第04章-定位系統(tǒng)課件

第4章定位系統(tǒng)第4章1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)時代的重要研究課題。2第3章介紹了傳感器技術(shù)傳感器的設(shè)計需求（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)容回顧第3章介紹了傳感器技術(shù)內(nèi)容回顧34.1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4.1位置信息本章內(nèi)容4為什么需要定位？基于位置的服務(wù)自動導(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)）處在該位置的時刻（時間坐標(biāo)）處在該位置的對象（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”54.1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4.1位置信息本章內(nèi)容6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：GPS7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)美國：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國：北斗一號（區(qū)域）、北斗二號（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)星定位各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)8GPS：發(fā)展簡史衛(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計劃1983年，里根承諾將來對民間開放使用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/民用信號的精度差別對待GPS：發(fā)展簡史衛(wèi)星定位1973年，美國國防部開始GPS計劃9GPS：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（全部在美國境內(nèi)）1個主控中心（另有1個備用）4個專用地面天線6個專用監(jiān)視站用戶設(shè)備部分GPS接收機(jī)GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位宇宙空間部分10GPS：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11GPS：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，可用于險惡環(huán)境缺點(diǎn)啟動時間長室內(nèi)信號差需要GPS接收機(jī)GPS：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位優(yōu)點(diǎn)12GPS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)目的地自動計算“最短”路線互聯(lián)網(wǎng)時代，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13GPS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)時代，感知更透徹14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)每個小區(qū)對應(yīng)一個通訊基站通訊設(shè)備連接小區(qū)對應(yīng)基站進(jìn)行通訊利用基站位置已知的條件，可對通訊設(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)15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）將移動設(shè)備所屬基站的位置視為移動設(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)，一個基站覆蓋范圍半徑可達(dá)數(shù)公里，誤差巨大優(yōu)點(diǎn)：簡單、快速，適用緊急情況單基站定位法衛(wèi)星定位COO定位（CellofOrigin16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定位法需要三個基站才能定位稀疏地區(qū)可能只能收到兩個基站的信號，不適用AoA定位法多基站定位法衛(wèi)星定位ToA/TDoA定位法17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速度慢信號穿透能力強(qiáng)，室內(nèi)亦可接收到缺點(diǎn)定位精度相對較低基站需要有專門硬件，造價昂貴蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位優(yōu)點(diǎn)18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E-911系統(tǒng)撥打報警電話時，根據(jù)基站定位出手機(jī)位置，自動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E-911系統(tǒng)19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)明顯對電磁波的阻礙作用長波信號（GPS）傳播能力強(qiáng)，穿透能力弱室內(nèi)應(yīng)選用短波信號來進(jìn)行定位無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性20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)需求主要來自企業(yè)和個人：難以購置ToA，TDoA，AoA等技術(shù)所需的昂貴硬件RSS定位技術(shù)使用信號強(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……無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位需求主要來自企業(yè)和個人：難以購置To21RFID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22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)星的時間新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位A-GPS23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)的位置新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位無線AP定位244.1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4.1位置信息本章內(nèi)容254.3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：有一個或多個已知坐標(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)的兩個步驟：測量物理量→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）基于信號特征的定位（RSS）4.3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：26基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征距離測量方法距離d=波速v*傳播時間Δt傳播時間Δt=收到時刻t–發(fā)出時刻t0問題：接受端如何得知t0？基于距離的定位（ToA）基于距離距離測量方法27基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征方法1：利用波速差發(fā)送端同時發(fā)送一道電磁波和聲波接收端記錄：電磁波到達(dá)時刻聲波到達(dá)時刻距離由于遠(yuǎn)大于，上式可簡化為基于距離的定位（ToA）基于距離方法1：利用波速差28基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征方法2：測量波的往返時間發(fā)送端于時刻發(fā)送波接收端收到波后，等待時間后返回同樣的波發(fā)送端記錄收到回復(fù)的時間距離基于距離的定位（ToA）基于距離方法2：測量波的往返時間29基于距離的定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征位置計算方法多邊測量（也稱多點(diǎn)測量）平面上定位，取三個參考點(diǎn)以每個參考點(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圓交于一點(diǎn)實(shí)際中取用超過三個參考點(diǎn)，用最小二乘法減少誤差基于距離的定位（ToA）基于距離位置計算方法30基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征ToA的局限需要參考點(diǎn)和測量目標(biāo)時鐘同步TDoA不需要參考點(diǎn)和測量目標(biāo)時鐘同步參考點(diǎn)之間仍然需要時鐘同步基于距離差的定位（TDoA）基于距離ToA的局限31基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征距離差測距方法測量目標(biāo)廣播信號參考點(diǎn)i，j分別記錄信號接收到的時刻ti，tj測量目標(biāo)到i，j的距離差基于距離差的定位（TDoA）基于距離距離差測距方法32基于距離差的定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征位置計算方法至少兩組數(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）基于距離位置計算方法33基于信號特征的定位基于距離基于距離差基于信號特征ToA和TDoA都需要接收端特殊裝置基于信號特征的定位直接利用無線通信的射頻信號定位，不需要額外設(shè)備原理：信號強(qiáng)度隨傳播距離衰減問題：理想公式實(shí)際難以應(yīng)用基于信號特征的定位基于距離ToA和TDoA都需要接收端特殊裝34基于信號特征的定位基于距離基于距離差基于信號特征解決方法：將信號強(qiáng)度看做“特征”預(yù)先布置N個參考節(jié)點(diǎn)測出N個參考節(jié)點(diǎn)信號的強(qiáng)度，得到一個N維向量事先測出區(qū)域中每個位置的特征向量將目標(biāo)測出的特征向量和事先測量值比對，找出位置缺點(diǎn)：不能應(yīng)對動態(tài)變化基于信號特征的定位基于距離解決方法：35基于信號特征的定位基于距離基于距離差基于信號特征LANDMARC：基于信號特征的動態(tài)定位方法除了信號發(fā)送源，再布置一系列RFID標(biāo)簽作為參考標(biāo)志每個標(biāo)志隨時記錄自己收到的RSS信號強(qiáng)度特征向量將目標(biāo)測得的信號特征向量與參考標(biāo)志此時的特征向量進(jìn)行比對，確定位置，誤差在1m范圍以內(nèi)基于信號特征的定位基于距離LANDMARC：基于信號特征的動364.1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)對定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)物聯(lián)網(wǎng)背景對定位技術(shù)有哪些新的需求？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容37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4.4物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)4.4物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)38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)個人隱私大規(guī)模應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)時代，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備將超過500億臺→如何應(yīng)對龐大的數(shù)量增長→如何讓定位技術(shù)為簡單設(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)信息安全與隱私保護(hù)4.4物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)39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