定位技术课件.ppt
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1、2021/7/261(最新整理)第七章定位技术2021/7/262无线传感器网络技术无线传感器网络技术讲义讲义第七章、定位技术2021/7/263内容提要WSN定位概述 基于测距(range-based)的定位技术 无需测距(range-free)的定位技术 定位相关的其它技术 典型定位系统 展望2021/7/2641.WSN定位概述 什么是定位?定位的应用领域定位的技术指标 定位系统的设计要点 定位服务的标准化 2021/7/2651.WSN定位概述-什么是定位?定位就是确定位置。定位的两种意义:一种是确定自己的在系统中的位置;一种是确定目标在系统中的位置。位置信息的类型:物理位置指目标在特
2、定坐标系下的位置数值,表示目标的相对或者绝对位置。符号位置指在目标与一个基站或者多个基站接近程度的信息,表示目标与基站之间的连通关系,提供目标大致的所在范围。2021/7/2661.WSN定位概述-定位的应用领域导航:了解移动物体在坐标系中的位置,指导移动物体成功到达目的地的工作 跟踪:系统实时地了解物体所处位置和移动的轨迹 虚拟现实:定位物体的位置和方向 基于地理位置的路由:优化的路由可以提高系统性能、安全性,节省宝贵的电能 基于位置的服务(LBS,Location Based Service):新的增值服务 2021/7/2671.WSN定位概述-定位的技术指标(1)精度-最重要的指标,指
3、定位系统提供的位置信息的精确程度。绝对精度指以长度为单位度量的精度。相对精度,通常以节点之间距离的百分比来定义。覆盖范围是另一个重要指标,它和精度是一对矛盾。精度覆盖范围超声波分米级十多米Wi-Fi和蓝牙3米100米GSM系统100米公里级2021/7/2681.WSN定位概述-定位的技术指标(2)刷新速度是提供位置信息的频率。比如GPS每秒钟刷新1次 WSN相关的指标功耗,WSN是功耗受限制的带宽,协议栈开销+数据的有效载荷 节点密度,节点密度要求越高,单次定位的通信开销越大,消耗的电能越多。2021/7/2691.WSN定位概述-定位系统的设计要点两个主要因素:定位机制的物理特性相应的算法
4、其他设计要求:节点密度扩展性鲁棒性的要求 2021/7/26101.WSN定位概述-定位服务的标准化定位系统往往是订制系统,没有统一的标准GPS系统,事实标准E-911,1996年美国联邦通信委员会(FCC)制定的运营商(紧急救援)服务标准2021/7/2611WSN定位概述 基于测距(range-based)的定位技术 无需测距(range-free)的定位技术 定位相关的其它技术 典型定位系统展望主要参考文献内容提要2021/7/26122.基于测距(range-based)的定位技术 三边定位和多边定位 测距的方法有:信号强度(RSS)信号传播时间/时间差(TOA/TDOA/RTOF)接
5、收信号相位(PDOA)近场电磁测距(NFER)接收信号角度定位 2021/7/26132.基于测距的定位技术-三边定位和多边定位 多边定位多边定位Multilateration多次测量方程的个数大于变量的个数 估计方法:最小二乘(LS,Least Square)极大似然(MLE,Maximum Likelihood Estimation)最小均方差(MMSE,Minimum Mean Square Error)A1A2A3A4A5Nr1r2r3r4r52021/7/26142.基于测距的定位技术-三边定位和多边定位 三边定位三边定位Trilateration(多边定位特例)(多边定位特例)n多
6、次测量方程的个数等于变量的个数 n需要考虑无解的情况,求最优近似解A1A2A3Nr1r2r3A1A2A3Nr1r2r3(a)(b)2021/7/26152.基于测距的定位技术-三边定位和多边定位 信号强度(信号强度(RSS)通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的距离根据信道模型求解距离:信道的时变特性:信道由于受到多径衰减(Multi-path Fading)非视距阻挡(Non-of-Sight Blockage)的影响 XddndPLdPL00log10)()(2021/7/26162.基于测距的定位技术-三边定位和多边定位 信号传播时间信号传播时间/时间差(时间差(TOA/TDOA/RTO
7、F)T0T1发射机接收机发射机接收机T0T1T2T3T0T3发射机接收机T2T1TOATDOARTOFVTTd*)(012*)()(1203VTTTTdUSRFUSRFVVVVTTTTd*)()(0213到达时间到达时间差往返传播时间2021/7/26172.基于测距的定位技术-三边定位和多边定位 接收信号相位(接收信号相位(PDOA)通过测相位差,求出信号往返的传播时间,计算出往返距离 其中,fc是信号频率,是信号的波长,是发送信号和反射信号的相位差。由上式可知d的范围是0,。不同的距离如果相差倍,则测量获得的相位相同。222ccfcfcd2021/7/26182.基于测距的定位技术-三边定
8、位和多边定位 近场电磁测距(近场电磁测距(NFER)利用了在近场电场与磁场的相位差来测量距离。射频信号包括电场和磁场2部分。相位(度)范围(波长)90756045301500.10.20.30.40.5近场电磁测距方法的测距范围0.05 0.5 之间,最佳测量范围0.08 0.3 之间。2021/7/26192.基于测距的定位技术-接收信号角度定位利用角度关系定位利用角度关系定位A1A2N12A1A3A2N1211122212111222cotcot)cot()cot(tantan)tan()tan(yxyxyxyxyx)cos1(2)()()()()()(212323212122122121
9、1211CccCCCCCCryyxxryyxxryyxx已知一个顶点和夹角的射线确定一点已知一个顶点和夹角的射线确定一点 已知三点和三个夹角确定一点已知三点和三个夹角确定一点 2021/7/2620WSN定位概述 基于测距(range-based)的定位技术 无需测距(range-free)的定位技术 定位相关的其它技术 典型定位系统展望主要参考文献内容提要2021/7/26213.无需测距(range-free)的定位技术质心算法 DV-Hop算法 不定形(Amorphous)定位算法 APIT算法 2021/7/26223.无需测距的定位技术-质心算法 质心(Centroid)指多边形的几
10、何中心,是多边形顶点坐标的平均值。设多边形定点位置的向量表示为 pi=(xi,yi)T,则质心为连通度和RSSI信息的质心定位加权算法(W-Centroid))1,1(),(11niiniiestestYnXnYX).1(.,),(1111NiCMtsPYPPXPYXiniiniiiniiniiiestest2021/7/2623 L3AL1L23.无需测距的定位技术-DV-Hop算法 测量确定分布在2个参考节点之间的待定节点构成的多跳网络的跳数,估算出每一跳的距离,从而确定每个节点的位置。精度:网络平均连通度为10,参考节点比例为10%的各向同性网络中定位精度约为33%。缺点:仅仅在各向同性
11、的密集网络中,校正值才能合理地估算平均每跳距离。2021/7/26243.无需测距的定位技术-APIT算法 近似三角形内点测试法(APIT,Approximate Point-In-Triangulation test)找到若干个由参考节点构成的三角形,则节点必然在这些三角形的交集内。使用这个交集的重心估计节点的位置。APIT算法分四步:(1)信标交换,(2)三角形内点测试(PIT,Point-In-Triangulation testing),(3)交集运算计算三角形的重合区域,(4)重心(COG,Center of Gravity)计算求节点的位置。2021/7/2625WSN定位概述 基
12、于测距(range-based)的定位技术 无需测距(range-free)的定位技术 定位相关的其它技术 典型定位系统展望主要参考文献内容提要2021/7/26264.定位相关的其它技术节点和事件的跟踪 测距方式对精度的影响 贝叶斯滤波卡尔曼滤波其它技术2021/7/26274.定位相关的其它技术-节点和事件的跟踪 定位是跟踪的技术基础跟踪是WSN的重要应用 目标或现象的检测、定位、数据收集与分享、以及预测和组管理。对移动的目标或者事件进行动态的监测 目标:让尽可能少的、足够的节点参与跟踪任务,最大可能地降低电能的消耗和信道的开销方案:协同信号与信息处理(CSIP,collaborative
13、 signal and information processing)2021/7/26284.定位相关的其它技术-测距方式对精度的影响 Radio(VHF、UWB、CDMA、光、光、红外光)红外光)0.10.31310301003001K3K技术壁垒室内室外局域室外全球GSM/3G蜂窝电话Cell-IDAOATOATDOAGPSDGPSWLANDECT蓝牙RSSTDOA专有微波方案TDOARTOF自动化/控制等跟踪/导航等一米的壁垒:更高的精度非常困难一米的壁垒:更高的精度非常困难2021/7/26294.定位相关的其它技术-测距方式对精度的影响 声音(声波、超声波)声音(声波、超声波)超声
14、波的传播速度约300m/s,设TDOA达到的时钟精度为1ms,则测距精度30cm。1ms的时钟精度是很低的,经过优化的时间同步方案可以提供几十微秒的精度。那么使用超声波测距的方法可以达到1cm的精度。超声波的传播速度受到环境的影响,同时传播距离在几米到几十米的范围。由于声波接收的方向性,需要小心的部署。2021/7/26304.定位相关的其它技术-贝叶斯滤波滤波可以看作是根据观测数据,推断系统内部状态的过程。顺序估计就是通过后验密度(Posterior Density)给定了滤波密度就可以通过估计子计算系统的状态。估计子有很多种,最常用的是均值估计子:实际应用:顺序蒙特卡罗(SMC,seque
15、ntial Monte Carlo)和马尔可夫蒙特卡罗(MCMC,Markov Chain Monte Carlo)的基本原理。kkkkkkpyyyYxxxXYX,),|(2121且其中kkkkkkkdpExYxxYxx)|(|2021/7/26314.定位相关的其它技术-卡尔曼滤波卡尔曼滤波:贝叶斯滤波的特例 要求:线性系统,高斯噪声 非线性非高斯系统:扩展卡尔曼滤波线性化运动方程和观测方程Jacobian矩阵计算协方差 非察觉型卡尔曼滤波器(Unscented Kalman filter)更加精确的捕捉真实的均值和方差的方法 使用一个确定的采样技术选取均值附近的采样点的最小集合(Sigma
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