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Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,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,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,第,4,章,定位系统,第4章,1,内容提要,通过,定位系统,获取位置信息是物联网时代的重要研究课题。,本章将典型的定位系统和定位技术。,内容提要通过定位系统获取位置信息是物联网时代的重要研究课题。,2,第,3,章介绍了传感器技术,传感器的设计需求（低成本与微型化，低功耗，灵活性与扩展性，鲁棒性）,传感器的软硬件平台,本章介绍,位置信息,的概念，重点介绍,典型的定位系统,（卫星定位，蜂窝基站定位，无线室内环境定位，新兴定位系统）以及,三种常见的定位技术,。,内容回顾,第3章介绍了传感器技术内容回顾,3,4.1,位置信息,4.2,定位系统,4.3,定位技术,4.4,物联网对定位技术的新挑战,位置信息的三大要素是什么？,本章内容,4.1 位置信息本章内容,4,为什么需要定位？,基于位置的服务,自动导航,搜索周边服务信息,基于位置的社交网络：,Four square,位置信息和我们的生活息息相关,位置信息,不是单纯的“位置”,地理位置（,空间,坐标）,处在该位置的时刻（,时间,坐标）,处在该位置的对象（,身份,信息）,为什么需要定位？基于位置的服务位置信息不是单纯的“位置”,5,4.1,位置信息,4.2,定位系统,4.3,定位技术,4.4,物联网对定位技术的新挑战,典型的定位系统有哪些？各自有哪些特点？,本章内容,4.1 位置信息本章内容,6,现存主流定位系统,卫星定位：,GPS,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统：,A-GPS,，网络定位,现存主流定位系统卫星定位：GPS,7,卫星定位,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,各国的卫星定位系统,美国：,GPS,俄罗斯：,GLONASS,欧盟：伽利略,中国：北斗一号（区域）、北斗二号（全球）,GPS,是目前世界上最常用的,卫星导航系统,。,卫星定位卫星定位各国的卫星定位系统,8,GPS,：发展简史,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,1973,年，美国国防部开始,GPS,计划,1983,年，里根承诺将来对民间开放使用,1989,年，正式开始发射,GPS,工作卫星,1994,年，卫星星座组网完成，投入使用,2000,年，克林顿下令取消军用,/,民用信号的精度差别对待,GPS：发展简史卫星定位1973年，美国国防部开始GPS计划,9,GPS,：系统结构,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,宇宙空间部分,24,颗工作卫星,地面监控部分,（全部在美国境内）,1,个主控中心（另有,1,个备用）,4,个专用地面天线,6,个专用监视站,用户设备部分,GPS,接收机,GPS：系统结构卫星定位宇宙空间部分,10,GPS,：定位原理,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,GPS：定位原理卫星定位,11,GPS,：主要优缺点,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,优点,精度高,全球覆盖，可用于险恶环境,缺点,启动时间长,室内信号差,需要,GPS,接收机,GPS：主要优缺点卫星定位优点,12,GPS,典型应用：汽车导航,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,最初仅能提供,位置,和,周边地图,第二代汽车导航系统可根据目的地自动计算“,最短,”路线,互联网时代，汽车导航可从交管部门取得路况咨询，优化路线，找出“,最快,”路线,GPS典型应用：汽车导航卫星定位最初仅能提供位置和周边地图,13,GPS,典型应用：汽车导航,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,物联网时代，,感知更透彻,综合,道路状况，污染指数，天气状况，加油站的分布，驾驶员的身体状况等,各种因素,找出“最佳”路线,由“以路为本”转变到“以人为本”,GPS典型应用：汽车导航卫星定位物联网时代，感知更透彻,14,蜂窝基站定位,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,GSM,蜂窝网络,通讯区域被分割成蜂窝小区,每个小区对应一个通讯基站,通讯设备连接小区对应基站进行通讯,利用,基站位置已知,的条件，可对通讯设备进行定位,蜂窝基站定位卫星定位GSM蜂窝网络,15,单基站定位法,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,COO,定位（,Cell of Origin,）,将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置,精度直接取决于基站覆盖的范围,基站分布疏松地区，一个基站覆盖范围半径可达数公里，误差巨大,优点：,简单、快速，适用紧急情况,单基站定位法卫星定位COO定位（Cell of Origin,16,多基站定位法,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,ToA/TDoA,定位法,需要三个基站才能定位,稀疏地区可能只能收到两个基站的信号，不适用,AoA,定位法,多基站定位法卫星定位ToA/TDoA定位法,17,蜂窝基站定位：主要优缺点,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,优点,不需要,GPS,接收机，可通讯即可定位,启动速度慢,信号穿透能力强，室内亦可接收到,缺点,定位精度相对较低,基站需要有专门硬件，造价昂贵,蜂窝基站定位：主要优缺点卫星定位优点,18,典型应用：紧急电话定位,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,美国,E-911,系统,拨打报警电话时，根据基站定位出手机位置，自动接到最近警局,综合了各种定位系统，包括,ToA,，,TDoA,，,AoA,，,RSS,，,A-GPS,使用时尝试各种定位方法，择优而用,典型应用：紧急电话定位卫星定位美国E-911系统,19,无线室内环境定位,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,室内环境的复杂性,多径效应,原因：障碍物反射电磁波，反射波和原始波在接收端混叠,室内障碍物众多，多径效应明显,对电磁波的阻碍作用,长波信号（,GPS,）传播能力强，穿透能力弱,室内应选用短波信号来进行定位,无线室内环境定位卫星定位室内环境的复杂性,20,无线室内环境定位,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,需求,主要来自企业和个人：难以购置,ToA,，,TDoA,，,AoA,等技术所需的昂贵硬件,RSS,定位技术,使用信号强度进行定位,利用已有的无线网络（蓝牙、,Wi-Fi,、,ZigBee,）,红外线、超声波、蓝牙、,RFID,、超宽带,无线室内环境定位卫星定位需求主要来自企业和个人：难以购置To,21,RFID,定位典型应用,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,资产管理,在设备上贴上,RFID,标签,需要使用时通过,RFID,定位找到标签的位置，从而定位设备的位置,结合感知技术，还可以监控设备的状况,是否空闲,是否故障,是否老化,RFID定位典型应用卫星定位资产管理,22,新兴定位系统,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,A-GPS,GPS,定位和蜂窝基站定位的结合体,利用基站定位确定大致范围,连接网络查询当前位置可见卫星,大大缩短搜索卫星的时间,新兴定位系统卫星定位A-GPS,23,新兴定位系统（续）,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,无线,AP,定位,利用可见,Wi-Fi,接入点来定位,在大城市中，无线,AP,数目多，定位非常精确,在,iPhone,中成熟应用,网络定位,用于无线传感网、自组织网络,通过少量位置已知节点，定位出全网络节点的位置,新兴定位系统（续）卫星定位无线AP定位,24,4.1,位置信息,4.2,定位系统,4.3,定位技术,4.4,物联网对定位技术的新挑战,除了距离，哪些空间信息还可用于定位技术？,本章内容,4.1 位置信息本章内容,25,4.3,定位技术,定位技术的关键：,有一个或多个已知坐标的参考点,得到待定物体与已知参考点的空间关系,定位技术的两个步骤：,测量物理量根据物理量确定目标位置,常见定位技术：,基于距离的定位（,ToA,）,基于距离差的定位（,TDoA,）,基于信号特征的定位（,RSS,）,4.3 定位技术定位技术的关键：,26,基于距离的定位（,ToA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,距离测量方法,距离,d=,波速,v*,传播时间,t,传播时间,t=,收到时刻,t,发出时刻,t0,问题：,接受端如何得知,t0,？,基于距离的定位（ToA）基于距离距离测量方法,27,基于距离的定位（,ToA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,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,基于距离的定位（ToA）基于距离方法1：利用波速差,28,基于距离的定位（,ToA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,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,基于距离的定位（ToA）基于距离方法2：测量波的往返时间,29,基于距离的定位（,ToA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,位置计算方法,多边测量,（也称多点测量）,平面上定位，取三个参考点,以每个参考点为圆心，到该参考点的距离为半径画圆，目标必在圆上,平面上三个圆交于一点,实际中取用超过三个参考点，用,最小二乘法,减少误差,基于距离的定位（ToA）基于距离位置计算方法,30,基于距离差的定位（,TDoA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,ToA,的局限,需要参考点和测量目标时钟同步,TDoA,不需要参考点和测量目标时钟同步,参考点之间仍然需要时钟同步,基于距离差的定位（TDoA）基于距离ToA的局限,31,基于距离差的定位（,TDoA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,距离差测距方法,测量目标广播信号,参考点,i,，,j,分别记录信号接收到的时刻,ti,，,tj,测量目标到,i,，,j,的距离差,基于距离差的定位（TDoA）基于距离距离差测距方法,32,基于距离差的定位（,TDoA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,位置计算方法,至少两组数据联立方程求解,实际采用多组数据最小二乘法求解,每次测量结果,参考点坐标,到参考点的距离,构建方程：,基于距离差的定位（TDoA）基于距离位置计算方法,33,基于信号特征的定位,基于距离,基于距离差,基于信号特征,ToA,和,TDoA,都需要接收端特殊装置,基于信号特征的定位,直接利用无线通信的射频信号定位，,不需要额外设备,原理：,信号强度随传播距离衰减,问题：,理想公式实际难以应用,基于信号特征的定位基于距离ToA和TDoA都需要接收端特殊装,34,基于信号特征的定位,基于距离,基于距离差,基于信号特征,解决方法：,将信号强度看做“特征”,预先布置,N,个参考节点,测出,N,个参考节点信号的强度，得到一个,N,维向量,事先测出区域中每个位置的特征向量,将目标测出的特征向量和事先测量值比对，找出位置,缺点：,不能应对动态变化,基于信号特征的定位基于距离解决方法：,35,基于信号特征的定位,基于距离,基于距离差,基于信号特征,LANDMARC,：,基于信号特征的,动态定位,方法,除了信号发送源，再布置一系列,RFID,标签作为参考标志,每个标志随时记录自己收到的,RSS,信号强度特征向量,将目标测得的信号特征向量与参考标志此时
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