《物联网导论》第4章_定位系统v11

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,#,第,4,章,定位系统,内容提,要,要,通过,定位系,统,统,获取位,置,置信息,是,是物联,网,网时代,的,的重要,研,研究课,题,题。,本章将,典,典型的,定,定位系,统,统和定,位,位技术,。,。,第3章介绍,了,了传感,器,器技术,传感器,的,的设计,需,需求（,低,低成本,与,与微型,化,化，低,功,功耗，,灵,灵活性,与,与扩展,性,性，鲁,棒,棒性）,传感器,的,的软硬,件,件平台,本章介,绍,绍,位置信,息,息,的概念,，,，重点,介,介绍,典型的,定,定位系,统,统,（卫星,定,定位，,蜂,蜂窝基,站,站定位,，,，无线,室,室内环,境,境定位,，,，新兴,定,定位系,统,统）以,及,及,三种常,见,见的定,位,位技术,。,内容回,顾,顾,4.1,位置信,息,息,4.2定位系,统,统,4.3定位技,术,术,4.4物联网,对,对定位,技,技术的,新,新挑战,位置信,息,息的三,大,大要素,是,是什么,？,？,本章内,容,容,为什么,需,需要定,位,位？,基于位,置,置的服,务,务,自动导,航,航,搜索周,边,边服务,信,信息,基于位,置,置的社,交,交网络,：,：Four square,位置信,息,息和我,们,们的生,活,活息息,相,相关,位置信,息,息,不是单,纯,纯的“,位,位置”,地理位,置,置（,空间,坐标）,处在该,位,位置的,时,时刻（,时间,坐标）,处在该,位,位置的,对,对象（,身份,信息）,4.1位置信,息,息,4.2,定位系,统,统,4.3定位技,术,术,4.4物联网,对,对定位,技,技术的,新,新挑战,典型的,定,定位系,统,统有哪,些,些？各,自,自有哪,些,些特点,？,？,本章内,容,容,现存主,流,流定位,系,系统,卫星定,位,位：,GPS,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,：,：,A-GPS，网络,定,定位,卫星定,位,位,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,各国的,卫,卫星定,位,位系统,美国：GPS,俄罗斯,：,：GLONASS,欧盟：,伽,伽利略,中国：,北,北斗一,号,号（区,域,域）、,北,北斗二,号,号（全,球,球）,GPS,是目前,世,世界上,最,最常用,的,的,卫星导,航,航系统,。,GPS：发展,简,简史,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,1973年，美,国,国国防,部,部开始GPS计划,1983年，里,根,根承诺,将,将来对,民,民间开,放,放使用,1989年，正,式,式开始,发,发射GPS工作卫,星,星,1994年，卫,星,星星座,组,组网完,成,成，投,入,入使用,2000年，克,林,林顿下,令,令取消,军,军用/民用信,号,号的精,度,度差别,对,对待(20mvs300m),GPS：系统,结,结构,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,宇宙空,间,间部分,24颗工作,卫,卫星,地面监,控,控部分,（全部,在,在美国,境,境内）,1个主控,中,中心（,另,另有1个备用,）,）,4个专用,地,地面天,线,线,6个专用,监,监视站,用户设,备,备部分,GPS接收机,GPS：定位,原,原理,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,GPS：主要,优,优缺点,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,优点,精度高,全球覆,盖,盖，可,用,用于险,恶,恶环境,缺点,启动时,间,间长,室内信,号,号差,需要GPS接收机,GPS典型应,用,用：汽,车,车导航,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,最初仅,能,能提供,位置,和,周边地,图,图,第二代,汽,汽车导,航,航系统,可,可根据,目,目的地,自,自动计,算,算“,最短,”路线,互联网,时,时代，,汽,汽车导,航,航可从,交,交管部,门,门取得,路,路况咨,询,询，优,化,化路线,，,，找出,“,“,最快,”路线,GPS典型应,用,用：汽,车,车导航,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,物联网,时,时代，,感知更,透,透彻,综合道路状,况,况，污,染,染指数,，,，天气,状,状况，,加,加油站,的,的分布,，,，驾驶,员,员的身,体,体状况,等,等各种因,素,素找出“,最,最佳”,路,路线,由“以,路,路为本,”,”转变,到,到“以,人,人为本,”,”,蜂窝基,站,站定位,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,GSM蜂窝网,络,络,通讯区,域,域被分,割,割成蜂,窝,窝小区,每个小,区,区对应,一,一个通,讯,讯基站,通讯设,备,备连接,小,小区对,应,应基站,进,进行通,讯,讯,利用,基站位,置,置已知,的条件,，,，可对,通,通讯设,备,备进行,定,定位,单基站,定,定位法,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,COO定位（Cell of Origin）,将移动,设,设备所,属,属基站,的,的位置,视,视为移,动,动设备,的,的位置,精度直,接,接取决,于,于基站,覆,覆盖的,范,范围,基站分,布,布疏松,地,地区，,一,一个基,站,站覆盖,范,范围半,径,径可达,数,数公里,，,，误差,巨,巨大,优点：,简单、,快,快速，,适,适用紧,急,急情况,多基站,定,定位法,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,ToA,/,/TDoA定位法,需要三,个,个基站,才,才能定,位,位,稀疏地,区,区可能,只,只能收,到,到两个,基,基站的,信,信号，,不,不适用,AoA定位法,蜂窝基,站,站定位,：,：主要,优,优缺点,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,优点,不需要GPS接收机,，,，可通,讯,讯即可,定,定位,启动速,度,度kuai,信号穿,透,透能力,强,强，室,内,内亦可,接,接收到,缺点,定位精,度,度相对,较,较低,基站需,要,要有专,门,门硬件,，,，造价,昂,昂贵,典型应,用,用：紧,急,急电话,定,定位,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,美国E-911系统,拨打报,警,警电话,时,时，根,据,据基站,定,定位出,手,手机位,置,置，自,动,动接到,最,最近警,局,局,综合了,各,各种定,位,位系统,，,，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS,使用时,尝,尝试各,种,种定位,方,方法，,择,择优而,用,用,无线室,内,内环境,定,定位,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,室内环,境,境的复,杂,杂性,多径效,应,应,原因：,障,障碍物,反,反射电,磁,磁波，,反,反射波,和,和原始,波,波在接,收,收端混,叠,叠,室内障,碍,碍物众,多,多，多,径,径效应,明,明显,对电磁,波,波的阻,碍,碍作用,长波信,号,号（GPS）传播,能,能力强,，,，穿透,能,能力弱,室内应,选,选用短,波,波信号,来,来进行,定,定位,无线室,内,内环境,定,定位,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,需求,主要来,自,自企业,和,和个人,：,：难以,购,购置ToA，TDoA，AoA等技术,所,所需的,昂,昂贵硬,件,件,RSS定位技,术,术,使用信,号,号强度,进,进行定,位,位,利用已,有,有的无,线,线网络,（,（蓝牙,、,、Wi-Fi、ZigBee）,红外线,、,、超声,波,波、蓝,牙,牙、RFID、超宽,带,带,RFID定位典,型,型应用,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,资产管,理,理,在设备,上,上贴上RFID标签,需要使,用,用时通,过,过RFID定位找,到,到标签,的,的位置,，,，从而,定,定位设,备,备的位,置,置,结合感,知,知技术,，,，还可,以,以监控,设,设备的,状,状况,是否空,闲,闲,是否故,障,障,是否老,化,化,新兴定,位,位系统,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,A-GPS,GPS定位和,蜂,蜂窝基,站,站定位,的,的结合,体,体,利用基,站,站定位,确,确定大,致,致范围,连接网,络,络查询,当,当前位,置,置可见,卫,卫星,大大缩,短,短搜索,卫,卫星的,时,时间,新兴定,位,位系统,（,（续）,卫星定,位,位,蜂窝基,站,站定位,无线室,内,内环境,定,定位,新兴定,位,位系统,无线AP定位,利用可,见,见Wi-Fi接入点,来,来定位,在大城,市,市中，,无,无线AP数目多,，,，定位,非,非常精,确,确,在iPhone中成熟,应,应用,网络定,位,位,用于无,线,线传感,网,网、自,组,组织网,络,络,通过少,量,量位置,已,已知节,点,点，定,位,位出全,网,网络节,点,点的位,置,置,4.1位置信,息,息,4.2定位系,统,统,4.3,定位技,术,术,4.4物联网,对,对定位,技,技术的,新,新挑战,除了距,离,离，哪,些,些空间,信,信息还,可,可用于,定,定位技,术,术？,本章内,容,容,4.3定位技,术,术,定位技,术,术的关,键,键：,有一个,或,或多个,已,已知坐,标,标的参,考,考点,得到待,定,定物体,与,与已知,参,参考点,的,的空间,关,关系,定位技,术,术的两,个,个步骤,：,：,测量物,理,理量,根,根据物,理,理量确,定,定目标,位,位置,常见定,位,位技术,：,：,基于距,离,离的定,位,位（ToA）,基于距,离,离差的,定,定位（TDoA）,基于信,号,号特征,的,的定位,（,（RSS）,基于距,离,离的定,位,位（ToA）,基于距,离,离,基于距,离,离差,基于信,号,号特征,距离测,量,量方法,距离d =波速v *传播时,间,间t,传播时,间,间t=收到时,刻,刻t 发出时,刻,刻t0,问题：接受端,如,如何得,知,知t0？,基于距,离,离的定,位,位（ToA）,基于距,离,离,基于距,离,离差,基于信,号,号特征,方法,1,：,利用波速差,发送端同时发送一道电磁波和声波,接收端记录：,电磁波到达时刻,声波到达时刻,距离,由于 远大于 ，上式可简化为,基于距,离,离的定,位,位（ToA）,基于距,离,离,基于距,离,离差,基于信,号,号特征,方法,2,：,测量波的往返时间,发送端于时刻 发送波,接收端收到波后，等待时间 后返回同样的波,发送端记录收到回复的时间,距离,基于距,离,离的定,位,位（ToA）,基于距,离,离,基于距,离,离差,基于信,号,号特征,位置计,算,算方法,多边测,量,量（也称,多,多点测,量,量）,平面上,定,定位，,取,取三个,参,参考点,以每个,参,参考点,为,为圆心,，,，到该,参,参考点,的,的距离,为,为半径,画,画圆，,目,目标必,在,在圆上,平面上,三,三个圆,交,交于一,点,点,实际中,取,取用超,过,过三个,参,参考点,，,，用,最小二,乘,乘法,减少误,差,差,基于距,离,离差的,定,定位（TDoA）,基于距,离,离,基于距,离,离差,基于信,号,号特征,ToA的局限,需要参,考,考点和,测,测量目,标,标时钟,同,同步,TDoA,不需要,参,参考点,和,和测量,目,目标时,钟,钟同步,参考点,之,之间仍,然,然需要,时,时钟同,步,步,基于距,离,离差的,定,定位（TDoA）,基于距,离,离,基于距,离,离差,基于信,号,号特征,距离差,测,测距方,法,法,测量目,标,标广播,信,信号,参考点i，j分别记,录,录信号,接,接收到,的,的时刻ti，tj,测量目,标,标到i，j的距离,差,差,基于距,离,离差的,定,定位（TDoA）,基于距,离,离,基于距,离,离差,基于信,号,号特征,位置计,算,算方法,至少两,组,组数据,联,联立方,程,程求解,实际采,用,用多组,数,数据最,小,小二乘,法,法求解,每次测,量,量结果,参考点,坐,坐标,到参考,点,点的距,离,离,构建方,程,程：,基于信,号,号特征,的,的定位,基于距,离,离,基于距,离,离差,基于信,号,号特征,ToA和TDoA都需要,接,接收端,特,特殊装,置,置,基于信,号,号特征,的,的定位,直接利,用,用无线,通,通信的,射,射频信,号,号定位,，,，,不需要,额,额外设,备,备,原理：,信号强,度,度随传,播,播距离,衰,衰减,问题：,理想公,式,式实际,难,难以应,用,用,基于信,号,号特征,的,的定位,基于距,离,离,基于距,离,离差,基于信,号,号特征,解决方,法,法：,将信号,强,强度看,做,做“特,征,征”,预先布,置,置N个参考,节,节点,测出N个参考,节,节点信,号,号的强,度,度，得,到,到一个N维向量,事先测,出,出区域,中,中每个,位,位置的,特,特征向,量,量,将目标,测,测出的,特,特征向,量,量和事,先,先测量,值,值比对,，,，找出,位,位置,缺点：,不能应,对,对动态,变,变化,基于信,号,号特征,的,的定位,基于距,离,离,基于距,离,离差,基于信,号,号特征,LANDMARC：,基于信,号,号特征,的,的,动态定,位,位,方法,除了信,号,号发送,源,源，再,布,布置一,系,系列RFID标签作,为,为参考,标,标志,每个标,志,志随时,记,记录自,己,己收到,的,的RSS信号强,度,度特征,向,向量,将目标,测,测得的,信,信号特,征,征向量,与,与参考,标,标志此,时,时的特,征,征向量,进,进行比,对,对，确,定,定位置,，,，误差,在,在1m范围以,内,内,4.1位置信,息,息,4.2定位系,统,统,4.3定位技,术,术,4.4,物联网,对,对定位,技,技术的,新,新挑战,物联网,背,背景对,定,定位技,术,术有哪,些,些新的,需,需求？,本章内,容,容,网络异,构,构,接入物,联,联网的,设,设备五,花,花八门,连接起,来,来的网,络,络各自,不,不同,如何,让,让不同,的,的设备,在,在不同,的,的网络,下,下准确,定,定位,环境多,变,变,室外vs.室内,空旷地,带,带vs.障碍物,众,众多,静止设,备,备vs.频繁运,动,动,4.4物联网,下,下定位,技,技术的,新,新挑战,信息安,全,全与隐,私,私保护,位置信,息,息内涵,丰,丰富且,隐,隐私息,息,息相关,高精度,位,位置信,息,息泄露,的,的后果,严,严重,如何,既,既保证,信,信息精,度,度，又,保,保护个,人,人隐私,大规模,应,应用,物联网,时,时代，,接,接入网,络,络的设,备,备将超,过,过500亿台,如何,应,应对庞,大,大的数,量,量增长,如何,让,让定位,技,技术为,简,简单设,备,备（如RFID标签）,所,所用,4.4物联网,下,下定位,技,技术的,新,新挑战,本章小,结,结,内容回,顾,顾,本章介,绍,绍了位,置,置信息,的,的基本,概,概念，,重,重点讨,论,论了四,种,种定位,系,系统以,及,及三种,典,典型的,定,定位技,术,术，最,后,后探讨,了,了物联,网,网对定,位,位技术,的,的新挑,战,战。,重点掌,握,握,了解位,置,置信息,的,的三要,素,素。,了解GPS的系统,组,组成，,定,定位原,理,理，典,型,型应用,和,和优缺,点,点。,了解蜂,窝,窝基站,定,定位（,单,单基站,和,和多基,站,站）的,方,方法以,及,及优缺,点,点。,回顾RFID的基本,概,概念，,举,举例说,明,明RFID定位的,应,应用，,举,举例说,明,明新兴,定,定位技,术,术。,本章小,结,结,重点掌,握,握（续,）,）,掌握基,于,于位置,的,的定位,距,距离测,量,量的两,种,种方法,。,。,掌握基,于,于位置,差,差的定,位,位测量,方,方法和,位,位置计,算,算方法,，,，与基,于,于位置,的,的定位,相,相比有,何,何优缺,点,点。,了解基,于,于信号,特,特征的,定,定位方,法,法。,举例说,明,明物理,网,网环境,下,下定位,技,技术的,新,新挑战,。,。,Thankyou,!,!,