物联网定位方式与技术

Internet of things定位和技术；报告者：specialty:signal and information processing指导：第一，如何定位internet of things；无线通信技术的成熟和发展；以及以下是一些常用定位方法的说明，例如GPS位置、蜂窝基站位置、无线室内环境位置和新定位。全球最常用的卫星导航系统GPS位置。GPS计划从1973年开始由美国国防部指挥下的卫星导航定位联合技术局(JPO)主导进行了研究。1989年正式发射GPS工作卫星，1994年GPS卫星星座网络竣工，GPS投入使用。由于美国国防部的背景，GPS系统最初是为军事设计的。GPS使用后对私营行业开放，但只有军用接收器才能享受20米(约300米)的高质量信号。2000年5月1日，美国总统比尔克林顿下令取消GPS系统的这种差别待遇后，民间GPS信号也达到了20米的精确度。除了美国的GPS定位系统外，目前运行的卫星导航系统是俄罗斯的GLONASS全球卫星定位导航系统和中国的北斗一地区卫星导航系统。欧盟的伽利略定位导航系统目前正在部署中，预计将于2014年正式启动。我国目前正在自行开发用全球信号复盖的北斗2号全球卫星导航系统。GPS卫星网络，GPS定位系统，外层空间部分：GPS系统的外层空间部分由24个工作卫星组成，在最初的设计中，将24个卫星平均分配到3个轨道平面，将8个卫星分别更改为6个轨道平面，每个平面使用4个星星的设计。在任何时刻，至少有6颗卫星能位于视野之内。地面监视部分：GPS系统的地面监视部分包括位于美国科罗拉多州shri ver空军基地的1个主控制中心、4个专用地面天线和6个专用监视点。还有马里兰州盖茨堡的替代控制中心。用户设备部分：GPS系统要求用户拥有专用于GPS的接收器。接收器通常包含用于位置计算的处理器和用于高精度时钟与卫星通信的专用天线。GPS定位原理，目前卫星定位系统定位方法如下。(1)测量用户与3个卫星的距离。(2)卫星位置正确，电报发给用户。(3)以卫星为中心，以距离为半径画球体。(4) 3个球交叉2个点，根据地理常识排除不合理的点，从而获得用户位置。三球交会位置图，接收器和GPS卫星之间的距离测量，每个卫星不断向外发送信息，每个信息包含信息发送的瞬间和当时的卫星坐标。接收机会在接收此信息的同时，根据自己的时钟记录记录接受信息的瞬间。从收到信息的瞬间减去信息发送的时间，得到信息在空间中传播的时间。这个时间乘以信息传播的速度，成为接收器和信息发送时卫星坐标之间的距离。GPS位置跟踪的缺陷，对时钟的精度要求，成本过高，成本限制，接收器的时钟精度低于卫星时钟，影响位置精度。理论上可以定位3个卫星，但实际上通过以GPS定位至少4个卫星，大大限制了GPS的使用范围。在室内时，由于电磁屏蔽效果，通常很难接收GPS信号，因此GPS的定位方式在室外使用拳击环。GPS接收器启动缓慢，通常需要3-5分钟，因此定位速度也很慢。信号通过大气传播，因此容易受到天气条件的影响，位置不稳定。蜂窝基站位置、蜂窝基站位置主要用于移动通信中广泛使用的蜂窝网络，目前大多数GSM、CDMA、3G等通信网络使用蜂窝网络体系结构。在通信网络中，通信区域分为一个蜂窝区域，通常每个区域都有对应的基站。以GSM网络为例，移动设备通信时，首先连接到蜂窝小区基站，然后通过该基站通过GSM网络进行通信。也就是说，在移动通信期间，移动设备总是与一个蜂窝基站连接，蜂窝基站定位是利用这些基站布置移动设备。COO位置，COO定位(CellofOrigin)是单基站定位最简单的定位方法。这种方法将移动设备所属基站的坐标指定为移动设备的坐标是非常原始的。这种定位方法精度很低，其精度直接取决于基站复盖的范围。如果基站范围半径为50米，则持续时间误差为50米。要获得ToA/TDoA定位、更准确的定位，必须使用多个基站同时测量的数据。多基站定位方法中最常用的是ToA/TDoA定位。time ofarrival(ToA)基站定位与GPS定位方法类似，只是将卫星更改为基站。该方法对时钟同步精度要求高，但基站时钟精度远低于GPS卫星的水平。多路径效果还会导致测量结果中出现错误。为此，人们实际上更多地使用TDoA(TimeDifferenceofArrival)定位方法，这不是直接使用信号的传输和到达时间来确定位置，而是使用信号到达不同基站的时间差来设置方程解释位置，并通过时间差抵消大多数时钟不同步而产生的错误。AoA定位、ToA和TDoA测量方法都需要至少3个基站来确定位置，如果人们所在的区域基站分布稀疏，并且只有2个从周围接收的基站信号，则找不到位置。在这种情况下，可以使用AoA(AngleofArrival)定位方法。通过用天线阵列测量定位目标和两个基站之间的连接位置，可以使用两条射线的焦点确定目标的位置。AoA定位图、蜂窝基站定位应用程序、蜂窝基站定位精度不高的情况下，定位速度快，可以在几秒钟内完成定位。蜂窝基站定位法的典型应用是紧急电话定位，卷入刑事案件。北美的E-911系统(Enhanced911)现在是比较成熟的紧急电话定位系统(911是北美地区的紧急电话号码，相当于我国的911)。在无线室内环境定位、无线通信领域，室内和室外环境可以说是天壤之别。位置也一样，在室外，只要有GPS，位置精度就好，基站位置也很好。但是，在室内环境中，由于屏蔽，GPS难以使用，基站所在的信号受到多路径效果(由波的反射和叠加原理引起)的影响，定位效果也大大降低。传统的室内定位系统大部分基于信号强度(RadioSignalStrength，RSS)，具有不需要专用定位装置的优点。使用已构建的网络(如蓝牙网络、WiFi网络、ZigBee传感器网络等)定位非常经济高效。当前室内环境的短波定位方法包括红外定位、超声波定位、蓝牙定位、射频识别定位(RFID)和超宽带定位(UWB)由于篇幅的限制，这里只详细叙述ZigBee定位。ZigBee技术，ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。基于此协议的技术是短距离、低功耗无线通信技术。zigby在中国被翻译为“紫色蜜蜂”，是一种类似蓝牙的新型短距离无线通信技术。ZigBee定位原则、ZigBee定位通过在定位区域中批量放置低成本参考节点，通过无线通信构建大型自配置网络系统，在定位区域中的节点需要定位时，通信距离内的参考节点将快速收集该节点信息，通过路由广播将信息传送到其他参考节点，从而形成信息传送链，并将信息传送回终端计算机，从而实现一定区域的长时间监控和定位。ZigBee定位原理、ZigBee定位算法、典型的数据密集型计算方法是：节点首先读取计算节点位置的参数，然后将相关信息传递到中央数据收集点，计算节点位置，然后将节点位置的相关参数返回给该节点。计算节点位置的这种方法仅适用于较小的网络和有限的节点数。这是因为执行相关计算所需的流量随着节点数的增加呈指数增长。因此，高流量负载和带宽不足限制了这种方法在电池备份网络中的应用。ZigBee定位算法、分布式定位计算方法(CC2431)根据从最近参考节点(该位置已知)接收的信息对节点执行局部计算，以确定相关节点的位置。因此，网络流量的数量取决于要测试的节点范围内的节点数。此外，由于网络流量随着被测试节点数的增加按比例增加，因此使用CC2431，同一网络上可能存在大量备用节点。定位引擎技术，定位引擎根据无线网络中附近无线电的接收信号强度指示器(RSSI)计算所需的定位位置。在不同的环境中，两个射频之间的RSSI信号发生重大变化。例如，在两个射频之间有一个行人的情况下，接收信号降低到30dBm。为了弥补这些差异，并考虑定位结果的准确性，定位引擎根据RSSI值在多达16个射频上执行相关定位计算。其根据是，如果采用大量节点，RSSI的变化最终达到平均值。参考节点和正在测量的节点之间必须传输的唯一信息是参考节点的x和y坐标。定位引擎根据收到的x和y坐标，根据参考节点的数据与测量的RSSI值相结合，来计算定位位置。扩展复盖范围、定位引擎的复盖范围为64m64m，但是大多数应用程序需要更大的复盖范围。扩大定位引擎复盖范围可以通过两种方法实现：1)提高参考节点的输出功率，同时降低定位引擎计算结果的准确性。2)将参考节点放置在更大的范围内，并使用最强的信号计算相关参考节点的位置。在不牺牲定位精度的情况下，在定位引擎中扩大复盖范围的第二种方法更可取。扩大复盖范围、从网络中要测试的节点发送广播信息、从每个相邻参考节点收集数据，以及选择具有最强信号的参考节点的x和y坐标。计算与参考节点相关的其他节点的坐标。定位引擎处理数据，并考虑最近参考节点的偏移值，以获取在大型网络中测试的节点的实际位置。定位引擎计算在附近参考节点上通过RSSI测量测量的节点的位置。RSSI会随着天线设计、周围环境及其他邻近RF来源(包括一些其他因素)的变更而变更。定位引擎平均多个参考节点的位置信息。增加参考节点数会降低每个节点对特定测试结果的依赖性，并提高整体准确度。启用参考节点会影响定位精度，因为当参考节点设置在接近相关曲面的位置时，会产生对天花板或地板的吸附。因此，要在所有位置充分利用具有相同发射性能的全方位天线。，除了新的定位系统、上述几个定位系统外，随着技术的开发，还诞生了很多新的定位系统。介绍两个代表性系统A-GPS定位和无线AP定位。A-GPS位置，A-GPS(assistdglobalpositioningsystem)可以看作GPS定位和蜂窝基站定位的组合。GPS位置跟踪缓慢，初始位置检查可能需要几分钟。基站位置速度快，但准确性不如GPS。A-GPS使用基站定位法快速搜索当前所在位置，然后通过基站连接到网络，通过网络服务器查询当前上方可见的卫星，从而大大减少了搜索卫星的速度。一旦知道可以使用那几颗卫星，定位这几颗卫星，就能得到非常准确的结果。使用A-GPS定位，整个过程仅需几十秒钟，GPS的位置准确度可以说是二者之美。无线AP定位，无线接入点(AP)定位是类似蜂窝基站的COO定位技术的WiFi定位技术，通过Wi-Fi接入点确定目标的位置。每个AP不断向外部广播信息，以查找各种WiFi设备在其全球范围内具有唯一MAC地址的接入点。将全球所有无线AP的MAC地址及其AP的位置记录为一个数据库，以便查询数据库以获取附近AP的位置，然后通过信号强度估计更准确的位置。这是我前面提到的a-GPS之一，与GPS一起用于iphone。第二，物联