物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論定位系統(tǒng)及其應(yīng)用

第4章定位系統(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)。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)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）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)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)GPS：定位原原理衛(wèi)星定位位蜂窩基站站定位無線室內(nèi)內(nèi)環(huán)境定定位新興定位位系統(tǒng)GPS：主要優(yōu)優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位位蜂窩基站站定位無線室內(nèi)內(nèi)環(huán)境定定位新興定位位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)精度高全球覆蓋蓋，可用用于險(xiǎn)惡惡環(huán)境缺點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間間長(zhǎng)室內(nèi)信號(hào)號(hào)差需要GPS接收機(jī)GPS典型應(yīng)用：汽汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位位無線室內(nèi)環(huán)境境定位新興定位系統(tǒng)統(tǒng)最初僅能提供供位置和周邊地圖第二代汽車導(dǎo)導(dǎo)航系統(tǒng)可根根據(jù)目的地自自動(dòng)計(jì)算“最短”路線互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，，汽車導(dǎo)航可可從交管部門門取得路況咨咨詢，優(yōu)化路路線，找出““最快”路線GPS典型應(yīng)用：汽汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位位無線室內(nèi)環(huán)境境定位新興定位系統(tǒng)統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，，感知更透徹綜合道路狀況，污污染指數(shù)，天天氣狀況，加加油站的分布布，駕駛員的的身體狀況等等各種因素找出“最佳””路線由“以路為本本”轉(zhuǎn)變到““以人為本””蜂窩基站定位位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位位無線室內(nèi)環(huán)境境定位新興定位系統(tǒng)統(tǒng)GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊區(qū)域被分分割成蜂窩小小區(qū)每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)應(yīng)一個(gè)通訊基基站通訊設(shè)備連接接小區(qū)對(duì)應(yīng)基基站進(jìn)行通訊訊利用基站位置已知知的條件，可對(duì)對(duì)通訊設(shè)備進(jìn)進(jìn)行定位單基站定位法法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位位無線室內(nèi)環(huán)境境定位新興定位系統(tǒng)統(tǒng)COO定位（CellofOrigin）將移動(dòng)設(shè)備所所屬基站的位位置視為移動(dòng)動(dòng)設(shè)備的位置置精度直接取決決于基站覆蓋蓋的范圍基站分布疏松松地區(qū)，一個(gè)個(gè)基站覆蓋范范圍半徑可達(dá)達(dá)數(shù)公里，誤誤差巨大優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、快速，，適用緊急情情況多基站定位法法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位位無線室內(nèi)環(huán)境境定位新興定位系統(tǒng)統(tǒng)ToA/TDoA定位法需要三個(gè)基站站才能定位稀疏地區(qū)可能能只能收到兩兩個(gè)基站的信信號(hào)，不適用用AoA定位法蜂窩基站定位位：主要優(yōu)缺缺點(diǎn)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位位無線室內(nèi)環(huán)境境定位新興定位系統(tǒng)統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)不需要GPS接收機(jī)，可通通訊即可定位位啟動(dòng)速度慢信號(hào)穿透能力力強(qiáng)，室內(nèi)亦亦可接收到缺點(diǎn)定位精度相對(duì)對(duì)較低基站需要有專專門硬件，造造價(jià)昂貴典型應(yīng)用：緊緊急電話定位位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位位無線室內(nèi)環(huán)境境定位新興定位系統(tǒng)統(tǒng)美國(guó)E-911系統(tǒng)撥打報(bào)警電話話時(shí)，根據(jù)基基站定位出手手機(jī)位置，自自動(dòng)接到最近近警局綜合了各種定定位系統(tǒng)，包包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS使用時(shí)嘗試各各種定位方法法，擇優(yōu)而用用無線室內(nèi)環(huán)境境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位位無線室內(nèi)環(huán)境境定位新興定位系統(tǒng)統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境的復(fù)復(fù)雜性多徑效應(yīng)原因：障礙物物反射電磁波波，反射波和和原始波在接接收端混疊室內(nèi)障礙物眾眾多，多徑效效應(yīng)明顯對(duì)電磁波的阻阻礙作用長(zhǎng)波信號(hào)（GPS）傳播能力強(qiáng)強(qiáng)，穿透能力力弱室內(nèi)應(yīng)選用短短波信號(hào)來進(jìn)進(jìn)行定位無線室內(nèi)環(huán)境境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位位無線室內(nèi)環(huán)境境定位新興定位系統(tǒng)統(tǒng)需求主要來自企業(yè)業(yè)和個(gè)人：難難以購(gòu)置ToA，TDoA，AoA等技術(shù)所需的的昂貴硬件RSS定位技術(shù)使用信號(hào)強(qiáng)度度進(jìn)行定位利用已有的無無線網(wǎng)絡(luò)（藍(lán)藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee）紅外線、超聲聲波、藍(lán)牙、、RFID、超寬帶……RFID定位典型應(yīng)用用衛(wèi)星定位蜂窩基站定位位無線室內(nèi)環(huán)境境定位新興定位系統(tǒng)統(tǒng)資產(chǎn)管理在設(shè)備上貼上上RFID標(biāo)簽需要使用時(shí)通通過RFID定位找到標(biāo)簽簽的位置，從從而定位設(shè)備備的位置結(jié)合感知技術(shù)術(shù)，還可以監(jiān)監(jiān)控設(shè)備的狀狀況是否空閑是否故障是否老化新興定位系統(tǒng)統(tǒng)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位位無線室內(nèi)環(huán)境境定位新興定位系統(tǒng)統(tǒng)A-GPSGPS定位和和蜂窩窩基站站定位位的結(jié)結(jié)合體體利用基基站定定位確確定大大致范范圍連接網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)查查詢當(dāng)當(dāng)前位位置可可見衛(wèi)衛(wèi)星大大縮縮短搜搜索衛(wèi)衛(wèi)星的的時(shí)間間新興定定位系系統(tǒng)（（續(xù)））衛(wèi)星定定位蜂窩基基站定定位無線室室內(nèi)環(huán)環(huán)境定定位新興定定位系系統(tǒng)無線AP定位利用可可見Wi-Fi接入點(diǎn)點(diǎn)來定定位在大城城市中中，無無線AP數(shù)目多多，定定位非非常精精確在iPhone中成熟熟應(yīng)用用網(wǎng)絡(luò)定定位用于無無線傳傳感網(wǎng)網(wǎng)、自自組織織網(wǎng)絡(luò)絡(luò)通過少少量位位置已已知節(jié)節(jié)點(diǎn)，，定位位出全全網(wǎng)絡(luò)絡(luò)節(jié)點(diǎn)點(diǎn)的位位置4.1位置信信息4.2定位系系統(tǒng)4.3定位技技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)對(duì)定定位技技術(shù)的的新挑挑戰(zhàn)除了距距離，，哪些些空間間信息息還可可用于于定位位技術(shù)術(shù)？本章內(nèi)內(nèi)容4.3定位技技術(shù)定位技技術(shù)的的關(guān)鍵鍵：有一個(gè)個(gè)或多多個(gè)已已知坐坐標(biāo)的的參考考點(diǎn)得到待待定物物體與與已知知參考考點(diǎn)的的空間間關(guān)系系定位技技術(shù)的的兩個(gè)個(gè)步驟驟：測(cè)量物物理量量→根根據(jù)物物理量量確定定目標(biāo)標(biāo)位置置常見定定位技技術(shù)：：基于距距離的的定位位（ToA）基于距距離差差的定定位（（TDoA）基于信信號(hào)特特征的的定位位（RSS）基于距距離的的定位位（ToA）基于距距離基于距距離差差基于信信號(hào)特特征距離測(cè)測(cè)量方方法距離d=波速v*傳播時(shí)時(shí)間Δt傳播時(shí)時(shí)間Δt=收到時(shí)時(shí)刻t––發(fā)出時(shí)時(shí)刻t0問題：：接受端端如何何得知知t0？基于距距離的的定位位（ToA）基于距距離基于距距離差差基于信信號(hào)特特征方法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)化為基于于距距離離的的定定位位（（ToA）基于于距距離離基于于距距離離差差基于信信號(hào)特特征方法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)間距離基于距距離的的定位位（ToA）基于距距離基于距距離差差基于信信號(hào)特特征位置計(jì)計(jì)算方方法多邊測(cè)測(cè)量（也稱稱多點(diǎn)點(diǎn)測(cè)量量）平面上上定位位，取取三個(gè)個(gè)參考考點(diǎn)以每個(gè)個(gè)參考考點(diǎn)為為圓心心，到到該參參考點(diǎn)點(diǎn)的距距離為為半徑徑畫圓圓，目目標(biāo)必必在圓圓上平面上上三個(gè)個(gè)圓交交于一一點(diǎn)實(shí)際中中取用用超過過三個(gè)個(gè)參考考點(diǎn)，，用最小二二乘法法減少誤誤差基于距距離差差的定定位（（TDoA）基于距距離基于距距離差差基于信信號(hào)特特征ToA的局限限需要參參考點(diǎn)點(diǎn)和測(cè)測(cè)量目目標(biāo)時(shí)時(shí)鐘同同步TDoA不需要要參考考點(diǎn)和和測(cè)量量目標(biāo)標(biāo)時(shí)鐘鐘同步步參考點(diǎn)點(diǎn)之間間仍然然需要要時(shí)鐘鐘同步步基于距距離差差的定定位（（TDoA）基于距距離基于距距離差差基于信信號(hào)特特征距離差差測(cè)距距方法法測(cè)量目目標(biāo)廣廣播信信號(hào)參考點(diǎn)點(diǎn)i，j分別記記錄信信號(hào)接接收到到的時(shí)時(shí)刻ti，tj測(cè)量目目標(biāo)到到i，j的距離離差基于距距離差差的定定位（（TDoA）基于距距離基于距距離差差基于信信號(hào)特特征位置計(jì)計(jì)算方方法至少兩兩組數(shù)數(shù)據(jù)聯(lián)聯(lián)立方方程求求解實(shí)際采采用多多組數(shù)數(shù)據(jù)最最小二二乘法法求解解每次測(cè)測(cè)量結(jié)結(jié)果參考點(diǎn)點(diǎn)坐標(biāo)標(biāo)到參考考點(diǎn)的的距離離構(gòu)建方方程：：基于信信號(hào)特特征的的定位位基于距距離基于距距離差差基于信信號(hào)特特征ToA和TDoA都需要要接收收端特特殊裝裝置基于信信號(hào)特特征的的定位位直接利利用無無線通通信的的射頻頻信號(hào)號(hào)定位位，不需要要額外外設(shè)備備原理：：信號(hào)強(qiáng)強(qiáng)度隨隨傳播播距離離衰減減問題：：理想公公式實(shí)實(shí)際難難以應(yīng)應(yīng)用基于信信號(hào)特特征的的定位位基于距距離基于距距離差差基于信信號(hào)特特征解決方方法：：將信號(hào)號(hào)強(qiáng)度度看做做“特特征””預(yù)先布布置N個(gè)參考考節(jié)點(diǎn)點(diǎn)測(cè)出N個(gè)參考考節(jié)點(diǎn)點(diǎn)信號(hào)號(hào)的強(qiáng)強(qiáng)度，，得到到一個(gè)個(gè)N維向量量事先測(cè)測(cè)出區(qū)區(qū)域中中每個(gè)個(gè)位置置的特特征向向量將目標(biāo)標(biāo)測(cè)出出的特特征向向量和和事先先測(cè)量量值比比對(duì)，，找出出位置置缺點(diǎn)：：不能應(yīng)應(yīng)對(duì)動(dòng)動(dòng)態(tài)變變化基于信信號(hào)特特征的的定位位基于距距離基于距距離差差基于信信號(hào)特特征LANDMARC：基于信信號(hào)特特征的的動(dòng)態(tài)定定位方法除了信信號(hào)發(fā)發(fā)送源源，再再布置置一系系列RFID標(biāo)簽作作為參參考標(biāo)標(biāo)志每個(gè)標(biāo)標(biāo)志隨隨時(shí)記記錄自自己收收到的的RSS信號(hào)強(qiáng)強(qiáng)度特特征向向量將目標(biāo)標(biāo)測(cè)得得的信信號(hào)特特征向向量與與參考考標(biāo)志志此時(shí)時(shí)的特特征向向量進(jìn)進(jìn)行比比對(duì)，，確定定位置置，誤誤差在在1m范圍以以內(nèi)4.1位置信信息4.2定位系系統(tǒng)4.3定位技技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)對(duì)定定位技技術(shù)的的新挑挑戰(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)備五五花八門連接起來的的網(wǎng)絡(luò)各自自不同→如何讓不不同的設(shè)備備在不同的的網(wǎng)絡(luò)下準(zhǔn)準(zhǔn)確定位環(huán)境多變室外vs.室內(nèi)空曠地帶vs.障礙物眾多多靜止設(shè)備vs.頻繁運(yùn)動(dòng)4.4物聯(lián)網(wǎng)下定定位技術(shù)的的新挑戰(zhàn)信息安全與與隱私保護(hù)護(hù)位置信息內(nèi)內(nèi)涵豐富且且隱私息息息相關(guān)高精度位置置信息泄露露的后果嚴(yán)嚴(yán)重→如何既保保證信息精精度，又保保護(hù)個(gè)人隱隱私大規(guī)模應(yīng)用