第6章网络定位和发现技术-《物联网技术基础教程》.

第6章网络定位和发现技术学习任务GPS全球定位系统蜂窝基站定位新兴定位系统（AGPS）Clicktoaddtitleinhere123本章主要涉及：学习任务无线室内环境定位传感器网络节点定位技术传感器网络时间同步技术Clicktoaddtitleinhere456本章主要涉及：6.1位置服务•位置服务（LBS，LocationBasedServices）又称定位服务，•LBS是由移动通信网络和卫星定位系统结合在一起提供的一种增值业务，通过一组定位技术获得移动终端的位置信息(如经纬度坐标数据)，提供给移动用户本人或他人以及通信系统，实现各种与位置相关的业务。•实质上是一种概念较为宽泛的与空间位置有关的新型服务业务。6.1位置服务•位置服务（LBS，LocationBasedServices）又称定位服务，LBS是由移动通信网络和卫星定位系统结合在一起提供的一种增值业务，通过一组定位技术获得移动终端的位置信息(如经纬度坐标数据)，提供给移动用户本人或他人以及通信系统，实现各种与位置相关的业务。实质上是一种概念较为宽泛的与空间位置有关的新型服务业务。6.1位置服务关于位置服务的定义有很多。1994年，美国学者Schilit首先提出了位置服务的三大目标：•你在哪里(空间信息)、•你和谁在一起(社会信息)、•附近有什么资源(信息查询)。这也成为了LBS最基础的内容。6.1位置服务对于位置定义有如下几种方法：1)AOA(angleofarrival)指通过两个基站的交集来获取移动台(Mobilestation)的位置；2)TDOA(timedifferenceofarrival)工作原来类似与GPS。通过一个移动台和多个基站交互的时间差来定位；3)locationsignature位置标记。对每个位置区进行标识来获取位置；4)卫星定位。6.1位置服务需要特别说明的是，位置信息不是单纯的“位置”，而是包括：•①地理位置（空间坐标）•②处在该位置的时刻（时间坐标）•③处在该位置的对象（身份信息）6.2GPS全球定位系统•GPS是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的简称。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。•其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务.•经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。6.2.1.GPS构成•GPS全球定位系统由空间部分、地面控制系统和用户设备部分三部分组成。①空间部分•GPS的空间部分是由24颗卫星组成(21颗工作卫星，3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上,轨道倾角为55°。•卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能在卫星中预存的导航信息。•GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。6.2.1.GPS构成②地面控制系统•地面控制系统由监测站、主控制站、地面天线所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。③用户设备部分•用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。6.2.1.GPS构成•当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。•根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。•接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。6.2.1.GPS构成•GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。•目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。6.2.2.GPS工作过程•GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。•要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。•而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）.6.2.2.GPS工作过程•当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码发射导航电文。•导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。•当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。6.2.2.GPS工作过程•然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。•所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。6.2.2.GPS工作过程GPS卫星信号接收工作原理6.2.3.GPS定位计算•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，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。•如下图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：6.2.3.GPS定位计算GPS定位计算6.2.3.GPS定位计算•上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。•di(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。•△ti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。•c为GPS信号的传播速度（即光速）。6.2.3.GPS定位计算四个方程式中各个参数意义如下：•x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标；xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。•Vti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。•由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。6.2.4.全球四大GPS系统①美国GPS：•由美国国防部于20世纪70年代初开始设计、研制，于1993年全部建成。②欧盟“伽利略”：•准备发射30颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统。2009年该计划正式启动。③俄罗斯“格洛纳斯”：•始于上世纪70年代，如要提供全球定位服务，则需要24颗卫星。6.2.4.全球四大GPS系统④中国北斗卫星导航系统(BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem)：•是中国正在实施的独立运行的全球卫星导航系统。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。6.2.5.GPS的应用•(1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；•(2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；•(3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。6.3蜂窝基站定位•相对而言，GPS定位成本高、定位慢、耗电多因此在一些定位精度要求不高，但是定位速度要求较高的场景下，并不是特别适合；•同时因为GPS卫星信号穿透能力弱，因此在室内无法使用。•相比之下，GSM蜂窝基站定位快速、省电、低成本、应用范围限制小，因此在一些精度要求不高的轻型场景下，也大有用武之地。6.3.1GSM蜂窝基站的基础架构•GSM网络的基础结构是由一系列的蜂窝基站构成的，这些蜂窝基站把整个通信区域划分成如图所示的一个个蜂窝小区。这些小区小则几十米，大则几千米。•在GSM中通信时，总是需要和某一个蜂窝基站连接的，或者说是处于某一个蜂窝小区中的。那么GSM定位，就是借助这些蜂窝基站进行定位。6.3.1GSM蜂窝基站的基础架构蜂窝基站6.3.2COO（CellofOrigin）定位•COO定位是一种单基站定位，即根据设备当前连接的蜂窝基站的位置来确定设备的位置。•那么很显然，定位的精度就取决于蜂窝小区的半径。在基站密集的城市中心地区，精度可以达到50M以内；•而在其他地区，可能基站分布相对分散，可能达到几千米，也就意味着定位精度只能粗略到几千米。6.3.3七号信令定位•该技术以信令监测为基础，能够对移动通信网中特定的信令过程，如漫游、切换以及与电路相关的信令过程进行过滤和分析，并将监测结果提供给业务中心，以实现对特定用户的个性化服务。•该项技术通过对信令进行实时监测，可定位到一个小区，也可定位到地区。•故适用对定位精确度要求不高的业务，如漫游用户问候服务，远程设计服务、平安报信和货物跟踪等。6.3.4TOA/TDOA定位•基于距离的TOA定位(TimeofArrival，到达时间)、基于距离差的TDOA定位(TimeDifferenceofArrival,到达时间差)都是基于电波传播时间的定位方法。•同时也都是三基站定位方法，二者的定位都需要同时有三个位置已知的基站合作才能进行。6.3.4TOA/TDOA定位三基站定位方法6.3.4TOA/TDOA定位•TOA电波到达时间定位基本原理是得到Ti(i=1,2,3)后，由Ti*c得到设备到基站i之间的距离Ri，然后根据几何只是建立方程组并求解，从而求得Location值。如下图所示。TOA定位方法6.3.4TOA/TDOA定位•DTOA电波到达时间差定位是对TOA定位的改进，与TOA的不同之处在于，得到Ti后不是立即用Ti去求距离Ri，而是先对T1,T2,T3两两求差，然后通过一些巧妙的数学算法建立方程组并求解，从而得到Location值。如下图所示。6.3.4TOA/TDOA定位•DTOA由于其中巧妙设计的求差过程会抵消其中很大一部分的时间误差和多径效应带来的误差，因而可以大大提高定位的精确度。•由于DTOA对网络要求相对较低，并且精度较高，因而目前已经成为研究的热点。DTOA定位方法6.3.5AOA定位•AOA(AngleofArrival，到达角度)定位是一种两基站定位方法，基于信号的入射角度进行定位。•知道了基站1到设备之间连线与基准方向的夹角α1，就可以画出一条射线L1；同样知道了知道了基站2到设备之间连线与基准方向的夹角α2，就可以画出一条射线L2。那么L1月L2的交点就是设备的位置。6.3.5AOA定位用函数调用表达如下。•Location=GetLocation([Pisition1,α1],[Position2,α2]);•AOA定位通过两直线相交确定位置，不可能有多个交点，避免了定位的模糊性。但是为了测量电磁波的入射角度，接收机必须配备方向性强的天线阵列。6.3.6基于场强的定位•该方法是通过测出接收到的信号场强和已知的信道衰落模型及发射信号的场强值估计收发信短的距离，根据多个三个距离值就可以得到设备的位置。•从数学模型上看，和TOA算法类似，只是获取距离的方式不同。场强算法虽然简单，但是由于多径效应的影响，定位精度较差。6.3.7混合定位•混合定位就是同时使用两种以