导航原理：第2讲-导航技术发展概论1

1、第2讲 导航技术发展概论1、什么是导航2、导航的起源与发展3、现有导航系统分类及其原理4、导航技术发展趋势5、室内外无缝导航与定位主要内容 - 未来几年，全球卫星导航定位系统将会出现美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO以及中国COMPASS四足鼎立局面，正逐渐呈现出一种多极竞争与优势互补的崭新局面。传统的依赖于某单一系统进行导航定位的缺陷，使得GNSS(Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统) 多系统集成导航定位技术应运而生，向多系统组合式导航方向发展。相对于单一系统的导航与定位，GNSS多系统集成定位技术无论是从可用性、可靠性、连

2、续性和精度等各方面都更具优势。未来将是一个GNSS 多系统融合的新时代。4、导航技术发展趋势 （1）GNSS 多系统集成导航4、导航技术发展趋势 - 卫星导航、惯性导航和天文导航等导航系统各有优势，发展多模式下的联合导航技术是一个必然的趋势。 比如：惯性导航是完全自主的导航系统，在卫星失效的情况下，惯性导航仍可保持工作。在实际应用中，惯导系统和卫星导航接收机之间存在三种耦合方式：松散耦合、紧密耦合和深度耦合。4、导航技术发展趋势 （2）组合导航- 组合方式： 惯导/卫星组合导航系统 惯导/多普勒组合导航系统 惯导/天文组合导航系统 惯导/卫星/天文组合导航系统 在组合的情况下，通常把惯性导航作

3、为主要的导航方式，可见惯性导航技术的重要性。4、导航技术发展趋势 -以GPS为代表的卫星导航技术依然是未来数年内导航技术重点发展方向。但是卫星导航仍是非自主性导航系统，容易受到各方面干扰，特别是战时导航卫星可能会面临被摧毁的危险，同时虽然卫星导航系统具有很高的精度，但单纯依靠卫星导航，不能连续提供运动载体的位置和速度信息。因此，对于导弹、航天飞机、火箭等大型飞行器，自主式导航系统是不可取代的，特别是发展高性能的惯性技术具有重要的战略意义，可以说谁把掌握了先进惯性技术谁就握住了未来战争的主动权。4、导航技术发展趋势 （3）高性能的自主导航技术 新型导航定位技术脉冲星导航 随着空间定位技术的不断发

4、展，传统的为空间飞行器定位的地基导航系统已暴露出其局限性，主要缺点包括：1）需要布设一个庞大的地面和空间系统来予以支持，投资大，建设速度慢；2）容易遭受攻击，系统的生存能力差；3）当太阳位于飞行器和地球之间的位置时，根本无法实现空间飞行器的定位；4）仅能在沿着飞行器的视线方向具有较好的精度。为了更有效地对太阳系中的空间飞行器进行精确的导航定位，则需要克服以上问题，构建新的深空网。脉冲星导航则为我们提供了解决上述问题的新途径。 4、导航技术发展趋势 脉冲星导航4、导航技术发展趋势 - 脉冲星属于高速自转的中子星。其自转轴与磁轴之间有一个夹角，两个磁极各有一个辐射束，当星体自转且辐射束扫过探测设备

5、时就能获得一个脉冲信号。脉冲星按一定频率发射稳定的脉冲信号，其长期稳定度好于地球上最稳定的铯原子钟（600万年差1秒），可以提供绝好的空间参考基准和时间基准，为空间飞行提供天然导航信标。脉冲星可以发射频率不等的电磁波信号，如微波信号、红外线信号、可见光信号、紫外线信号以及X射线和射线信号。4、导航技术发展趋势 - 脉冲星导航定位原理脉冲星导航原理示意图 4、导航技术发展趋势 在传统的定位系统中，诸如当前的卫星无线电定位、导航与授时系统GPS，它们是通过重复地向空间发射电磁波脉冲并且检测它们到达待测点的时间延迟来实现定位的。而这种方法所能实现的定位精度受到传统信号形式下的可利用功率及带宽的限制。

6、因此，MIT（麻省理工学院）的研究人员创造性的提出了传统定位系统的量子实现方案，称作量子定位系统(QPS)。它是利用了量子力学量子力学中两个难于理解的特性，即量子纠缠和量子压缩特性。4、导航技术发展趋势 新型导航定位技术量子导航- 量子导航特性 1）QPS的一个显著特点就是具有极高的定位精度。根据QPS技术理论，当一个脉冲中如果能够包含100个光子，则定位精度会比当前定位系统提高10倍；当包含100万个光子是其精度会提高1000倍。 2）QPS的另一个显著特点就是具有很高的安全性，在量子通信中，量子密码被认为是不可能被破解的。 中科大 上海市北斗导航与位置服务重点实验室4、导航技术发展趋势 2

7、0世纪90年代至今，随着激光冷却技术的进步，以原子干涉技术为基础的高精度测量技术日益引起关注，其中，以原子惯性传感技术尤为突出。美国和欧洲相继制定计划研究原子惯性传感技术。美国国防部研究计划署（DARPA）制定了“精确惯性导航系统的计划Precision Inertial Navigation System，简称PINS”，将以冷原子干涉技术为核心的原子惯性传感技术视为下一代主导惯性技术，实现5m/h的高精度惯性导航技术，计划510年内实际应用，并在不久将来取代GPS的作为新一代导航定位系统。欧洲航天局、德国和法国也制定了令人激动的计划。我国正处于初始摸索阶段阶段（西安光机所等），还有很多工作

8、要做。4、导航技术发展趋势 新型导航定位技术原子惯性技术5、室内外无缝导航定位5.1 市场需求5.2 室内定位技术5.3 室内定位原理5.4 商业化解决方案5.5 室内定位的机遇与挑战IndoorOutdoor人均80-90%的时间在室内70%的移动电话应用在室内80%的数据连接使用在室内如果在室内需要导航怎么办？5.1 市场需求1、某个设备在哪里？2、设备是否出库？3、有无新的设备入库？4、设备位置有没有发生变化？5、采用室内无人机器人搬运货物，如何实现？。物流管理5.1 市场需求1、哪里有停车位？2、我的车在哪里？3、如何才能找到我的车？4、如何找到地下停车场到商场等入口？智能停车5.1

9、市场需求1、售票处在哪？入口在哪？车停在什么地方？2、进入景区该如何游览？路线？时间如何掌握？3、哪里有商店？酒店？4、休息时，能不能自动或需要时提供自助导览？智慧旅游5.1 市场需求1、井下人员实时精确位置在哪?2、掘进设备处于什么位置？3、井下险情检测设备处于什么位置？4、遇险时，如何快速地确定人员位置？井下人员监控及救援5.1 市场需求1、上学路上2、公园游玩3、商场儿童定位5.1 市场需求1、感知老人位置2、跌倒检测3、感知老人的运动状况3、感知老人的生命特征养老产业5.1 市场需求5.1 市场需求内科1在哪里？Dior服饰在哪里？导航分会场在哪里？应急救援人员定位？ 为商业和个人用户

10、提供基于位置的服务，具有极其诱人的市场前景，包括：应急救援、物流管理、个人问询、车辆导航、特定跟踪、人员定位服务等等。5.1 市场需求 室内定位的未来应用领域主要体现在：室内精确定位、大数据分析、个性化营销、社交网络等；将位置信息与消费数据相结合才能有效挖掘室内定位技术的价值。室内精确定位：大型公共场合（比如商场、医院、停车场等），顾客有时不容易找到自己想去的地方，或找不到商品、科室、车位等。此时，室内定位技术可以帮助用户到达自己的目的地，帮助用户找到出口、洗手间、停车位、行李等。例如，Google室内地图覆盖了全球1万多家大型商场；中国众多商场也提供类似的服务。5.1 市场需求大数据分析：传

11、统的商业数据分析只能通过问卷调查、计数等人工统计，这种只是一种统计，而不是大数据，室内定位系统可以做到更高精度、更大量级的数据分析，将用户的位置与行为及行为背后的兴趣与偏好结合起来，加以整合分析，室内定位数据可以捕捉用户在某个货架或店铺停留的时间、频率，从而得出用户的类型、兴趣、爱好等特质以及店铺的热度、品牌关联度等信息，为商业活动提供有力的数据支撑。万达广场借此发现在必胜客消费的客户都会去消费，据此联合两家促销，得到很好的效果。5.1 市场需求个性化营销：室内定位提高了用户定位精度，更方便商家为客户提供个性化的基于位置的服务。根据用户的历史位置和现实位置，室内定位能够帮助商家向顾客推送针对性

12、、个性化的广告和信息。例如，当客户经过自己经常光顾的店铺附近或某个特定的区域时，店家通过APP等平台向顾客推送当下新品导购信息及优惠、团购活动，从而精确地满足用户需求，影响用户的消费。5.1 市场需求人员管理：快递员、送货员、工厂工人、矿井人员、儿童等等，精确的人员定位对于现代社会安全生产或生活来说至关重要。5.1 市场需求物品管理：物流仓库、工厂等物品、设备定位，生活中进入房间自动开灯开门等。只要成本得当，一切将人、物品和位置相联系的领域都将有室内定位的用武之地。社交网络：基于位置社交网络(Location-Based Social Network, LBSN)服务使得用户能够利用位置服务发

13、现附近的人。（保护隐私框架下）5.1 市场需求5、室内外无缝导航定位如何才能精确地确定用户的位置呢？室外：GNSS、天文、地文、惯性、地磁室内？GNSS、天文等不适合5.2 室内定位技术5.2 室内定位技术惯性导航地磁WIFIZigBeeCSS(线性调频扩频)视觉UWBRFIDBLEUltrasonic室内定位技术。LED路标（1）WIFI定位5.2 室内定位技术（1）WIFI定位每一个无线AP都有一个全球唯一的MAC地址，且无线AP短时间内固定；设备在开启WiFi的情况下，即可扫描并收集周围的AP信号，无论是否加密，是否已连接，甚至信号强度不足以显示在无线信号列表中，都可以获取到AP广播出来

14、的MAC地址；设备将这些能够标示AP的数据发送到位置服务器，服务器检索出每一个AP的地理位置，并结合每个信号的强弱程度，计算出设备的地理位置并返回到用户设备；位置服务商要不断更新、补充自己的数据库，以保证数据的准确性。5.2 室内定位技术（1）WIFI定位 WIFI定位方法基本上可以分为两大类：不基于RSSI TOA（time of arrival） TDOA（time difference of arrival） AOA（angle of arrival） 这些值的获取需要特殊的WIFI模块，在智能机上一般无法获取，因此这类方法实际应用较困难。5.2 室内定位技术（1）WIFI定位 WIFI

15、定位方法基本上可以分为两大类：基于RSSI 获取各个AP（Access Point）发送的信号强度RSSI及AP地址，主要有两个算法：三角定位算法，指纹算法。 三角定位算法需要提前知道AP的位置，适用于AP相对固定的场合。5.2 室内定位技术指纹算法分为两个阶段:离线训练阶段 将需要室内定位区域划分网格，建立采样点（间距12m） 使用WIFI接受设备逐个采样点采样，记录该点位置、所获取的RSSI及AP地址。 对采样数据进行处理（滤波、均值等）在线定位阶段 用户持移动设备在定位区域移动，实时获取当前RSSI及AP地址，将该信息上传到服务器进行匹配（匹配算法有NN、KNN、神经网络等）得到估算位置

16、。匹配算法有NN、KNN、神经网络等。5.2 室内定位技术比较： 指纹算法相比较三角定位算法精度更高 三角定位算法需要提前知道所有AP的位置 指纹算法需要提前绘制一幅信号Map。 智能手机基于WIFI的室内定位应用，更适合使用基于RSSI信号的指纹算法，原因在于有时不需要提前知道所有AP的位置，而且指纹算法可以应对AP位置或状态的改变。可以提前将测绘指纹数据库储存到服务器上，移动设备在定位区域将自己得到的周围AP信息实时发送给服务器，由服务器进行匹配并返回坐标位置给客户端。一旦AP状态或位置变化，只需要更新定位区域数据库而并不需要在客户端作出改变。5.2 室内定位技术5.2 室内定位技术（2）

17、RFID定位 RFID(Radio Frequency Identification)是一种利用无线射频通信实现的自动识别技术。分为有源（主动）定位和无源（被动）定位。 定位系统的基本硬件组成：标签（TAG），锚点/读写器（Anchor、Reader），时间同步器。 实现定位的技术原理：通过计算电磁波在空间的飞行时间用光速来换算距离，通过点对点或三角定位的方式实现。5.2 室内定位技术（2）RFID定位 识别器采集信息并编码识别器通过天线发送一定频率的射频信号当标签进入时产生感应电流从而获得能量，然后向识别器发送自身编码等信息。识别器将信息传送至计算机进行处理5.2 室内定位技术（2）RFID

18、定位优点: (1)读写迅速。RFID识别器可同时辨识读取数个RFID标签。(2)读写距离远。RFID能够穿透纸张、木材和塑料等非金属或非透明的材质 (3)可重复使用。RFID标签则可以重复地新增、修改、删除。(4)芯片本身可以存储信息。RFID最大的容量则有数兆。 (5)抗污染性和耐久性。RFID对水、油和化学药品等物质具有很强抵抗性。 (6)可回收。(7)可实现长期跟踪管理。缺点: 精度受环境影响大5.2 室内定位技术（3）UWB定位 超宽带（UWB，Ulrea-WideBand）技术是一种使用1GHz以上带宽且无需载波的先进无线通信技术。通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数

19、据。 在无线通信、雷达跟踪以及精确定位（战场士兵位置发现、地震救援、机器人运动跟踪）等方面有着广阔的应用前景。 超宽带系统与传统的窄带系统相比，穿透能力强、功耗低、抗多路径效果好、安全性高、系统复杂度低。5.2 室内定位技术（3）UWB定位 通过布设基站在室内(外)，携带标签在定位目标上；标签发射超宽带信号，基站接收信息并通过网线或WIFI网传输到交换机与服务器，在服务器软件中进行位置解算，实时显示全局标签位置。5.2 室内定位技术（3）UWB定位缺点：成本高（1）路标5.2 室内定位技术室外导航 GNSS、天文、地文、惯性室内导航GNSS、天文等不适合； 惯性导航，误差随时间积累较快，发散； 其它室内定位技术，WSN、WLAN、RFID（Radio Frequency IDentification）、UWB（Ultra-Wideband）、蓝牙、红外、超声波等。 涉及到无线通信、无线传感器网络5、室内外无缝导航定位常见的定位机制:（