第6章-物联网定位技术要点课件.ppt

1、6.1 定位的概念与技术发展6.2 定位技术在物联网中的应用6.3 卫星导航系统6.4 蜂窝系统定位技术6.5 RFID定位技术6.6 无线传感网定位技术6.7 定位技术的发展前景6.1 6.1 定位的概念与发展历史定位的概念与发展历史在很多物联网的应用中，物体（或者称对象）的“位置”信息有着重要的意义。在物联网中，人们使用RFID、传感器或者其他信息采集工具从物理世界当中获取各种各样的信息，并将这些信息通过网络传送到用户或者服务器端进行处理以为用户提供各种各样的服务。物联网中用于获取物体位置的技术统称为定位技术。物联网中的所谓“物体”的概念非常广泛：它既可以指人，也可以指设备。一、一、定位的

2、概念定位的概念二、定位技术发展简史二、定位技术发展简史早期的航海活动中主要是通过沿着海岸线建造在航道的关键部位建造灯塔来对船只进行导航。这些定位技术的精度非常差，并且覆盖范围不广。无线电技术出现以后，人们可以进行更大范围的和更加精确的定位。最早的基于无线电技术的定位系统是罗兰远程导航系统，建立于20世纪40年代，其最初的目的是用于海军中的中程无线电导航。罗兰系统的示意图A和B是一对基站，同时发送信号。用户根据收到信号的时间差来确定自己的位置是在哪个双曲线上。图中不同的双曲线对应于不同的时间差。随着人造卫星技术的发展，人们开始利用人造卫星来构建更精确，覆盖范围更广的定位/导航系统。地球同步轨道卫

3、星可以以相对地球静止的方式在太空轨道中运行，这就提供了一种方式来为定位系统提供固定的参考点。随着蜂窝移动通信技术的快速发展，手机用户极大增加。这类定位系统一般通过是通过测量手机和基站之间的信号强度、距离或者到达角度，利用基站的位置来计算手机用户的位置。移动手机用户一般称作移动台，通过基站的辅助来定位。室内的无线定位系统一般利用RFID标签来进行。利用RFID标签的定位系统可以分为定位标签的和定位RFID读写器的两种。这类定位系统所采用的模型可以分为两大类：基于模式匹配的和基于模型匹配的。无线传感器网络中的定位算法一般利用一些已知自身位置的节点（称为锚节点）来辅助一般节点进行定位。算法设计的目标

4、除了达到较高的精度外，还注重降低开销，包括通信开销和计算开销，并且将尽量减少对硬件的要求。6.2 6.2 定位技术在物联网中的应用定位技术在物联网中的应用在军事领域的应用 灾难救援在智能交通中的应用在智能物流中的应用基于位置的服务在军事领域的应用无线自组织网络在军事行动中的应用利用定位技术，指挥官可以快速的了解单兵的位置信息并发布相应的命令。灾难救援灾难救援北斗通信系统在汶川抗震救灾中的应用定位技术在智能交通中的应用定位技术在智能交通中的应用智能交通系统示意图。车辆之间可以进行相互通信；车辆与于路边节点之间也可以进行通信，组成车载网络。定位技术在智能交通系统中发挥着重要作用。定位技术在智能物流

5、中的应用定位技术在智能物流中的应用典型智能物流系统示意图。在堆场管理，集装箱管理，实时追踪，智能仓储以及货物配送环节，都需要定位技术的支持。基于位置的服务基于位置的服务基于位置的服务(Location Based Service，LBS是在获取移动终端用户的位置信息的基础上，在地理信息系统 (Geographic Information System，GIS)平台的支持下为用户提供相应服务的一种增值业务。随着智能手机的普及和智能手机上定位功能的普及，基于位置的服务吸引了越来越多的关注。6.3 卫星导航系统卫星导航系统美国的美国的GPS(Global Positioning GPS(Global

6、 Positioning System)System)全球定位系统。全球定位系统。欧洲的伽利略定位系统。欧洲的伽利略定位系统。俄罗斯的俄罗斯的GLONASSGLONASS定位系统。定位系统。中国的北斗定位系统。中国的北斗定位系统。一、一、GPS全球定位系统简介全球定位系统简介GPS是美国国防部主要为满足军事需要而建立的新一代卫星导航与定位系统， 它具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位的能力。（1）GPS的组成GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。GPS 系统的星座部分主要由24 颗卫星构成，其中21 颗为工作卫星，另外3 颗为备用卫星，用于在必要时根据指令替代发

7、生故障的卫星。这24颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，每个轨道面包含4颗卫星。卫星轨道为椭圆形，平均高度约20200km，运行周期大约11小时58分钟。对地面观测者来说，每天见到的卫星几何分布相同，但是每天见到同一卫星的时间大概要提前4分钟。在地球任意一点上，用户能够观察到的卫星颗数随着时间和地点的不同而有所不同，最少可见到4 颗，最多时可见到11 颗。GPS 的地面监控部分主要由分布全球的6个地面站构成，其中包括卫星监测站、主控站、备用主控站和信息注入站。主控站位于美国科罗拉多州的谢里佛尔空军基地，是整个地面监控系统的管理中心和技术中心。另外还有一个位于马里兰州盖茨堡的备用主控站，在发生紧急

8、情况时启用。注入站目前有4个，其作用是把主控站计算得到的卫星星历、导航电文等信息注入到相应的卫星。注入站同时也是监测站，另外还有位于夏威夷和卡纳维拉尔角2处监测站，故监测站目前有6个。监测站的主要作用是采集GPS卫星数据和当地的环境数据，然后发送给主控站。用户设备部分用户设备主要是GPS接收机，它是一种特制的无线电接收机，主要作用是从GPS卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。用户设备部分的主要设备是GPS 接收机。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，利用GPS接收器测量出的到卫星的距离，来计算待测点的位置。如图2所示，假设在t时刻在待测点位置上

9、观测到4个卫星，并测出信号从该观测点到4个卫星的传播时间，便可以列出对应的4个方程来求得观测点的位置。（2）GPS的定位原理GPS中利用信号在卫星和接收机之间的往返时间来计算距离的。在某一时刻，卫星发送一长串称为伪随机码的数字序列，而同时接收机也在同一时刻产生相同的数字序列。当卫星信号到达接收机时，由于传输的延迟，从卫星信号接收到的数字序列会比接收机产生的信号的时间滞后。时间延迟的长度就是信号传送的时间。接收机将这一时间乘以光速就可以计算出信号传送的距离。假设信号是以直线传送的，则这一结果即为接收机到卫星的距离。为了使测得的距离数据准确有效，GPS接收机需要安装和卫星上同步的精确时钟。为了达到

10、所要求的计时精度（纳秒级），需要使用能够精确计时的原子钟。但对普通的GPS接收器来说，原子钟的价格太贵了（价格在5-10万美元之间）。GPS系统用一个巧妙的方案解决了这一问题。每一颗卫星上仍然使用昂贵的原子钟，但接收机使用的是经常需要调校的普通石英钟。简言之，接收机接收来自四颗或更多卫星的信号在计算距离的同时，对自身的始终误差进行校正，将自身的时钟调整到与卫星上的原子时钟相同的值，从而使接收机的时间与所有卫星上的原子钟相同。GPS接收机就可以“免费”获得原子钟的精确度。其原理如下。当测量到四颗定位卫星到观测点所处位置的准确距离时，我们就可以画出相交于一点的四个球面。但是如果测量有误差，四个球面

11、就不可能相交于一点。由于接收机利用自身内置的时钟来测量所有的距离，距离测量会呈现一定的比例误差。接收机可以计算出使四个球面相交于一点所进行的必要调整，并基于此重新设置自身的时钟以便和卫星原子钟同步。接收机只要开启就处在不断的调整中，这也意味着接收机几乎与卫星中昂贵的原子钟一样精确。图6.7 GPS定位原理： R1，R2，R3和R4为所测伪距GPS定位可分为单点定位和相对定位（或称差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。利用单独的GPS接收机定位的精度为30米左右。为了有效提高定位精度，提出了差分定位技术。其基本原

12、理是用一个已知位置的固定接收机站来测算GPS的误差。差分定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。具有伪距差分功能的GPS 接收机的定位精度在110米之间。总的来说，GPS定位系统有如下特点：1）能够全球、 全天候工作。能够覆盖全球98%的面积。2）定位精度高。单机定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。3）操作简便，应用广泛。只需要一台GPS接收机即可准确确定用户所在的位置。已经广泛的应用于军事工程，道路工程，车辆。船舶导航等多种应用中。GPS的主要特点北斗卫

13、星导航系统简介北斗卫星导航系统简介北斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。其建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗一

14、号北斗卫星导航试验系统（双星定位导航系统）是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。该系统主要由由空间星座、地面控制中心系统和用户终端三部分构成。空间星座部分包括三颗地球同步轨道卫星，包括两颗地球静止卫星和一颗在轨备份卫星。北斗地面控制中心系统作为整个系统的功能中枢，完成用户终端位置解算、通信信息转发、用户数据保存、系统监控管理等一系列功能，可为用户提供定位、通信和授时服务。用户终端是直接由用户使用的设备，用于发送定位请求和通信信息，接收定位信息、通信信息和定时信息，实现单机定位和双向数字简短报文通信功能，也可作为自主导航和精确授时设备

15、。北斗二号以北斗导航试验系统为基础，我国开始逐步实施北斗卫星导航系统的建设，首先满足中国及其周边地区的导航定位需求，并进行系统的组网和测试，逐步构建一个类似GPS的全球卫星导航定位系统，称为北斗卫星导航定位系统，简称北斗二号。北斗定位系统与北斗定位系统与GPS定位系统的比较定位系统的比较与GPS相比，北斗具有如下优点：北斗导航系统可以提供导航定位服务，其精度可以达到重点地区水平10米，高程10米，其他大部分地区水平20米，高程20米；测速精度优于0.2米/秒。这和美国GPS的水平是差不多的。第二，授时服务。授时精度可达到单向优于50纳秒，双向优于10纳秒。第三，短报文通信服务。这一功能能够保证

16、在我国及周边地区具备每次120个汉字的短信息交换能力。第四，具备一定的保密、抗干扰和抗摧毁能力；系统的导航定位用户容量不再受到限制，并且保证用户设备的体积小、质量轻、功耗低，满足手持、机载、星载、弹载等各种载体需要。 北斗也具有一些缺点，如用户数受限，由于采用主动定位方式而使得对主控中心的依赖性更高等问题。蜂窝系统定位技术蜂窝系统定位技术蜂窝系统定位一般是指在蜂窝系统中利用无线电信号来确定一个移动对象（通常是手机，也称作移动台)所在的地理位置。利用蜂窝系统定位技术，移动通信运营商可以为用户提供很多的定位相关服务，如提供用户所在的位置信息，根据用户所在的位置不同进行灵活的收费服务，在蜂窝系统中进

17、行网络优化和资源管理等。根据获得移动台位置信息方式的不同，蜂窝定位系统大致可分为3类：基于移动台的定位系统基于网络的定位系统移动台辅助定位系统蜂窝系统常用定位技术蜂窝系统常用定位技术蜂窝系统中常用的定位技术有很多，这里我们主要介绍几种有代表性的定位技术，包括:基于GPS的定位技术起源蜂窝小区定位技术基于到达角的定位技术基于距离的定位技术GPS是一种比较成熟的定位技术，能够在全球范围内提供较为准确的定位。GPS定位不能应用于室内，并且在容易受到城市里的高楼等环境的影响，定位精度下降较大。GPS定位系统的实时性不强，为了适用于蜂窝系统定位，有必要对实时性进行改进。基于GPS的定位技术差分GPS技术

18、的原理是使用基准接收机来消除GPS定位中的公共误差。其中GPS基准接收机为固定的基站，知到自己的准确地理坐标，因此能计算出GPS的定位结果和自身真实的地理位置的差值。辅助GPS定位技术是为了克服GPS定位技术中存在的启动时间过慢的缺点，提高定位的实时性。其主要思想是建立一个全球卫星定位系统参考网络，该网络与移动通信网相连，通信网的移动台内置一个全球卫星定位系统接收机。起源蜂窝小区定位技术这类定位系统根据用户在网络内部所处的小区或者基站来标识用户位置。蜂窝系统中每个基站都有一个全网唯一的标识号(CELL ID)，系统可以根据与用户进行通信的基站标识来确认用户所在区域，并由此提供一个用户位置的粗略

19、估计。因此，这类技术也称为CELL ID技术或者COO (Cell Of Origin )技术。基于方向的定位技术基于方向的定位技术主要利用到达角(Angle of Arrival, AOA)来计算移动对象的位置。该方法中，接收机通过阵列天线测出接收信号从移动对象到两个以上基站的传输路径的到达方向(电波的入射角)并以此来计算移动对象的位置信息。基站利用天线阵列来测量接收到的移动对象的信号的方向，构成从基站到移动台的径向连线，两根连线的相交点即为移动对象的位置。通过对两个基站的AOA测量就能确定目标移动对象的位置，但如果移动对象恰好位于两个基站之间的直线上，则AOA测量将无法确定目标位置，所以通

20、常采用两个以上的基站提供定位。AOA定位技术示意图11。MS为移动台，BTS1和BTS2为两个基站。通过测量到两个基站的到达角，可以计算出MS的位置基于距离的定位技术移动台和基站之间的距离的估计可以通过接收信号的强度、到达时间(Time Of Arrival，TOA)、到达时间差(Time Difference Of Arrival，TDOA)或者信号的相位来获得。利用移动对象到基站之间的距离和基站的坐标，就可以计算移动对象的位置。估计移动对象在二维空间的位置需要三个距离测量值，而估计在三维空间的位置需要四个距离测量值。 基于距离的定位技术示意图11。(a):利用信号强度或者TOA来进行定位；

21、(b) 利用TDOA来进行定位 (a)(b)基于指纹的定位技术在蜂窝系统中，移动对象从基站接收到的信号对地形和传播时的障碍物具有依赖性，呈现出非常强的位置特殊性。对于每个位置来说，该信道的多径结构对该位置是唯一的。如果同样的射频信号被从该位置发射，这样的多径特征可以被认为是该位置的指纹或者特征信息。在一些专用系统里，建立一个适用于某一特定服务区域的与位置网格有关的“位置信息数据库”(或信号指纹数据库)，存储定位系统覆盖范围内每个位置所观察到无线信号的特征信息。当需要定位时，移动台测量周围环境的无线信号信息并把测量结果发送到位置服务器，位置服务器将其与数据库中的内容进行比较匹配，与测量结果一致的

22、信号特征信息所对应的位置区域就是移动台当前位置。RFID定位技术定位技术目前常用的RFID标签可以分为两类：有源标签（active tag）和无源标签（passive tag）。无源标签的读取距离比较近，一般需要在距离读写器不超过几米的范围内进行读取，它们依靠从读写器发出的信号中获取能量进行操作；有源标签利用电池供电进行工作，读取范围要大的多，可以达到100米到300米左右。由于所使用的标签的不同，基于RFID的定位技术也可以分为基于标签的定位技术和基于读写器的定位技术两种基于基于RFID标签的定位技术标签的定位技术基于RFID标签的定位技术类似于上一节所讲的基于指纹的无线定位技术，称作模式匹

23、配（Pattern Matching）技术。其主要思想是将定位分为两个阶段：训练阶段和定位阶段。系统中安装了一些RFID读写器。在训练阶段，选取某些位置作为训练点，并在这些位置收集RFID读写器发射的信号的强度。这些信号值组成了一个数据库，称为信号地图（Radio Map）。在定位阶段，标签收集来自各个RFID读写器的信号的强度并将这些数据传回定位服务器，由定位服务器数据库中进行匹配来计算出当前标签的位置。一般的方法是选择信号强度与收集到的信号强度最接近的训练点作为当前位置的估计，或者是选择若干个信号强度最接近的若干的位置的加权平均作为当前位置的估计。一个著名的算法是LANDMARC，如图所示

24、。图中的参考标签也参与定位过程。当在某个位置搜集到来自读写器的信号强度值以后，并不是与存储在数据库中的历史信息进行比较，而是与当前各个参考标签所搜集的信号强度比较，并选择若干个最为接近的参考标签的位置进行加权平均获得当前点的位置估计。利用这种方法，LANDMARC的在一个24平方米的区域中可以达到2米的定位精度，时延为7.5秒。基于基于RFID读写器的定位技术读写器的定位技术在大部分RFID定位系统中，待定位的RFID标签是移动的而RFID读写器往往是静止的。比如，前面所讲的LANDMARC系统中就是这样。而在基于RFID读写器的定位系统中，情形恰恰相反：RFID标签是固定的而RFID读写器是

25、移动的，其目标是追踪并定位RFID读写器而不是RFID标签。无线传感网定位技术无线传感网定位技术一般来说，无线传感器网络中定位技术的研究内容包括如下几个方面：定位算法设计可定位性理论定位误差分析移动传感器网络定位安全定位算法典型无线传感器网络定位算法典型无线传感器网络定位算法质心算法示意图。图中部署在网格上的节点是锚节点，待定位节点利用所监听到的锚节点的质心作为自己的位置估计在网络中，锚节点按照网格形状部署并向网络中广播自己的位置信息。一个待定位节点会记录所有它监听到的锚节点和相应的位置。设一个待定位节点收到了k个锚节点的位置信息，则该节点将自己的位置估计为这k个锚节点所在位置的质心。另有作者

26、提出了如何利用测得的来自不同锚节点的信号强度来为不同的锚节点赋以不同的权值来改进定位精度。在DV-HOP15算法中，每个锚节点先收集到其它所有锚节点的最短路径的跳数，然后根估计每跳平均距离。每个锚节点在计算出自己的平均每跳距离之后就会向整个网络中广播这个值。定位技术的发展前景定位技术的发展前景虽然已经取得了很多的研究成果，但是目前仍然也还存在着一些问题，没有得到很好的解决，需要进一步的研究。在全球卫星定位导航系统方面，虽然GPS已经获得的大规模的应用，但是GPS系统的更新和改进一直在进行。在室外无线定位方面，目前的主要研究热点是如何在定位技术的基础上来更好的提供基于位置的服务。手机用户的迅猛增

27、加带来了巨大的商机，如何利用这个机会，根据个人信息提供更为精准的服务是一个很值得研究的方向。对于基于RFID的室内无线定位系统来说，目前研究的主要是如何提高定位的精度，降低室内复杂环境对定位误差的影响，并且尽量少的减少系统的开销对于无线传感器网络来说，目前的研究热点集中在不规则部署的无线传感器网络中测距无关的定位算法的设计以及测距存在误差情况下的无线传感器网络可定为性研究方面。1.查找相关文献，了解基于位置的服务相关研究进展。想象一下，你作为某种用户，需要什么类型的位置服务？2.除了本章所给出的应用之外，请再给出定位系统在物联网中的几个典型应用。本章思考与练习本章思考与练习3. GPS定位系统

28、在智能交通系统中是如何发挥作用的？4. GPS定位系统和北斗导航系统中计算用户位置的方式有何不同？哪种更好？5. 你使用过蜂窝定位系统的服务吗？如果是，它属于何种类型的蜂窝定位技术？6. 请描述GPS定位系统和北斗导航系统的组成。7. 与室外无线定位相比，室内无线定位面临哪些挑战？8. 如何提高基于RFID标签的定位方法的精度？9. LANDMARC定位系统中参考标签的主要作用是什么？10. 请分析质心算法的定位误差。 在二维空间中，利用到3个基站的距离就可以算出用户的位置。但是如果测距存在误差，对应的三个圆可能不会交于一点。这时使用到多个基站的距离可以有效的改进定位精度。这种方法称作多边定位。请查找多边定位的相关资料并推导出多边定位的公式。