第04章-定位系统

第4章定位系统内容提要通过定位系统获取位置信息是物联网时代的重要研究课题。本章将典型的定位系统和定位技术。•第3章介绍了传感器技术•传感器的设计需求（低成本与微型化，低功耗，灵活性与扩展性，鲁棒性）•传感器的软硬件平台•本章介绍位置信息的概念，重点介绍典型的定位系统（卫星定位，蜂窝基站定位，无线室内环境定位，新兴定位系统）以及三种常见的定位技术。内容回顾4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位技术的新挑战位置信息的三大要素是什么？本章内容为什么需要定位？基于位置的服务自动导航搜索周边服务信息基于位置的社交网络：Foursquare位置信息和我们的生活息息相关位置信息不是单纯的“位置”•地理位置（空间坐标）•处在该位置的时刻（时间坐标）•处在该位置的对象（身份信息）4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位技术的新挑战典型的定位系统有哪些？各自有哪些特点？本章内容现存主流定位系统•卫星定位：GPS•蜂窝基站定位•无线室内环境定位•新兴定位系统：A-GPS，网络定位卫星定位卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统各国的卫星定位系统•美国：GPS•俄罗斯：GLONASS•欧盟：伽利略•中国：北斗一号（区域）、北斗二号（全球）GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统。GPS：发展简史卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•1973年，美国国防部开始GPS计划•1983年，里根承诺将来对民间开放使用•1989年，正式开始发射GPS工作卫星•1994年，卫星星座组网完成，投入使用•2000年，克林顿下令取消军用/民用信号的精度差别对待GPS：系统结构卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•宇宙空间部分24颗工作卫星•地面监控部分（全部在美国境内）1个主控中心（另有1个备用）4个专用地面天线6个专用监视站•用户设备部分GPS接收机GPS：定位原理卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统GPS：主要优缺点卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•优点精度高全球覆盖，可用于险恶环境•缺点启动时间长室内信号差需要GPS接收机GPS典型应用：汽车导航卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•最初仅能提供位置和周边地图•第二代汽车导航系统可根据目的地自动计算“最短”路线•互联网时代，汽车导航可从交管部门取得路况咨询，优化路线，找出“最快”路线GPS典型应用：汽车导航卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•物联网时代，感知更透彻综合道路状况，污染指数，天气状况，加油站的分布，驾驶员的身体状况等各种因素找出“最佳”路线由“以路为本”转变到“以人为本”蜂窝基站定位卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•GSM蜂窝网络通讯区域被分割成蜂窝小区每个小区对应一个通讯基站通讯设备连接小区对应基站进行通讯•利用基站位置已知的条件，可对通讯设备进行定位单基站定位法卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•COO定位（CellofOrigin）将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置精度直接取决于基站覆盖的范围基站分布疏松地区，一个基站覆盖范围半径可达数公里，误差巨大•优点：简单、快速，适用紧急情况多基站定位法卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•ToA/TDoA定位法需要三个基站才能定位稀疏地区可能只能收到两个基站的信号，不适用•AoA定位法蜂窝基站定位：主要优缺点卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•优点不需要GPS接收机，可通讯即可定位启动速度慢信号穿透能力强，室内亦可接收到•缺点定位精度相对较低基站需要有专门硬件，造价昂贵典型应用：紧急电话定位卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统美国E-911系统•拨打报警电话时，根据基站定位出手机位置，自动接到最近警局•综合了各种定位系统，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS•使用时尝试各种定位方法，择优而用无线室内环境定位卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统室内环境的复杂性•多径效应原因：障碍物反射电磁波，反射波和原始波在接收端混叠室内障碍物众多，多径效应明显•对电磁波的阻碍作用长波信号（GPS）传播能力强，穿透能力弱室内应选用短波信号来进行定位无线室内环境定位卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统需求主要来自企业和个人：难以购置ToA，TDoA，AoA等技术所需的昂贵硬件RSS定位技术•使用信号强度进行定位•利用已有的无线网络（蓝牙、Wi-Fi、ZigBee）•红外线、超声波、蓝牙、RFID、超宽带……RFID定位典型应用卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统资产管理•在设备上贴上RFID标签•需要使用时通过RFID定位找到标签的位置，从而定位设备的位置•结合感知技术，还可以监控设备的状况是否空闲是否故障是否老化新兴定位系统卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统A-GPS•GPS定位和蜂窝基站定位的结合体•利用基站定位确定大致范围•连接网络查询当前位置可见卫星•大大缩短搜索卫星的时间新兴定位系统（续）卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统无线AP定位•利用可见Wi-Fi接入点来定位•在大城市中，无线AP数目多，定位非常精确•在iPhone中成熟应用网络定位•用于无线传感网、自组织网络•通过少量位置已知节点，定位出全网络节点的位置4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位技术的新挑战除了距离，哪些空间信息还可用于定位技术？本章内容4.3定位技术定位技术的关键：•有一个或多个已知坐标的参考点•得到待定物体与已知参考点的空间关系定位技术的两个步骤：测量物理量→根据物理量确定目标位置常见定位技术：基于距离的定位（ToA）基于距离差的定位（TDoA）基于信号特征的定位（RSS）基于距离的定位（ToA）基于距离基于距离差基于信号特征距离测量方法距离d=波速v*传播时间Δt传播时间Δt=收到时刻t–发出时刻t0问题：接受端如何得知t0？基于距离的定位（ToA）基于距离基于距离差基于信号特征方法1：利用波速差发送端同时发送一道电磁波和声波接收端记录：•电磁波到达时刻•声波到达时刻距离由于远大于，上式可简化为rtstrssrrsvvttdvvrvsvssrdvtt基于距离的定位（ToA）基于距离基于距离差基于信号特征方法2：测量波的往返时间发送端于时刻发送波接收端收到波后，等待时间后返回同样的波发送端记录收到回复的时间距离0tt02vtttdt基于距离的定位（ToA）基于距离基于距离差基于信号特征位置计算方法多边测量（也称多点测量）•平面上定位，取三个参考点•以每个参考点为圆心，到该参考点的距离为半径画圆，目标必在圆上•平面上三个圆交于一点实际中取用超过三个参考点，用最小二乘法减少误差基于距离差的定位（TDoA）基于距离基于距离差基于信号特征ToA的局限•需要参考点和测量目标时钟同步TDoA•不需要参考点和测量目标时钟同步•参考点之间仍然需要时钟同步基于距离差的定位（TDoA）基于距离基于距离差基于信号特征距离差测距方法测量目标广播信号参考点i，j分别记录信号接收到的时刻ti，tj测量目标到i，j的距离差ijijdvtt基于距离差的定位（TDoA）基于距离基于距离差基于信号特征位置计算方法至少两组数据联立方程求解实际采用多组数据最小二乘法求解每次测量结果参考点坐标到参考点的距离构建方程：22222iijjijxxyyxxyyd,iixy,jjxyijd基于信号特征的定位基于距离基于距离差基于信号特征•ToA和TDoA都需要接收端特殊装置•基于信号特征的定位直接利用无线通信的射频信号定位，不需要额外设备原理：信号强度随传播距离衰减问题：理想公式实际难以应用24rttrPdPGGd基于信号特征的定位基于距离基于距离差基于信号特征解决方法：•将信号强度看做“特征”•预先布置N个参考节点•测出N个参考节点信号的强度，得到一个N维向量•事先测出区域中每个位置的特征向量•将目标测出的特征向量和事先测量值比对，找出位置缺点：不能应对动态变化基于信号特征的定位基于距离基于距离差基于信号特征LANDMARC：基于信号特征的动态定位方法•除了信号发送源，再布置一系列RFID标签作为参考标志•每个标志随时记录自己收到的RSS信号强度特征向量•将目标测得的信号特征向量与参考标志此时的特征向量进行比对，确定位置，误差在1m范围以内4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位技术的新挑战物联网背景对定位技术有哪些新的需求？本章内容网络异构•接入物联网的设备五花八门•连接起来的网络各自不同→如何让不同的设备在不同的网络下准确定位环境多变室外vs.室内空旷地带vs.障碍物众多静止设备vs.频繁运动4.4物联网下定位技术的新挑战信息安全与隐私保护•位置信息内涵丰富且隐私息息相关•高精度位置信息泄露的后果严重→如何既保证信息精度，又保护个人隐私大规模应用•物联网时代，接入网络的设备将超过500亿台→如何应对庞大的数量增长→如何让定位技术为简单设备（如RFID标签）所用4.4物联网下定位技术的新挑战本章小结内容回顾本章介绍了位置信息的基本概念，重点讨论了四种定位系统以及三种典型的定位技术，最后探讨了物联网对定位技术的新挑战。重点掌握•了解位置信息的三要素。•了解GPS的系统组成，定位原理，典型应用和优缺点。•了解蜂窝基站定位（单基站和多基站）的方法以及优缺点。•回顾RFID的基本概念，举例说明RFID定位的应用，举例说明新兴定位技术。本章小结重点掌握（续）•掌握基于位置的定位距离测量的两种方法。•掌握基于位置差的定位测量方法和位置计算方法，与基于位置的定位相比有何优缺点。•了解基于信号特征的定位方法。•举例说明物理网环境下定位技术的新挑战。