無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支撐技術(shù)

定位時(shí)間同步數(shù)據(jù)融合內(nèi)容提要1.WSN定位概述

1.WSN定位概述-什么是定位？定位就是確定位置。定位的兩種意義：一種是確定自己在系統(tǒng)中的位置；一種是系統(tǒng)確定目標(biāo)在系統(tǒng)中的位置。位置信息的類型：物理位置指目標(biāo)在特定坐標(biāo)系下的位置數(shù)值，表示目標(biāo)的相對或者絕對位置。符號位置指在目標(biāo)與一個(gè)信標(biāo)或者多個(gè)信標(biāo)臨近程度的信息，表示目標(biāo)與基站之間的連通關(guān)系，提供目標(biāo)大致的所在范圍。也稱“歸屬定位〞WSN定位機(jī)制的重要性定位機(jī)制是WSN的根本機(jī)制沒有位置信息的檢測消息是沒有意義的；應(yīng)用：戰(zhàn)場偵察、目標(biāo)跟蹤、入侵檢測、災(zāi)難預(yù)報(bào)等節(jié)點(diǎn)定位是定位機(jī)制的根底隨機(jī)部署的網(wǎng)絡(luò)，需要首先確定傳感器節(jié)點(diǎn)位置；只有節(jié)點(diǎn)定位以后，才能確定節(jié)點(diǎn)檢測事件的位置；定位的其他用途報(bào)告事件發(fā)生的地點(diǎn)目標(biāo)跟蹤和定位協(xié)助路由/網(wǎng)絡(luò)管理物品/財(cái)產(chǎn)/醫(yī)療設(shè)備/固定資產(chǎn)的定位與跟蹤61.WSN定位概述-定位的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ш剑毫私庖苿游矬w在坐標(biāo)系中的位置，指導(dǎo)移動物體成功到達(dá)目的地的工作跟蹤：系統(tǒng)實(shí)時(shí)地了解物體所處位置和移動的軌跡網(wǎng)絡(luò)路由：優(yōu)化的路由可以提高系統(tǒng)性能、平安性，節(jié)省珍貴的電能基于位置的效勞〔LBS,LocationBasedService〕：新的增值效勞、應(yīng)用廣泛最重要的指標(biāo)，指定位系統(tǒng)提供的位置信息的精度。絕對精度指以長度為單位度量的精度。相對精度，通常以節(jié)點(diǎn)之間距離的百分比來定義。覆蓋范圍是另一個(gè)重要指標(biāo)，它和定位精度是一對矛盾。精度覆蓋范圍超聲波分米級十多米Wi-Fi和藍(lán)牙3米100米GSM系統(tǒng)100米公里級代價(jià)定位系統(tǒng)或算法的代價(jià)包括時(shí)間代價(jià)、空間代價(jià)和本錢代價(jià)等方面。時(shí)間代價(jià)主要考慮一個(gè)定位系統(tǒng)或算法的安裝、配置或定位時(shí)間等因素；空間代價(jià)主要考慮一個(gè)定位系統(tǒng)或算法所需的根底設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量或系統(tǒng)硬件尺寸等因素；本錢代價(jià)那么主要考慮實(shí)現(xiàn)一種定位系統(tǒng)或算法的根底設(shè)施和節(jié)點(diǎn)設(shè)備的總費(fèi)用。刷新速度是提供位置信息的頻率。 比方GPS每秒鐘刷新1次影響定位效勞的實(shí)時(shí)性和精度WSN相關(guān)的指標(biāo)功耗，WSN是功耗受限制的帶寬，協(xié)議棧開銷+數(shù)據(jù)的有效載荷節(jié)點(diǎn)密度，節(jié)點(diǎn)密度要求越高，單次定位的通信開銷越大，消耗的電能越多。91.WSN定位概述-定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)兩個(gè)主要因素：定位機(jī)制的物理特性〔如：時(shí)間同步、傳播特性〕相應(yīng)的算法其他設(shè)計(jì)要求：節(jié)點(diǎn)密度擴(kuò)展性魯棒性的要求1.WSN定位概述-定位效勞的標(biāo)準(zhǔn)化11現(xiàn)有的定位系統(tǒng)？？GPS：精度高、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)；無遮擋的室外環(huán)境、固定的根底設(shè)施、本錢比較高定位算法的特點(diǎn)自組織性：傳感器節(jié)點(diǎn)通常價(jià)格低廉，難以大量配備GPS接收機(jī)等定位裝置，需要基于無線網(wǎng)絡(luò)的自組織協(xié)同定位；健壯性：節(jié)點(diǎn)測量數(shù)據(jù)常常有誤差，定位算法需具有良好的容錯(cuò)性；能量高效：算法計(jì)算復(fù)雜度要小、通信開銷要低，以利延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期；分布計(jì)算：每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)立計(jì)算自身的位置，不依賴全局信息來集中式計(jì)算。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)(anchor)和未知節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)跳數(shù)、跳段距離(Per-hopdistance)根底設(shè)施到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)到達(dá)角度視線關(guān)系(LOS)、非視線關(guān)系(NLOS)14三邊測量算法〔Trilateration〕A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及它們到節(jié)點(diǎn)D的距離，確定節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為；三角測量算法〔Triangulation〕A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，節(jié)點(diǎn)M相對于節(jié)點(diǎn)A、B、C的角度，確定節(jié)點(diǎn)M的坐標(biāo)；首先求解O1以及O2、O3坐標(biāo)，然后轉(zhuǎn)換為三邊測量法16

AO1C的角度r1:基于A、M、C三點(diǎn)的外接圓的半徑O1:基于A、M、C三點(diǎn)的外接圓的圓心極大似然估計(jì)法1、2、3等n個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，及它們到節(jié)點(diǎn)D到距離，確定節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)；最小均方差估計(jì)算法；定位算法的分類根據(jù)定位過程中是否需要測量實(shí)際節(jié)點(diǎn)間的距離，把定位算法分為：基于測距的〔range-based〕定位利用測量節(jié)點(diǎn)間實(shí)際距離或方位計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位置；測距無關(guān)的〔range-free〕定位利用節(jié)點(diǎn)間的估計(jì)距離計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)位置；利用特征進(jìn)行位置關(guān)聯(lián)不需要直接測量節(jié)點(diǎn)間距離定位算法的分類(2)根據(jù)定位過程中節(jié)點(diǎn)定位先后次序的不同，把定位算法分為：遞增式的〔Incremental〕定位信標(biāo)節(jié)點(diǎn)附近的節(jié)點(diǎn)首先開始定位，依次向外延伸，各節(jié)點(diǎn)逐次進(jìn)行定位；累計(jì)和傳播測量誤差并發(fā)式的〔Concurrent〕定位所有的節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行位置計(jì)算；定位算法的分類(3)根據(jù)定位過程中是否使用信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息，把定位算法分為：基于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)〔beacon-based〕定位以信標(biāo)節(jié)點(diǎn)作為定位中的參考點(diǎn)，其他各節(jié)點(diǎn)定位后產(chǎn)生整體絕對坐標(biāo)系統(tǒng)；無信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的(beacon-free)定位各節(jié)點(diǎn)先以自身作為參考點(diǎn)，將鄰近節(jié)點(diǎn)納入自己定義的坐標(biāo)系中，相鄰的坐標(biāo)系統(tǒng)依次轉(zhuǎn)換合并，最后產(chǎn)生整體相對坐標(biāo)系統(tǒng)；內(nèi)容提要21基于距離的定位機(jī)制根本思想〔range-based〕通過測量節(jié)點(diǎn)(即：待定位節(jié)點(diǎn))與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的實(shí)際距離或方位進(jìn)行定位。三個(gè)階段測距階段：未知節(jié)點(diǎn)首先測量到鄰居節(jié)點(diǎn)的距離或角度，然后進(jìn)一步計(jì)算到鄰近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離或方位；定位階段：未知節(jié)點(diǎn)在計(jì)算出到達(dá)三個(gè)或三個(gè)以上信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離或角度后，利用三邊測量法、三角測量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；修正階段：對求得的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行求精，提高定位精度，減少誤差；三邊定位和多邊定位信號強(qiáng)度〔RSS〕信號傳播時(shí)間/時(shí)間差〔ToA/TDoA/ToF〕接收信號角度定位(AoA)23RSS:RadioSignalStrength;TOA:TimeOFArrivalAOA:AngleofArrivalTDOA:TimeDifferenceofArrivalTOF:TimeofFlightPDOA:PhaseDifferenceofArrival信號強(qiáng)度〔RSS〕通過信號在傳播中的衰減來估計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的距離根據(jù)信道模型求解距離：PL(d)為接收信號強(qiáng)度、PL(d0)為參考距離d0處的信號強(qiáng)度信道的時(shí)變特性：信道由于受到多徑衰減〔Multi-pathFading〕非視距阻擋〔Non-of-SightBlockage〕的影響PL(d0)….單位距離地點(diǎn)測得的接收信號強(qiáng)度…如，距離發(fā)送節(jié)點(diǎn)1米處的接收信號強(qiáng)度〔dBm)多邊定位Multilateration屢次測量方程的個(gè)數(shù)大于變量的個(gè)數(shù)估計(jì)方法：最小二乘〔LS，LeastSquare〕極大似然〔MLE,MaximumLikelihoodEstimation〕最小均方差〔MMSE,MinimumMeanSquareError〕屢次測量方程的個(gè)數(shù)等于變量的個(gè)數(shù)需要考慮無解的情況，求最優(yōu)近似解26信號傳播時(shí)間/時(shí)間差〔TOA/TDOA/TOF〕ToATDoAToFVUS…超聲速率，近似為340m/s(和氣溫有關(guān));VRF…光速;ToA方式，要求收發(fā)節(jié)點(diǎn)雙方嚴(yán)格同步！ToF:timeofflight基于TOA定位機(jī)制〔1〕根本思想信號的傳播速度，根據(jù)信號的傳播時(shí)間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離，然后利用三邊或極大似然估計(jì)法等計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置；評價(jià)精度高；要求節(jié)點(diǎn)間具備精確的時(shí)間同步；如播送無線電授時(shí)對傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件和功耗較高的要求；基于TOA定位機(jī)制〔2〕思想：偽噪聲序列信號作為聲波信號；組成：揚(yáng)聲器模塊、麥克風(fēng)模塊、無線電模塊和CPU模塊；過程：發(fā)送節(jié)點(diǎn)的揚(yáng)聲器模塊在發(fā)送偽噪聲序列信號的同時(shí)，無線電模塊通過無線電同步消息通知接收節(jié)點(diǎn)偽噪聲序列信號發(fā)送的時(shí)間，接收節(jié)點(diǎn)的麥克風(fēng)模塊在檢測到偽噪聲序列信號后，根據(jù)傳播時(shí)間和速度計(jì)算發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離；利用三邊測量算法或極大似然估計(jì)算法計(jì)算出自身位置；29基于TDOA的定位〔1〕原理發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號到達(dá)的時(shí)間差以及這兩種信號的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過已有根本的定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置；利用角度關(guān)系定位兩點(diǎn)和其夾角確定一點(diǎn)三點(diǎn)和三個(gè)夾角確定一點(diǎn)(x1,y1)、(x2,y2)分別為A1、A2的坐標(biāo)(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)分別為A1、A2、A3的坐標(biāo)

基于AOA的定位〔1〕根本思想接收節(jié)點(diǎn)通過天線陣列或多個(gè)超聲波接收機(jī)感知發(fā)射節(jié)點(diǎn)信號的到達(dá)方向，計(jì)算接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)射節(jié)點(diǎn)之間的相對方位或角度，再通過三角測量法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置；32AOA：AngleofArrivalCPU讀取不同陣列信號的延遲差會對定位精度有影響內(nèi)容提要33質(zhì)心算法DV-Hop算法基于指紋的定位方法視覺定位可見光定位。。。質(zhì)心算法〔1〕多邊形的幾何中心，稱為質(zhì)心，多邊形頂點(diǎn)坐標(biāo)的平均值就是質(zhì)心節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。質(zhì)心定位算法首先確定包含未知節(jié)點(diǎn)的區(qū)域，計(jì)算這個(gè)區(qū)域的質(zhì)心，并將其作為未知節(jié)點(diǎn)的位置質(zhì)心算法〔2〕根本過程信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期性向鄰近節(jié)點(diǎn)播送信標(biāo)分組，信標(biāo)分組中包含信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識號和位置信息；當(dāng)未知節(jié)點(diǎn)接收到來自不同信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的信標(biāo)分組數(shù)量超過某一個(gè)門限k或接收一定時(shí)間后，就確定自身位置為這些信標(biāo)節(jié)點(diǎn)所組成的多邊形的質(zhì)心。評價(jià)簡單：基于網(wǎng)絡(luò)連通性，無信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)；假設(shè)節(jié)點(diǎn)都擁有理想的球型無線信號傳播模型，而非實(shí)際上無線信號的傳播模型；位置估計(jì)精確度和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的密度和分布有很大關(guān)系。上圖中，假定每個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸半徑都是R，天線各向同性；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到四個(gè)綠色節(jié)點(diǎn)的信號，那么其位置在紅色區(qū)域內(nèi)，但具體位置無法確定，用質(zhì)心法，可以得到一個(gè)較好的估計(jì)值，但也可能估計(jì)歪了——比方左邊信標(biāo)節(jié)點(diǎn)較多，右邊較少的話…距離向量-跳段定位算法DistanceVector－Hop，類似于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的距離向量路由機(jī)制根本思想首先：計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的最小跳數(shù)；然后：估算每跳的平均距離，利用最小跳數(shù)乘以平均每跳距離，得到未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的估計(jì)距離，最后：利用三邊測量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)37DV-Hop算法的定位過程計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)向鄰居節(jié)點(diǎn)播送自身位置信息的分組，其中包括跳數(shù)字段，初始化為0；接收節(jié)點(diǎn)記錄“到每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)距離〞，忽略掉來自同一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的較大跳數(shù)的分組。然后將跳數(shù)值加1，并繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)能夠記錄下距離每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)距離DV-Hop算法的定位過程計(jì)算未知節(jié)點(diǎn)與信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際跳段距離每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)記錄的其它信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置信息和相距跳數(shù)，估算平均每跳的實(shí)際距離；然后，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)將計(jì)算的每跳平均距離用帶有生存期字段的分組播送至網(wǎng)絡(luò)中，未知節(jié)點(diǎn)僅記錄接收到的第一個(gè)每跳平均距離，并轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點(diǎn)；未知節(jié)點(diǎn)接收到平均每跳距離后，根據(jù)記錄的跳數(shù)，計(jì)算到每個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳段距離；DV-Hop算法的定位過程利用三邊測量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算自身位置未知節(jié)點(diǎn)利用第二階段中記錄的到各個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的跳段距離，利用三邊測量法或極大似然估計(jì)法計(jì)算自身坐標(biāo)舉例：DV-Hop算法的定位過程信標(biāo)節(jié)點(diǎn)L2計(jì)算的每跳平均距離為(40+75)/(2+5)=16.42A從L2獲得每跳平均距離，那么節(jié)點(diǎn)A與三個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離分別為L1：3×16.42，L2：2×16.42，L3：3×16.42；L3AL1L241基于指紋的定位將信號強(qiáng)度看做“特征〞預(yù)先布置N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)測出N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信號的強(qiáng)度，得到一個(gè)N維向量〔被稱為指紋〕事先測出區(qū)域中每個(gè)位置的特征向量將目標(biāo)測出的特征向量和事先測量值比對，找出位置FMGSMMagneticFieldWhat’sNext?WiFi缺點(diǎn)：不能應(yīng)對動態(tài)變化；人工代價(jià)高；精度差

ABC44基于視覺的定位SLAM:Simultaneouslocalizationandmapping內(nèi)容提要5.典型定位系統(tǒng)全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)地區(qū)導(dǎo)航系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用RSS方式定位的系統(tǒng)使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)無需測距的定位系統(tǒng)5.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍(1)GPSGPS使用24顆人造衛(wèi)星在離地面約2萬公里的高空上，以12小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行。在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測到4顆以上的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的位置精確可知，通過4顆衛(wèi)星發(fā)出的信號，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離。GPS精度到達(dá)5-10m，專用車載GPS導(dǎo)航儀已經(jīng)廣泛使用于車輛導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域。5.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍(2)Galileo系統(tǒng)〔歐盟〕伽利略系統(tǒng)是中高度圓軌道〔MEO〕方案，該系統(tǒng)預(yù)期由30顆中高度圓軌道衛(wèi)星和2個(gè)地面控制中心組成，其中27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3顆為候補(bǔ)。衛(wèi)星高度為24126公里，位于3個(gè)傾角為56度的軌道平面內(nèi)。伽利略系統(tǒng)可以分發(fā)實(shí)時(shí)的米級定位精度信息，這是現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所沒有的。迄今截止，Galileo系統(tǒng)部署嚴(yán)重滯后，總共只發(fā)射了8顆星，可以組成網(wǎng)絡(luò)，初步發(fā)揮地面精確定位的功能.2021年1月，中國北斗與歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率協(xié)調(diào)達(dá)一致意見5.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍(3)Glonass導(dǎo)航系統(tǒng)(俄羅斯〕該系統(tǒng)需要18顆運(yùn)行衛(wèi)星提供覆蓋全俄羅斯的持續(xù)的導(dǎo)航效勞，需要至少24顆衛(wèi)星可提供全球?qū)Ш叫谀壳埃鞧LONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有工作衛(wèi)星28顆〔4顆備份〕，分布在3個(gè)軌道平面上。每顆衛(wèi)星都在1.91萬公里高的軌道上運(yùn)行，周期為11小時(shí)15分。當(dāng)前，GLONASS系統(tǒng)處于根本運(yùn)行狀態(tài)，其精度要比美國GPS系統(tǒng)低。俄羅斯2021年成功發(fā)射3顆Glonass衛(wèi)星(2021.09.02)但另有3顆發(fā)射失敗(2021.12)；2021年7月，另有一箭三星發(fā)射失敗;2021年3月24日俄成功發(fā)射一顆“格洛納斯－Ｍ〞導(dǎo)航衛(wèi)星。2021年2月，發(fā)射首顆格洛納斯-K導(dǎo)航衛(wèi)星，它比第二代“格洛納斯－M〞衛(wèi)星服役期限更長，可達(dá)10年，重量更輕，導(dǎo)航更為準(zhǔn)確GLONASS定位的精準(zhǔn)度，和GPS相比有一定差距，但其具有更強(qiáng)的抗干擾能力。46on11August2021,

SergeiIvanov

announcedaplantointroducea25%importdutyonallGPS-capabledevicesandforceallcarmanufacturersinRussiatosupportGLONASS實(shí)際上，至2021年，俄國內(nèi)已有23%的飛機(jī)、87%的船只和80%的公共交通工具使用“格洛納斯〞。Since2021,GLONASSwasthesecondmostusedpositioningsystemin

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afterGPS7December2021,thesystemwasofficiallycompleted5.典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍(4)北斗系統(tǒng)〔中國〕 北斗雙星定位系統(tǒng)是我國自行建立起來的一種區(qū)域性定位系統(tǒng)〔RDSS〕。2003年5月25日，我國成功發(fā)射了第三顆“北斗一號〞導(dǎo)航定位衛(wèi)星，作為“北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)〞的備份星，連同2000年10月31日和12月21日發(fā)射升空的兩顆“北斗一號〞導(dǎo)航定位衛(wèi)星和一個(gè)地面中心站，形成了一個(gè)較為完善的“雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)〞?！半p星導(dǎo)航定位系統(tǒng)〞應(yīng)歸于“衛(wèi)星無線電定位效勞〞〔RDSS〕。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航與美國的GPS相比，最具特色的就是它的短信功能，每條能發(fā)送120個(gè)漢字，目前正在進(jìn)行系統(tǒng)改建，以后短信將到達(dá)1000個(gè)漢字或更大的傳輸程度. 截止2021年底，已發(fā)射第十六顆北斗導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)衛(wèi)星，正式形成了覆蓋亞太地區(qū)的北斗二號系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自2021年12月正式宣布提供試運(yùn)行效勞以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效勞性能不斷提升。系統(tǒng)測試評估說明，北斗系統(tǒng)定位精度平面10米、高程15米，測速精度0.2米/秒，授時(shí)精度50納秒，已逐步拓展到交通運(yùn)輸、氣象、漁業(yè)、林業(yè)、電信、水利、測繪等應(yīng)用領(lǐng)域，產(chǎn)生出顯著的經(jīng)濟(jì)、社會效益。巴基斯坦、印尼、老撾、文萊、緬甸和泰國等是近期重點(diǎn)開發(fā)的外國用戶預(yù)計(jì)到2021年，我國將建成由5顆地球靜止軌道和30顆地球非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)而成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，將為全球提供效勞全球定位市場的競爭態(tài)勢：“一家領(lǐng)先，三家加速跑〞，GPS雖然還占據(jù)主導(dǎo)，但其優(yōu)勢正逐步被其他三大系統(tǒng)所消解。如果說GPS勝在成熟，“伽利略〞勝在精準(zhǔn)，“格洛納斯〞勝在抗干擾能力強(qiáng)，那么“北斗〞的優(yōu)勢那么在于開放性和互動性。5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)RSS:RadioSignalStrengthABCRADAR–OnlinePhase<<x,y,z>,<A:10,B:20,C:15>><<x,y,z>,<A:12,B:19,C:15>><<x’,y’,z’>,<A:0,B:30,C:40>>…RSSIMapAttheunknownlocation,recordallRSSIvalues:<RSSIA,RSSIB,RSSIC>=<A:11,B:20,C:13>ThelocationoftheclosestfingerprintintheRSSIMapbecomesthelocationoftheuser:<x,y,z>

Closestfingerprint–UserLocation:<x,y,z>[Bahl2000]5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用指紋方式定位的系統(tǒng)RADAR〔2000〕通過對特定環(huán)境下的RF信號衰落特征值進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)處理處理分成2個(gè)階段：離線階段〔off-linephase〕和在線階段〔on-linephase〕。離線階段訓(xùn)練不同參考位置所對應(yīng)〔試驗(yàn)環(huán)境下的〕3個(gè)基站的信號強(qiáng)度信息，生成信號指紋〔每個(gè)指紋對應(yīng)一個(gè)信號向量，也對應(yīng)一個(gè)參考位置〕信息。在線階段隨時(shí)采集3個(gè)基站的信號信息，生成未知位置的信號強(qiáng)度向量，與各個(gè)指紋相比對，進(jìn)行歸屬定位。影響：有人、無人，對信號影響很大5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用指紋方式定位的系統(tǒng)SpotON〔1999〕SpotOn標(biāo)簽的硬件由DragonballEZ處理器、在916.5MHz的TR1000射頻收發(fā)器和10-bitA/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。該系統(tǒng)基于射頻接收信號強(qiáng)度〔RSS〕分析的三維位置感知方法，實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)的定位。505.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng)BatSystem〔1999〕Cricket〔2000〕5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng)BatSystem〔1999〕Cricket〔2000〕MIT提出了一種融合TDOA和信號到達(dá)相位差的硬件解決方案——CricketCompass，其原型系統(tǒng)可在40角內(nèi)以5的誤差確定接收信號方向。Cricket系統(tǒng)是麻省理工學(xué)院的Oxygen工程的一局部，用來確定移動或靜止節(jié)點(diǎn)在大樓內(nèi)的具體所在房間位置。該定位系統(tǒng)利用射頻信號與超聲波信號到達(dá)時(shí)間間隔和各自的傳播速度，計(jì)算出未知位置節(jié)點(diǎn)到位置節(jié)點(diǎn)的距離。525.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)CalamariAHLoS〔AdHocLocalizationSystem〕〔2001〕5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)CalamariCalamar采用超聲波傳播時(shí)間〔TOA〕和接收電信號強(qiáng)度〔RSS〕方式定位。使用超聲波的測距，將49個(gè)節(jié)點(diǎn)部署在144平方米的范圍。定位中等誤差0.53m。使用RSS，系統(tǒng)分別在半個(gè)足球場，定位中等誤差4.1m。5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)AHLoS〔AdHocLocalizationSystem〕〔2001〕AHLoS使用RSS進(jìn)行接近情況探測，同時(shí)使用RF和超聲波的收發(fā)時(shí)間進(jìn)行TDOA測量。AHLoS系統(tǒng)中使用3種多邊定位算法：原子式〔atommultilateration〕、協(xié)作式〔collaborativemultilateration〕和迭代式〔iterativemultilateration〕。原子式多邊定位就是普通的最大似然估計(jì)定位。55原子式協(xié)作式迭代式5.典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)無需測距的定位系統(tǒng)——〔歸屬定位類〕ActiveBadge〔1992〕 每一個(gè)目標(biāo)上安裝一個(gè)badge。每個(gè)badge周期地每15秒鐘，紅外線發(fā)送大約持續(xù)0.1秒的唯一ID號。位置的參考節(jié)點(diǎn)收到這些信號，傳送到網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)知道當(dāng)前某個(gè)badge在哪一個(gè)cell附近。ActiveBadge系統(tǒng)的缺點(diǎn)是部署大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)(即：大量參考節(jié)點(diǎn))困難，同時(shí)，紅外線容易受到光線的干擾，尤其是在戶外。因此，ActiveBadge是一個(gè)室內(nèi)的基于小區(qū)〔cell-based〕的定位系統(tǒng)….即參考節(jié)點(diǎn)相互較遠(yuǎn)，其覆蓋范圍沒有交集——意圖：只定位到關(guān)鍵位置。思科和SITA公司合作，在麥哥本哈根國際機(jī)場建立了一套室內(nèi)定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含600個(gè)AP接入點(diǎn)，可通過Wi-Fi信號分析客戶行為，實(shí)現(xiàn)基于信號強(qiáng)度的歸屬定位。誤差在10英尺(約合3米)以內(nèi)。主要作用：防止飛機(jī)延誤：飛機(jī)的延誤原因之一是乘客傳完登機(jī)牌后沒有按時(shí)登機(jī)，該系統(tǒng)可以根據(jù)乘客和特定登機(jī)口的距離提前提醒乘客登機(jī)，取代傳統(tǒng)的播送提醒改為定向針對個(gè)人的提醒。提供機(jī)場的客流量和關(guān)鍵性能指標(biāo)的實(shí)時(shí)信息，如平均排隊(duì)時(shí)間。為使用iPhone的乘客更有效地在航站樓中導(dǎo)航，提供地圖和機(jī)場效勞信息。IndoorAtlas室內(nèi)定位Google已經(jīng)在android4.0上集成室內(nèi)定位API，通過networkprovider接口設(shè)置可以從GPS切換為wifi指紋定位。定位原理為基于wifi的指紋定位，以mac地址為唯一標(biāo)識，通過眾包(crowdsensing)方式〔用戶上傳指紋信息〕采建立指紋庫。定位精度和參考點(diǎn)粒度有關(guān)。Nokia聯(lián)盟64百度時(shí)間同步的必要性晶體振蕩器的頻率本身存在偏差，同時(shí)又容易受到濕度、電磁波干擾等影響每個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間并非同步的時(shí)間同步相互協(xié)作的完成感知任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)集中式系統(tǒng)與分布式系統(tǒng)集中式：事件間有著明確的時(shí)間先后關(guān)系，不存在同步問題分布式：同步是必需的，只是對同步的要求程度不同無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步典型的分布式系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的根底多傳感器數(shù)據(jù)壓縮與融合低功耗MAC協(xié)議、路由協(xié)議網(wǎng)絡(luò)管理〔例如覆蓋率等〕的要求測距、定位〔位置相關(guān)報(bào)務(wù)，LBS〕分布式系統(tǒng)的傳統(tǒng)要求......WSN時(shí)間同步機(jī)制的主要性能參數(shù)最大誤差：一組傳感器節(jié)點(diǎn)之間的最大時(shí)間差或相對外部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的最大差值。同步期限：節(jié)點(diǎn)保持時(shí)間同步的時(shí)間長度。同步范圍：節(jié)點(diǎn)保持時(shí)間同步的區(qū)域范圍?？捎眯裕悍秶采w的完整性。效率：到達(dá)同步精度所經(jīng)歷的時(shí)間以及消耗的能量。代價(jià)和體積：需要考慮節(jié)點(diǎn)的價(jià)格和體積。排序、相對同步與絕對同步

邏輯時(shí)間同步絕對時(shí)間同步外同步與內(nèi)同步參考源不同局部同步與全網(wǎng)同步同步對象的范圍不同傳統(tǒng)與挑戰(zhàn)傳統(tǒng)同步方法NTP：網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議GPS：全球定位系統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)NTP〔NetworkTimeProtocol〕體系結(jié)構(gòu)〔網(wǎng)絡(luò)〕NTP〔NetworkTimeProtocol〕體系結(jié)構(gòu)〔單機(jī)〕NTP〔NetworkTimeProtocol〕NTP不適合WSNWSN體積、計(jì)算能力和存儲空間存在限制，而NTP要頻繁的進(jìn)行信息交換傳輸方式不同：不可靠無線而非有線拓?fù)鋭討B(tài)性較強(qiáng)WSN可能只有少數(shù)節(jié)點(diǎn)有GPS等時(shí)間模塊WSN的目標(biāo)是局部最優(yōu)而非全局最優(yōu)GPS〔GlobalPositionSystem〕從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航與定位問題。每顆衛(wèi)星上配備有高精度的銣、銫原子鐘，并不斷發(fā)射其時(shí)間信息地面接收裝置同時(shí)接收4顆衛(wèi)星的時(shí)間信息，采用偽距測量定位方法可計(jì)算出時(shí)間和位置信息缺點(diǎn)〔室內(nèi)、功耗、本錢等〕傳感器網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)室內(nèi)、礦井、森林，有遮擋低功耗、低本錢和小體積傳輸延遲的不確定性可擴(kuò)展性、移動性健壯性、平安性網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、多點(diǎn)協(xié)作挑戰(zhàn)--傳輸延遲的不確定性SendtimeAccesstimeTransmissiontimeReceptiontimeReceivetimePropagationtimeSenderReceiver發(fā)送時(shí)間：發(fā)送節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和發(fā)送時(shí)間同步消息所用時(shí)間。e.g.,系統(tǒng)調(diào)用時(shí)間；內(nèi)核調(diào)度時(shí)間；消息從主機(jī)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)接口時(shí)間。訪問時(shí)間：發(fā)送節(jié)點(diǎn)等待訪問網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的時(shí)間。最不確定傳播延遲：發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)浇邮展?jié)點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間。接收時(shí)間：從接收節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口接收到消息到通知主機(jī)消息到達(dá)事件所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。傳輸延遲的進(jìn)一步細(xì)化(在Mica2上)時(shí)間典型值特性Sendtime&Receivetime0~100ms不確定，依賴處理器負(fù)載、操作系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)用開銷Accesstime10~500ms不確定，依賴信道負(fù)載。Transmissiontime&Receptiontime10~20ms確定，依賴報(bào)文長度和發(fā)送速率。Propagationtime<1μs（距離<300米）確定，依賴收發(fā)方物理距離和傳播媒質(zhì)特性。Interruptwaitingtime在大多數(shù)情況下<5μs，在重負(fù)載下，可達(dá)30μs不確定，依賴處理器類型和處理器負(fù)載。Encodingtime&Decodingtime100~200μs，<2μs的抖動確定，依賴射頻芯片的種類和設(shè)置。Bytealignmenttime0~400μs確定，依賴發(fā)送速率和收發(fā)字節(jié)偏移。挑戰(zhàn)--低功耗、低本錢和小體積軟硬件都要受到該限制存儲與計(jì)算能力均比較小加劇了電能供給的緊張〔電池體積〕網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、密度高通信距離近分布式、協(xié)作挑戰(zhàn)--可擴(kuò)展性〔Scalability〕在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中尤為重要是大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟硬件設(shè)計(jì)中非常重要的問題滿足不同的網(wǎng)絡(luò)類型、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模滿足不同的應(yīng)用需求挑戰(zhàn)--健壯性外部環(huán)境復(fù)雜，搞毀能力需要應(yīng)對平安性挑戰(zhàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)性較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變化、需求變化典型時(shí)間同步協(xié)議NTP〔NetworkTimeProtocol〕DMTS〔DelayMeasurementTimeSynchronization〕RBS〔ReferenceBroadcastSynchronization〕TPSN〔Timing-syncProtocolforSensorNetworks〕Tiny-sync(TightTimeSynchronizationforWSN)HRTS〔HierarchyReferencingTimeSynchronizationProtocol〕FTSP〔FloodingTimeSynchronizationProtocol〕GCS〔GlobalClockSynchronization〕發(fā)送者

接收者：DMTS最簡單直觀單報(bào)文同步同步精度低t2’=t0+nt+(t2-t1)播送方式同步能耗低發(fā)送者接收者發(fā)送前導(dǎo)碼、同步字（nt）嵌入時(shí)標(biāo)t0：發(fā)送端的處理延遲和MAC層的訪問延遲接收前導(dǎo)碼、同步字接收ACK接收數(shù)據(jù)發(fā)送ACK接收處理時(shí)標(biāo)t1時(shí)標(biāo)t2發(fā)送時(shí)間訪問時(shí)間DMTS〔DelayMeasurementTimeSynchronization〕基于同步消息在傳輸路徑上所有延遲的估計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間同步接收者接收者：RBS〔ReferenceBroadcastSynchronizationNICSenderReceiver1CriticalPathReceiver2通過播送同步指示分組實(shí)現(xiàn)接收點(diǎn)間的相對時(shí)間同步RF信號的傳播時(shí)間差值非常小可以消除接收節(jié)點(diǎn)的接收協(xié)議處理、上下文切換、網(wǎng)絡(luò)接口向主機(jī)傳送影響RBS機(jī)制性能的因素：時(shí)鐘偏差、接收點(diǎn)非確定性因素以及接收點(diǎn)的個(gè)數(shù)接收者時(shí)間相移均值為0TPSN〔Timing-syncProtocolforSensorNetworks〕雙報(bào)文交換的發(fā)送者接收者同步節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)BT1T4T2T3RequestReply同步點(diǎn)對同步誤差的分析很重要，是一種根本的分析方法理論分析和實(shí)驗(yàn)證明：TPSN同步誤差是RBS的一半結(jié)合對clockskew的估計(jì)，可以提高TPSN的精度TPSN〔Timing-syncProtocolforSensorNetworks〕多跳TPSN全網(wǎng)周期性同步“層發(fā)現(xiàn)〞把網(wǎng)絡(luò)組織成最短生成樹逐層在相鄰兩層節(jié)點(diǎn)間同步網(wǎng)絡(luò)內(nèi)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的同步“后同步〞查找兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的路徑在路徑的相鄰兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行TPSN同步思考題傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步的作用是什么？傳感器網(wǎng)絡(luò)常見的時(shí)間同步機(jī)制有哪些？理解TPSN時(shí)間同步協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過程。時(shí)間同步定位數(shù)據(jù)融合Q1:內(nèi)容安排是什么？融合的定義：什么是融合融合的作用：為什么需要融合融合的分類：融合的方法：怎樣實(shí)現(xiàn)融合經(jīng)典協(xié)議Q2：什么是融合？參考案例：1.戰(zhàn)場上部署雷達(dá)、激光測距傳感器、攝像頭等多種傳感器，綜合所有感知數(shù)據(jù)檢測敵方情況并做出決策；2.父節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)所有子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，把所有子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)組合成一個(gè)數(shù)據(jù)包再發(fā)送融合的對象：多信源、多層次融合的過程：數(shù)據(jù)的檢測〔detection〕、關(guān)聯(lián)(correlation)、估計(jì)(estimation)和合并(combination)融合的輸出：低層次的狀態(tài)分析，高層次的態(tài)勢評估和決策Q2：

什么是融合？數(shù)據(jù)融合〔dataaggregation〕又叫信息融合，通過對來自同一目標(biāo)的多元數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化合成，獲得比單一信息源更精確完整的估計(jì)和判斷。軍事應(yīng)用的角度來說，Waltz&Llinas定義：多傳感器數(shù)據(jù)融合是一種多層次、多方面的處理過程，這個(gè)過程對多源數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、互聯(lián)、相關(guān)、估計(jì)和組合，以更高的精度、更高的置信度得到目標(biāo)的狀態(tài)估計(jì)和身份識別，以及完整的態(tài)勢估計(jì)和威脅評估，為指揮員提供有用的決策信息。Q3:你能想得到多少融合的例子？Q4：為什么需要融合？節(jié)省本錢和能量消耗等使用多個(gè)廉價(jià)傳感器獲得和昂貴的高精度傳感器相同的效果，節(jié)省本錢降低數(shù)據(jù)傳輸量和傳輸消耗的能量〔in-networkaggregation〕提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性冗余測量，提高置信度和容錯(cuò)性降低噪聲等影響，提高精度增加感知的角度，提供更全面的感知提高效率精簡數(shù)據(jù)量，可以防止頻繁的沖突碰撞、快速的到達(dá)目的Q5：融合的分類有哪些？根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)的信息含量分類無損/有損融合根據(jù)數(shù)據(jù)融合和應(yīng)用數(shù)據(jù)語義之間關(guān)系分類依賴于應(yīng)用/獨(dú)立于應(yīng)用的/混合的融合根據(jù)對數(shù)據(jù)的操作級別數(shù)據(jù)級/特征級/決策級融合Q6:融合的方法：怎樣實(shí)現(xiàn)融合？多個(gè)同構(gòu)節(jié)點(diǎn)感知一個(gè)目標(biāo)事件－平均法實(shí)時(shí)動態(tài)的多傳感器冗余數(shù)據(jù)－卡爾曼濾波靜態(tài)冗余數(shù)據(jù)－貝葉斯估計(jì)未知引起的不確定性－D-S證據(jù)推論可加噪聲引起的不確定性－統(tǒng)計(jì)決策論目標(biāo)特征有一定的模糊性現(xiàn)象－模糊邏輯法對傳感器特性和環(huán)境特性進(jìn)行分析－產(chǎn)生式規(guī)那么法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法Q7:經(jīng)典協(xié)議有哪些？TAGDDTinyAggregationTAGUseSQL

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