1、第六章第六章 物联网定位技术物联网定位技术物联网定位技术第1页6.1 定位概念与技术发展6.2 定位技术在物联网中应用6.3 卫星导航系统6.4 蜂窝系统定位技术6.5 RFID定位技术物联网定位技术第2页6.6 无线传感网定位技术6.7 定位技术发展前景物联网定位技术第3页6.1 6.1 定位概念与发展历史定位概念与发展历史在很多物联网应用中，物体（或者称对象）“位置”信息有着主要意义。在物联网中，人们使用RFID、传感器或者其它信息采集工具从物理世界当中获取各种各样信息，并将这些信息经过网络传送到用户或者服务器端进行处理认为用户提供各种各样服务。物联网定位技术第4页物联网中用于获取物体位置
2、技术统称为定位技术。物联网中所谓“物体”概念非常广泛：它既能够指人，也能够指设备。一、一、定位概念定位概念物联网定位技术第5页二、定位技术发展简史二、定位技术发展简史早期航海活动中主要是经过沿着海岸线建造在航道关键部位建造灯塔来对船只进行导航。这些定位技术精度非常差，而且覆盖范围不广。无线电技术出现以后，人们能够进行更大范围和愈加准确定位。最早基于无线电技术定位系统是罗兰远程导航系统，建立于20世纪40年代，其最初目标是用于海军中中程无线电导航。物联网定位技术第6页罗兰系统示意图A和B是一对基站，同时发送信号。用户依据收到信号时间差来确定自己位置是在哪个双曲线上。图中不一样双曲线对应于不一样时
3、间差。物联网定位技术第7页伴随人造卫星技术发展，人们开始利用人造卫星来构建更准确，覆盖范围更广定位/导航系统。地球同时轨道卫星能够以相对地球静止方式在太空轨道中运行，这就提供了一个方式来为定位系统提供固定参考点。物联网定位技术第8页伴随蜂窝移动通信技术快速发展，手机用户极大增加。这类定位系统普通经过是经过测量手机和基站之间信号强度、距离或者抵达角度，利用基站位置来计算手机用户位置。移动手机用户普通称作移动台，经过基站辅助来定位。物联网定位技术第9页室内无线定位系统普通利用RFID标签来进行。利用RFID标签定位系统能够分为定位标签和定位RFID读写器两种。这类定位系统所采取模型能够分为两大类：
4、基于模式匹配和基于模型匹配。物联网定位技术第10页无线传感器网络中定位算法普通利用一些已知本身位置节点（称为锚节点）来辅助普通节点进行定位。算法设计目标除了到达较高精度外，还重视降低开销，包含通信开销和计算开销，而且将尽可能降低对硬件要求。物联网定位技术第11页6.2 6.2 定位技术在物联网中应用定位技术在物联网中应用在军事领域应用 灾难救援在智能交通中应用在智能物流中应用基于位置服务物联网定位技术第12页在军事领域应用无线自组织网络在军事行动中应用利用定位技术，指挥官能够快速了解单兵位置信息并公布对应命令。物联网定位技术第13页灾难救援灾难救援北斗通信系统在汶川抗震救灾中应用物联网定位技术
5、第14页定位技术在智能交通中应用定位技术在智能交通中应用智能交通系统示意图。车辆之间能够进行相互通信；车辆与于路边节点之间也能够进行通信，组成车载网络。定位技术在智能交通系统中发挥着主要作用。物联网定位技术第15页定位技术在智能物流中应用定位技术在智能物流中应用经典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步骤，都需要定位技术支持。物联网定位技术第16页基于位置服务基于位置服务基于位置服务(Location Based Service，LBS是在获取移动终端用户位置信息基础上，在地理信息系统(Geographic Information System，GIS)平
6、台支持下为用户提供对应服务一个增值业务。伴随智能手机普及和智能手机上定位功效普及，基于位置服务吸引了越来越多关注。物联网定位技术第17页6.3 卫星导航系统卫星导航系统美国美国GPS(Global Positioning GPS(Global Positioning System)System)全球定位系统。全球定位系统。欧洲伽利略定位系统。欧洲伽利略定位系统。俄罗斯俄罗斯GLONASSGLONASS定位系统。定位系统。中国北斗定位系统。中国北斗定位系统。物联网定位技术第18页一、一、GPS全球定位系统介绍全球定位系统介绍GPS是美国国防部主要为满足军事需要而建立新一代卫星导航与定位系统，它含
7、有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。物联网定位技术第19页（1）GPS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 系统星座部分主要由24 颗卫星组成，其中21 颗为工作卫星，另外3 颗为备用卫星，用于在必要时依据指令替换发生故障卫星。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。物联网定位技术第20页卫星轨道为椭圆形，平均高度约0km，运行周期大约11小时58分钟。对地面观察者来说，天天见到卫星几何分布相同，不过天天见到同一卫星时间大约要提前4分钟。在地球任意一点上，用户能够观察到卫星颗数伴随时间和地点不一样而有所不一样，最少可见到4
8、 颗，最多时可见到11 颗。物联网定位技术第21页物联网定位技术第22页GPS 地面监控部分主要由分布全球6个地面站组成，其中包含卫星监测站、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谢里佛尔空军基地，是整个地面监控系统管理中心和技术中心。另外还有一个位于马里兰州盖茨堡备用主控站，在发生紧急情况时启用。注入站当前有4个，其作用是把主控站计算得到卫星星历、导航电文等信息注入到对应卫星。物联网定位技术第23页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，故监测站当前有6个。监测站主要作用是采集GPS卫星数据和当地环境数据，然后发送给主控站。用户设备部分用户设备主要
9、是GPS接收机，它是一个特制无线电接收机，主要作用是从GPS卫星收到信号并利用传来信息计算用户三维位置及时间。用户设备部分主要设备是GPS 接收机。物联网定位技术第24页GPS定位基本原理是依据高速运动卫星瞬间位置作为已知起算数据，利用GPS接收器测量出到卫星距离，来计算待测点位置。如图2所表示，假设在t时刻在待测点位置上观察到4个卫星，并测出信号从该观察点到4个卫星传输时间，便能够列出对应4个方程来求得观察点位置。（2）GPS定位原理物联网定位技术第25页GPS中利用信号在卫星和接收机之间往返时间来计算距离。在某一时刻，卫星发送一长串称为伪随机码数字序列，而同时接收机也在同一时刻产生相同数字
10、序列。当卫星信号抵达接收机时，因为传输延迟，从卫星信号接收到数字序列会比接收机产生信号时间滞后。时间延迟长度就是信号传送时间。接收机将这一时间乘以光速就能够计算出信号传送距离。假设信号是以直线传送，则这一结果即为接收机到卫星距离。物联网定位技术第26页为了使测得距离数据准确有效，GPS接收机需要安装和卫星上同时准确时钟。为了到达所要求计时精度（纳秒级），需要使用能够准确计时原子钟。但对普通GPS接收器来说，原子钟价格太贵了（价格在5-10万美元之间）。GPS系统用一个巧妙方案处理了这一问题。物联网定位技术第27页每一颗卫星上依然使用昂贵原子钟，但接收机使用是经常需要调校普通石英钟。简言之，接收
11、机接收来自四颗或更多卫星信号在计算距离同时，对本身一直误差进行校正，将本身时钟调整到与卫星上原子时钟相同值，从而使接收机时间与全部卫星上原子钟相同。物联网定位技术第28页GPS接收机就能够“无偿”取得原子钟准确度。其原理以下。当测量到四颗定位卫星到观察点所处位置准确距离时，我们就能够画出相交于一点四个球面。不过假如测量有误差，四个球面就不可能相交于一点。因为接收机利用本身内置时钟来测量全部距离，距离测量会展现一定百分比误差。物联网定位技术第29页接收机能够计算出使四个球面相交于一点所进行必要调整，并基于此重新设置本身时钟方便和卫星原子钟同时。接收机只要开启就处于不停调整中，这也意味着接收机几乎
12、与卫星中昂贵原子钟一样准确。物联网定位技术第30页图6.7 GPS定位原理：R1，R2，R3和R4为所测伪距物联网定位技术第31页GPS定位可分为单点定位和相对定位（或称差分定位）。单点定位就是依据一台接收机观察数据来确定接收机位置方式，它只能采取伪距观察量，可用于车船等概略导航定位。利用单独GPS接收机定位精度为30米左右。为了有效提升定位精度，提出了差分定位技术。物联网定位技术第32页其基本原理是用一个已知位置固定接收机站来测算GPS误差。差分定位是依据两台以上接收机观察数据来确定观察点之间相对位置方法，它既可采取伪距观察量也可采取相位观察量，大地测量或工程测量均应采取相位观察值进行相对定
13、位。含有伪距差分功效GPS 接收机定位精度在110米之间。物联网定位技术第33页总来说，GPS定位系统有以下特点：1）能够全球、全天候工作。能够覆盖全球98%面积。2）定位精度高。单机定位精度优于10m，采取差分定位，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位置。已经广泛应用于军事工程，道路工程，车辆。船舶导航等各种应用中。GPS主要特点物联网定位技术第34页北斗卫星导航系统介绍北斗卫星导航系统介绍北斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是我国正在实施自主发展、独立运行全球卫星导航系统
14、。其建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠覆盖全球卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推进卫星导航在国民经济社会各行业广泛应用。物联网定位技术第35页北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包含5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包含主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包含北斗用户终端以及与其它卫星导航系统兼容终端。物联网定位技术第36页北斗一号北斗卫星导航试验系统（双星定位导航系统）是利用地球同时卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务一个全天候、区域性卫星定位系统。该系统主要由由
15、空间星座、地面控制中心系统和用户终端三部分组成。空间星座部分包含三颗地球同时轨道卫星，包含两颗地球静止卫星和一颗在轨备份卫星。物联网定位技术第37页北斗地面控制中心系统作为整个系统功效中枢，完成用户终端位置解算、通信信息转发、用户数据保留、系统监控管理等一系列功效，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效，也可作为自主导航和准确授时设备。物联网定位技术第38页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建设，首先满足中国及其周围地域导航定位需求，并进
16、行系统组网和测试，逐步构建一个类似GPS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。物联网定位技术第39页北斗定位系统与北斗定位系统与GPS定位系统比较定位系统比较与GPS相比，北斗含有以下优点：北斗导航系统能够提供导航定位服务，其精度能够到达重点地域水平10米，高程10米，其它大部分地域水平20米，高程20米；测速精度优于0.2米/秒。这和美国GPS水平是差不多。第二，授时服务。授时精度可到达单向优于50纳秒，双向优于10纳秒。物联网定位技术第40页第三，短报文通信服务。这一功效能够确保在我国及周围地域具备每次120个汉字短信息交换能力。第四，具备一定保密、抗干扰和抗摧毁能
17、力；系统导航定位用户容量不再受到限制，而且确保用户设备体积小、质量轻、功耗低，满足手持、机载、星载、弹载等各种载体需要。北斗也含有一些缺点，如用户数受限，因为采取主动定位方式而使得对主控中心依赖性更高等问题。物联网定位技术第41页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)所在地理位置。利用蜂窝系统定位技术，移动通信运行商可认为用户提供很多定位相关服务，如提供用户所在位置信息，根据用户所在位置不一样进行灵活收费服务，在蜂窝系统中进行网络优化和资源管理等。物联网定位技术第42页依据取得移动台位置信息方式不一样，蜂窝定
18、位系统大致可分为3类：基于移动台定位系统基于网络定位系统移动台辅助定位系统物联网定位技术第43页蜂窝系统惯用定位技术蜂窝系统惯用定位技术蜂窝系统中惯用定位技术有很多，这里我们主要介绍几个有代表性定位技术，包含:基于GPS定位技术起源蜂窝小区定位技术基于抵达角定位技术基于距离定位技术物联网定位技术第44页GPS是一个比较成熟定位技术，能够在全球范围内提供较为准确定位。GPS定位不能应用于室内，而且在轻易受到城市里高楼等环境影响，定位精度下降较大。GPS定位系统实时性不强，为了适合用于蜂窝系统定位，有必要对实时性进行改进。基于GPS定位技术物联网定位技术第45页差分GPS技术原理是使用基准接收机来
19、消除GPS定位中公共误差。其中GPS基准接收机为固定基站，知到自己准确地理坐标，所以能计算出GPS定位结果和本身真实地理位置差值。物联网定位技术第46页辅助GPS定位技术是为了克服GPS定位技术中存在开启时间过慢缺点，提升定位实时性。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，通信网移动台内置一个全球卫星定位系统接收机。物联网定位技术第47页起源蜂窝小区定位技术这类定位系统依据用户在网络内部所处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标识号(CELL ID)，系统能够依据与用户进行通信基站标识来确认用户所在区域，并由此提供一个用户位置粗略预计。所
20、以，这类技术也称为CELL ID技术或者COO(Cell Of Origin)技术。物联网定位技术第48页基于方向定位技术基于方向定位技术主要利用抵达角(Angle of Arrival,AOA)来计算移动对象位置。该方法中，接收机经过阵列天线测出接收信号从移动对象到两个以上基站传输路径抵达方向(电波入射角)并以此来计算移动对象位置信息。物联网定位技术第49页基站利用天线阵列来测量接收到移动对象信号方向，组成从基站到移动台径向连线，两根连线相交点即为移动对象位置。经过对两个基站AOA测量就能确定目标移动对象位置，但假如移动对象恰好位于两个基站之间直线上，则AOA测量将无法确定目标位置，所以通常
21、采取两个以上基站提供定位。物联网定位技术第50页AOA定位技术示意图11。MS为移动台，BTS1和BTS2为两个基站。经过测量到两个基站抵达角，能够计算出MS位置物联网定位技术第51页基于距离定位技术移动台和基站之间距离预计能够经过接收信号强度、抵达时间(Time Of Arrival，TOA)、抵达时间差(Time Difference Of Arrival，TDOA)或者信号相位来取得。利用移动对象到基站之间距离和基站坐标，就能够计算移动对象位置。预计移动对象在二维空间位置需要三个距离测量值，而预计在三维空间位置需要四个距离测量值。物联网定位技术第52页 基于距离定位技术示意图11。(a)
22、:利用信号强度或者TOA来进行定位；(b)利用TDOA来进行定位(a)(b)物联网定位技术第53页基于指纹定位技术在蜂窝系统中，移动对象从基站接收到信号对地形和传输时障碍物含有依赖性，展现出非常强位置特殊性。对于每个位置来说，该信道多径结构对该位置是唯一。假如一样射频信号被从该位置发射，这么多径特征能够被认为是该位置指纹或者特征信息。物联网定位技术第54页在一些专用系统里，建立一个适合用于某一特定服务区域与位置网格相关“位置信息数据库”(或信号指纹数据库)，存放定位系统覆盖范围内每个位置所观察到无线信号特征信息。当需要定位时，移动台测量周围环境无线信号信息并把测量结果发送到位置服务器，位置服务
23、器将其与数据库中内容进行比较匹配，与测量结果一致信号特征信息所对应位置区域就是移动台当前位置。物联网定位技术第55页RFID定位技术定位技术当前惯用RFID标签能够分为两类：有源标签（active tag）和无源标签（passive tag）。无源标签读取距离比较近，普通需要在距离读写器不超出几米范围内进行读取，它们依靠从读写器发出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，读取范围要大多，能够到达100米到300米左右。因为所使用标签不一样，基于RFID定位技术也能够分为基于标签定位技术和基于读写器定位技术两种物联网定位技术第56页基于基于RFID标签定位技术标签定位技术基于RFI
24、D标签定位技术类似于上一节所讲基于指纹无线定位技术，称作模式匹配（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，选取一些位置作为训练点，并在这些位置搜集RFID读写器发射信号强度。这些信号值组成了一个数据库，称为信号地图（Radio Map）。物联网定位技术第57页在定位阶段，标签搜集来自各个RFID读写器信号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位置。普通方法是选择信号强度与搜集到信号强度最靠近训练点作为当前位置预计，或者是选择若干个信号强度最靠近若干位置加权平均作
25、为当前位置预计。物联网定位技术第58页一个著名算法是LANDMARC，如图所表示。图中参考标签也参加定位过程。当在某个位置搜集到来自读写器信号强度值以后，并不是与存放在数据库中历史信息进行比较，而是与当前各个参考标签所搜集信号强度比较，并选择若干个最为靠近参考标签位置进行加权平均取得当前点位置预计。利用这种方法，LANDMARC在一个24平方米区域中能够到达2米定位精度，时延为7.5秒。物联网定位技术第59页基于基于RFID读写器定位技术读写器定位技术在大部分RFID定位系统中，待定位RFID标签是移动而RFID读写器往往是静止。比如，前面所讲LANDMARC系统中就是这么。而在基于RFID读
26、写器定位系统中，情形恰恰相反：RFID标签是固定而RFID读写器是移动，其目标是追踪并定位RFID读写器而不是RFID标签。物联网定位技术第60页无线传感网定位技术无线传感网定位技术普通来说，无线传感器网络中定位技术研究内容包含以下几个方面：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物联网定位技术第61页经典无线传感器网络定位算法经典无线传感器网络定位算法质心算法示意图。图中布署在网格上节点是锚节点，待定位节点利用所监听到锚节点质心作为自己位置预计物联网定位技术第62页在网络中，锚节点按照网格形状布署并向网络中广播自己位置信息。一个待定位节点会统计全部它监听到锚节点和对
27、应位置。设一个待定位节点收到了k个锚节点位置信息，则该节点将自己位置预计为这k个锚节点所在位置质心。另有作者提出了怎样利用测得来自不一样锚节点信号强度来为不一样锚节点赋以不一样权值来改进定位精度。物联网定位技术第63页在DV-HOP15算法中，每个锚节点先搜集到其它全部锚节点最短路径跳数，然后根预计每跳平均距离。每个锚节点在计算出自己平均每跳距离之后就会向整个网络中广播这个值。物联网定位技术第64页定位技术发展前景定位技术发展前景即使已经取得了很多研究结果，不过当前依然也还存在着一些问题，没有得到很好处理，需要深入研究。物联网定位技术第65页在全球卫星定位导航系统方面，即使GPS已经取得大规模
28、应用，不过GPS系统更新和改进一直在进行。在室外无线定位方面，当前主要研究热点是怎样在定位技术基础上来更加好提供基于位置服务。物联网定位技术第66页手机用户迅猛增加带来了巨大商机，怎样利用这个机会，依据个人信息提供更为精准服务是一个很值得研究方向。对于基于RFID室内无线定位系统来说，当前研究主要是怎样提升定位精度，降低室内复杂环境对定位误差影响，而且尽可能少降低系统开销物联网定位技术第67页对于无线传感器网络来说，当前研究热点集中在不规则布署无线传感器网络中测距无关定位算法设计以及测距存在误差情况下无线传感器网络可定为性研究方面。物联网定位技术第68页1.查找相关文件，了解基于位置服务相关研
29、究进展。想象一下，你作为某种用户，需要什么类型位置服务？2.除了本章所给出应用之外，请再给出定位系统在物联网中几个经典应用。本章思索与练习本章思索与练习物联网定位技术第69页3.GPS定位系统在智能交通系统中是怎样发挥作用？4.GPS定位系统和北斗导航系统中计算用户位置方式有何不一样？哪种更加好？5.你使用过蜂窝定位系统服务吗？假如是，它属于何种类型蜂窝定位技术？物联网定位技术第70页6.请描述GPS定位系统和北斗导航系统组成。7.与室外无线定位相比，室内无线定位面临哪些挑战？8.怎样提升基于RFID标签定位方法精度？9.LANDMARC定位系统中参考标签主要作用是什么？物联网定位技术第71页10.请分析质心算法定位误差。在二维空间中，利用到3个基站距离就能够算出用户位置。不过假如测距存在误差，对应三个圆可能不会交于一点。这时使用到多个基站距离能够有效改进定位精度。这种方法称作多边定位。请查找多边定位相关资料并推导出多边定位公式。物联网定位技术第72页
