無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位與目標(biāo)跟蹤技術(shù)

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 定位與目標(biāo)跟蹤技術(shù),WSN定位技術(shù),確定自己(目標(biāo)或節(jié)點(diǎn))在系統(tǒng)中的位置 在系統(tǒng)中尋找目標(biāo)(節(jié)點(diǎn))的位置,絕對(duì)位置：目標(biāo)在某一特定坐標(biāo)系中的位置(經(jīng)緯度、高度等) 相對(duì)位置：相對(duì)于某一基點(diǎn)的位置關(guān)系,基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),按傳感器工作模式分類,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù) 基于上行鏈路 提供相對(duì)位置 確定錨節(jié)點(diǎn)(基點(diǎn)，L1、L2、L3)，再根據(jù)目標(biāo)(A)與錨節(jié)點(diǎn)的距離，確定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置,基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),按傳感器工作模式分類,基于帶有傳感器的移動(dòng)終端定位技術(shù) 基于下行鏈路 提供多種位置信息 定位準(zhǔn)確快速，解算相對(duì)復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)硬件有一定要求,基于帶有傳感器的移動(dòng)終端

2、的定位技術(shù),RSSI定位法 根據(jù)無線信道的路徑損耗模型，利用接收信號(hào)強(qiáng)度、發(fā)送功率來估計(jì)傳輸?shù)闹本€距離。 優(yōu)點(diǎn)：硬件門檻低 缺點(diǎn)：精度受路徑障礙物影響較大,基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),基于帶有傳感器的移動(dòng)終端的定位技術(shù),TA定位法 移動(dòng)終端與附近的三個(gè)以上的基站通信，利用TA參數(shù)解算得到位置信息。 優(yōu)點(diǎn)：移動(dòng)終端無需改動(dòng) 缺點(diǎn)：無法與其他業(yè)務(wù)同時(shí)進(jìn)行；增加信令開銷；定位時(shí)間較長,基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù),基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),AOA定位法 相應(yīng)地測(cè)量出目標(biāo)與兩個(gè)基站之間的傳輸信號(hào)到達(dá)角度參數(shù)的信息，通過數(shù)學(xué)解算，得到目標(biāo)的具體位置信息 優(yōu)點(diǎn)：在基站稀疏的場(chǎng)景使用 缺點(diǎn)

3、：障礙物增大誤差,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù),基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),TOA定位法 基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間定位法，通過精確測(cè)量從目標(biāo)到三個(gè)以上基站的信號(hào)傳輸時(shí)間得到目標(biāo)到基站的距離，進(jìn)而解算出目標(biāo)的位置,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù),基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),TOA定位法 電磁波傳播速度高；目標(biāo)與基站距離小，因此TOA定位法的精度與位置測(cè)量單元的時(shí)鐘精度緊密相關(guān)。,優(yōu)點(diǎn) 終端設(shè)備無需改造 定位精度高，數(shù)據(jù)可優(yōu)化,缺點(diǎn) 時(shí)鐘同步復(fù)雜 誤差易累積放大,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù),基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),TDOA定位法 基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差定位法，通過精確測(cè)量從目標(biāo)到不同步基站的信號(hào)傳輸時(shí)間差，進(jìn)而解算出

4、目標(biāo)的位置,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù),基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),TDOA定位法 TDOA算法是對(duì)TOA算法的一種改進(jìn)方法，不直接利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間來解算目標(biāo)位置，利用信號(hào)到達(dá)時(shí)間差解算。 無需在信號(hào)中加入特定的時(shí)間標(biāo)記信息 定位精度該與TOA算法 解算二維坐標(biāo)最少需要兩個(gè)雙曲線方程，即三個(gè)基站；解算三維坐標(biāo)至少需要三個(gè)雙曲線方程，即四個(gè)基站 對(duì)硬件設(shè)備要求較高，未解決障礙物造成誤差的弊端 TDOA值解算方式：差值直接解算(時(shí)間同步)、估計(jì)算法,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù),基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),TDOA定位法,優(yōu)點(diǎn) 可在語音和控制信道上測(cè)量 適用于多種通信制式 對(duì)原有系統(tǒng)改動(dòng)不大 測(cè)量精度對(duì)

5、距離、多徑干擾、功率等因素不敏感 延時(shí)小,缺點(diǎn) 需要對(duì)基站設(shè)備進(jìn)行改造 傳感器節(jié)點(diǎn)須附加聲波或超聲波收發(fā)裝置(組合測(cè)距方式),基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù),基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),TDOA定位法 組合測(cè)量算法采用RF信號(hào)和超聲波信號(hào)測(cè)距，根據(jù)傳感器發(fā)射的兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差(T2 - T1)和兩種信號(hào)的傳播速度解算兩點(diǎn)間的距離。 測(cè)量精度提高 設(shè)備成本增加,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù),基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),COO定位法 單基站定位方式，根據(jù)移動(dòng)終端所處的傳感器網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)確定終端的具體位置。 定位原理和方式最為簡(jiǎn)單。 定位精度取決于網(wǎng)絡(luò)小區(qū)的覆蓋半徑：基站密集區(qū)域(如城市核心區(qū))，定位精度可

6、達(dá)50m以內(nèi)；基站稀疏區(qū)域(如山區(qū))，定位精度只能粗略為幾千米。,基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù),基于傳感器網(wǎng)的定位技術(shù),COO定位法,優(yōu)點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 只需建立基站覆蓋數(shù)據(jù)庫 定位快速 無需改造設(shè)備,缺點(diǎn) 定位精度較差,GPS,全球范圍定位技術(shù),GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱。 GPS系統(tǒng)利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)，稱為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱GPS。GPS是由美國國防部研制建立的一種具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，能為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確定時(shí)等導(dǎo)航信息,GPS,全球范

7、圍定位技術(shù),GPS系統(tǒng)由三部分組成 衛(wèi)星空間星座：共有24顆人造地球衛(wèi)星，其中21顆工作星，3顆備用星。分布在互成60度夾角的6個(gè)軌道平面上。每12小時(shí)環(huán)繞地球一圈。 地面控制部分：主控站、地面天線、監(jiān)測(cè)站及通訊輔助系統(tǒng)。 GPS用戶裝置：衛(wèi)星天線和接收機(jī),GPS,全球范圍定位技術(shù),GPS特點(diǎn) 衛(wèi)星不間斷發(fā)射由二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼(簡(jiǎn)稱偽碼)組成的導(dǎo)航電文，偽碼分為民用的C/A碼(粗碼)和軍用的P碼(精確碼)。 C/A碼測(cè)得的偽距精度約為10-20米， P碼偽距精度約為2米；如加入輔助手段精度可達(dá)厘米級(jí)，甚至毫米級(jí)。 GPS提供的導(dǎo)航信息為經(jīng)緯度。 地球直徑約12756km 緯度1度對(duì)應(yīng)距

8、離約為111.133km 經(jīng)度1度對(duì)應(yīng)距離約為111.413cos(km)， 為測(cè)量點(diǎn)緯度,AGPS,全球范圍定位技術(shù),輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Assisted Global Positioning System，AGPS）是一種GPS的運(yùn)行方式。它可以利用手機(jī)基地站的資訊，配合傳統(tǒng)GPS衛(wèi)星，讓定位的速度更快。 AGPS技術(shù)是一種結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)基站信息和GPS信息對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行定位的技術(shù)，可以在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中使用。 AGPS技術(shù)需要在手機(jī)具有GPS接收機(jī)模塊，改造手機(jī)天線，同時(shí)要在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上加建位置服務(wù)器、差分GPS基準(zhǔn)站等設(shè)備。如果要提高該方案在室內(nèi)等GPS信號(hào)屏蔽地區(qū)的定位有效性，該方案還提出需

9、要增添類似于EOTD方案中的位測(cè)量單元（LMU）。 GPSOne是AGPS技術(shù)的一種定位方案。,GPSOne,全球范圍定位技術(shù),GPSOne是高通公司開發(fā)的一種基于GPS的混合定位技術(shù)。 GPSOne技術(shù)利用地面基站移動(dòng)臺(tái)定位技術(shù)對(duì)GPS定位進(jìn)行互補(bǔ)輔助定位，是位置信息的獲得更加快速準(zhǔn)確。 常用的移動(dòng)臺(tái)定位技術(shù)包括AOA、TOA、TDOA等 地面定位技術(shù)：行程往返延遲RTD，導(dǎo)頻相位測(cè)量,GPSOne,全球范圍定位技術(shù),行程往返延遲RTD 設(shè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)送信號(hào)至基站的時(shí)間為t，假定上、下行鏈路的傳輸延遲特性相同，則信號(hào)返回的延遲為2t。 移動(dòng)臺(tái)信號(hào)往返時(shí)間對(duì)應(yīng)的幾何距離是基站到移動(dòng)臺(tái)實(shí)際距離的兩倍

10、。,導(dǎo)頻相位差測(cè)量 移動(dòng)臺(tái)持續(xù)搜索相鄰活躍的小區(qū)之間的導(dǎo)頻信號(hào)，用來確定基站切換的最優(yōu)選擇對(duì)象。 移動(dòng)臺(tái)測(cè)量來自基站的每一個(gè)導(dǎo)頻與參考導(dǎo)頻之間的相位差。,GPSOne,全球范圍定位技術(shù),手機(jī)上報(bào)移動(dòng)臺(tái) 導(dǎo)頻測(cè)量信息,定位引擎根據(jù)“初始位置” 計(jì)算GPS捕獲輔助數(shù)據(jù)， 發(fā)送給手機(jī),接收GPS信號(hào)和移動(dòng)臺(tái) 導(dǎo)頻測(cè)量信號(hào)， 上報(bào)定位引擎,GPS信號(hào)達(dá)標(biāo),引入其他算法計(jì) 算手機(jī)位置,采用GPS信號(hào)計(jì) 算手機(jī)位置,輸出定位結(jié)果,結(jié)果返回手機(jī),是,否,混合定位方式 通過地面輔助網(wǎng)絡(luò)和GPS共同定位 移動(dòng)臺(tái)直接利用GPS測(cè)量值計(jì)算位置信息,GPSOne,全球范圍定位技術(shù),目標(biāo)三維坐標(biāo)通過三顆衛(wèi)星獲得,利用基

11、站時(shí)鐘對(duì)移動(dòng)臺(tái)參考時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，即修正移動(dòng)臺(tái)時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘的時(shí)鐘差 時(shí)鐘差與信號(hào)路徑無關(guān)，因此無多徑干擾,GPSOne定位方案的優(yōu)勢(shì),全球范圍定位技術(shù),提高精度 使用衛(wèi)星數(shù)少,提高GPS接收機(jī)靈敏度,減少搜索 響應(yīng)快,降低設(shè)備復(fù)雜度和成本,可利用移動(dòng)臺(tái)已有器件和軟件,迅速鎖定信號(hào) 延長電池壽命,減少對(duì)通信信道干擾,縮小了移動(dòng)臺(tái)在頻域的搜索空間,GPS數(shù)據(jù)更新 累積誤差小,戰(zhàn)場(chǎng)區(qū)域定位,局部區(qū)域定位技術(shù),可快速了解作戰(zhàn)單位具體位置以及戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)情況,人員位置監(jiān)控與查找,局部區(qū)域定位技術(shù),物品與人員運(yùn)動(dòng)軌跡記錄,局部區(qū)域定位技術(shù),概念,基于節(jié)點(diǎn)的定位技術(shù),錨節(jié)點(diǎn),也叫信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，指已知自身位置信息的

12、節(jié)點(diǎn)，為其他節(jié)點(diǎn)提供參考坐標(biāo)。,鄰居節(jié)點(diǎn),一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信距離范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)的集合，大多數(shù)場(chǎng)合指一跳距離的節(jié)點(diǎn)。,跳數(shù),指兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立通訊連接所需經(jīng)過的跳段的總和。,網(wǎng)絡(luò)連接度,所有節(jié)點(diǎn)的鄰居個(gè)數(shù)取平均值，可反映傳感器配置的密集程度,多維標(biāo)度技術(shù)定位算法,集中式定位法,MDS可以將相關(guān)物體映射為低維空間中存在的一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)這個(gè)低維空間的維數(shù)轉(zhuǎn)化為2或者3時(shí)，該情景就成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)定位問題。 可用于測(cè)距式定位算法中 在錨節(jié)點(diǎn)少的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算中，誤差較大 節(jié)點(diǎn)多的網(wǎng)絡(luò)，矩陣大，運(yùn)算量大,Dv-Hop定位算法,分布式定位法,基本原理：測(cè)量確定分布在兩個(gè)或多個(gè)錨節(jié)點(diǎn)之間多跳網(wǎng)絡(luò)(未知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成)的跳數(shù)，估算出每一跳的距離，進(jìn)而估算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。 精度：網(wǎng)絡(luò)連通度為10，錨節(jié)點(diǎn)比例10%的網(wǎng)絡(luò)中，定位精確度約為33%,Dv-Hop定位算法 應(yīng)用背景：大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)無法與足夠多的錨節(jié)點(diǎn)直接通信；節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，只有錨節(jié)點(diǎn)可精確定位。,分布式定位法,優(yōu)點(diǎn) 算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，計(jì)算量小 擴(kuò)展性好 無需復(fù)雜的精確測(cè)距方式，硬件要求低，成本低,缺點(diǎn) 性能受節(jié)點(diǎn)密度影響大，節(jié)點(diǎn)密度大，精確度高 不適用于非凸區(qū)域的定位 錨節(jié)點(diǎn)的分布情況影響定位精度,質(zhì)心定位算法,分布式定位法,基本原理：錨節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間，向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)信號(hào)；未知節(jié)點(diǎn)接收到來自不同錨節(jié)