第6章 物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)

第六章物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)6.1定位的概念與技術(shù)發(fā)展6.2定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用6.3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)6.4蜂窩系統(tǒng)定位技術(shù)6.5RFID定位技術(shù)6.6無線傳感網(wǎng)定位技術(shù)6.7定位技術(shù)的發(fā)展前景6.1定位的概念與發(fā)展歷史在很多物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，物體（或者稱對象）的“位置”信息有著重要的意義。在物聯(lián)網(wǎng)中，人們使用RFID、傳感器或者其他信息采集工具從物理世界當(dāng)中獲取各種各樣的信息，并將這些信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到用戶或者服務(wù)器端進(jìn)行處理以為用戶提供各種各樣的服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)中用于獲取物體位置的技術(shù)統(tǒng)稱為定位技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)中的所謂“物體”的概念非常廣泛：它既可以指人，也可以指設(shè)備。一、定位的概念二、定位技術(shù)發(fā)展簡史早期的航?；顒又兄饕峭ㄟ^沿著海岸線建造在航道的關(guān)鍵部位建造燈塔來對船只進(jìn)行導(dǎo)航。這些定位技術(shù)的精度非常差，并且覆蓋范圍不廣。無線電技術(shù)出現(xiàn)以后，人們可以進(jìn)行更大范圍的和更加精確的定位。最早的基于無線電技術(shù)的定位系統(tǒng)是羅蘭遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)，建立于20世紀(jì)40年代，其最初的目的是用于海軍中的中程無線電導(dǎo)航。羅蘭系統(tǒng)的示意圖A和B是一對基站，同時發(fā)送信號。用戶根據(jù)收到信號的時間差來確定自己的位置是在哪個雙曲線上。圖中不同的雙曲線對應(yīng)于不同的時間差。隨著人造衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，人們開始利用人造衛(wèi)星來構(gòu)建更精確，覆蓋范圍更廣的定位/導(dǎo)航系統(tǒng)。地球同步軌道衛(wèi)星可以以相對地球靜止的方式在太空軌道中運行，這就提供了一種方式來為定位系統(tǒng)提供固定的參考點。隨著蜂窩移動通信技術(shù)的快速發(fā)展，手機(jī)用戶極大增加。這類定位系統(tǒng)一般通過是通過測量手機(jī)和基站之間的信號強度、距離或者到達(dá)角度，利用基站的位置來計算手機(jī)用戶的位置。移動手機(jī)用戶一般稱作移動臺，通過基站的輔助來定位。室內(nèi)的無線定位系統(tǒng)一般利用RFID標(biāo)簽來進(jìn)行。利用RFID標(biāo)簽的定位系統(tǒng)可以分為定位標(biāo)簽的和定位RFID讀寫器的兩種。這類定位系統(tǒng)所采用的模型可以分為兩大類：基于模式匹配的和基于模型匹配的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位算法一般利用一些已知自身位置的節(jié)點（稱為錨節(jié)點）來輔助一般節(jié)點進(jìn)行定位。算法設(shè)計的目標(biāo)除了達(dá)到較高的精度外，還注重降低開銷，包括通信開銷和計算開銷，并且將盡量減少對硬件的要求。6.2定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

災(zāi)難救援在智能交通中的應(yīng)用在智能物流中的應(yīng)用基于位置的服務(wù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用無線自組織網(wǎng)絡(luò)在軍事行動中的應(yīng)用利用定位技術(shù)，指揮官可以快速的了解單兵的位置信息并發(fā)布相應(yīng)的命令。災(zāi)難救援北斗通信系統(tǒng)在汶川抗震救災(zāi)中的應(yīng)用定位技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用智能交通系統(tǒng)示意圖。車輛之間可以進(jìn)行相互通信；車輛與于路邊節(jié)點之間也可以進(jìn)行通信，組成車載網(wǎng)絡(luò)。定位技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。定位技術(shù)在智能物流中的應(yīng)用典型智能物流系統(tǒng)示意圖。在堆場管理，集裝箱管理，實時追蹤，智能倉儲以及貨物配送環(huán)節(jié)，都需要定位技術(shù)的支持?；谖恢玫姆?wù)基于位置的服務(wù)(LocationBasedService，LBS是在獲取移動終端用戶的位置信息的基礎(chǔ)上，在地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem，GIS)平臺的支持下為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。隨著智能手機(jī)的普及和智能手機(jī)上定位功能的普及，基于位置的服務(wù)吸引了越來越多的關(guān)注。6.3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)美國的GPS(GlobalPositioningSystem)全球定位系統(tǒng)。歐洲的伽利略定位系統(tǒng)。俄羅斯的GLONASS定位系統(tǒng)。中國的北斗定位系統(tǒng)。一、GPS全球定位系統(tǒng)簡介GPS是美國國防部主要為滿足軍事需要而建立的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，它具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實時三維導(dǎo)航與定位的能力。（1）GPS的組成GPS系統(tǒng)主要由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分組成。GPS系統(tǒng)的星座部分主要由24顆衛(wèi)星構(gòu)成，其中21顆為工作衛(wèi)星，另外3顆為備用衛(wèi)星，用于在必要時根據(jù)指令替代發(fā)生故障的衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，每個軌道面包含4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道為橢圓形，平均高度約20200km，運行周期大約11小時58分鐘。對地面觀測者來說，每天見到的衛(wèi)星幾何分布相同，但是每天見到同一衛(wèi)星的時間大概要提前4分鐘。在地球任意一點上，用戶能夠觀察到的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點的不同而有所不同，最少可見到4顆，最多時可見到11顆。GPS的地面監(jiān)控部分主要由分布全球的6個地面站構(gòu)成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站、主控站、備用主控站和信息注入站。主控站位于美國科羅拉多州的謝里佛爾空軍基地，是整個地面監(jiān)控系統(tǒng)的管理中心和技術(shù)中心。另外還有一個位于馬里蘭州蓋茨堡的備用主控站，在發(fā)生緊急情況時啟用。注入站目前有4個，其作用是把主控站計算得到的衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文等信息注入到相應(yīng)的衛(wèi)星。注入站同時也是監(jiān)測站，另外還有位于夏威夷和卡納維拉爾角2處監(jiān)測站，故監(jiān)測站目前有6個。監(jiān)測站的主要作用是采集GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給主控站。用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備主要是GPS接收機(jī)，它是一種特制的無線電接收機(jī)，主要作用是從GPS衛(wèi)星收到信號并利用傳來的信息計算用戶的三維位置及時間。用戶設(shè)備部分的主要設(shè)備是GPS接收機(jī)。GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，利用GPS接收器測量出的到衛(wèi)星的距離，來計算待測點的位置。如圖2所示，假設(shè)在t時刻在待測點位置上觀測到4個衛(wèi)星，并測出信號從該觀測點到4個衛(wèi)星的傳播時間，便可以列出對應(yīng)的4個方程來求得觀測點的位置。（2）GPS的定位原理GPS中利用信號在衛(wèi)星和接收機(jī)之間的往返時間來計算距離的。在某一時刻，衛(wèi)星發(fā)送一長串稱為偽隨機(jī)碼的數(shù)字序列，而同時接收機(jī)也在同一時刻產(chǎn)生相同的數(shù)字序列。當(dāng)衛(wèi)星信號到達(dá)接收機(jī)時，由于傳輸?shù)难舆t，從衛(wèi)星信號接收到的數(shù)字序列會比接收機(jī)產(chǎn)生的信號的時間滯后。時間延遲的長度就是信號傳送的時間。接收機(jī)將這一時間乘以光速就可以計算出信號傳送的距離。假設(shè)信號是以直線傳送的，則這一結(jié)果即為接收機(jī)到衛(wèi)星的距離。為了使測得的距離數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，GPS接收機(jī)需要安裝和衛(wèi)星上同步的精確時鐘。為了達(dá)到所要求的計時精度（納秒級），需要使用能夠精確計時的原子鐘。但對普通的GPS接收器來說，原子鐘的價格太貴了（價格在5-10萬美元之間）。GPS系統(tǒng)用一個巧妙的方案解決了這一問題。每一顆衛(wèi)星上仍然使用昂貴的原子鐘，但接收機(jī)使用的是經(jīng)常需要調(diào)校的普通石英鐘。簡言之，接收機(jī)接收來自四顆或更多衛(wèi)星的信號在計算距離的同時，對自身的始終誤差進(jìn)行校正，將自身的時鐘調(diào)整到與衛(wèi)星上的原子時鐘相同的值，從而使接收機(jī)的時間與所有衛(wèi)星上的原子鐘相同。GPS接收機(jī)就可以“免費”獲得原子鐘的精確度。其原理如下。當(dāng)測量到四顆定位衛(wèi)星到觀測點所處位置的準(zhǔn)確距離時，我們就可以畫出相交于一點的四個球面。但是如果測量有誤差，四個球面就不可能相交于一點。由于接收機(jī)利用自身內(nèi)置的時鐘來測量所有的距離，距離測量會呈現(xiàn)一定的比例誤差。接收機(jī)可以計算出使四個球面相交于一點所進(jìn)行的必要調(diào)整，并基于此重新設(shè)置自身的時鐘以便和衛(wèi)星原子鐘同步。接收機(jī)只要開啟就處在不斷的調(diào)整中，這也意味著接收機(jī)幾乎與衛(wèi)星中昂貴的原子鐘一樣精確。圖6.7GPS定位原理：R1’，R2’，R3’和R4’為所測偽距GPS定位可分為單點定位和相對定位（或稱差分定位）。單點定位就是根據(jù)一臺接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。利用單獨的GPS接收機(jī)定位的精度為30米左右。為了有效提高定位精度，提出了差分定位技術(shù)。其基本原理是用一個已知位置的固定接收機(jī)站來測算GPS的誤差。差分定位是根據(jù)兩臺以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應(yīng)采用相位觀測值進(jìn)行相對定位。具有偽距差分功能的GPS接收機(jī)的定位精度在1—10米之間?？偟膩碚f，GPS定位系統(tǒng)有如下特點：1）能夠全球、全天候工作。能夠覆蓋全球98%的面積。2）定位精度高。單機(jī)定位精度優(yōu)于10m，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級和毫米級。3）操作簡便，應(yīng)用廣泛。只需要一臺GPS接收機(jī)即可準(zhǔn)確確定用戶所在的位置。已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于軍事工程，道路工程，車輛。船舶導(dǎo)航等多種應(yīng)用中。GPS的主要特點北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)﹝BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem﹞是我國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其建設(shè)目標(biāo)是建成獨立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的國家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動衛(wèi)星導(dǎo)航在國民經(jīng)濟(jì)社會各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。北斗衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。北斗一號北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)（雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)）是利用地球同步衛(wèi)星為用戶提供快速定位、簡短數(shù)字報文通信和授時服務(wù)的一種全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由由空間星座、地面控制中心系統(tǒng)和用戶終端三部分構(gòu)成?？臻g星座部分包括三顆地球同步軌道衛(wèi)星，包括兩顆地球靜止衛(wèi)星和一顆在軌備份衛(wèi)星。北斗地面控制中心系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的功能中樞，完成用戶終端位置解算、通信信息轉(zhuǎn)發(fā)、用戶數(shù)據(jù)保存、系統(tǒng)監(jiān)控管理等一系列功能，可為用戶提供定位、通信和授時服務(wù)。用戶終端是直接由用戶使用的設(shè)備，用于發(fā)送定位請求和通信信息，接收定位信息、通信信息和定時信息，實現(xiàn)單機(jī)定位和雙向數(shù)字簡短報文通信功能，也可作為自主導(dǎo)航和精確授時設(shè)備。北斗二號以北斗導(dǎo)航試驗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，我國開始逐步實施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，首先滿足中國及其周邊地區(qū)的導(dǎo)航定位需求，并進(jìn)行系統(tǒng)的組網(wǎng)和測試，逐步構(gòu)建一個類似GPS的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，稱為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，簡稱北斗二號。北斗定位系統(tǒng)與GPS定位系統(tǒng)的比較與GPS相比，北斗具有如下優(yōu)點：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供導(dǎo)航定位服務(wù)，其精度可以達(dá)到重點地區(qū)水平10米，高程10米，其他大部分地區(qū)水平20米，高程20米；測速精度優(yōu)于0.2米/秒。這和美國GPS的水平是差不多的。第二，授時服務(wù)。授時精度可達(dá)到單向優(yōu)于50納秒，雙向優(yōu)于10納秒。第三，短報文通信服務(wù)。這一功能能夠保證在我國及周邊地區(qū)具備每次120個漢字的短信息交換能力。第四，具備一定的保密、抗干擾和抗摧毀能力；系統(tǒng)的導(dǎo)航定位用戶容量不再受到限制，并且保證用戶設(shè)備的體積小、質(zhì)量輕、功耗低，滿足手持、機(jī)載、星載、彈載等各種載體需要。

北斗也具有一些缺點，如用戶數(shù)受限，由于采用主動定位方式而使得對主控中心的依賴性更高等問題。蜂窩系統(tǒng)定位技術(shù)蜂窩系統(tǒng)定位一般是指在蜂窩系統(tǒng)中利用無線電信號來確定一個移動對象（通常是手機(jī)，也稱作移動臺)所在的地理位置。利用蜂窩系統(tǒng)定位技術(shù)，移動通信運營商可以為用戶提供很多的定位相關(guān)服務(wù)，如提供用戶所在的位置信息，根據(jù)用戶所在的位置不同進(jìn)行靈活的收費服務(wù)，在蜂窩系統(tǒng)中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和資源管理等。根據(jù)獲得移動臺位置信息方式的不同，蜂窩定位系統(tǒng)大致可分為3類：基于移動臺的定位系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)移動臺輔助定位系統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)常用定位技術(shù)蜂窩系統(tǒng)中常用的定位技術(shù)有很多，這里我們主要介紹幾種有代表性的定位技術(shù)，包括:基于GPS的定位技術(shù)起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)基于到達(dá)角的定位技術(shù)基于距離的定位技術(shù)GPS是一種比較成熟的定位技術(shù)，能夠在全球范圍內(nèi)提供較為準(zhǔn)確的定位。GPS定位不能應(yīng)用于室內(nèi)，并且在容易受到城市里的高樓等環(huán)境的影響，定位精度下降較大。GPS定位系統(tǒng)的實時性不強，為了適用于蜂窩系統(tǒng)定位，有必要對實時性進(jìn)行改進(jìn)。基于GPS的定位技術(shù)差分GPS技術(shù)的原理是使用基準(zhǔn)接收機(jī)來消除GPS定位中的公共誤差。其中GPS基準(zhǔn)接收機(jī)為固定的基站，知到自己的準(zhǔn)確地理坐標(biāo)，因此能計算出GPS的定位結(jié)果和自身真實的地理位置的差值。輔助GPS定位技術(shù)是為了克服GPS定位技術(shù)中存在的啟動時間過慢的缺點，提高定位的實時性。其主要思想是建立一個全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)參考網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)與移動通信網(wǎng)相連，通信網(wǎng)的移動臺內(nèi)置一個全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機(jī)。起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)這類定位系統(tǒng)根據(jù)用戶在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所處的小區(qū)或者基站來標(biāo)識用戶位置。蜂窩系統(tǒng)中每個基站都有一個全網(wǎng)唯一的標(biāo)識號(CELLID)，系統(tǒng)可以根據(jù)與用戶進(jìn)行通信的基站標(biāo)識來確認(rèn)用戶所在區(qū)域，并由此提供一個