授授時(shí)精精度為為50納秒，，測(cè)速速精度度0．2米／秒秒。授權(quán)服服務(wù)是是向授授權(quán)用用戶提提供更更安全全的定定位、、測(cè)速速、授授時(shí)和和通信服服務(wù)以及系系統(tǒng)完完好性性信息息。GPS典型應(yīng)應(yīng)用：：汽車車導(dǎo)航航衛(wèi)星定定位蜂窩基基站定定位無(wú)線室室內(nèi)環(huán)環(huán)境定定位新興定定位系系統(tǒng)最初僅僅能提提供位置和周邊地地圖第二代代汽車車導(dǎo)航航系統(tǒng)統(tǒng)可根根據(jù)目目的地地自動(dòng)動(dòng)計(jì)算算“最短”路線線互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)時(shí)代代，汽汽車導(dǎo)導(dǎo)航可可從交交管部部門(mén)取取得路路況咨咨詢，，優(yōu)化化路線線，找找出““最快”路線線GPS典型應(yīng)應(yīng)用：：汽車車導(dǎo)航航衛(wèi)星定定位蜂窩基基站定定位無(wú)線室室內(nèi)環(huán)環(huán)境定定位新興定定位系系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)時(shí)代代，感知更更透徹徹綜合道路狀狀況，，污染染指數(shù)數(shù)，天天氣狀狀況，，加油油站的的分布布，駕駕駛員員的身身體狀狀況等等各種因因素找出““最佳佳”路路線由“以以路為為本””轉(zhuǎn)變變到““以人人為本本”蜂窩基基站定定位衛(wèi)星定定位蜂窩基基站定定位無(wú)線室室內(nèi)環(huán)環(huán)境定定位新興定定位系系統(tǒng)GSM蜂窩網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通訊區(qū)區(qū)域被被分割割成蜂窩小區(qū)每個(gè)小小區(qū)對(duì)對(duì)應(yīng)一一個(gè)通通訊基基站通訊設(shè)設(shè)備連連接小小區(qū)對(duì)對(duì)應(yīng)基基站進(jìn)進(jìn)行通通訊利用基站位位置已已知的條件件，可可對(duì)通通訊設(shè)設(shè)備進(jìn)進(jìn)行定定位單基站站定位位法衛(wèi)星定定位蜂窩基基站定定位無(wú)線室室內(nèi)環(huán)環(huán)境定定位新興定定位系系統(tǒng)COO定位（（CellofOrigin）將移動(dòng)動(dòng)設(shè)備備所屬屬基站站的位位置視視為移移動(dòng)設(shè)設(shè)備的的位置置精度直直接取取決于于基站站覆蓋蓋的范范圍基站分分布疏疏松地地區(qū)，，一個(gè)個(gè)基站站覆蓋蓋范圍圍半徑徑可達(dá)達(dá)數(shù)公公里，，誤差差巨大大優(yōu)點(diǎn)：：簡(jiǎn)單、、快速速(2-3S)，適用用緊急急情況況多基站站定位位法衛(wèi)星定定位蜂窩基基站定定位無(wú)線室室內(nèi)環(huán)環(huán)境定定位新興定定位系系統(tǒng)三基站站，最最常用用的是是ToA/TDoA定位法法基于時(shí)時(shí)間的的定位位ToA（TimeofArrival）10STDoA（TimeDifferenceofArrival）二基站站，AoA定位法法AoA（AngleofArrival）ToA定位法法定位原原理得到Ti(i=1,2,3)后，由由Ti*c得到設(shè)設(shè)備到到基站站i之間的的距離離Ri，然后后根據(jù)據(jù)幾何何只是是建立立方程程組并并求解解。誤差大大時(shí)鐘同同步精精度要要求高高多徑效效應(yīng)（（波的的反射射和疊疊加原原理））TDoA定位法法定位原原理對(duì)TOA定位的的改進(jìn)進(jìn)，與與TOA的不同同之處處在于于，得得到Ti后不是是立即即用Ti去求距距離Ri，而是是先對(duì)對(duì)T1,T2,T3兩兩求求差，，然后后通過(guò)過(guò)建立立方程程組并并求解解。特點(diǎn)抵消其其中很很大一一部分分的時(shí)時(shí)間誤誤差和和多徑徑效應(yīng)應(yīng)帶來(lái)來(lái)的誤誤差，，因而而可以以大大大提高高定位位的精精確度度AoA定位法法定位原原理基于信信號(hào)的的入射射角度度進(jìn)行行定位位。根據(jù)夾夾角α1和α2，可以以畫(huà)出出兩條條射線線L1、L2；L1月L2的交點(diǎn)點(diǎn)就是是設(shè)備備的位位置特點(diǎn)需要定定向天天線陣陣列蜂窩基基站定定位：：主要要優(yōu)缺缺點(diǎn)衛(wèi)星定定位蜂窩基基站定定位無(wú)線室室內(nèi)環(huán)環(huán)境定定位新興定定位系系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)不需要要GPS接收機(jī)機(jī)，可可通訊訊即可可定位位啟動(dòng)速速度快快信號(hào)穿穿透能能力強(qiáng)強(qiáng)，室室內(nèi)亦亦可接接收到到缺點(diǎn)定位精精度相相對(duì)較較低基站需需要有有專門(mén)門(mén)硬件件，造造價(jià)昂昂貴典型應(yīng)應(yīng)用：：緊急急電話話定位位衛(wèi)星定定位蜂窩基基站定定位無(wú)線室室內(nèi)環(huán)環(huán)境定定位新興定定位系系統(tǒng)美國(guó)E-911系統(tǒng)撥打報(bào)報(bào)警電電話時(shí)時(shí)，根根據(jù)基基站定定位出出手機(jī)機(jī)位置置，自自動(dòng)接接到最最近警警局綜合了了各種種定位位系統(tǒng)統(tǒng)，包包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS使用時(shí)時(shí)嘗試試各種種定位位方法法，擇擇優(yōu)而而用無(wú)線室內(nèi)內(nèi)環(huán)境定定位衛(wèi)星定位位蜂窩基站站定位無(wú)線室內(nèi)內(nèi)環(huán)境定定位新興定位位系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境境的復(fù)雜雜性多徑效應(yīng)應(yīng)原因：障障礙物反反射電磁磁波，反反射波和和原始波波在接收收端混疊疊室內(nèi)障礙礙物眾多多，多徑徑效應(yīng)明明顯需求主要來(lái)自自企業(yè)和和個(gè)人難以購(gòu)置置ToA，TDoA，AoA等技術(shù)所所需的昂昂貴硬件件無(wú)線室內(nèi)內(nèi)環(huán)境定定位衛(wèi)星定位位蜂窩基站站定位無(wú)線室內(nèi)內(nèi)環(huán)境定定位新興定位位系統(tǒng)RSS定位技術(shù)術(shù)（RadioSignalStrength）使用信號(hào)號(hào)強(qiáng)度進(jìn)進(jìn)行定位位利用已有有的無(wú)線線網(wǎng)絡(luò)（（藍(lán)牙、、Wi-Fi、ZigBee）RFID、紅外線線、超聲聲波、藍(lán)藍(lán)牙、超超寬帶……RFID定位典型型應(yīng)用衛(wèi)星定位位蜂窩基站站定位無(wú)線室內(nèi)內(nèi)環(huán)境定定位新興定位位系統(tǒng)資產(chǎn)管理理在設(shè)備上上貼上RFID標(biāo)簽需要使用用時(shí)通過(guò)過(guò)RFID定位找到到標(biāo)簽的的位置，，從而定定位設(shè)備備的位置置結(jié)合感知知技術(shù)，，還可以以監(jiān)控設(shè)設(shè)備的狀狀況是否空閑閑是否故障障是否老化化新興定位位系統(tǒng)衛(wèi)星定位位蜂窩基站站定位無(wú)線室內(nèi)內(nèi)環(huán)境定定位新興定位位系統(tǒng)A-GPS（AssistedGPS）GPS定位和蜂蜂窩基站站定位的的結(jié)合體體利用基站站定位確確定大致致范圍連接網(wǎng)絡(luò)絡(luò)查詢當(dāng)當(dāng)前位置置可見(jiàn)衛(wèi)衛(wèi)星大大縮短短搜索衛(wèi)衛(wèi)星的時(shí)時(shí)間全程數(shù)十十秒新興定位位系統(tǒng)（（續(xù)）衛(wèi)星定位位蜂窩基站站定位無(wú)線室內(nèi)內(nèi)環(huán)境定定位新興定位位系統(tǒng)無(wú)線AP定位利用可見(jiàn)見(jiàn)Wi-Fi接入點(diǎn)來(lái)來(lái)定位（（MAC∽AP位置）在大城市市中，無(wú)無(wú)線AP數(shù)目多，，定位非非常精確確在iPhone中成熟應(yīng)應(yīng)用（有有GPS時(shí)：AP+GPS；AP）新興定位位系統(tǒng)（（續(xù)）衛(wèi)星定位位蜂窩基站站定位無(wú)線室內(nèi)內(nèi)環(huán)境定定位新興定位位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)定位位用于無(wú)線線傳感網(wǎng)網(wǎng)、自組組織網(wǎng)絡(luò)絡(luò)利用網(wǎng)絡(luò)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間間距離、、方向、、相對(duì)位位置等地地理信息息通過(guò)少量量位置已已知節(jié)點(diǎn)點(diǎn)，定位位出全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的位置置1位置信息息2定位系統(tǒng)統(tǒng)3定位技術(shù)術(shù)4物聯(lián)網(wǎng)對(duì)對(duì)定位技技術(shù)的新新挑戰(zhàn)除了距離離，哪些些空間信信息還可可用于定定位技術(shù)術(shù)？本章內(nèi)容容3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)關(guān)鍵：有一個(gè)或多個(gè)個(gè)已知坐標(biāo)的的參考點(diǎn)得到待定物體體與已知參考考點(diǎn)的空間關(guān)關(guān)系定位技術(shù)的兩兩個(gè)步驟：測(cè)量物理量→→根據(jù)物理量量確定目標(biāo)位位置常見(jiàn)定位技術(shù)術(shù)：基于距離的定定位（ToA）基于距離差的的定位（TDoA）基于信號(hào)特征征的定位（RSS）基于距離的定定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征征距離測(cè)量方法法距離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(wèn)題：接受端如何得得知t0？（GPS）基于距離的定定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征征方法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？基于距離的定定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征征方法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定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征征位置計(jì)算方法法多邊測(cè)量（也稱多點(diǎn)測(cè)測(cè)量）平面上定位，，取三個(gè)參考考點(diǎn)以每個(gè)參考點(diǎn)點(diǎn)為圓心，到到該參考點(diǎn)的的距離為半徑徑畫(huà)圓，目標(biāo)標(biāo)必在圓上平面上三個(gè)圓圓交于一點(diǎn)實(shí)際中取用超超過(guò)三個(gè)參考考點(diǎn)，用最小小二乘法減少少誤差基于距離差的的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征征ToA的局限需要參考點(diǎn)和和測(cè)量目標(biāo)時(shí)時(shí)鐘同步TDoA不需要參考點(diǎn)點(diǎn)和測(cè)量目標(biāo)標(biāo)時(shí)鐘同步參考點(diǎn)之間仍仍然需要時(shí)鐘鐘同步基于距離差的的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征征距離差測(cè)距方方法測(cè)量目標(biāo)廣播播信號(hào)參考點(diǎn)i，j分別記錄信號(hào)號(hào)接收到的時(shí)時(shí)刻ti，tj測(cè)量目標(biāo)到i，j的距離差基于距離差的的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號(hào)特征征位置計(jì)算方法法至少兩組數(shù)據(jù)據(jù)聯(lián)立方程求求解實(shí)際采用多組組數(shù)據(jù)最小二二乘法求解每次測(cè)量結(jié)果果參考點(diǎn)坐標(biāo)到參考點(diǎn)的距距離構(gòu)建方程：基于信號(hào)特征征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征征ToA和TDoA都需要接收端端特殊裝置基于信號(hào)特征征的定位直接利用無(wú)線線通信的射頻頻信號(hào)定位，，不需要額外設(shè)設(shè)備原理：信號(hào)強(qiáng)度隨傳傳播距離衰減減問(wèn)題：理想公式實(shí)際際難以應(yīng)用Pt:發(fā)送功率；G天線增益；載載波波長(zhǎng)基于信號(hào)特征征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征征解決方法：將信號(hào)強(qiáng)度看看做“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)信信號(hào)的強(qiáng)度，，得到一個(gè)N維向量事先測(cè)出區(qū)域域中每個(gè)位置置的特征向量量將目標(biāo)測(cè)出的的特征向量和和事先測(cè)量值值比對(duì)，找出出位置缺點(diǎn)：不能應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)態(tài)變化基于信號(hào)特征征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征征LANDMARC：基于信號(hào)特征征的動(dòng)態(tài)定位方法除了信號(hào)發(fā)送送源，再布置置一系列RFID標(biāo)簽作為參考考標(biāo)志每個(gè)標(biāo)志隨時(shí)時(shí)記錄自己收收到的RSS信號(hào)強(qiáng)度特征征向量將目標(biāo)測(cè)得的的信號(hào)特征向向量與參考標(biāo)標(biāo)志此時(shí)的特特征向量進(jìn)行行比對(duì)，確定定位置，誤差差在1m范圍以內(nèi)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)定定位技術(shù)的的新挑戰(zhàn)物聯(lián)網(wǎng)背景景對(duì)定位技技術(shù)有哪些些新的需求求？本章內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)接入物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)的設(shè)備五五花八門(mén)連接起來(lái)的的網(wǎng)絡(luò)各自自不同→如何