自動識別技術(shù)07課件

自動識別技術(shù)第七章位置識別技術(shù)第七章位置識別技術(shù)位置識別技術(shù)概述RFID定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù)一、位置識別技術(shù)概述位置識別技術(shù)指通過特定的位置標(biāo)識與測距技術(shù)來確定物體位置信息。位置信息分為兩類：物理意義上的位置信息指被定位物體具體的物理或數(shù)學(xué)層面上的位置數(shù)據(jù)，用經(jīng)緯度坐標(biāo)和海拔高度來描述。抽象意義上的位置信息抽象的位置信息描述的是一個相對位置，表達(dá)為：某個物體位于一個具有確定位置對象的附近（對面、旁邊或背面等）。按照位置識別的范圍大小來分，可將位置識別技術(shù)分為室外定位識別技術(shù)和室內(nèi)定位識別技術(shù)。室外定位識別技術(shù)主要有基于衛(wèi)星通信的全球定位系統(tǒng)GPS和蜂窩（移動通信網(wǎng)）定位技術(shù)。相比蜂窩定位技術(shù)，GPS具有良好的定位精度，解決了很多軍事和民用的實(shí)際問題，它是一種基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)，在室外空曠環(huán)境下可提供精度在10米之內(nèi)的導(dǎo)航。但是當(dāng)定位目標(biāo)移動至室內(nèi)，衛(wèi)星信號會受到建筑物的影響而大大衰減，定位精度也隨之變得很低。常用的室內(nèi)定位識別技術(shù)紅外線定位技術(shù)超聲波定位技術(shù)藍(lán)牙定位技術(shù)WIFI定位技術(shù)ZigBee定位技術(shù)RFID定位技術(shù)等。二、RFID定位技術(shù)RFID定位技術(shù)是利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識別和定位的目的，實(shí)現(xiàn)起來非常方便，而且系統(tǒng)受環(huán)境的干擾較小，電子標(biāo)簽信息可以編輯改寫比較靈活。RFID定位技術(shù)分類信號強(qiáng)度信息定位（ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI）由于無線信號的傳播有以下規(guī)律：接收端測得的信號強(qiáng)度越強(qiáng)，說明發(fā)送端距接收端距離越近，反之，接收端測得的信號強(qiáng)度越弱，則說明發(fā)送端距離越遠(yuǎn)。因此，基于信號強(qiáng)度衰減的方法可以測量收發(fā)距離。信號時間信息定位（TimeDifferenceofArrival，TDOA）該方法通過測出電波從發(fā)射機(jī)傳播到多個接收機(jī)的傳播時間（TOA）或時間差（TDOA）來確定目標(biāo)的位置。基于電波傳播時間（TimeofArrival，TOA）和到達(dá)角度定位（Angleof

Arrival，

AOA）AOA（AngleofArrival）算法是由陣列天線測量到移動目標(biāo)發(fā)射的無線射頻信號，來判斷移動目標(biāo)的所在的方向，從而實(shí)現(xiàn)根據(jù)信號到達(dá)的方向線（即側(cè)位線）來進(jìn)行定位，由兩個基站得到的兩個側(cè)位線的交點(diǎn)就是目標(biāo)的位置。這種技術(shù)作用距離短，一般最長為幾十米。但可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息，且傳輸范圍很大，成本較低。同時由于其非接觸和非視距等優(yōu)點(diǎn)，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。目前，射頻識別研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)在于理論傳播模型的建立、用戶的安全隱私和國際標(biāo)準(zhǔn)化等問題。優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)識的體積比較小，造價比較低，但是作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中。三、衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位系統(tǒng)是利用衛(wèi)星來測量物體位置的系統(tǒng)，其關(guān)鍵作用是提供時間/空間基準(zhǔn)和所有與位置相關(guān)的實(shí)時動態(tài)信息，已成為國家重大的空間和信息化基礎(chǔ)設(shè)施，也成為體現(xiàn)現(xiàn)代化大國地位和國家綜合國力的重要標(biāo)志。世界各主要大國都競相發(fā)展獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem），泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的。國際GNSS系統(tǒng)是個多系統(tǒng)、多層面、多模式的復(fù)雜組合系統(tǒng)。全球系統(tǒng)（聯(lián)合國衛(wèi)星導(dǎo)航委員會已認(rèn)定的供應(yīng)商）美國全球定位系統(tǒng)（GPS，GlobalPositioningSystem）俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)（GLONASS，

GlobalNavigationSatelliteSystem）中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS，BeiDouNavigationSatelliteSystem）歐盟伽利略定位系統(tǒng)（GALILEO）區(qū)域系統(tǒng)日本準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)（QZSS，Quasi-ZenithSatelliteSystem）QZSS由三顆分置于相間120°的三個軌道面上的衛(wèi)星組成，軌道周期為23小時56分鐘，傾角45°，軌道高度為31500～40000公里。印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS，IndianRegionalNavigationSatelliteSystem）系統(tǒng)由7顆衛(wèi)星（很可能進(jìn)入靜地軌道和/或橢圓軌道）和地面站組成。增強(qiáng)系統(tǒng)廣域差分增強(qiáng)系統(tǒng)（星基增強(qiáng)系統(tǒng)）（SBAS，Satellite-BasedAugmentationSystem）美國廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS，WideAreaAugmentationSystem）由美國聯(lián)邦航空局開發(fā)建立的用于空中導(dǎo)航的一個系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要是通過解決廣域差分GPS的數(shù)據(jù)通信問題從而提高全球定位系統(tǒng)的精度和可用性。日本的多功能GPS衛(wèi)星星基增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS，Multi-FunctionalSatelliteAugmentationSystem）MSAS的空間段由兩顆多功能傳輸衛(wèi)星（MTSat）組成，主要目的是為日本航空提供通信與導(dǎo)航服務(wù)。歐洲地球同步導(dǎo)航覆蓋服務(wù)（EGNOS，Europeangeostationarynavigationoverlayservice）EGNOS系統(tǒng)是歐洲自主建設(shè)的第一個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它通過增強(qiáng)現(xiàn)在運(yùn)行的兩個軍用系統(tǒng)：GPS和GLONASS，來滿足高安全用戶的需求。它是歐洲GNSS計(jì)劃的第一步，是目前正在研發(fā)中的Galileo計(jì)劃的前奏。印度的GPS輔助型靜地軌道增強(qiáng)導(dǎo)航（GAGAN，GPSAidedGeoAugmentedNavigation）尼日利亞通信衛(wèi)星一號（NIGCOMSAT-1）美國：GPSGlobalPositioningSystem全球定位系統(tǒng)美國的GPS是一個中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)（98%）提供準(zhǔn)確的定位、測速和高精度的時間標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)由美國國防部研制和維護(hù)，可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)精確的確定三維位置、三維運(yùn)動和時間的需要。系統(tǒng)包括太空中的24顆GPS衛(wèi)星；地面上的1個主控站、3個數(shù)據(jù)注入站和5個監(jiān)測站及作為用戶端的GPS接收機(jī)。最少只需其中3顆GPS衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度；所能連接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來的位置就越精確。GPS衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，其中21顆為工作衛(wèi)星，3顆為備用衛(wèi)星。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面上，即每個軌道面上有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對于地球赤道面的軌道傾角為55°，各軌道平面的升交點(diǎn)的赤經(jīng)相差60°，一個軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星升交角距超前30°。這種布局的目的是保證在全球任何地點(diǎn)、任何時刻至少可以觀測到4顆衛(wèi)星。俄羅斯：GLONASS（格洛納斯）GlobalNavigationSatelliteSystem全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)參數(shù)GLONASSNAVSTARGPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)21＋321＋3軌道平面數(shù)36軌道傾角64.8°55°軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時）11h15min11h58min衛(wèi)星信號的區(qū)分FDMACDMAL1頻率1602~1615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率1246~1256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHz俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)由蘇聯(lián)在1976年組建，現(xiàn)在由俄羅斯政府負(fù)責(zé)運(yùn)營。1991年組建成具備覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，從1982年12月12日開始，該系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星不斷得到補(bǔ)充，至1995年，該系統(tǒng)衛(wèi)星在數(shù)目上基本上得到完善。2002年在軌運(yùn)行衛(wèi)星增加到8顆，在2003、2004、2005年分別增加到10、11、12顆。2003年發(fā)射的衛(wèi)星，是格洛納斯的重大改進(jìn)版本，被稱為格洛納斯-M衛(wèi)星。格洛納斯-M衛(wèi)星重量約1.4噸，太陽能電池功率1600瓦，原子鐘精度為1e-13秒，提高了穩(wěn)定性。2008年聯(lián)盟火箭也開始參與格洛納斯衛(wèi)星的發(fā)射，同年格洛納斯星座在軌運(yùn)行衛(wèi)星數(shù)量終于增加到18顆，可以為俄羅斯提供全境衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。隨著格洛納斯-M的全面應(yīng)用，格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精度已經(jīng)接近GPS系統(tǒng)，在2010年10月俄羅斯政府已經(jīng)補(bǔ)齊了該系統(tǒng)需要的24顆衛(wèi)星，在2011年達(dá)到GPS的標(biāo)準(zhǔn)。目前格洛納斯全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在軌衛(wèi)星達(dá)29顆，其中23顆處于工作狀態(tài)，2顆為備用，3顆暫時處于技術(shù)維護(hù)狀態(tài)，1顆處于飛行試驗(yàn)狀態(tài)。歐盟：Galileo（伽利略）GalileoPositioningSystem到2010年歐洲共發(fā)射30顆服役期約為20年的正式衛(wèi)星，完成伽利略衛(wèi)星星座的部署工作。伽利略系統(tǒng)建成后，美歐兩大相互兼容的導(dǎo)航定位系統(tǒng)將大大有助于提供導(dǎo)航定位的精度和可靠性。歐洲聯(lián)盟的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GalileoSatelliteNavigationSystem），是由歐盟研制和建立的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。該計(jì)劃于1999年2月系統(tǒng)由歐洲委員會公布，歐洲委員會和歐空局共同負(fù)責(zé)。系統(tǒng)由軌道高度為23222km的38顆衛(wèi)星組成，位于3個傾角為56度的軌道平面內(nèi)。2012年10月，伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第二批兩顆衛(wèi)星成功發(fā)射升空，太空中已有的4顆正式的伽利略系統(tǒng)衛(wèi)星，可以組成網(wǎng)絡(luò)，初步發(fā)揮地面精確定位的功能。日本：MSAS/QZSS基于多功能衛(wèi)星的星基增強(qiáng)系統(tǒng)（MSAS）Quasi-ZenithSatelliteSystem（準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)）MSAS由日本氣象局和日本交通部組織實(shí)施的基于2顆多功能衛(wèi)星（MTSAT）的GPS星基增強(qiáng)系統(tǒng)。QZSS空間星座由位于3個高橢圓軌道上的3顆IGSO衛(wèi)星組成。準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)是以三顆衛(wèi)星透過時間轉(zhuǎn)移完成全球定位系統(tǒng)的區(qū)域性功能衛(wèi)星擴(kuò)增系統(tǒng)。第一顆衛(wèi)星“Michibiki”于2010年9月11日發(fā)射，到2013年形成完整的功能。準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)是針對移動應(yīng)用系統(tǒng)提供視訊基礎(chǔ)服務(wù)（影像、聲音和資料）和定位資訊。對于其定位服務(wù)，在獨(dú)立模式下工作時，QZSS目前只能提供有限的精度，因此被視為是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)擴(kuò)增服務(wù)。它的定位服務(wù)還將與目前日本還在發(fā)展中的多功能運(yùn)輸衛(wèi)星（Multi-FunctionalTransportSatellite）結(jié)合，是一個類似美國聯(lián)邦航空管理局的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)。印度：IRNSS（印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）IndianRegionalNavigationalSatelliteSystemIRNSS空間星座有分別位于東經(jīng)34度，83度和132度的3顆GEO衛(wèi)星，以及東經(jīng)55度和111度的4顆傾角為29度的IGSO衛(wèi)星組成。印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（IRNSS）是一個由印度太空研究組織（ISRO）發(fā)展的自由區(qū)域型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，印度政府對這個系統(tǒng)有完全的掌控權(quán)。印度區(qū)域?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)將提供兩種服務(wù)，包括民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)，及供特定授權(quán)使用者（軍用）的限制型服務(wù)。此系統(tǒng)將包含7顆衛(wèi)星及輔助地面設(shè)施。其中3顆為同步衛(wèi)星，分別位于東經(jīng)34度、83度及132度。另外四顆衛(wèi)星位于傾角29度的軌道上，分別與赤道交于東經(jīng)55度及111度。這樣的安排意味著7顆衛(wèi)星都可以持續(xù)地與印度控制站保持連絡(luò)。衛(wèi)星負(fù)載包含原子鐘及產(chǎn)生導(dǎo)航信號的電子裝備。中國：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星（GEO）和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。不足：用戶隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數(shù)量受限制；設(shè)備體積大、重量重、能耗大。中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航、授時服務(wù)，并能向有更高要求的授權(quán)用戶提供進(jìn)一步服務(wù)，軍用與民用目的兼具。中國在2003年完成了具有區(qū)域?qū)Ш焦δ艿谋倍沸l(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，之后開始構(gòu)建服務(wù)全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，于2012年12月27起向亞太大部分地區(qū)正式提供服務(wù)，現(xiàn)共有16顆有源衛(wèi)星向亞太地區(qū)普通用戶提供服務(wù)。BDS預(yù)計(jì)在2020年將完成全球系統(tǒng)構(gòu)建，屆時將擁有35顆衛(wèi)星，衛(wèi)星信號將覆蓋全球。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段計(jì)劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點(diǎn)位置為東經(jīng)58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球軌道衛(wèi)星運(yùn)行在3個軌道面上，軌道面之間為相隔120°均勻分布。至2012年底北斗亞太區(qū)域?qū)Ш秸介_通，已為正式系統(tǒng)發(fā)射了16顆衛(wèi)星，其中14顆組網(wǎng)并提供服務(wù)，分別為5顆靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（均在傾角55°的軌道面上），4顆中地球軌道衛(wèi)星（均在傾角55°的軌道面上）。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)終端與GPS、“伽利略”和“格洛納斯”相比，優(yōu)勢在于短信服務(wù)和導(dǎo)航結(jié)合，增加了通信功能；全天候快速定位，極少通信盲區(qū)，精度與GPS相當(dāng)。向全世界提供的服務(wù)都是免費(fèi)的，在提供無源定位導(dǎo)航和授時等服務(wù)時，用戶數(shù)量沒有限制，且與GPS兼容；特別適合集團(tuán)用戶大范圍監(jiān)控與管理，以及無依托地區(qū)數(shù)據(jù)采集用戶數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用；獨(dú)特的中心節(jié)點(diǎn)式定位處理和指揮型用戶機(jī)設(shè)計(jì)。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后，美國約翰·霍布斯金大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出既然可以已知觀測站的位置知道衛(wèi)星位置，那么如果已知衛(wèi)星位置，應(yīng)該也能測量出接收者的所在位置。即先我們假定衛(wèi)星的位置為已知，而我們又能準(zhǔn)確測定我們所在地點(diǎn)A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點(diǎn)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(jìn)一步，我們又測得點(diǎn)A至另一衛(wèi)星的距離，則A點(diǎn)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(diǎn)只能是在三個圓球相交的兩個點(diǎn)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。當(dāng)然也可以再測量A點(diǎn)至另一個衛(wèi)星的距離，也能精確進(jìn)行定位。這是導(dǎo)航衛(wèi)星的基本設(shè)想。怎樣確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置要確知衛(wèi)星所處的準(zhǔn)確位置。首先，要優(yōu)化設(shè)計(jì)衛(wèi)星運(yùn)行軌道，而且要由監(jiān)測站通過各種手段，連續(xù)不斷監(jiān)測衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)，適時發(fā)送控制指令，使衛(wèi)星保持在正確的運(yùn)行軌道。將正確的運(yùn)行軌跡編成星歷，注入衛(wèi)星，且經(jīng)由衛(wèi)星發(fā)送給GPS接收機(jī)。正確接收每個衛(wèi)星的星歷，就可確知衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置。如何測定衛(wèi)星至用戶的距離時間×速度