物联网导论-定位系统及其应用培训课件

第4章定位系统物联网导论-定位系统及其应用培训课件第1页内容提要经过定位系统获取位置信息是物联网时代主要研究课题。本章将经典定位系统和定位技术。物联网导论-定位系统及其应用培训课件第2页第3章介绍了传感器技术传感器设计需求（低成本与微型化，低功耗，灵活性与扩展性，鲁棒性）传感器软硬件平台本章介绍位置信息概念，重点介绍经典定位系统（卫星定位，蜂窝基站定位，无线室内环境定位，新兴定位系统）以及三种常见定位技术。内容回顾物联网导论-定位系统及其应用培训课件第3页4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位技术新挑战位置信息三大要素是什么？本章内容物联网导论-定位系统及其应用培训课件第4页为何需要定位？基于位置服务自动导航搜索周围服务信息基于位置社交网络：Foursquare位置信息和我们生活息息相关位置信息不是单纯“位置”地理位置（空间坐标）处于该位置时刻（时间坐标）处于该位置对象（身份信息）物联网导论-定位系统及其应用培训课件第5页4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位技术新挑战经典定位系统有哪些？各自有哪些特点？本章内容物联网导论-定位系统及其应用培训课件第6页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，网络定位物联网导论-定位系统及其应用培训课件第7页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是当前世界上最惯用卫星导航系统。物联网导论-定位系统及其应用培训课件第8页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，里根承诺未来对民间开放使用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，克林顿下令取消军用/民用信号精度差异对待物联网导论-定位系统及其应用培训课件第9页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接收机物联网导论-定位系统及其应用培训课件第10页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物联网导论-定位系统及其应用培训课件第11页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开启时间长室内信号差需要GPS接收机物联网导论-定位系统及其应用培训课件第12页GPS经典应用：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”路线物联网导论-定位系统及其应用培训课件第13页GPS经典应用：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情况，污染指数，天气情况，加油站分布，驾驶员身体情况等各种原因找出“最正确”路线由“以路为本”转变到“以人为本”物联网导论-定位系统及其应用培训课件第14页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条件，可对通讯设备进行定位物联网导论-定位系统及其应用培训课件第15页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位置视为移动设备位置精度直接取决于基站覆盖范围基站分布疏松地域，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，适用紧急情况物联网导论-定位系统及其应用培训课件第16页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域可能只能收到两个基站信号，不适用AoA定位法物联网导论-定位系统及其应用培训课件第17页蜂窝基站定位：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，可通讯即可定位开启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，造价昂贵物联网导论-定位系统及其应用培训课件第18页经典应用：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，依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，包含ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS使用时尝试各种定位方法，择优而用物联网导论-定位系统及其应用培训课件第19页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，多径效应显著对电磁波妨碍作用长波信号（GPS）传输能力强，穿透能力弱室内应选取短波信号来进行定位物联网导论-定位系统及其应用培训课件第20页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等技术所需昂贵硬件RSS定位技术使用信号强度进行定位利用已经有无线网络（蓝牙、Wi-Fi、ZigBee）红外线、超声波、蓝牙、RFID、超宽带……物联网导论-定位系统及其应用培训课件第21页RFID定位经典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标签需要使用时经过RFID定位找到标签位置，从而定位设备位置结合感知技术，还能够监控设备情况是否空闲是否故障是否老化物联网导论-定位系统及其应用培训课件第22页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时间物联网导论-定位系统及其应用培训课件第23页新兴定位系统（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，定位非常准确在iPhone中成熟应用网络定位用于无线传感网、自组织网络经过少许位置已知节点，定位出全网络节点位置物联网导论-定位系统及其应用培训课件第24页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？本章内容物联网导论-定位系统及其应用培训课件第25页4.3定位技术定位技术关键：有一个或多个已知坐标参考点得到待定物体与已知参考点空间关系定位技术两个步骤：测量物理量→依据物理量确定目标位置常见定位技术：基于距离定位（ToA）基于距离差定位（TDoA）基于信号特征定位（RSS）物联网导论-定位系统及其应用培训课件第26页基于距离定位（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*传输时间Δt传输时间Δt=收到时刻t–发出时刻t0问题：接收端怎样得知t0？物联网导论-定位系统及其应用培训课件第27页基于距离定位（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统计：电磁波抵达时刻声波抵达时刻距离因为远大于，上式可简化为物联网导论-定位系统及其应用培训课件第28页基于距离定位（ToA）基于距离基于距离差基于信号特征方法2：测量波往返时间发送端于时刻发送波接收端收到波后，等候时间后返回一样波发送端统计收到回复时间距离物联网导论-定位系统及其应用培训课件第29页基于距离定位（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出三个参考点，用最小二乘法降低误差物联网导论-定位系统及其应用培训课件第30页基于距离差定位（TDoA）基于距离基于距离差基于信号特征ToA局限需要参考点和测量目标时钟同时TDoA不需要参考点和测量目标时钟同时参考点之间依然需要时钟同时物联网导论-定位系统及其应用培训课件第31页基于距离差定位（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分别统计信号接收到时刻ti，tj测量目标到i，j距离差物联网导论-定位系统及其应用培训课件第32页基于距离差定位（TDoA）基于距离基于距离差基于信号特征位置计算方法最少两组数据联立方程求解实际采取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距离构建方程：物联网导论-定位系统及其应用培训课件第33页基于信号特征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定位直接利用无线通信射频信号定位，不需要额外设备原理：信号强度随传输距离衰减问题：理想公式实际难以应用物联网导论-定位系统及其应用培训课件第34页基于信号特征定位基于距离基于距离差基于信号特征处理方法：将信号强度看做“特征”预先布置N个参考节点测出N个参考节点信号强度，得到一个N维向量事先测出区域中每个位置特征向量将目标测出特征向量和事先测量值比对，找出位置缺点：不能应对动态改变物联网导论-定位系统及其应用培训课件第35页基于信号特征定位基于距离基于距离差基于信号特征LANDMARC：基于信号特征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统计自己收到RSS信号强度特征向量将目标测得信号特征向量与参考标志此时特征向量进行比对，确定位置，误差在1m范围以内物联网导论-定位系统及其应用培训课件第36页4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位技术新挑战物联网背景对定位技术有哪些新需求？本章内容物联网导论-定位系统及其应用培训课件第37页网络异构接入物联网设备五花八门连接起来网络各自不一样→怎样让不一样设备在不一样网络下准确定位环境多变室外vs.室内空阔地带vs.障碍物众多静止设备vs.频繁运动4.4物联网下定位技术新挑战物联网导论-定位系统及其应用培训课件第38页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后果严重→怎样既确保信息精度，又保护个人隐私大规模应用物联网时代，接入网络设备将超出500亿台→怎样应对庞大数量增加→怎样让定位技术为简单设备（如RFID标签）所用4.4物联网下定位技术新挑战物联网导论-定位系统及其应用培训课件第39页本章小结内容回顾本章介绍了位置信息基本概念，重点讨论了四种定位系统以及三种经典定位技术，最终探讨了物联网对定位技术新挑战。重点掌握了解位置信息三要素。了解GP