物联网定位技术

物联网定位技术《物联网技术导论(第二版)》1定位的概念与发展历史定位技术在物联网中的应用卫星导航系统蜂窝系统定位技术RFID定位技术无线传感网定位技术定位技术的发展前景定位的概念与发展历史《物联网技术导论(第二版)》2定位的概念：我们把物联网中用于获取物体位置的技术统称为定位技术。物联网中的定位技术也是一个很广泛的概念，它既包括大型的提供全球定位/导航服务的卫星定位系统如美国的GPS和我国的北斗等，也包括用于在小范围内确定物体位置的技术，如近些年发展起来的蜂窝网中的无线定位，无线传感器网络中的节点定位技术和基于RFID标签的定位技术等。定位的概念与发展历史《物联网技术导论(第二版)》3定位技术发展简史1.无线电技术出现以后，人们认识到利用这种技术可以进行更大范围的和更加精确的定位。2.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。3.随着蜂窝移动通信技术的快速发展，手机用户极大增加。定位业务即是通信运营商所必需提供的一种重要的数据业务。定位的概念与发展历史《物联网技术导论(第二版)》4罗兰系统：最早的基于无线电技术的定位系统是罗兰远程导航系统（LORAN,LOngRAngeNavigation），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。定位的概念与发展历史《物联网技术导论(第二版)》5如图，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。定位技术在物联网中的应用《物联网技术导论(第二版)》6在军事领域的应用定位技术在军事领域的应用很多。比如，利用GPS系统，可以有效的提高导弹的制导精度并提供更加灵活的制导方式。定位技术也可以提供对士兵的实时位置监测，提高军队中单兵作战系统所必要的信息。定位技术在军事中的另一个应用是通过移动无线定位来确定敌方重要人物或者目标的位置并进行精确打击。定位技术在物联网中的应用《物联网技术导论(第二版)》7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。定位技术在物联网中的应用《物联网技术导论(第二版)》8灾难救援当发生地震或海啸等突发灾难时，需要快速的确定幸存人员的位置以便进行救援，这就要求能够快速的对很大区域范围内的幸存人员的生命特征进行检测并快速传回指挥中心。这种情况下一个有效的解决方案是部署一个无线自组织网，网中的节点可以确定自己的位置，并且根据自己的位置来确定幸存人员的位置报告给指挥中心。定位技术在物联网中的应用《物联网技术导论(第二版)》9北斗通信系统在汶川抗震救灾中的应用定位技术在物联网中的应用《物联网技术导论(第二版)》10定位技术在智能交通中的应用定位技术在智能交通系统中也有着重要的作用。为了有效的对车辆进行导航和追踪，需要实时的确定车辆的位置。定位技术在车载网络通信协议的设计中也扮演着至关重要的角色。定位技术在物联网中的应用《物联网技术导论(第二版)》11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。定位技术在物联网中的应用《物联网技术导论(第二版)》12定位技术在智能物流中的应用随着物联网的发展，现有的物流产业越来越向智能化和一体化发展。物流系统中重要的两个部分是货物配送和仓储管理，而定位技术在这两个部分中都发挥着重要的作用。在货物配送系统中，我们需要知道当前货物所在的位置和目的地来智能的确定最优的配送路线。并且，用户有时候希望能够实时对所配送的货物已到达的位置进行追踪。定位技术在物联网中的应用《物联网技术导论(第二版)》13典型智能物流系统示意图定位技术在物联网中的应用《物联网技术导论(第二版)》14基于位置的服务基于位置的服务(LocationBasedService，LBS)[2-3]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(GeographicInformationSystem，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。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》15主要几种卫星导航定位系统目前世界上主要的卫星导航系统主要有4个：美国的GPS(GlobalPositioningSystem)全球定位系统，欧洲的伽利略（Galileo）定位系统，俄罗斯的GLONASS定位系统和中国的北斗定位系统。其中美国的GPS是目前最成熟，应用最广的定位系统，而其它三个定位系统仍然还在建设中。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》16GPS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。它是1973年美国国防部（DepartmentofDefense）协同有关军方机构共同研究开发新一代的卫星导航系统。全称叫作“授时与测距导航系统/全球定位系统（NAVSTAR/GPS—NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem），简称全球定位系统（GPS）。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》17GPS全球定位系统简介到1994年GPS基本建成，目前已成为使用最广泛，定位性能最好的一个全球卫星定位系统。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》18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。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》19GPS中的卫星分布图卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》20GPS的组成：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。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，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。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》21GPS的组成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。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》22GPS的定位原理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，并测出信号从该观测点到4个卫星的传播时间，便利用GPS接收器测量出的到卫星的距离，来计算待测点的位置。如图所示，假设在t时刻在待测点位置上观测到4个卫星，可以列出对应的4个方程来求得观测点的位置。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》23GPS定位原理（R1’，R2’，R3’和R4’为所测伪距）卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》24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。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》25GPS的定位原理：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。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》26GPS差分定位技术为了有效提高定位精度，提出了差分定位技术。其基本原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1—10米之间。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》27GPS的主要特点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。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》28北斗卫星导航系统简介北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem﹞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。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》29北斗卫星导航系统简介北斗卫星导航系统包括北斗卫星导航试验系统（北斗一号）和北斗卫星导航定位系统（北斗二号）。第一代的北斗卫星导航试验系统（也称双星定位导航系统）覆盖范围较小，仅能覆盖我国周围附近地区。在第一代北斗卫星导航试验系统的基础上，我国正在建设第二代可以提供全球定位和导航功能的北斗二号系统。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》30北斗卫星导航系统组成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。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》31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。与GPS定位系统中由接收机自主计算自身位置不同，北斗系统中接收机的定位是由控制器计算后传递给用户的方式来完成的。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》32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。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》33北斗定位系统与GPS定位系统的比较：与GPS相比，北斗具有如下优点：1）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。2）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。3）第三，短报文通信服务。这一功能能够保证在我国及周边地区具备每次120个汉字的短信息交换能力。卫星导航系统《物联网技术导论(第二版)》34北斗定位系统与GPS定位系统的比较：与GPS相比，北斗具有如下优点：4）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