《定位系統(tǒng)》-2教學課件

《定位系統(tǒng)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！《定位系統(tǒng)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學習使1內(nèi)容提要通過定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時代的重要研究課題。本章將典型的定位系統(tǒng)和定位技術(shù)。內(nèi)容提要通過定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時代的重要研究課題。2第3章介紹了傳感器技術(shù)傳感器的設(shè)計需求（低成本與微型化，低功耗，靈活性與擴展性，魯棒性）傳感器的軟硬件平臺本章介紹位置信息的概念，重點介紹典型的定位系統(tǒng)（衛(wèi)星定位，蜂窩基站定位，無線室內(nèi)環(huán)境定位，新興定位系統(tǒng)）以及三種常見的定位技術(shù)。內(nèi)容回顧第3章介紹了傳感器技術(shù)內(nèi)容回顧34.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)位置信息的三大要素是什么？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容4為什么需要定位？基于位置的服務(wù)自動導航搜索周邊服務(wù)信息基于位置的社交網(wǎng)絡(luò)位置信息和我們的生活息息相關(guān)位置信息不是單純的“位置”地理位置（空間坐標）處在該位置的時刻（時間坐標）處在該位置的對象（身份信息）為什么需要定位？基于位置的服務(wù)位置信息不是單純的“位置”54.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)典型的定位系統(tǒng)有哪些？各自有哪些特點？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容6現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS，北斗蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)：A-GPS現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS，北斗7衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)美國：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國：北斗GPS是目前世界上最常用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。由覆蓋全球的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到多顆衛(wèi)星，以保證可以采集到該觀測點的經(jīng)緯度和高度，以便實現(xiàn)導航、定位、授時等功能。這項技術(shù)可以用來引導飛機、船舶、車輛以及個人，安全、準確地沿著選定的路線，準時到達目的地。衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)由覆蓋全球的8GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的縮寫,意為利用衛(wèi)星導航進行測時和測距,以構(gòu)成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設(shè)施進行高精度導航和定位的需要而建立的。自1973年美國軍方批準成立聯(lián)合計劃局開始GPS的研究工作到1993年系統(tǒng)建成,該工程歷時20年，耗資300億美元，成為繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的第三項龐大空間計劃。它從根本上解決了人類在地球上的導航和定位問題，在軍事和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。GPS：發(fā)展簡史GPS是英文NavigationSatelliteTim9GPSSystemSpaceControlUserGPSSystemSpaceControlUser10GPSSatelliteGPSSatellite11KeyFeaturesofGPSSatellitesEachGPSsatellitehasaVERYaccurate(atomic)clockAllGPSsatellitesareexactlysynchronizedtoamastergroundclockEachsatellitetransmitsauniquePseudo-RandomNoise(PRN)CodeThepositionandclockofeachsatelliteispreciselyknownandconstantlymonitoredongroundKeyFeaturesofGPSSatellites12GPSSignal50bpsdatasignal,modulatedbyaPseudo-RandomNoise(PRN)code,whichrepeatsevery1mstransmittedat1,575.42MHz(L1).Nominalreceivedpowerongroundis-163dBW(5x10-17W)…that’sVERYlow!!!Compareittotypicalreceivedpowerinamobilecommunicationssystem(GSM)ofafewmW…GPSreceivedpoweris100trilliontimeslower!GPSSignal50bpsdatasignal,13GPS：發(fā)展簡史衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)1973年，美國國防部開始GPS計劃1983年，里根承諾將來對民間開放使用1989年，正式開始發(fā)射GPS工作衛(wèi)星1994年，衛(wèi)星星座組網(wǎng)完成，投入使用2000年，克林頓下令取消軍用/民用信號的精度差別對待GPS：發(fā)展簡史衛(wèi)星定位1973年，美國國防部開始GPS計劃14GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)宇宙空間部分24顆工作衛(wèi)星分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行。目前可用的衛(wèi)星通常有28顆。地面監(jiān)控部分（全部在美國境內(nèi)）1個主控中心（另有1個備用）4個專用地面天線6個專用監(jiān)視站用戶設(shè)備部分GPS接收機GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位宇宙空間部分15已知A、B、C三個節(jié)點的坐標，以及它們到節(jié)點D的距離，確定節(jié)點D的坐標GPS：定位原理已知A、B、C三個節(jié)點的坐標，以及它們到節(jié)點D的距離，確定節(jié)16Ifyouknowthedistanceto4KNOWNlocations:Thefourthsphere(notshown)willintersectonlyoneofthesetwolocations.Howdoes3-dimensional(3D)positioningwork?3DimensionalFix!GPSReceiverPositionCalculationThelocationwillbesomewhereonthesurfaceofthesphereThetwosphereswillintersectformingacircle.Thelocationwillbesomewhereonthecircumferenceofthiscircle.Thethirdspherewillintersectthecircleformedbytheothertwospheres.Thiswillnowcreateonlytwopossiblelocations.Ifyouknowthedistanceto417偽距測量原理D=c·△t△t=t2-t1GPS導航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到。由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）。偽距測量原理D=c·△tGPS導航系統(tǒng)的基本原理是18《定位系統(tǒng)》-2教學課件19當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y）碼：

C/A碼頻率1.023MHz，碼間距1微秒，相當于300m；

P碼頻率10.23MHz，碼間距0.1微秒，相當于30m。

Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。當用戶接受到導航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標系中的位置、速度等信息便可得知。GPS：定位原理當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨20單點定位

首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準確測定我們所在地點A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點一定是位于以衛(wèi)星為中心、所測得距離為半徑的圓球上。進一步，我們又測得點A至另一衛(wèi)星的距離，則A點一定處在前后兩個圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測得與第三個衛(wèi)星的距離，就可以確定A點只能是在三個圓球相交的兩個點上。根據(jù)一些地理知識，可以很容易排除其中一個不合理的位置。單點定位 首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準21《定位系統(tǒng)》-2教學課件22 GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有精細的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進展校準。衛(wèi)星發(fā)送導航信息，同時也發(fā)送準確時間信息。GPS接收機接收此信息，使之與自身的時鐘同步，獲得準確的時間。GPS接收機中的時鐘，不可能象在衛(wèi)星上那樣采用原子鐘，利用測定第四顆衛(wèi)星，在計算過程中校準GPS接收機的時鐘。GPS：定位原理原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波來計時的。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進行控制，原子鐘的計時就可以非常準確了?，F(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫(Hydrogen)、銫(Cesium)、銣(Russium)等。原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒。這為天文、航海、宇宙航行提供了強有力的保障。 GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有精細的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進23差分GPS定位技術(shù)在GPS定位過程中，存在三局部誤差。一局部是對每一個用戶接收機所共有的，例如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二局部為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；第三局部為各用戶接收機所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。

利用差分技術(shù)第一局部誤差可完全消除，第二局部誤差大局部可以消除。第三局部誤差那么無法消除，只能靠提高GPS接收機本身的技術(shù)指標。差分GPS定位技術(shù)在GPS定位過程中，存在三局部誤差。24《定位系統(tǒng)》-2教學課件25WGS-84坐標系（WorldGeodeticSystem一1984CoordinateSystem）一種國際上采用的地心坐標系。坐標原點為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標系的Z軸指向BIH（國際時間）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z軸、X軸垂直構(gòu)成右手坐標系，稱為1984年世界大地坐標系統(tǒng)。WGS-84坐標系WGS-84坐標系（WorldGeodeticSyste26高程系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準面的高程系統(tǒng)，某點的大地高是該點到通過該點的參考橢球的法線與參考橢球面的交點間的距離。大地高也稱為橢球高。正常高系統(tǒng)是以似大地水準面為基準的高程系統(tǒng)，某點的正常高是該點到通過該點的鉛垂線與似大地水準面的交點之間的距離。高程系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準面的高程系統(tǒng)，某點的大27《定位系統(tǒng)》-2教學課件28《定位系統(tǒng)》-2教學課件29導航型GPS機手持型GPS機導航型GPS機手持型GPS機30大地型GPS接收機單頻機雙頻機大地型GPS接收機單頻機雙頻機31GPS：主要優(yōu)缺點衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點精度高全球覆蓋，可用于險惡環(huán)境缺點啟動時間長室內(nèi)信號差需要GPS接收機GPS：主要優(yōu)缺點衛(wèi)星定位優(yōu)點32GPS典型應(yīng)用：汽車導航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)最初僅能提供位置和周邊地圖第二代汽車導航系統(tǒng)可根據(jù)目的地自動計算“最短”路線互聯(lián)網(wǎng)時代，汽車導航可從交管部門取得路況咨詢，優(yōu)化路線，找出“最快”路線GPS典型應(yīng)用：汽車導航衛(wèi)星定位最初僅能提供位置和周邊地圖33GPS典型應(yīng)用：汽車導航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)時代，感知更透徹綜合道路狀況，污染指數(shù)，天氣狀況，加油站的分布，駕駛員的身體狀況等各種因素找出“最佳”路線由“以路為本”轉(zhuǎn)變到“以人為本”GPS典型應(yīng)用：汽車導航衛(wèi)星定位物聯(lián)網(wǎng)時代，感知更透徹34蜂窩基站定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊區(qū)域被分割成蜂窩小區(qū)每個小區(qū)對應(yīng)一個通訊基站通訊設(shè)備連接小區(qū)對應(yīng)基站進行通訊利用基站位置已知的條件，可對通訊設(shè)備進行定位蜂窩基站定位衛(wèi)星定位GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)35單基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)COO定位（CellofOrigin）將移動設(shè)備所屬基站的位置視為移動設(shè)備的位置精度直接取決于基站覆蓋的范圍基站分布疏松地區(qū)，一個基站覆蓋范圍半徑可達數(shù)公里，誤差巨大優(yōu)點：簡單、快速，適用緊急情況單基站定位法衛(wèi)星定位COO定位（CellofOrigin36三邊定位和多邊定位三邊定位Trilateration屢次測量方程的個數(shù)等于變量的個數(shù)需要考慮無解的情況，求最優(yōu)近似解三邊定位和多邊定位三邊定位Trilateration37三邊定位和多邊定位信號傳播時間/時間差〔TOA/TDOA/RTOF〕TOATDOARTOF三邊定位和多邊定位信號傳播時間/時間差〔TOA/TDOA/38基于TOA定位機制根本思想信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離，然后利用三邊或極大似然估計法等計算出節(jié)點的位置；評價精度高；要求節(jié)點間準確的時間同步；對傳感器節(jié)點的硬件和功耗較高的要求；基于TOA定位機制根本思想39基于TDOA的定位原理發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節(jié)點根據(jù)兩種信號到達的時間差以及這兩種信號的傳播速度，計算兩個節(jié)點之間的距離，再通過已有根本的定位算法計算出節(jié)點的位置；基于TDOA的定位原理40多基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)ToA/TDoA定位法需要三個基站才能定位稀疏地區(qū)可能只能收到兩個基站的信號，不適用AoA定位法多基站定位法衛(wèi)星定位ToA/TDoA定位法41蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點不需要GPS接收機，可通訊即可定位啟動速度快信號穿透能力強，室內(nèi)亦可接收到缺點定位精度相對較低基站需要有專門硬件，造價昂貴蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點衛(wèi)星定位優(yōu)點42典型應(yīng)用：緊急電話定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)美國E-911系統(tǒng)撥打報警電話時，根據(jù)基站定位出手機位置，自動接到最近警局綜合了各種定位系統(tǒng)，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS使用時嘗試各種定位方法，擇優(yōu)而用典型應(yīng)用：緊急電話定位衛(wèi)星定位美國E-911系統(tǒng)43無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性多徑效應(yīng)原因：障礙物反射電磁波，反射波和原始波在接收端混疊室內(nèi)障礙物眾多，多徑效應(yīng)明顯對電磁波的阻礙作用長波信號（GPS）傳播能力強，穿透能力弱室內(nèi)應(yīng)選用短波信號來進行定位無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性44無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)需求主要來自企業(yè)和個人：難以購置ToA，TDoA，AoA等技術(shù)所需的昂貴硬件RSS定位技術(shù)使用信號強度進行定位利用已有的無線網(wǎng)絡(luò)（藍牙、Wi-Fi、ZigBee）紅外線、超聲波、藍牙、RFID、超寬帶……無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位需求主要來自企業(yè)和個人：難以購置To45RFID定位典型應(yīng)用衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)資產(chǎn)管理在設(shè)備上貼上RFID標簽需要使用時通過RFID定位找到標簽的位置，從而定位設(shè)備的位置結(jié)合感知技術(shù)，還可以監(jiān)控設(shè)備的狀況是否空閑是否故障是否老化RFID定位典型應(yīng)用衛(wèi)星定位資產(chǎn)管理46新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)A-GPSGPS定位和蜂窩基站定位的結(jié)合體利用基站定位確定大致范圍連接網(wǎng)絡(luò)查詢當前位置可見衛(wèi)星大大縮短搜索衛(wèi)星的時間新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位A-GPS47FactorsthataffectGPSaccuracyImperfectsatellitesAtmosphericeffectsMultipathInterferencesSignalstrengthReceivercomponentsGeometryofthesatellitesused(DOP)FactorsthataffectGPSaccura48Atmosphere10km50~150kmIonosphereStratosphereTroposphereTheoreticalpathActualpath,delayed,phaseshifted,attenuatedAtmosphere10km50~150kmIonosphe49MultipathGroundreflectionsDirectSignalMultipathGroundreflectionsDir50Multipath(2)Multipath(2)51SignalStrength12345SignalStrength1234552InterferenceInterference53ProsandConsofGPSPROSItisaglobalsystemInnominalconditionsitisaccurate(5-10m)Itisfreeforusers!CONSItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!butthat’swhereusersare!emergencyservicesrequireQoS!ProsandConsofGPSPROSCONSb54SolutionstoConsItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!INCREASERECEIVERSENSITIVITY!AVOIDHAVINGTOWAITTODECODENAVIGATIONMESSAGE!A-GPSSolutionstoConsItdoesnotw55WhatisAssisted-GPS?WhatisAssisted-GPS?56TheconceptofA-GPSWehavearoughestimateoftheuserposition,thenwecanprovideinformationaboutwhatsatellitesareinviewItcanbeasroughas100’sofkmsWecanalsogivesynchronisationinformationtoaidtheGPSreceivertoacquirethesatellite’ssignals:dopplershiftandcodephasedelay.Weallowthereceiverto(coherently)accumulatemoresignal->higherSNR!bettersensitivityThereceiverstartslookingforthesatellitesrightwheretheyaretiminginformationitis“immediately”extractedWecanthenprovidethenavigationdatatotheGPSreceiver,andthenwedonotneedtowaittodecodethedatafromthesatelliteThisisachievedbyhavingareferenceGPSreceiverstationwhichisconstantlyreceivinganddecodingtheGPSsignalsinviewandextractingsignalparameters(navigationdata,signaldopplerandsignaldelay)TheconceptofA-GPSWehavea57TheconceptofA-GPSAGPSmonitoringstationconstantlyreceivessignalsfromallvisiblesatellitesItstoresthenavigationdata,togetherwithSVacquisitiondataTheA-GPSreceiverisrelativelyclosetothemonitoringstationsothatitseesthesameSVs.TheGPSreceivercanrequestassistingdataandthenuseitforafastTTFFThereferencereceiversendssignalmeasurements.SV#1–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#2–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#3–Codephase:chips –Doppler:Hz –Navigationdata…827-1,467135+541008-190826-1,477134+531009-188825-1,489133+511010-187824-1,503132+501011-186DtiDfiLat:43°64’15.360”Lon:-123°47’49.083”TheconceptofA-GPSAGPSmoni58Assisted-GPS(A-GPS)InessenceA-GPSisverysimilartoGPSexceptthatawirelessnetworkstorestheGPSinformationTime,positionoftheUE,GPSdataThisinformationisreferredtoas‘AssistanceData’AssistancedataisprovidedtotheUEthroughthewirelessnetworkduringpositioningsessionsAllowsUEtoquicklyacquireandmeasureGPSsatellitesignalsAssisted-GPS(A-GPS)Inessence59新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)無線AP定位利用可見Wi-Fi接入點來定位，在大城市中，無線AP數(shù)目多，定位非常精確。新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位無線AP定位60新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)定位用于無線傳感網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)通過少量位置已知節(jié)點，定位出全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)定位61網(wǎng)絡(luò)定位網(wǎng)絡(luò)定位624.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)除了距離，哪些空間信息還可用于定位技術(shù)？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容634.3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：有一個或多個已知坐標的參考點得到待定物體與已知參考點的空間關(guān)系定位技術(shù)的兩個步驟：測量物理量→根據(jù)物理量確定目標位置常見定位技術(shù)：基于距離的定位（ToA）基于距離差的定位（TDoA）基于信號特征的定位（RSS）4.3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：64基于信號特征的定位基于距離基于距離差基于信號特征ToA和TDoA都需要接收端特殊裝置基于信號特征的定位直接利用無線通信的射頻信號定位，不需要額外設(shè)備原理：信號強度隨傳播距離衰減問題：理想公式實際難以應(yīng)用基于信號特征的定位基于距離ToA和TDoA都需要接收端特殊裝65基于信號特征的定位基于距離基于距離差基于信號特征解決方法：將信號強度看做“特征”預(yù)先布置N個參考節(jié)點測出N個參考節(jié)點信號的強度，得到一個N維向量事先測出區(qū)域中每個位置的特征向量將目標測出的特征向量和事先測量值比對，找出位置缺點：不能應(yīng)對動態(tài)變化基于信號特征的定位基于距離解決方法：66基于信號特征的定位基于距離基于距離差基于信號特征LANDMARC：基于信號特征的動態(tài)定位方法除了信號發(fā)送源，再布置一系列RFID標簽作為參考標志將目標測得的信號特征向量與參考標志此時的特征向量進行比對，確定位置，誤差在1m范圍以內(nèi)基于信號特征的定位基于距離LANDMARC：基于信號特征的動67《定位系統(tǒng)》-2教學課件68引入?yún)⒖紭撕瀬韯討B(tài)的測試發(fā)射功率和識別距離之間的關(guān)系引入?yún)⒖紭撕瀬韯討B(tài)的測試發(fā)射功率和識別距離之間的關(guān)系69初始位置的估計初始位置的估計70初始位置的估計初始位置的估計71初始位置估計后，可以確定位于待定位標簽周圍的四個標簽的功率損耗，將標簽1和標簽3分別作為參考點，標簽2和標簽4作為目標點，計算兩條路徑的路徑損耗指數(shù)。得到兩條路徑的路徑損耗以后，再根據(jù)初始位置計算得到參考標簽1，參考標簽3和讀卡器構(gòu)成的直線與待定位標簽和讀卡器構(gòu)成的直線之間的角度，估算帶定位標簽的路徑損耗指數(shù)，就可計算得到待定位標簽到RFID讀卡器較為準確的距離信息。初始位置估計后，可以確定位于待定位標簽周圍的四個標簽的功率損72移動通信和移動定位技術(shù)的快速開展促進了一個新的研究領(lǐng)域——基于位置的效勞〔LBS〕基于位置的效勞(LocationBasedService，LBS)是定位技術(shù)、GIS技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動通訊技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。確定移動設(shè)備或用戶所在位置提供與位置相關(guān)的各種信息服務(wù)位置隱私保護基于位置的緊急救援服務(wù)（查詢“離我最近醫(yī)院”）基于位置的信息娛樂服務(wù)（查詢“距離我最近的電影院”）基于位置的廣告服務(wù)（如“向所有在我咖啡店10m范圍內(nèi)的客人發(fā)送優(yōu)惠券”）移動通信和移動定位技術(shù)的快速開展促進了一個新的研究領(lǐng)域——基73隨著社會的發(fā)展，人們的活動范圍越來越大，而且越來越不確定。這種移動性和不確定性給移動通信帶來市場和挑戰(zhàn)的同時，也為位置服務(wù)的開展和擴大帶來了無限商機。隨著社會的發(fā)展，人們的活動范圍越來越大，而且越來越不確定。這74另一方面，在人們享受各種位置效勞的同時，移動對象個人位置信息泄露的隱私威脅也漸漸成為一個嚴重的問題，引起了研究者的廣泛關(guān)注。位置隱私：是一種特殊的信息隱私。信息隱私是由個人、組織或機構(gòu)定義的何時、何地、用何種方式與他人共享信息，以及共享信息的內(nèi)容；而位置隱私那么指的是防止其他人以任何方式獲知對象過去、現(xiàn)在的位置。位置隱私保護另一方面，在人們享受各種位置效勞的同時，移動對象個人位75PsychiatricpatientLocationPrivacyChineseFoodFanConsumerhabitsprotectionExamplesPsychiatricpatientChineseFoo76Location-BasedServicesProblemsofrevealinglocationtoLBSproviderSensitiveinformationcanbeinferredfromlocationExample:beingatthehospital,lawyer,church…Profiling:dailyroutines,deviationfromthem,etc.Pleaserobme…AliceLBSProviderquery,user,location,timelocalinfo,POIs,…77Location-BasedServicesProblem77保護位置隱私享受位置相關(guān)服務(wù)位置隱私保護矛盾保護位置隱私享受位置相關(guān)服務(wù)位置隱私保護矛盾781.假名匿名技術(shù)：用戶在發(fā)送位置效勞請求信息時，給出的不是自己真實的位置，而是一個與真實位置有一段距離的假位置的地址。保護強度就由真假位置之間的距離來決定位置匿名技術(shù)1.假名匿名技術(shù)：位置匿名技術(shù)792.空間匿名使用一個空間區(qū)域來代替用戶的準確位置〔降低了用戶的空間分辨率〕。位置匿名技術(shù)2.空間匿名位置匿名技術(shù)803.時空匿名時空匿名在空間匿名的根底上增加了一個時間軸。延遲響應(yīng)時間，可以在這段時間中出現(xiàn)更多的用戶，提出更多的查詢，隱私匿名度更高位置匿名技術(shù)3.時空匿名位置匿名技術(shù)814.K-匿名技術(shù)核心思想：通過計算某請求效勞用戶與周圍的其他K一1個用戶的距離，形成一個適宜的K匿名區(qū)域，在這個區(qū)域里面每個用戶的準確位置都用K匿名區(qū)域代替，從而實現(xiàn)了隱藏用戶的準確位置。對敏感信息進展處理，保持數(shù)據(jù)可統(tǒng)計性；使用數(shù)據(jù)泛化來處理數(shù)據(jù)，保持數(shù)據(jù)可用性。位置匿名技術(shù)一條數(shù)據(jù)表示的個人信息和至少其他k-1條數(shù)據(jù)不能區(qū)分。其主要目的是為了解決如何在保證數(shù)據(jù)可用的前提下，發(fā)布帶有隱私信息的數(shù)據(jù)，使得每一條記錄無法與確定的個人匹配。4.K-匿名技術(shù)位置匿名技術(shù)一條數(shù)據(jù)表示的個人信息和至少82ExampleNameBirthGenderZIPRaceAndre1964m02135WhiteBeth1964f55410BlackCarol1964f90210WhiteDan1967m02174WhiteEllen1968f02237WhiteReleaseTableExternalDataSource83ExampleNameBirthGenderZIPRaceA83K-匿名技術(shù)K-匿名技術(shù)84k值是由用戶定義，用戶自定義的隱私需求參數(shù)之一。一般情況下，k值越大，匿名框也越大，但是這也與用戶提出服務(wù)的所在位置的周圍環(huán)境有關(guān)。假設(shè)提出查詢請求的用戶要求k=100的匿名度，如果此時用戶正在一個招聘會上，一個很小的空間即可滿足用戶的需求，但如果用戶此時在沙漠中，則返回的匿名空間可能非常大。K-匿名技術(shù)k值是由用戶定義，用戶自定義的隱私需求參數(shù)之一。K-匿名技854.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)物聯(lián)網(wǎng)背景對定位技術(shù)有哪些新的需求？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容86網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)接入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備五花八門連接起來的網(wǎng)絡(luò)各自不同→如何讓不同的設(shè)備在不同的網(wǎng)絡(luò)下準確定位環(huán)境多變室外vs.室內(nèi)空曠地帶vs.障礙物眾多靜止設(shè)備vs.頻繁運動4.4物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)4.4物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)87信息安全與隱私保護位置信息內(nèi)涵豐富且隱私息息相關(guān)高精度位置信息泄露的后果嚴重→如何既保證信息精度，又保護個人隱私大規(guī)模應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)時代，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備將超過500億臺→如何應(yīng)對龐大的數(shù)量增長→如何讓定位技術(shù)為簡單設(shè)備（如RFID標簽）所用4.4物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)信息安全與隱私保護4.4物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)88Thankyou!Thankyou!89《定位系統(tǒng)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學習使用學習完請自行刪除，謝謝！《定位系統(tǒng)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學習使90內(nèi)容提要通過定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時代的重要研究課題。本章將典型的定位系統(tǒng)和定位技術(shù)。內(nèi)容提要通過定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時代的重要研究課題。91第3章介紹了傳感器技術(shù)傳感器的設(shè)計需求（低成本與微型化，低功耗，靈活性與擴展性，魯棒性）傳感器的軟硬件平臺本章介紹位置信息的概念，重點介紹典型的定位系統(tǒng)（衛(wèi)星定位，蜂窩基站定位，無線室內(nèi)環(huán)境定位，新興定位系統(tǒng)）以及三種常見的定位技術(shù)。內(nèi)容回顧第3章介紹了傳感器技術(shù)內(nèi)容回顧924.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)位置信息的三大要素是什么？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容93為什么需要定位？基于位置的服務(wù)自動導航搜索周邊服務(wù)信息基于位置的社交網(wǎng)絡(luò)位置信息和我們的生活息息相關(guān)位置信息不是單純的“位置”地理位置（空間坐標）處在該位置的時刻（時間坐標）處在該位置的對象（身份信息）為什么需要定位？基于位置的服務(wù)位置信息不是單純的“位置”944.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)典型的定位系統(tǒng)有哪些？各自有哪些特點？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容95現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS，北斗蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)：A-GPS現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS，北斗96衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)美國：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國：北斗GPS是目前世界上最常用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。由覆蓋全球的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到多顆衛(wèi)星，以保證可以采集到該觀測點的經(jīng)緯度和高度，以便實現(xiàn)導航、定位、授時等功能。這項技術(shù)可以用來引導飛機、船舶、車輛以及個人，安全、準確地沿著選定的路線，準時到達目的地。衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)由覆蓋全球的97GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的縮寫,意為利用衛(wèi)星導航進行測時和測距,以構(gòu)成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設(shè)施進行高精度導航和定位的需要而建立的。自1973年美國軍方批準成立聯(lián)合計劃局開始GPS的研究工作到1993年系統(tǒng)建成,該工程歷時20年，耗資300億美元，成為繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的第三項龐大空間計劃。它從根本上解決了人類在地球上的導航和定位問題，在軍事和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。GPS：發(fā)展簡史GPS是英文NavigationSatelliteTim98GPSSystemSpaceControlUserGPSSystemSpaceControlUser99GPSSatelliteGPSSatellite100KeyFeaturesofGPSSatellitesEachGPSsatellitehasaVERYaccurate(atomic)clockAllGPSsatellitesareexactlysynchronizedtoamastergroundclockEachsatellitetransmitsauniquePseudo-RandomNoise(PRN)CodeThepositionandclockofeachsatelliteispreciselyknownandconstantlymonitoredongroundKeyFeaturesofGPSSatellites101GPSSignal50bpsdatasignal,modulatedbyaPseudo-RandomNoise(PRN)code,whichrepeatsevery1mstransmittedat1,575.42MHz(L1).Nominalreceivedpowerongroundis-163dBW(5x10-17W)…that’sVERYlow!!!Compareittotypicalreceivedpowerinamobilecommunicationssystem(GSM)ofafewmW…GPSreceivedpoweris100trilliontimeslower!GPSSignal50bpsdatasignal,102GPS：發(fā)展簡史衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)1973年，美國國防部開始GPS計劃1983年，里根承諾將來對民間開放使用1989年，正式開始發(fā)射GPS工作衛(wèi)星1994年，衛(wèi)星星座組網(wǎng)完成，投入使用2000年，克林頓下令取消軍用/民用信號的精度差別對待GPS：發(fā)展簡史衛(wèi)星定位1973年，美國國防部開始GPS計劃103GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)宇宙空間部分24顆工作衛(wèi)星分布在6個傾角為55°的軌道上繞地球運行。目前可用的衛(wèi)星通常有28顆。地面監(jiān)控部分（全部在美國境內(nèi)）1個主控中心（另有1個備用）4個專用地面天線6個專用監(jiān)視站用戶設(shè)備部分GPS接收機GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位宇宙空間部分104已知A、B、C三個節(jié)點的坐標，以及它們到節(jié)點D的距離，確定節(jié)點D的坐標GPS：定位原理已知A、B、C三個節(jié)點的坐標，以及它們到節(jié)點D的距離，確定節(jié)105Ifyouknowthedistanceto4KNOWNlocations:Thefourthsphere(notshown)willintersectonlyoneofthesetwolocations.Howdoes3-dimensional(3D)positioningwork?3DimensionalFix!GPSReceiverPositionCalculationThelocationwillbesomewhereonthesurfaceofthesphereThetwosphereswillintersectformingacircle.Thelocationwillbesomewhereonthecircumferenceofthiscircle.Thethirdspherewillintersectthecircleformedbytheothertwospheres.Thiswillnowcreateonlytwopossiblelocations.Ifyouknowthedistanceto4106偽距測量原理D=c·△t△t=t2-t1GPS導航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到。由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）。偽距測量原理D=c·△tGPS導航系統(tǒng)的基本原理是107《定位系統(tǒng)》-2教學課件108當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y）碼：

C/A碼頻率1.023MHz，碼間距1微秒，相當于300m；

P碼頻率10.23MHz，碼間距0.1微秒，相當于30m。

Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。當用戶接受到導航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標系中的位置、速度等信息便可得知。GPS：定位原理當GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的偽隨109單點定位

首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準確測定我們所在地點A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點一定是位于以衛(wèi)星為中心、所測得距離為半徑的圓球上。進一步，我們又測得點A至另一衛(wèi)星的距離，則A點一定處在前后兩個圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測得與第三個衛(wèi)星的距離，就可以確定A點只能是在三個圓球相交的兩個點上。根據(jù)一些地理知識，可以很容易排除其中一個不合理的位置。單點定位 首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準110《定位系統(tǒng)》-2教學課件111 GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有精細的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進展校準。衛(wèi)星發(fā)送導航信息，同時也發(fā)送準確時間信息。GPS接收機接收此信息，使之與自身的時鐘同步，獲得準確的時間。GPS接收機中的時鐘，不可能象在衛(wèi)星上那樣采用原子鐘，利用測定第四顆衛(wèi)星，在計算過程中校準GPS接收機的時鐘。GPS：定位原理原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波來計時的。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進行控制，原子鐘的計時就可以非常準確了。現(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫(Hydrogen)、銫(Cesium)、銣(Russium)等。原子鐘的精度可以達到每100萬年才誤差1秒。這為天文、航海、宇宙航行提供了強有力的保障。 GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有精細的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進112差分GPS定位技術(shù)在GPS定位過程中，存在三局部誤差。一局部是對每一個用戶接收機所共有的，例如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二局部為不能由用戶測量或由校正模型來計算的傳播延遲誤差；第三局部為各用戶接收機所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。

利用差分技術(shù)第一局部誤差可完全消除，第二局部誤差大局部可以消除。第三局部誤差那么無法消除，只能靠提高GPS接收機本身的技術(shù)指標。差分GPS定位技術(shù)在GPS定位過程中，存在三局部誤差。113《定位系統(tǒng)》-2教學課件114WGS-84坐標系（WorldGeodeticSystem一1984CoordinateSystem）一種國際上采用的地心坐標系。坐標原點為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標系的Z軸指向BIH（國際時間）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z軸、X軸垂直構(gòu)成右手坐標系，稱為1984年世界大地坐標系統(tǒng)。WGS-84坐標系WGS-84坐標系（WorldGeodeticSyste115高程系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準面的高程系統(tǒng)，某點的大地高是該點到通過該點的參考橢球的法線與參考橢球面的交點間的距離。大地高也稱為橢球高。正常高系統(tǒng)是以似大地水準面為基準的高程系統(tǒng)，某點的正常高是該點到通過該點的鉛垂線與似大地水準面的交點之間的距離。高程系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準面的高程系統(tǒng)，某點的大116《定位系統(tǒng)》-2教學課件117《定位系統(tǒng)》-2教學課件118導航型GPS機手持型GPS機導航型GPS機手持型GPS機119大地型GPS接收機單頻機雙頻機大地型GPS接收機單頻機雙頻機120GPS：主要優(yōu)缺點衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點精度高全球覆蓋，可用于險惡環(huán)境缺點啟動時間長室內(nèi)信號差需要GPS接收機GPS：主要優(yōu)缺點衛(wèi)星定位優(yōu)點121GPS典型應(yīng)用：汽車導航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)最初僅能提供位置和周邊地圖第二代汽車導航系統(tǒng)可根據(jù)目的地自動計算“最短”路線互聯(lián)網(wǎng)時代，汽車導航可從交管部門取得路況咨詢，優(yōu)化路線，找出“最快”路線GPS典型應(yīng)用：汽車導航衛(wèi)星定位最初僅能提供位置和周邊地圖122GPS典型應(yīng)用：汽車導航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)時代，感知更透徹綜合道路狀況，污染指數(shù)，天氣狀況，加油站的分布，駕駛員的身體狀況等各種因素找出“最佳”路線由“以路為本”轉(zhuǎn)變到“以人為本”GPS典型應(yīng)用：汽車導航衛(wèi)星定位物聯(lián)網(wǎng)時代，感知更透徹123蜂窩基站定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊區(qū)域被分割成蜂窩小區(qū)每個小區(qū)對應(yīng)一個通訊基站通訊設(shè)備連接小區(qū)對應(yīng)基站進行通訊利用基站位置已知的條件，可對通訊設(shè)備進行定位蜂窩基站定位衛(wèi)星定位GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)124單基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)COO定位（CellofOrigin）將移動設(shè)備所屬基站的位置視為移動設(shè)備的位置精度直接取決于基站覆蓋的范圍基站分布疏松地區(qū)，一個基站覆蓋范圍半徑可達數(shù)公里，誤差巨大優(yōu)點：簡單、快速，適用緊急情況單基站定位法衛(wèi)星定位COO定位（CellofOrigin125三邊定位和多邊定位三邊定位Trilateration屢次測量方程的個數(shù)等于變量的個數(shù)需要考慮無解的情況，求最優(yōu)近似解三邊定位和多邊定位三邊定位Trilateration126三邊定位和多邊定位信號傳播時間/時間差〔TOA/TDOA/RTOF〕TOATDOARTOF三邊定位和多邊定位信號傳播時間/時間差〔TOA/TDOA/127基于TOA定位機制根本思想信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時間來計算節(jié)點間的距離，然后利用三邊或極大似然估計法等計算出節(jié)點的位置；評價精度高；要求節(jié)點間準確的時間同步；對傳感器節(jié)點的硬件和功耗較高的要求；基于TOA定位機制根本思想128基于TDOA的定位原理發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節(jié)點根據(jù)兩種信號到達的時間差以及這兩種信號的傳播速度，計算兩個節(jié)點之間的距離，再通過已有根本的定位算法計算出節(jié)點的位置；基于TDOA的定位原理129多基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)ToA/TDoA定位法需要三個基站才能定位稀疏地區(qū)可能只能收到兩個基站的信號，不適用AoA定位法多基站定位法衛(wèi)星定位ToA/TDoA定位法130蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點不需要GPS接收機，可通訊即可定位啟動速度快信號穿透能力強，室內(nèi)亦可接收到缺點定位精度相對較低基站需要有專門硬件，造價昂貴蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點衛(wèi)星定位優(yōu)點131典型應(yīng)用：緊急電話定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)美國E-911系統(tǒng)撥打報警電話時，根據(jù)基站定位出手機位置，自動接到最近警局綜合了各種定位系統(tǒng)，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS使用時嘗試各種定位方法，擇優(yōu)而用典型應(yīng)用：緊急電話定位衛(wèi)星定位美國E-911系統(tǒng)132無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性多徑效應(yīng)原因：障礙物反射電磁波，反射波和原始波在接收端混疊室內(nèi)障礙物眾多，多徑效應(yīng)明顯對電磁波的阻礙作用長波信號（GPS）傳播能力強，穿透能力弱室內(nèi)應(yīng)選用短波信號來進行定位無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性133無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)需求主要來自企業(yè)和個人：難以購置ToA，TDoA，AoA等技術(shù)所需的昂貴硬件RSS定位技術(shù)使用信號強度進行定位利用已有的無線網(wǎng)絡(luò)（藍牙、Wi-Fi、ZigBee）紅外線、超聲波、藍牙、RFID、超寬帶……無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位需求主要來自企業(yè)和個人：難以購置To134RFID定位典型應(yīng)用衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)資產(chǎn)管理在設(shè)備上貼上RFID標簽需要使用時通過RFID定位找到標簽的位置，從而定位設(shè)備的位置結(jié)合感知技術(shù)，還可以監(jiān)控設(shè)備的狀況是否空閑是否故障是否老化RFID定位典型應(yīng)用衛(wèi)星定位資產(chǎn)管理135新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)A-GPSGPS定位和蜂窩基站定位的結(jié)合體利用基站定位確定大致范圍連接網(wǎng)絡(luò)查詢當前位置可見衛(wèi)星大大縮短搜索衛(wèi)星的時間新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位A-GPS136FactorsthataffectGPSaccuracyImperfectsatellitesAtmosphericeffectsMultipathInterferencesSignalstrengthReceivercomponentsGeometryofthesatellitesused(DOP)FactorsthataffectGPSaccura137Atmosphere10km50~150kmIonosphereStratosphereTroposphereTheoreticalpathActualpath,delayed,phaseshifted,attenuatedAtmosphere10km50~150kmIonosphe138MultipathGroundreflectionsDirectSignalMultipathGroundreflectionsDir139Multipath(2)Multipath(2)140SignalStrength12345SignalStrength12345141InterferenceInterference142ProsandConsofGPSPROSItisaglobalsystemInnominalconditionsitisaccurate(5-10m)Itisfreeforusers!CONSItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!butthat’swhereusersare!emergencyservicesrequireQoS!ProsandConsofGPSPROSCONSb143SolutionstoConsItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!INCREASERECEIVERSENSITIVITY!AVOIDHAVINGTOWAITTODECODENAVIGATIONMESSAGE!A-GPSSolutionstoConsItdoesnotw144WhatisAssisted-GPS?WhatisAssisted-GPS?145TheconceptofA-GPSWehavearoughestimateoftheuserposition,thenwecanprovideinformationaboutwhatsatellitesareinviewItcanbeasroughas100’sofkmsWecanalsogivesynchronisationinformationtoaidtheGPSreceivertoacquirethesatellite’ssignals:dopplershiftandcodephasedelay.Weallowthereceiverto(coherently)accumulatemoresignal->higherSNR!bettersensitivityThereceiverstartslookingforthesatellitesrightwheretheyaretiminginformationitis“immediately”extractedWecanthenprovidethenavigationdatatotheGPSreceiver,andthenwedonotneedtowaittodecodethedatafromthesatelliteThisisachievedbyhavingareferenceGPSreceiverstationwhichisconstantlyreceivinganddecodingtheGPSsignalsinviewandextractingsignalparameters(navigationdata,signaldopplerandsignaldelay)TheconceptofA-GPSWehavea146TheconceptofA-GPSAGPSmonitoringstationconstantlyreceivessignalsfromallvisiblesatellitesItstoresthenavigationdata,togetherwithSVacquisitiondataTheA-GPSreceiverisrelativelyclosetothemonitoringstationsothatitseesthesameSVs.TheGPSreceivercanrequestassistingdataandthenuseitforafastTTFFThereferencereceiversendssignalmeasurements.SV#1–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#2–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#3–Codephase:chips –Doppler:Hz –Navigationdata…827-1,467135+541008-190826-1,477134+531009-188825-1,489133+511010-187824-1,503132+501011-186DtiDfiLat:43°64’15.360”Lon:-123°47’49.083”TheconceptofA-GPSAGPSmoni147Assisted-GPS(A-GPS)InessenceA-GPSisverysimilartoGPSexceptthatawirelessnetworkstorestheGPSinformationTime,positionoftheUE,GPSdataThisinformationisreferredtoas‘AssistanceData’AssistancedataisprovidedtotheUEthroughthewirelessnetworkduringpositioningsessionsAllowsUEtoquicklyacquireandmeasureGPSsatellitesignalsAssisted-GPS(A-GPS)Inessence148新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)無線AP定位利用可見Wi-Fi接入點來定位，在大城市中，無線AP數(shù)目多，定位非常精確。新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位無線AP定位149新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)定位用于無線傳感網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)通過少量位置已知節(jié)點，定位出全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)定位150網(wǎng)絡(luò)定位網(wǎng)絡(luò)定位1514.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)除了距離，哪些空間信息還可用于定位技術(shù)？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容1524.3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：有一個或多個已知坐標的參考點得到待定物體與已知參考點的空間關(guān)系定位技術(shù)的兩個步驟：測量物理量→根據(jù)物理量確定目標位置常見定位技術(shù)：基于距離的定位（ToA）基于距離差的定位（TDoA）基于信號特征的定位（RSS）4.3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：153基于信號特征的定位基于距離基于距離差基于信號特征ToA和TDoA都需要接收端特殊裝置基于信號特征的定位直接利用無線通信的射頻信號定位，不需要額外設(shè)備原理：信號強度隨傳播距離衰減問題：理想公式實際難以應(yīng)用基于信號特征的定位基于距離ToA和TDoA都需要接收端特殊裝154基于信號特征的定位基于距離基于距離差基于信號特征解決方法：將信號強度看做“特征”預(yù)先布置N個參考節(jié)點測出N個參考節(jié)點信號的強度，得到一個N維向量事先測出區(qū)域中每個位置的特征向量將目標測出的特征向量和事先測量值比對，找出位置缺點：不能應(yīng)對動態(tài)變化基于信號特征的定位基于距離解決方法：155基于信號特征的定位基于距離基于距離差基于信號特征LANDMARC：基于信號特征的動態(tài)定位方法除了信號發(fā)送源，再布置一系列RFID標簽作為參考標志將目標測得的信號特征向量與參考標志此