《物聯(lián)網(wǎng)工程導論》課件第三章

目錄3.23.33.1定位技術概述衛(wèi)星定位系統(tǒng)蜂窩定位技術3.1定位技術概述3.1.1定位技術介紹

導航定位的方法從早期的陸基無線電導航系統(tǒng)到現(xiàn)在常用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，經歷了近百年的發(fā)展，從最初的精度差、設備體積龐大的陸基系統(tǒng)到現(xiàn)在多種導航定位技術共存，設備日趨小型化，在技術手段、導航定位精度、可用性等方面均取得質的飛越。

下面我們開始介紹路基導航系統(tǒng)和自主式導航系統(tǒng)。3.1.1定位技術介紹陸基導航系統(tǒng)

陸基無線電導航系統(tǒng)是20世紀第一次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的。起初應用在航海領域，逐漸擴展到航空領域。

其技術手段主要是采用無線電信標。艦船和飛機接受信標的發(fā)射信號，通過方向圖調制測出與信標的方位，從而確定自身的航向。陸基導航系統(tǒng)定位精度比較差，但具備信號發(fā)射功率大、不易受干擾、數(shù)據(jù)更新率較高等衛(wèi)星導航系統(tǒng)所不具備的優(yōu)點。陸基導航系統(tǒng)仍然是國際通用的民航導航系統(tǒng)，特別是VOR-DME系統(tǒng)。我國民航導航系統(tǒng)主要是用VOR-DME系統(tǒng)。3.1.1定位技術介紹

VOR（VeryhighfrequencyOmnidirectionalRange）是一種近程的無線電相位測角系統(tǒng)，由地面發(fā)射臺和機載接收設備組成，地面臺發(fā)射信號，記載設備只接收信號，為飛機提供相對于地面臺的磁北方位角。DME（DistanceMeasurementEquipment）是用于測量載體到某固定點的直線距離，由于采用詢問—應答的工作方式來測量距離，也稱為應答/測距系統(tǒng)。陸基導航系統(tǒng)的定位手段主要有：測角和測距，分別由VOR和DME兩種導航系統(tǒng)來實現(xiàn)，單一的陸基導航臺站無法實現(xiàn)對飛行器的定位，但通過VOR-DME組合或DME-DME組合的方式共同觀測可以實現(xiàn)飛行器的定位。3.1.1定位技術介紹自主式導航

陸基導航定位系統(tǒng)具有價格低、可靠性高等優(yōu)點，但它依賴于電磁波在空中的傳播，系統(tǒng)的生存能力、抗干擾能力和抗欺騙能力較為薄弱。因此，自主導航也逐漸得到了發(fā)展，主要有慣性導航和多普勒導航兩種。（1）慣性導航慣性導航系統(tǒng)是一種利用安裝在運載體上的陀螺儀和加速度計來測定運載體位置的一個系統(tǒng)。通過陀螺儀和加速度計的測量數(shù)據(jù)，可以確定運載體在慣性參考坐標系中的運動，同時也能夠計算出運載體在慣性參考坐標系中的位置。目前慣性導航系統(tǒng)一般都和衛(wèi)星導航系統(tǒng)結合使用，利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)為其提供校準坐標。3.1.1定位技術介紹（2）多普勒導航多普勒導航系統(tǒng)是指利用多普勒效應進行導航的自備式導航設備的總稱。通常由多普勒導航雷達、航向姿態(tài)系統(tǒng)、導航計算機、控制顯示器等構成。由多普勒導航雷達測得的、與飛機地速和偏流角相對應的多普勒頻移（即地面回波的頻率與雷達發(fā)射的電波頻率之差）信號，與航向姿態(tài)系統(tǒng)提供的飛機航向、俯仰、傾斜信號一并送入導航計算機，算出地速、偏流角；求得飛機位置及其他導航參數(shù)，控制顯示器顯示各種導航參數(shù)并實施對系統(tǒng)的操縱和控制。3.1.2現(xiàn)代定位技術

專家學者提出了許多定位技術解決方案，如GPS定位技術、超聲波定位技術、藍牙技術、紅外線技術、射頻識別技術、超寬帶技術、無線局域網(wǎng)絡、光跟蹤定位技術，以及圖像分析、信標定位、計算機視覺定位技術等。

這些定位技術從總體上可歸納為幾類，如衛(wèi)星定位、無線定位技術（無線通信、射頻定位、超聲波、光跟蹤、傳感器定位等），其它定位技術（計算機視覺、航位推算等），以及衛(wèi)星和無線定位組合的定位技術。3.2衛(wèi)星定位系統(tǒng)3.2.衛(wèi)星定位系統(tǒng)

導航衛(wèi)星定位是通過特定的位置標識與測距技術來確定物體的空間物理位置信息。

常用的定位方法：一種是基于衛(wèi)星導航的定位；一種是基于參考點的基站定位。

基于衛(wèi)星導航的定位方式主要是利用設備或終端上的GPS定位模塊將自己的位置信號發(fā)送到定位后臺來實現(xiàn)基站定位，利用基站與通信設備之間無線通信和測量技術，計算兩者間的距離，并最終確定通信設備位置信息。3.2.1全球定位系統(tǒng)美國全球定位系統(tǒng)

美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）是20世紀70年代由美國陸、海、空三軍聯(lián)合研制的新型空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。經過20余年的研究試驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛(wèi)星全部布設完成。3.2.1全球定位系統(tǒng)GPS是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導航定位和時間傳遞系統(tǒng)。作為軍民兩用系統(tǒng)，提供兩個等級的服務。美國的全球定位系統(tǒng)包括繞地球運行的27顆衛(wèi)星，其中24顆運行，3顆備用，它們均勻地分布在6個軌道上。衛(wèi)星能夠連續(xù)發(fā)射一定頻率的無線電信號，只要持有便攜式信號接收儀，無論身處陸地、海上還是空中，都能收到衛(wèi)星發(fā)出的特定信號。GPS除了導航外，還具有其他多種用途，如科學家可以用它來監(jiān)測地殼的微小移動，從而幫助預報地震；測繪人員利用它來確定地面邊界；汽車司機在迷途時通過它能找到方向；軍隊依靠它來保證正確的前進方向。3.2.1全球定位系統(tǒng)歐盟“伽利略”系統(tǒng)

歐盟伽利略系統(tǒng)是世界上第一個基于民用的全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，是歐盟為了打破美國的GPS在衛(wèi)星導航定位這一領域的壟斷而開發(fā)的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)，有歐洲版GPS之稱。伽利略系統(tǒng)主要由三大部分組成：空間星座部分、地面監(jiān)控與服務設施部分以及用戶設備部分。

空間星座部分是由分布在三個軌道上的30顆中高度圓軌道衛(wèi)星構成，每個軌道有9顆工作衛(wèi)星外加一顆備用衛(wèi)星，能使任何人在任何時間、任何地點準確定位，誤差不超過3m，定位精度也高于GPS定位精度。3.2.1全球定位系統(tǒng)

地面監(jiān)控與服務設施部分包括兩個位于歐盟的伽利略控制中心和20個分布在全球的伽利略傳感器站。伽利略控制中心主要控制衛(wèi)星的運轉和導航任務的管理，20個傳感器站通過冗余通信網(wǎng)絡向控制中心傳送數(shù)據(jù)。用戶設備部分主要由導航定位模塊和通信模塊組成。伽利略系統(tǒng)可以發(fā)送實時的高精度定位信息，這是現(xiàn)有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)所沒有的，同時伽利略系統(tǒng)能夠保證在許多特殊情況下提供服務，如果失敗也能在幾秒鐘內通知客戶。

與美國的GPS相比，伽利略系統(tǒng)更先進，也更可靠。美國GPS提供的衛(wèi)星信號，只能發(fā)現(xiàn)地面約10m長的物體，而伽利略系統(tǒng)的衛(wèi)星則能發(fā)現(xiàn)1m長的目標。3.2.1全球定位系統(tǒng)俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng)該系統(tǒng)于2007年開始運營，當時只開放俄羅斯境內衛(wèi)星定位及導航服務。到2009年，其服務范圍已經拓展到全球。該系統(tǒng)主要服務內容包括陸地、海上及空中目標的坐標及運動速度信息等。格洛納斯至少需要18顆衛(wèi)星才可以為俄羅斯全境提供定位和導航服務，如果要提供全球服務，則需要24顆衛(wèi)星在軌工作，另有6顆衛(wèi)星在軌備用。

格洛納斯與GPS類似，也由空間星座部分、地面監(jiān)控與服務設施部分以及用戶設備部分組成?？臻g星座部分主要由24顆衛(wèi)星組成，均勻分布在三個近圓形的軌道面上，每個軌道面有8顆衛(wèi)星，軌道傾角比GPS略大。地面監(jiān)控部分以及用戶設備部分均與GPS差不多。3.2.1全球定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（CNSS）是我國建立的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航與通信系統(tǒng)。與美國GPS、俄羅斯格羅納斯、歐盟伽利略系統(tǒng)并稱全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間端、地面端和用戶端三部分組成?？臻g端包括3顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星。30顆非靜止軌道衛(wèi)星又細分為27顆中軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星組成，地面端包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站。用戶端包括用戶終端以及與其他衛(wèi)星導航系統(tǒng)兼容的終端。3.2.1全球定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務，并兼具短報文通信能力。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供開放服務和授權服務兩種服務，其中開放服務是向全球用戶免費提供定位、測速和授時服務，定位精度10m，測速精度0．2m/s，授時精度50ns；

授權服務是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導航需求的用戶提供定位、測速、授時和通信服務以及系統(tǒng)完好性信息。全天候快速定位，極少的通信盲區(qū)；

精度與GPS相當，而在增強區(qū)域即亞太地區(qū)，精度會超過GPS，向全世界提供的服務都是免費的，在提供無源導航定位和授時等服務時，用戶數(shù)量沒有限制，且與GPS兼容。3.2.2衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理衛(wèi)星定位系統(tǒng)組成衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要由空間部分、地面控制部分和用戶接收設備三部分構成。（1）空間部分衛(wèi)星定位系統(tǒng)的空間部分通常由24顆工作衛(wèi)星組成。此外，還有4顆有源備份衛(wèi)星在軌運行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位精度。3.2.2衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理（2）地面控制部分地面控制部分由一個主控站，5個全球監(jiān)測站和3個地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接收機，地面控制站在每顆衛(wèi)星運行至上空時，把這些導航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆GPS衛(wèi)星每天一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。（3）用戶設備部分用戶設備部分即信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。3.2.2衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理衛(wèi)星定位技術原理導航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經歷的時間，再將其乘以光速得到，由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR），當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y）碼。3.2.2衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息，它是從衛(wèi)星信號中解調制出來。當用戶接受到導航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶的位置速度等信息便可得知。由此可見，導航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導航電文。3.2.2衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標x、y、z外，還要引進一個Δt即衛(wèi)星與接收機之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。3.2.2衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理測定用戶坐標為(x,y,z)，它與4棵衛(wèi)星si(i=1，2，3，4)之間的距離di=c

Δti（i=1,2,3,4），c為GPS信號的傳播速度（即光速），Δti（i=1,2,3,4）為衛(wèi)星信號到達測定位置所需要的時間差。根據(jù)4顆衛(wèi)星的位置（xs，ys，zs），利用空間任意兩點間的距離公式，可得公示組：3.2.2衛(wèi)星定位系統(tǒng)原理通過上列等式，可計算出測定用戶的位置坐標(x,y,z)，其中，τi（i=1,2,3,4）表示每一顆衛(wèi)星si（i=1,2,3,4）的鐘差，τ為接收設備與標準衛(wèi)星時鐘的鐘差。衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應用廣的特點，是迄今最好的定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓，開始逐步地深入人們的日常生活。3.3蜂窩定位技術3.3.1COO定位蜂窩定位一般采用基于固定基站作為參考點的定位技術。利用電信部門運營商的移動通信網(wǎng)絡，通過手機與多個固定位置收發(fā)機之間的傳播信號特征參數(shù)來計算出目標位置的幾何位置，同時，結合地理信息系統(tǒng)（GIS），為移動用戶提供位置查詢等服務。

蜂窩定位的常用方法主要包括以下幾種：COO定位；TOA定位；TDOA定位；AOA定位；A-GPS定位3.3.1COO定位COO定位

COO（CellofOrigin）蜂窩小區(qū)定位技術是最簡單的一種定位方式，它根據(jù)移動點所處的小區(qū)識別號來確定用戶的位置。

移動點在小區(qū)注冊后，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中就會有相對應的小區(qū)ID號。只要系統(tǒng)能夠把該小區(qū)基站設置的中心位置和小區(qū)的覆蓋半徑廣播給小區(qū)范圍內的所有移動臺，根據(jù)這些移動臺就能知道自己處在什么地方，查詢數(shù)據(jù)庫即可獲取位置信息。

蜂窩小區(qū)技術是基于網(wǎng)絡的定位技術方案，它的優(yōu)點是無需對網(wǎng)絡和手機進行修改，響應時間短。3.3.1COO定位蜂窩小區(qū)定位是一種單基站定位，是通過手機當前連接的蜂窩基站的位置進行定位的。

該方法的定位精度與小區(qū)基站的分布密度密切相關，在基站密度越高的區(qū)域，這種定位方式精度越高。

該方法的優(yōu)點是定位時間短、對現(xiàn)有網(wǎng)絡或手機不需要特殊要求就能夠實現(xiàn)定位，缺點是定位精度取決于小區(qū)基站半徑。3.3.2TOA定位TOA定位

基于電波傳播時間TOA的定位是以一種三基站定位方法。

定位方法：以電波的傳播時間為基礎，利用移動點（手機）與三個基站之間的電波傳播時延，通過計算得出手機的位置信息。

基本思想：被測點發(fā)射信號到達3個參考節(jié)點接收機，通過測量到達不同接收機所用的時間，得到發(fā)射點與接收點之間的距離，然后以接收機為圓心，所測得的距離為半徑畫圓，3個圓的交點即為被測點所在的位置。當出現(xiàn)多個圓不交于同一點時，可以采用一定的方法消除奇異解而得到一個準確的估計位置。但是TOA要求參考節(jié)點與被測點保持嚴格的時間同步，多數(shù)應用場合無法滿足這一要求。3.3.2TOA定位3.3.3TDOA定位TDOA定位基于電波到達時差定位（TDOA）與TOA定位類似，也是一種三基站定位方法。該方法是利用手機收到不同基站的信號的時差，計算手機的位置信息。3.3.3TDOA定位特點：TDOA是通過檢測信號到達兩個基站的絕對時間差，而不是根據(jù)到達的飛行時間來確定移動臺的位置，降低了信號源與各個監(jiān)測站的時間同步要求，但提高了各個監(jiān)測站的時間同步要求。采用三個不同的基站可以測到兩個TDOA，移動站位于兩個TDOA決定的雙曲線的交點上。TDOA算法是對TOA算法的改進，他不是直接利用信號到達時間，而是用多個基站接收到信號的時間差來確定位置，與TOA算法相比他不需要加入專門的時間差，定位精度也有所提高。3.3.4AOA定位AOA定位到達角度測距（AOA）是基于信號到達角度的定位算法，是一種典型的基于測距的定位算法，

基本思想：通過某些硬件設備感知發(fā)射節(jié)點信號的到達方向，計算接收節(jié)點和錨節(jié)點之間的相對方位或角度，然后再利用三角測量法或其他方式計算出未知節(jié)點的位置。優(yōu)點：算法通信開銷低，定位精度較高。3.3.4AOA定位缺點：（1）AOA定位要求被測量的移動站與測量的所有基站之間的射頻信號是視線傳輸?shù)?，非視線傳輸將會給定位帶來不可預測的誤差。即使是在以視線傳輸為主的情況下，射頻信號的多徑效應依然會干擾AOA的測量。

（2）由于天線設備角分辨率的限制，AOA的測量精度是隨著基站與移動站之問的距離的增加而不斷減小的。3.3.4AOA定位對于處于城市地區(qū)的微小區(qū)來講，引起射頻信號反射的障礙物多且其到移動站的距離與小區(qū)半徑相差不多，這樣就會引起比較大的角測量誤差。在這種情況下，基于AOA的定位方法沒有實際的意義。

對于宏小區(qū)，因為其基站一般處于比較高的位置，與小區(qū)的半徑相比，引起射頻信號反射的障礙物多位于移動站附近，非視線傳輸引起的角測量誤差比較小。所以測量信號到達角度的定位方法多用于宏小區(qū)，或者與其他定位技術混合使用來提高定位的精度。3.3.5A-GPS定位A-GPS定位網(wǎng)絡輔助GPS