自動識別技術07課件

自動識別技術第七章位置識別技術第七章位置識別技術位置識別技術概述RFID定位技術衛(wèi)星定位技術一、位置識別技術概述位置識別技術指通過特定的位置標識與測距技術來確定物體位置信息。位置信息分為兩類：物理意義上的位置信息指被定位物體具體的物理或數(shù)學層面上的位置數(shù)據(jù)，用經緯度坐標和海拔高度來描述。抽象意義上的位置信息抽象的位置信息描述的是一個相對位置，表達為：某個物體位于一個具有確定位置對象的附近（對面、旁邊或背面等）。按照位置識別的范圍大小來分，可將位置識別技術分為室外定位識別技術和室內定位識別技術。室外定位識別技術主要有基于衛(wèi)星通信的全球定位系統(tǒng)GPS和蜂窩（移動通信網(wǎng)）定位技術。相比蜂窩定位技術，GPS具有良好的定位精度，解決了很多軍事和民用的實際問題，它是一種基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)，在室外空曠環(huán)境下可提供精度在10米之內的導航。但是當定位目標移動至室內，衛(wèi)星信號會受到建筑物的影響而大大衰減，定位精度也隨之變得很低。常用的室內定位識別技術紅外線定位技術超聲波定位技術藍牙定位技術WIFI定位技術ZigBee定位技術RFID定位技術等。二、RFID定位技術RFID定位技術是利用射頻方式進行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達到識別和定位的目的，實現(xiàn)起來非常方便，而且系統(tǒng)受環(huán)境的干擾較小，電子標簽信息可以編輯改寫比較靈活。RFID定位技術分類信號強度信息定位（ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI）由于無線信號的傳播有以下規(guī)律：接收端測得的信號強度越強，說明發(fā)送端距接收端距離越近，反之，接收端測得的信號強度越弱，則說明發(fā)送端距離越遠。因此，基于信號強度衰減的方法可以測量收發(fā)距離。信號時間信息定位（TimeDifferenceofArrival，TDOA）該方法通過測出電波從發(fā)射機傳播到多個接收機的傳播時間（TOA）或時間差（TDOA）來確定目標的位置?；陔姴▊鞑r間（TimeofArrival，TOA）和到達角度定位（Angleof

Arrival，

AOA）AOA（AngleofArrival）算法是由陣列天線測量到移動目標發(fā)射的無線射頻信號，來判斷移動目標的所在的方向，從而實現(xiàn)根據(jù)信號到達的方向線（即側位線）來進行定位，由兩個基站得到的兩個側位線的交點就是目標的位置。這種技術作用距離短，一般最長為幾十米。但可以在幾毫秒內得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，成本較低。同時由于其非接觸和非視距等優(yōu)點，可望成為優(yōu)選的室內定位技術。目前，射頻識別研究的熱點和難點在于理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標準化等問題。優(yōu)點是標識的體積比較小，造價比較低，但是作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中。三、衛(wèi)星定位技術衛(wèi)星定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星來測量物體位置的系統(tǒng)，其關鍵作用是提供時間/空間基準和所有與位置相關的實時動態(tài)信息，已成為國家重大的空間和信息化基礎設施，也成為體現(xiàn)現(xiàn)代化大國地位和國家綜合國力的重要標志。世界各主要大國都競相發(fā)展獨立自主的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。GNSS全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem），泛指所有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強的。國際GNSS系統(tǒng)是個多系統(tǒng)、多層面、多模式的復雜組合系統(tǒng)。全球系統(tǒng)（聯(lián)合國衛(wèi)星導航委員會已認定的供應商）美國全球定位系統(tǒng)（GPS，GlobalPositioningSystem）俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS，

GlobalNavigationSatelliteSystem）中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS，BeiDouNavigationSatelliteSystem）歐盟伽利略定位系統(tǒng)（GALILEO）區(qū)域系統(tǒng)日本準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS，Quasi-ZenithSatelliteSystem）QZSS由三顆分置于相間120°的三個軌道面上的衛(wèi)星組成，軌道周期為23小時56分鐘，傾角45°，軌道高度為31500～40000公里。印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS，IndianRegionalNavigationSatelliteSystem）系統(tǒng)由7顆衛(wèi)星（很可能進入靜地軌道和/或橢圓軌道）和地面站組成。增強系統(tǒng)廣域差分增強系統(tǒng)（星基增強系統(tǒng)）（SBAS，Satellite-BasedAugmentationSystem）美國廣域增強系統(tǒng)（WAAS，WideAreaAugmentationSystem）由美國聯(lián)邦航空局開發(fā)建立的用于空中導航的一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是通過解決廣域差分GPS的數(shù)據(jù)通信問題從而提高全球定位系統(tǒng)的精度和可用性。日本的多功能GPS衛(wèi)星星基增強系統(tǒng)（MSAS，Multi-FunctionalSatelliteAugmentationSystem）MSAS的空間段由兩顆多功能傳輸衛(wèi)星（MTSat）組成，主要目的是為日本航空提供通信與導航服務。歐洲地球同步導航覆蓋服務（EGNOS，Europeangeostationarynavigationoverlayservice）EGNOS系統(tǒng)是歐洲自主建設的第一個衛(wèi)星導航系統(tǒng)，它通過增強現(xiàn)在運行的兩個軍用系統(tǒng)：GPS和GLONASS，來滿足高安全用戶的需求。它是歐洲GNSS計劃的第一步，是目前正在研發(fā)中的Galileo計劃的前奏。印度的GPS輔助型靜地軌道增強導航（GAGAN，GPSAidedGeoAugmentedNavigation）尼日利亞通信衛(wèi)星一號（NIGCOMSAT-1）美國：GPSGlobalPositioningSystem全球定位系統(tǒng)美國的GPS是一個中距離圓型軌道衛(wèi)星導航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。系統(tǒng)由美國國防部研制和維護，可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。系統(tǒng)包括太空中的24顆GPS衛(wèi)星；地面上的1個主控站、3個數(shù)據(jù)注入站和5個監(jiān)測站及作為用戶端的GPS接收機。最少只需其中3顆GPS衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能連接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來的位置就越精確。GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面上，即每個軌道面上有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對于地球赤道面的軌道傾角為55°，各軌道平面的升交點的赤經相差60°，一個軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛(wèi)星升交角距超前30°。這種布局的目的是保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆衛(wèi)星。俄羅斯：GLONASS（格洛納斯）GlobalNavigationSatelliteSystem全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)GLONASSNAVSTARGPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)21＋321＋3軌道平面數(shù)36軌道傾角64.8°55°軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時）11h15min11h58min衛(wèi)星信號的區(qū)分FDMACDMAL1頻率1602~1615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率1246~1256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHz俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)由蘇聯(lián)在1976年組建，現(xiàn)在由俄羅斯政府負責運營。1991年組建成具備覆蓋全球的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，從1982年12月12日開始，該系統(tǒng)的導航衛(wèi)星不斷得到補充，至1995年，該系統(tǒng)衛(wèi)星在數(shù)目上基本上得到完善。2002年在軌運行衛(wèi)星增加到8顆，在2003、2004、2005年分別增加到10、11、12顆。2003年發(fā)射的衛(wèi)星，是格洛納斯的重大改進版本，被稱為格洛納斯-M衛(wèi)星。格洛納斯-M衛(wèi)星重量約1.4噸，太陽能電池功率1600瓦，原子鐘精度為1e-13秒，提高了穩(wěn)定性。2008年聯(lián)盟火箭也開始參與格洛納斯衛(wèi)星的發(fā)射，同年格洛納斯星座在軌運行衛(wèi)星數(shù)量終于增加到18顆，可以為俄羅斯提供全境衛(wèi)星導航服務。隨著格洛納斯-M的全面應用，格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)精度已經接近GPS系統(tǒng)，在2010年10月俄羅斯政府已經補齊了該系統(tǒng)需要的24顆衛(wèi)星，在2011年達到GPS的標準。目前格洛納斯全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在軌衛(wèi)星達29顆，其中23顆處于工作狀態(tài)，2顆為備用，3顆暫時處于技術維護狀態(tài)，1顆處于飛行試驗狀態(tài)。歐盟：Galileo（伽利略）GalileoPositioningSystem到2010年歐洲共發(fā)射30顆服役期約為20年的正式衛(wèi)星，完成伽利略衛(wèi)星星座的部署工作。伽利略系統(tǒng)建成后，美歐兩大相互兼容的導航定位系統(tǒng)將大大有助于提供導航定位的精度和可靠性。歐洲聯(lián)盟的伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GalileoSatelliteNavigationSystem），是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。該計劃于1999年2月系統(tǒng)由歐洲委員會公布，歐洲委員會和歐空局共同負責。系統(tǒng)由軌道高度為23222km的38顆衛(wèi)星組成，位于3個傾角為56度的軌道平面內。2012年10月，伽利略全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)第二批兩顆衛(wèi)星成功發(fā)射升空，太空中已有的4顆正式的伽利略系統(tǒng)衛(wèi)星，可以組成網(wǎng)絡，初步發(fā)揮地面精確定位的功能。日本：MSAS/QZSS基于多功能衛(wèi)星的星基增強系統(tǒng)（MSAS）Quasi-ZenithSatelliteSystem（準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)）MSAS由日本氣象局和日本交通部組織實施的基于2顆多功能衛(wèi)星（MTSAT）的GPS星基增強系統(tǒng)。QZSS空間星座由位于3個高橢圓軌道上的3顆IGSO衛(wèi)星組成。準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)是以三顆衛(wèi)星透過時間轉移完成全球定位系統(tǒng)的區(qū)域性功能衛(wèi)星擴增系統(tǒng)。第一顆衛(wèi)星“Michibiki”于2010年9月11日發(fā)射，到2013年形成完整的功能。準天頂衛(wèi)星系統(tǒng)是針對移動應用系統(tǒng)提供視訊基礎服務（影像、聲音和資料）和定位資訊。對于其定位服務，在獨立模式下工作時，QZSS目前只能提供有限的精度，因此被視為是全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)擴增服務。它的定位服務還將與目前日本還在發(fā)展中的多功能運輸衛(wèi)星（Multi-FunctionalTransportSatellite）結合，是一個類似美國聯(lián)邦航空管理局的廣域增強系統(tǒng)。印度：IRNSS（印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)）IndianRegionalNavigationalSatelliteSystemIRNSS空間星座有分別位于東經34度，83度和132度的3顆GEO衛(wèi)星，以及東經55度和111度的4顆傾角為29度的IGSO衛(wèi)星組成。印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS）是一個由印度太空研究組織（ISRO）發(fā)展的自由區(qū)域型衛(wèi)星導航系統(tǒng)，印度政府對這個系統(tǒng)有完全的掌控權。印度區(qū)域導航衛(wèi)星系統(tǒng)將提供兩種服務，包括民用的標準定位服務，及供特定授權使用者（軍用）的限制型服務。此系統(tǒng)將包含7顆衛(wèi)星及輔助地面設施。其中3顆為同步衛(wèi)星，分別位于東經34度、83度及132度。另外四顆衛(wèi)星位于傾角29度的軌道上，分別與赤道交于東經55度及111度。這樣的安排意味著7顆衛(wèi)星都可以持續(xù)地與印度控制站保持連絡。衛(wèi)星負載包含原子鐘及產生導航信號的電子裝備。中國：北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星（GEO）和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端。不足：用戶隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數(shù)量受限制；設備體積大、重量重、能耗大。中國的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BDS）是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，向全球用戶提供高質量的定位、導航、授時服務，并能向有更高要求的授權用戶提供進一步服務，軍用與民用目的兼具。中國在2003年完成了具有區(qū)域導航功能的北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)，之后開始構建服務全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，于2012年12月27起向亞太大部分地區(qū)正式提供服務，現(xiàn)共有16顆有源衛(wèi)星向亞太地區(qū)普通用戶提供服務。BDS預計在2020年將完成全球系統(tǒng)構建，屆時將擁有35顆衛(wèi)星，衛(wèi)星信號將覆蓋全球。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段計劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點位置為東經58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛(wèi)星運行在3個軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。至2012年底北斗亞太區(qū)域導航正式開通，已為正式系統(tǒng)發(fā)射了16顆衛(wèi)星，其中14顆組網(wǎng)并提供服務，分別為5顆靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（均在傾角55°的軌道面上），4顆中地球軌道衛(wèi)星（均在傾角55°的軌道面上）。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)終端與GPS、“伽利略”和“格洛納斯”相比，優(yōu)勢在于短信服務和導航結合，增加了通信功能；全天候快速定位，極少通信盲區(qū)，精度與GPS相當。向全世界提供的服務都是免費的，在提供無源定位導航和授時等服務時，用戶數(shù)量沒有限制，且與GPS兼容；特別適合集團用戶大范圍監(jiān)控與管理，以及無依托地區(qū)數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應用；獨特的中心節(jié)點式定位處理和指揮型用戶機設計。全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基本原理蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后，美國約翰·霍布斯金大學應用物理實驗室的研究人員提出既然可以已知觀測站的位置知道衛(wèi)星位置，那么如果已知衛(wèi)星位置，應該也能測量出接收者的所在位置。即先我們假定衛(wèi)星的位置為已知，而我們又能準確測定我們所在地點A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點一定是位于以衛(wèi)星為中心、所測得距離為半徑的圓球上。進一步，我們又測得點A至另一衛(wèi)星的距離，則A點一定處在前后兩個圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測得與第三個衛(wèi)星的距離，就可以確定A點只能是在三個圓球相交的兩個點上。根據(jù)一些地理知識，可以很容易排除其中一個不合理的位置。當然也可以再測量A點至另一個衛(wèi)星的距離，也能精確進行定位。這是導航衛(wèi)星的基本設想。怎樣確知衛(wèi)星的準確位置要確知衛(wèi)星所處的準確位置。首先，要優(yōu)化設計衛(wèi)星運行軌道，而且要由監(jiān)測站通過各種手段，連續(xù)不斷監(jiān)測衛(wèi)星的運行狀態(tài)，適時發(fā)送控制指令，使衛(wèi)星保持在正確的運行軌道。將正確的運行軌跡編成星歷，注入衛(wèi)星，且經由衛(wèi)星發(fā)送給GPS接收機。正確接收每個衛(wèi)星的星歷，就可確知衛(wèi)星的準確位置。如何測定衛(wèi)星至用戶的距離時間×速度