《定位系统》-2教学课件

《定位系统》(2)幻灯片本课件PPT仅供大家学习使用学习完请自行删除，谢谢！本课件PPT仅供大家学习使用学习完请自行删除，谢谢！《定位系统》(2)幻灯片本课件PPT仅供大家学习使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34.1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”54.1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，北斗蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统：A-GPS现存主流定位系统卫星定位：GPS，北斗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GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统。由覆盖全球的卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到多颗卫星，以保证可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。卫星定位卫星定位各国的卫星定位系统由覆盖全球的8GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的缩写,意为利用卫星导航进行测时和测距,以构成全球卫星定位系统。是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。自1973年美国军方批准成立联合计划局开始GPS的研究工作到1993年系统建成,该工程历时20年，耗资300亿美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到了广泛的应用。GPS：发展简史GPS是英文NavigationSatelliteTim9GPSSystemSpaceControlUserGPSSystemSpaceControlUser10GPSSatelliteGPSSatellite11KeyFeaturesofGPSSatellitesEachGPSsatellitehasaVERYaccurate(atomic)clockAllGPSsatellitesareexactlysynchronizedtoamastergroundclockEachsatellitetransmitsauniquePseudo-RandomNoise(PRN)CodeThepositionandclockofeachsatelliteispreciselyknownandconstantlymonitoredongroundKeyFeaturesofGPSSatellites12GPSSignal50bpsdatasignal,modulatedbyaPseudo-RandomNoise(PRN)code,whichrepeatsevery1mstransmittedat1,575.42MHz(L1).Nominalreceivedpowerongroundis-163dBW(5x10-17W)…that’sVERYlow!!!Compareittotypicalreceivedpowerinamobilecommunicationssystem(GSM)ofafewmW…GPSreceivedpoweris100trilliontimeslower!GPSSignal50bpsdatasignal,13GPS：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14GPS：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颗工作卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。目前可用的卫星通常有28颗。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15已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标GPS：定位原理已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节16Ifyouknowthedistanceto4KNOWNlocations:Thefourthsphere(notshown)willintersectonlyoneofthesetwolocations.Howdoes3-dimensional(3D)positioningwork?3DimensionalFix!GPSReceiverPositionCalculationThelocationwillbesomewhereonthesurfaceofthesphereThetwosphereswillintersectformingacircle.Thelocationwillbesomewhereonthecircumferenceofthiscircle.Thethirdspherewillintersectthecircleformedbytheothertwospheres.Thiswillnowcreateonlytwopossiblelocations.Ifyouknowthedistanceto417伪距测量原理D=c·△t△t=t2-t1GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）。伪距测量原理D=c·△tGPS导航系统的基本原理是18《定位系统》-2教学课件19当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y）码：

C/A码频率1.023MHz，码间距1微秒，相当于300m；

P码频率10.23MHz，码间距0.1微秒，相当于30m。

Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置、速度等信息便可得知。GPS：定位原理当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随20单点定位

首先我们可以得到GPS卫星的位置；其次，我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。单点定位 首先我们可以得到GPS卫星的位置；其次，我们又能准21《定位系统》-2教学课件22 GPS系统在每颗卫星上装置有精细的原子钟，并由监测站经常进展校准。卫星发送导航信息，同时也发送准确时间信息。GPS接收机接收此信息，使之与自身的时钟同步，获得准确的时间。GPS接收机中的时钟，不可能象在卫星上那样采用原子钟，利用测定第四颗卫星，在计算过程中校准GPS接收机的时钟。GPS：定位原理原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(Russium)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。 GPS系统在每颗卫星上装置有精细的原子钟，并由监测站经常进23差分GPS定位技术在GPS定位过程中，存在三局部误差。一局部是对每一个用户接收机所共有的，例如：卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二局部为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三局部为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。

利用差分技术第一局部误差可完全消除，第二局部误差大局部可以消除。第三局部误差那么无法消除，只能靠提高GPS接收机本身的技术指标。差分GPS定位技术在GPS定位过程中，存在三局部误差。24《定位系统》-2教学课件25WGS-84坐标系（WorldGeodeticSystem一1984CoordinateSystem）一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH（国际时间）1984.0定义的协议地球极（CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系统。WGS-84坐标系WGS-84坐标系（WorldGeodeticSyste26高程系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统，某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高。正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统，某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离。高程系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统，某点的大27《定位系统》-2教学课件28《定位系统》-2教学课件29导航型GPS机手持型GPS机导航型GPS机手持型GPS机30大地型GPS接收机单频机双频机大地型GPS接收机单频机双频机31GPS：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32GPS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33GPS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34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35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（CellofOrigin）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（CellofOrigin36三边定位和多边定位三边定位Trilateration屡次测量方程的个数等于变量的个数需要考虑无解的情况，求最优近似解三边定位和多边定位三边定位Trilateration37三边定位和多边定位信号传播时间/时间差〔TOA/TDOA/RTOF〕TOATDOARTOF三边定位和多边定位信号传播时间/时间差〔TOA/TDOA/38基于TOA定位机制根本思想信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置；评价精度高；要求节点间准确的时间同步；对传感器节点的硬件和功耗较高的要求；基于TOA定位机制根本思想39基于TDOA的定位原理发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过已有根本的定位算法计算出节点的位置；基于TDOA的定位原理40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41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快信号穿透能力强，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42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43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44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To45RFID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46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-GPSGPS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-GPS47FactorsthataffectGPSaccuracyImperfectsatellitesAtmosphericeffectsMultipathInterferencesSignalstrengthReceivercomponentsGeometryofthesatellitesused(DOP)FactorsthataffectGPSaccura48Atmosphere10km50~150kmIonosphereStratosphereTroposphereTheoreticalpathActualpath,delayed,phaseshifted,attenuatedAtmosphere10km50~150kmIonosphe49MultipathGroundreflectionsDirectSignalMultipathGroundreflectionsDir50Multipath(2)Multipath(2)51SignalStrength12345SignalStrength1234552InterferenceInterference53ProsandConsofGPSPROSItisaglobalsystemInnominalconditionsitisaccurate(5-10m)Itisfreeforusers!CONSItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!butthat’swhereusersare!emergencyservicesrequireQoS!ProsandConsofGPSPROSCONSb54SolutionstoConsItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!INCREASERECEIVERSENSITIVITY!AVOIDHAVINGTOWAITTODECODENAVIGATIONMESSAGE!A-GPSSolutionstoConsItdoesnotw55WhatisAssisted-GPS?WhatisAssisted-GPS?56TheconceptofA-GPSWehavearoughestimateoftheuserposition,thenwecanprovideinformationaboutwhatsatellitesareinviewItcanbeasroughas100’sofkmsWecanalsogivesynchronisationinformationtoaidtheGPSreceivertoacquirethesatellite’ssignals:dopplershiftandcodephasedelay.Weallowthereceiverto(coherently)accumulatemoresignal->higherSNR!bettersensitivityThereceiverstartslookingforthesatellitesrightwheretheyaretiminginformationitis“immediately”extractedWecanthenprovidethenavigationdatatotheGPSreceiver,andthenwedonotneedtowaittodecodethedatafromthesatelliteThisisachievedbyhavingareferenceGPSreceiverstationwhichisconstantlyreceivinganddecodingtheGPSsignalsinviewandextractingsignalparameters(navigationdata,signaldopplerandsignaldelay)TheconceptofA-GPSWehavea57TheconceptofA-GPSAGPSmonitoringstationconstantlyreceivessignalsfromallvisiblesatellitesItstoresthenavigationdata,togetherwithSVacquisitiondataTheA-GPSreceiverisrelativelyclosetothemonitoringstationsothatitseesthesameSVs.TheGPSreceivercanrequestassistingdataandthenuseitforafastTTFFThereferencereceiversendssignalmeasurements.SV#1–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#2–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#3–Codephase:chips –Doppler:Hz –Navigationdata…827-1,467135+541008-190826-1,477134+531009-188825-1,489133+511010-187824-1,503132+501011-186DtiDfiLat:43°64’15.360”Lon:-123°47’49.083”TheconceptofA-GPSAGPSmoni58Assisted-GPS(A-GPS)InessenceA-GPSisverysimilartoGPSexceptthatawirelessnetworkstorestheGPSinformationTime,positionoftheUE,GPSdataThisinformationisreferredtoas‘AssistanceData’AssistancedataisprovidedtotheUEthroughthewirelessnetworkduringpositioningsessionsAllowsUEtoquicklyacquireandmeasureGPSsatellitesignalsAssisted-GPS(A-GPS)Inessence59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。新兴定位系统（续）卫星定位无线AP定位60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）卫星定位网络定位61网络定位网络定位624.1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634.3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：64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65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：66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标签作为参考标志将目标测得的信号特征向量与参考标志此时的特征向量进行比对，确定位置，误差在1m范围以内基于信号特征的定位基于距离LANDMARC：基于信号特征的动67《定位系统》-2教学课件68引入参考标签来动态的测试发射功率和识别距离之间的关系引入参考标签来动态的测试发射功率和识别距离之间的关系69初始位置的估计初始位置的估计70初始位置的估计初始位置的估计71初始位置估计后，可以确定位于待定位标签周围的四个标签的功率损耗，将标签1和标签3分别作为参考点，标签2和标签4作为目标点，计算两条路径的路径损耗指数。得到两条路径的路径损耗以后，再根据初始位置计算得到参考标签1，参考标签3和读卡器构成的直线与待定位标签和读卡器构成的直线之间的角度，估算带定位标签的路径损耗指数，就可计算得到待定位标签到RFID读卡器较为准确的距离信息。初始位置估计后，可以确定位于待定位标签周围的四个标签的功率损72移动通信和移动定位技术的快速开展促进了一个新的研究领域——基于位置的效劳〔LBS〕基于位置的效劳(LocationBasedService，LBS)是定位技术、GIS技术、互联网技术和移动通讯技术相结合的产物。确定移动设备或用户所在位置提供与位置相关的各种信息服务位置隐私保护基于位置的紧急救援服务（查询“离我最近医院”）基于位置的信息娱乐服务（查询“距离我最近的电影院”）基于位置的广告服务（如“向所有在我咖啡店10m范围内的客人发送优惠券”）移动通信和移动定位技术的快速开展促进了一个新的研究领域——基73随着社会的发展，人们的活动范围越来越大，而且越来越不确定。这种移动性和不确定性给移动通信带来市场和挑战的同时，也为位置服务的开展和扩大带来了无限商机。随着社会的发展，人们的活动范围越来越大，而且越来越不确定。这74另一方面，在人们享受各种位置效劳的同时，移动对象个人位置信息泄露的隐私威胁也渐渐成为一个严重的问题，引起了研究者的广泛关注。位置隐私：是一种特殊的信息隐私。信息隐私是由个人、组织或机构定义的何时、何地、用何种方式与他人共享信息，以及共享信息的内容；而位置隐私那么指的是防止其他人以任何方式获知对象过去、现在的位置。位置隐私保护另一方面，在人们享受各种位置效劳的同时，移动对象个人位75PsychiatricpatientLocationPrivacyChineseFoodFanConsumerhabitsprotectionExamplesPsychiatricpatientChineseFoo76Location-BasedServicesProblemsofrevealinglocationtoLBSproviderSensitiveinformationcanbeinferredfromlocationExample:beingatthehospital,lawyer,church…Profiling:dailyroutines,deviationfromthem,etc.Pleaserobme…AliceLBSProviderquery,user,location,timelocalinfo,POIs,…77Location-BasedServicesProblem77保护位置隐私享受位置相关服务位置隐私保护矛盾保护位置隐私享受位置相关服务位置隐私保护矛盾781.假名匿名技术：用户在发送位置效劳请求信息时，给出的不是自己真实的位置，而是一个与真实位置有一段距离的假位置的地址。保护强度就由真假位置之间的距离来决定位置匿名技术1.假名匿名技术：位置匿名技术792.空间匿名使用一个空间区域来代替用户的准确位置〔降低了用户的空间分辨率〕。位置匿名技术2.空间匿名位置匿名技术803.时空匿名时空匿名在空间匿名的根底上增加了一个时间轴。延迟响应时间，可以在这段时间中出现更多的用户，提出更多的查询，隐私匿名度更高位置匿名技术3.时空匿名位置匿名技术814.K-匿名技术核心思想：通过计算某请求效劳用户与周围的其他K一1个用户的距离，形成一个适宜的K匿名区域，在这个区域里面每个用户的准确位置都用K匿名区域代替，从而实现了隐藏用户的准确位置。对敏感信息进展处理，保持数据可统计性；使用数据泛化来处理数据，保持数据可用性。位置匿名技术一条数据表示的个人信息和至少其他k-1条数据不能区分。其主要目的是为了解决如何在保证数据可用的前提下，发布带有隐私信息的数据，使得每一条记录无法与确定的个人匹配。4.K-匿名技术位置匿名技术一条数据表示的个人信息和至少82ExampleNameBirthGenderZIPRaceAndre1964m02135WhiteBeth1964f55410BlackCarol1964f90210WhiteDan1967m02174WhiteEllen1968f02237WhiteReleaseTableExternalDataSource83ExampleNameBirthGenderZIPRaceA83K-匿名技术K-匿名技术84k值是由用户定义，用户自定义的隐私需求参数之一。一般情况下，k值越大，匿名框也越大，但是这也与用户提出服务的所在位置的周围环境有关。假设提出查询请求的用户要求k=100的匿名度，如果此时用户正在一个招聘会上，一个很小的空间即可满足用户的需求，但如果用户此时在沙漠中，则返回的匿名空间可能非常大。K-匿名技术k值是由用户定义，用户自定义的隐私需求参数之一。K-匿名技854.1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物联网背景对定位技术有哪些新的需求？本章内容4.1位置信息本章内容86网络异构接入物联网的设备五花八门连接起来的网络各自不同→如何让不同的设备在不同的网络下准确定位环境多变室外vs.室内空旷地带vs.障碍物众多静止设备vs.频繁运动4.4物联网下定位技术的新挑战网络异构4.4物联网下定位技术的新挑战87信息安全与隐私保护位置信息内涵丰富且隐私息息相关高精度位置信息泄露的后果严重→如何既保证信息精度，又保护个人隐私大规模应用物联网时代，接入网络的设备将超过500亿台→如何应对庞大的数量增长→如何让定位技术为简单设备（如RFID标签）所用4.4物联网下定位技术的新挑战信息安全与隐私保护4.4物联网下定位技术的新挑战88Thankyou!Thankyou!89《定位系统》(2)幻灯片本课件PPT仅供大家学习使用学习完请自行删除，谢谢！本课件PPT仅供大家学习使用学习完请自行删除，谢谢！《定位系统》(2)幻灯片本课件PPT仅供大家学习使90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。91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924.1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93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”944.1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95现存主流定位系统卫星定位：GPS，北斗蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统：A-GPS现存主流定位系统卫星定位：GPS，北斗96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GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统。由覆盖全球的卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到多颗卫星，以保证可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。卫星定位卫星定位各国的卫星定位系统由覆盖全球的97GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的缩写,意为利用卫星导航进行测时和测距,以构成全球卫星定位系统。是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。自1973年美国军方批准成立联合计划局开始GPS的研究工作到1993年系统建成,该工程历时20年，耗资300亿美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到了广泛的应用。GPS：发展简史GPS是英文NavigationSatelliteTim98GPSSystemSpaceControlUserGPSSystemSpaceControlUser99GPSSatelliteGPSSatellite100KeyFeaturesofGPSSatellitesEachGPSsatellitehasaVERYaccurate(atomic)clockAllGPSsatellitesareexactlysynchronizedtoamastergroundclockEachsatellitetransmitsauniquePseudo-RandomNoise(PRN)CodeThepositionandclockofeachsatelliteispreciselyknownandconstantlymonitoredongroundKeyFeaturesofGPSSatellites101GPSSignal50bpsdatasignal,modulatedbyaPseudo-RandomNoise(PRN)code,whichrepeatsevery1mstransmittedat1,575.42MHz(L1).Nominalreceivedpowerongroundis-163dBW(5x10-17W)…that’sVERYlow!!!Compareittotypicalreceivedpowerinamobilecommunicationssystem(GSM)ofafewmW…GPSreceivedpoweris100trilliontimeslower!GPSSignal50bpsdatasignal,102GPS：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103GPS：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颗工作卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。目前可用的卫星通常有28颗。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104已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标GPS：定位原理已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节105Ifyouknowthedistanceto4KNOWNlocations:Thefourthsphere(notshown)willintersectonlyoneofthesetwolocations.Howdoes3-dimensional(3D)positioningwork?3DimensionalFix!GPSReceiverPositionCalculationThelocationwillbesomewhereonthesurfaceofthesphereThetwosphereswillintersectformingacircle.Thelocationwillbesomewhereonthecircumferenceofthiscircle.Thethirdspherewillintersectthecircleformedbytheothertwospheres.Thiswillnowcreateonlytwopossiblelocations.Ifyouknowthedistanceto4106伪距测量原理D=c·△t△t=t2-t1GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）。伪距测量原理D=c·△tGPS导航系统的基本原理是107《定位系统》-2教学课件108当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y）码：

C/A码频率1.023MHz，码间距1微秒，相当于300m；

P码频率10.23MHz，码间距0.1微秒，相当于30m。

Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置、速度等信息便可得知。GPS：定位原理当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随109单点定位

首先我们可以得到GPS卫星的位置；其次，我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。单点定位 首先我们可以得到GPS卫星的位置；其次，我们又能准110《定位系统》-2教学课件111 GPS系统在每颗卫星上装置有精细的原子钟，并由监测站经常进展校准。卫星发送导航信息，同时也发送准确时间信息。GPS接收机接收此信息，使之与自身的时钟同步，获得准确的时间。GPS接收机中的时钟，不可能象在卫星上那样采用原子钟，利用测定第四颗卫星，在计算过程中校准GPS接收机的时钟。GPS：定位原理原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(Russium)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。 GPS系统在每颗卫星上装置有精细的原子钟，并由监测站经常进112差分GPS定位技术在GPS定位过程中，存在三局部误差。一局部是对每一个用户接收机所共有的，例如：卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二局部为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三局部为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。

利用差分技术第一局部误差可完全消除，第二局部误差大局部可以消除。第三局部误差那么无法消除，只能靠提高GPS接收机本身的技术指标。差分GPS定位技术在GPS定位过程中，存在三局部误差。113《定位系统》-2教学课件114WGS-84坐标系（WorldGeodeticSystem一1984CoordinateSystem）一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH（国际时间）1984.0定义的协议地球极（CTP)方向，X轴指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系统。WGS-84坐标系WGS-84坐标系（WorldGeodeticSyste115高程系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统，某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高。正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统，某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离。高程系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统，某点的大116《定位系统》-2教学课件117《定位系统》-2教学课件118导航型GPS机手持型GPS机导航型GPS机手持型GPS机119大地型GPS接收机单频机双频机大地型GPS接收机单频机双频机120GPS：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121GPS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122GPS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123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124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（CellofOrigin）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（CellofOrigin125三边定位和多边定位三边定位Trilateration屡次测量方程的个数等于变量的个数需要考虑无解的情况，求最优近似解三边定位和多边定位三边定位Trilateration126三边定位和多边定位信号传播时间/时间差〔TOA/TDOA/RTOF〕TOATDOARTOF三边定位和多边定位信号传播时间/时间差〔TOA/TDOA/127基于TOA定位机制根本思想信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置；评价精度高；要求节点间准确的时间同步；对传感器节点的硬件和功耗较高的要求；基于TOA定位机制根本思想128基于TDOA的定位原理发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过已有根本的定位算法计算出节点的位置；基于TDOA的定位原理129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130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快信号穿透能力强，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131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132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133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To134RFID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135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-GPSGPS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-GPS136FactorsthataffectGPSaccuracyImperfectsatellitesAtmosphericeffectsMultipathInterferencesSignalstrengthReceivercomponentsGeometryofthesatellitesused(DOP)FactorsthataffectGPSaccura137Atmosphere10km50~150kmIonosphereStratosphereTroposphereTheoreticalpathActualpath,delayed,phaseshifted,attenuatedAtmosphere10km50~150kmIonosphe138MultipathGroundreflectionsDirectSignalMultipathGroundreflectionsDir139Multipath(2)Multipath(2)140SignalStrength12345SignalStrength12345141InterferenceInterference142ProsandConsofGPSPROSItisaglobalsystemInnominalconditionsitisaccurate(5-10m)Itisfreeforusers!CONSItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!butthat’swhereusersare!emergencyservicesrequireQoS!ProsandConsofGPSPROSCONSb143SolutionstoConsItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!INCREASERECEIVERSENSITIVITY!AVOIDHAVINGTOWAITTODECODENAVIGATIONMESSAGE!A-GPSSolutionstoConsItdoesnotw144WhatisAssisted-GPS?WhatisAssisted-GPS?145TheconceptofA-GPSWehavearoughestimateoftheuserposition,thenwecanprovideinformationaboutwhatsatellitesareinviewItcanbeasroughas100’sofkmsWecanalsogivesynchronisationinformationtoaidtheGPSreceivertoacquirethesatellite’ssignals:dopplershiftandcodephasedelay.Weallowthereceiverto(coherently)accumulatemoresignal->higherSNR!bettersensitivityThereceiverstartslookingforthesatellitesrightwheretheyaretiminginformationitis“immediately”extractedWecanthenprovidethenavigationdatatotheGPSreceiver,andthenwedonotneedtowaittodecodethedatafromthesatelliteThisisachievedbyhavingareferenceGPSreceiverstationwhichisconstantlyreceivinganddecodingtheGPSsignalsinviewandextractingsignalparameters(navigationdata,signaldopplerandsignaldelay)TheconceptofA-GPSWehavea146TheconceptofA-GPSAGPSmonitoringstationconstantlyreceivessignalsfromallvisiblesatellitesItstoresthenavigationdata,togetherwithSVacquisitiondataTheA-GPSreceiverisrelativelyclosetothemonitoringstationsothatitseesthesameSVs.TheGPSreceivercanrequestassistingdataandthenuseitforafastTTFFThereferencereceiversendssignalmeasurements.SV#1–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#2–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#3–Codephase:chips –Doppler:Hz –Navigationdata…827-1,467135+541008-190826-1,477134+531009-188825-1,489133+511010-187824-1,503132+501011-186DtiDfiLat:43°64’15.360”Lon:-123°47’49.083”TheconceptofA-GPSAGPSmoni147Assisted-GPS(A-GPS)InessenceA-GPSisverysimilartoGPSexceptthatawirelessnetworkstorestheGPSinformationTime,positionoftheUE,GPSdataThisinformationisreferredtoas‘AssistanceData’AssistancedataisprovidedtotheUEthroughthewirelessnetworkduringpositioningsessionsAllowsUEtoquicklyacquireandmeasureGPSsatellitesignalsAssisted-GPS(A-GPS)Inessence148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。新兴定位系统（续）卫星定位无线AP定位149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）卫星定位网络定位150网络定位网络定位1514.1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1524.3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：153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154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：155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标签作为参考标志将目标测得的信号特征向量与参考标志此