室內(nèi)定位學(xué)習(xí)教案

1、室內(nèi)室內(nèi)(sh ni)定位定位第一頁，共29頁。是什么(shn me)？01定位(dngwi)算法02定位(dngwi)技術(shù)03應(yīng)用&進(jìn)展04Indoor Location第1頁/共29頁第二頁，共29頁。1室內(nèi)定位(dngwi)是什么？PART ONE將室內(nèi)定位與傳統(tǒng)(chuntng)的GPS定位進(jìn)行對比，清楚室內(nèi)定位的必要性.第2頁/共29頁第三頁，共29頁。GPS定位定位(dngwi)室內(nèi)(sh ni)定位與（GPS）定位對比(dub)1：兩者之間的關(guān)聯(lián)室內(nèi)定位室內(nèi)定位常用于室外定位發(fā)展成熟用于環(huán)境復(fù)雜的室內(nèi)成長階段環(huán)境因素社會需求第3頁/共29頁第四頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位

2、與（GPS）定位對比(dub)2：兩者之間的差異GPS定位常用于較為寬廣的室外，由于衛(wèi)星信號不受遮擋(zhdng)，定位精度較高，應(yīng)用較廣。最常見應(yīng)用于：汽車、船只、飛機等的導(dǎo)航等等。汽車GPS導(dǎo)航時，行駛于馬路中央、上方無遮蔽物GPS定位依靠衛(wèi)星位置，以及所在點與衛(wèi)星的距離，這兩者提供我們所需要的位置以及導(dǎo)航室內(nèi)定位人有很多活動都是在室內(nèi)進(jìn)行的，商場購物，車站乘車等等，光靠指示牌信息獲得有用的信息，比較困難，室內(nèi)定位更形象地告訴你所在的位置以及周圍環(huán)境人進(jìn)行定位時，常處于環(huán)境較為復(fù)雜的街道上，高樓內(nèi)等，GPS衛(wèi)星信號往往被遮擋，室內(nèi)定位由此被重視。射頻識別技術(shù) （ RFID）、超寬帶技術(shù) (

3、UWB)、 無線局域網(wǎng)技術(shù) (WLAN)、 藍(lán)牙技術(shù) (Bluetooth)、 紅外技術(shù) (Infrared Technology) 等123需求不同需求不同環(huán)境限制環(huán)境限制定位技術(shù)定位技術(shù)第4頁/共29頁第五頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION ）重要性INDOOR LOCATION室內(nèi)(sh ni)定位？找不到？找不到(b do)大型商場內(nèi)（寫字樓、體育館、車站），找不到洗手間，一家小店鋪，外賣送餐員，甚至走失的孩子？管理？管理監(jiān)獄犯罪人員的管理，防止越獄、電子點名；礦井人員管理，日常管理、監(jiān)控入井人數(shù)，防止人員進(jìn)入危險區(qū)域，及時發(fā)現(xiàn)未升井人員，防范意外發(fā)生

4、，？怎么做？怎么做大型建筑物內(nèi)部突發(fā)緊急狀況（比如火災(zāi)），怎么選擇正確合理的路線逃生游戲！游戲！捉迷藏JUST A JOKE.第5頁/共29頁第六頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION ）定義(dngy)室內(nèi)定位，顧名思義室內(nèi)定位，顧名思義(g mng s y)，在室內(nèi)采用，在室內(nèi)采用RFID、UWB、Wi-Fi 等多種技等多種技術(shù)，利用指紋模型、傳播模型，解算坐標(biāo)，獲得位置服務(wù)的一種定位。術(shù)，利用指紋模型、傳播模型，解算坐標(biāo)，獲得位置服務(wù)的一種定位。第6頁/共29頁第七頁，共29頁。2室內(nèi)定位采用的幾種(j zhn)解算坐標(biāo)方法PART TWO第7頁/共29頁第

5、八頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）原理(yunl)到達(dá)到達(dá)(dod)時間法時間法（TOA）待定位節(jié)點與三個已知信標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)，及其之間的距離（絕對時間*速度），可求出待定位節(jié)點的坐標(biāo)。到達(dá)信號角度（到達(dá)信號角度（AOA）待定位節(jié)點向信標(biāo)節(jié)點發(fā)射信號，通過信標(biāo)節(jié)點測定信號到達(dá)的角度，解算出待定位節(jié)點的坐標(biāo)。到達(dá)時間差法（到達(dá)時間差法（TDOA）1.根據(jù)節(jié)點同時發(fā)射兩種不同傳播速度的信號到接收節(jié)點，時間差計算出距離，再利用三圓相交計算節(jié)點坐標(biāo)；2.待定位點在雙曲線上.到達(dá)信號強度（到達(dá)信號強度（RSSI）通過檢測信號接收端接收功率，通過傳播損耗模型，計算節(jié)點間的

6、距離，用三邊定位方法，解出坐標(biāo)。室內(nèi)定位原理利用信標(biāo)節(jié)點間信號的到達(dá)時間、到達(dá)時間差、到達(dá)信號角度、和到達(dá)信號強度信息確定位置坐標(biāo)的方法。第8頁/共29頁第九頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）TOA（Time of Arrival）T TOAOATime of Arrival到達(dá)時間法（ TOA，Time of Arrival）定位的原理是：測量待定位節(jié)點 (x 0,y 0)與已知至少3個信標(biāo)節(jié)點(x i ,y i )之間的信號到達(dá)時間t i ，再乘以信號速度v ，計算出待定位節(jié)點與各信標(biāo)節(jié)點之間的距離R i ，分別以信標(biāo)節(jié)點(x i ,y i )為圓心(y

7、unxn)， R i 為半徑做圓，各圓的交點為待定位節(jié)點(x 0,y 0)的坐標(biāo)。TOA定位(dngwi)方法缺點：時鐘同步誤差和測量誤差。如果信標(biāo)節(jié)點與待定位節(jié)點無法做到精確的時鐘同步，則所測得的信號到達(dá)時間會有時間誤差，導(dǎo)致R i 存在偏差，使三個圓無法交匯，或交匯處不是一點而是一片區(qū)域，造成定位誤差。時鐘同步：把分布在各地的時鐘對準(zhǔn)（同步起來）第9頁/共29頁第十頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）TDOA（ Time Difference of Arrival）TDOA方式方式(fngsh)一一發(fā)射節(jié)點同時發(fā)射兩種不同(b tn)傳播速度的無線信號，接

8、收節(jié)點根據(jù)已知的這兩種信號的傳播速度以及兩種信號的到達(dá)時間差，計算待定位節(jié)點和信標(biāo)節(jié)點之間的距離，通過計算待定位節(jié)點和至少3個信標(biāo)節(jié)點之間的距離，用三圓相交法確定待定節(jié)點的坐標(biāo)位置。方式二方式二由待定位節(jié)點(x 0,y 0)向兩個信標(biāo)節(jié)點(x 1,y 1)、(x 2,y 2)同時發(fā)射信號，由于待定位節(jié)點與兩個信標(biāo)節(jié)點之間的距離不同，通過已知信號的傳播速度v 和兩個信標(biāo)節(jié)點接收到信號時間差t 相乘，可確定待定位節(jié)點在以兩個信標(biāo)節(jié)點為焦點、距離差為vt的雙曲線上。通過測量至少三個信標(biāo)節(jié)點之間的信號到達(dá)時間差，構(gòu)成一組關(guān)于待定位節(jié)點坐標(biāo)的雙曲線方程組，求解該雙曲線方程組可得到移動臺的估計位置。第10

9、頁/共29頁第十一頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）AOA（Angle of Arrival）到達(dá)角度法定位(dngwi)原理：待定位(dngwi)節(jié)點向信標(biāo)節(jié)點發(fā)射信號，通過信標(biāo)節(jié)點測定信號到達(dá)的角度，解算出待定位(dngwi)節(jié)點的坐標(biāo)。在二維空間中，測得兩個信號到達(dá)信標(biāo)節(jié)點的到達(dá)角度A O A ， 信 標(biāo) 節(jié) 點 根 據(jù) 各 測 得 的 A O A 直 線 方 向 取 其 交點，解出待定位(dngwi)節(jié)點的坐標(biāo)求 解 方 程 組,得 到 待定 位 節(jié) 點 位置 (x 0,y 0) 。AOA法定位精度受天線測角精度影響，增加(zngji)信標(biāo)節(jié)點布點密

10、度或使用天線陣列可提高定位精度。第11頁/共29頁第十二頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）RSSI（Received Signal Strength Indication）求 解 方 程 組,得 到 待定 位 節(jié) 點 位置 (x 0,y 0) 。AOA法定位精度受天線測角精度影響，增加信標(biāo)節(jié)點布點密度或使用(shyng)天線陣列可提高定位精度。信號(xnho)強度法（RSSI，Received Signal Strength Indication）定位原理：通過檢測信號(xnho)接收端接收功率P t ，通過傳播損耗模型，計算節(jié)點間的距離d ，根據(jù)三邊定位方

11、法，解出信標(biāo)節(jié)點的位置坐標(biāo)。室內(nèi)信號(xnho)傳播具有復(fù)雜性，不能用理想傳播模型計算出精確的距離。因此，系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)常使用以下簡化路徑損耗模型：P t：為發(fā)射信號功率 K ：依賴于天線特性和平均信道損耗的常系數(shù) d 0：天線遠(yuǎn)場的參考距離 ：為路徑損耗指數(shù)第12頁/共29頁第十三頁，共29頁。3室內(nèi)定位(dngwi)的常用定位(dngwi)技術(shù)PART THREE紅外線室內(nèi)定位技術(shù)、超聲波定位技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、射頻(sh pn)識別技術(shù)、超寬帶技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、ZigBee技術(shù)第13頁/共29頁第十四頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）幾種(j zhn)技術(shù)

12、.紅外線室內(nèi)紅外線室內(nèi)(sh ni)定位定位第一種是被定位目標(biāo)使用紅外線IR標(biāo)識作為移動點，發(fā)射調(diào)制的紅外射線，通過安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收進(jìn)行定位；第二種是通過多對發(fā)射器和接收器織紅外線網(wǎng)覆蓋待測空間，直接對運動目標(biāo)進(jìn)行定位。超聲波定位技術(shù)超聲波定位技術(shù)超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)，由待定位接收機和已知位置信標(biāo)節(jié)點組成。利用超聲波和射頻信號的TDOA測量兩點間距離，再用三邊定位方法計算節(jié)點位置。藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)利用在室內(nèi)安裝的若干個藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點，把網(wǎng)絡(luò)維持成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點始終是這個微微網(wǎng)(piconet)的主設(shè)備，然后通過測量信號強度對新加入的盲節(jié)點進(jìn)行三角

13、定位。.射頻識別技術(shù)射頻識別技術(shù)基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)采用基于信號強度分析法，檢測待定位標(biāo)簽和讀卡器之間的信號強度，再由已知標(biāo)簽和讀卡器之間的信號強度，解算待定位標(biāo)簽的位置。第14頁/共29頁第十五頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）幾種(j zhn)技術(shù)超寬帶技術(shù)超寬帶技術(shù)(jsh) UWB（Ultra-Wide-Band）超寬帶定位技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信定位技術(shù)有極大差異的新技術(shù)。它利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點和橋節(jié)點，與新加入的盲節(jié)點進(jìn)行通訊，并利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置。ZigBee技術(shù)技術(shù)ZigBee室內(nèi)定位技術(shù)通過若干

14、個待定位的盲節(jié)點和一個已知位置的參考節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間形成組網(wǎng)，每個微小的盲節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)通信以實現(xiàn)全部定位。Wi-Fi技術(shù)技術(shù)Wi-Fi定位技術(shù)有兩種，一是通過移動設(shè)備和三個無線網(wǎng)絡(luò)接入點的無線信號強度，通過差分算法，對人和車輛的進(jìn)行三角定位。另一種是事先記錄巨量的確定位置點的信號強度，通過用新加入的設(shè)備的信號強度對比擁有巨量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，來確定位置（”指紋”定位)第15頁/共29頁第十六頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）紅外線室內(nèi)(sh ni)定位技術(shù)紅外線室內(nèi)紅外線室內(nèi)(sh ni)定位定位第一種是被定位目標(biāo)使用紅外線IR標(biāo)識作為移動點，發(fā)射調(diào)制的紅外射

15、線，通過安裝在室內(nèi)的光學(xué)傳感器接收進(jìn)行定位；第二種是通過多對發(fā)射器和接收器織紅外線網(wǎng)覆蓋待測空間，直接對運動目標(biāo)進(jìn)行定位。方式二：第16頁/共29頁第十七頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）超聲波定位(dngwi)技術(shù)超聲波定位超聲波定位(dngwi)技術(shù)技術(shù)超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)，由待定位接收機和已知位置信標(biāo)節(jié)點組成。利用超聲波和射頻信號的TDOA測量兩點間距離，再用三邊定位方法計算節(jié)點位置。第17頁/共29頁第十八頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）射頻識別(shbi)技術(shù)（Radio Frequency Identifica

16、tion）射頻識別技術(shù)射頻識別技術(shù)基于RFID的室內(nèi)定位系統(tǒng)采用基于信號強度分析法，檢測待定位標(biāo)簽和讀卡器之間的信號強度，再由已知標(biāo)簽和讀卡器之間的信號強度，解算待定位標(biāo)簽的位置。系統(tǒng)采用已知位置的參考標(biāo)簽作為定位系統(tǒng)的參考點。系統(tǒng)還包括一個由讀卡器和參考標(biāo)簽組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)和用于用戶設(shè)備與Internet間通信的無線網(wǎng)絡(luò)。定位的結(jié)果通過API在監(jiān)視界面上顯示。其 中 ， 讀 卡 器 的 工 作 范 圍 是 4 0 米 ， 如 果 增 加 天線，覆蓋范圍可達(dá)300米。當(dāng)待定位標(biāo)簽處于檢測范圍內(nèi)，讀卡器讀取待定位標(biāo)簽和參考標(biāo)簽的識別碼信息和信號強度信息。通過信號強度與距離的關(guān)系，采用某種算法確

17、定 待 定 位 標(biāo) 簽 位 置。第18頁/共29頁第十九頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）幾種(j zhn)技術(shù)（UWB（Ultra-Wide-Band）超寬帶技術(shù)超寬帶技術(shù)(jsh) UWB（Ultra-Wide-Band）超寬帶定位技術(shù)是一種全新的、與傳統(tǒng)通信定位技術(shù)有極大差異的新技術(shù)。它利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點和橋節(jié)點，與新加入的盲節(jié)點進(jìn)行通訊，并利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置。UWB超寬帶技術(shù)是一種不用載波，而利用納秒至皮秒級的非非正弦波窄正弦波窄脈沖脈沖傳輸數(shù)據(jù)的無線通信技術(shù)。與Bluetooth和WLAN等帶寬相對較窄的傳統(tǒng)無

18、線 通 信 技 術(shù) 不 同 ， UWB在 超 寬 頻 帶 上 發(fā) 送 一 系 列 非常窄的低功率脈沖，數(shù)據(jù)速率可達(dá)數(shù)十到數(shù)百Mbps。U采 用 T D O A 和 A O A 混 合 定 位方法進(jìn)行高精度定位。一個UWB室內(nèi)定位系統(tǒng)包括三個部分：（1）活動標(biāo)簽：該標(biāo)簽由電池供電工作，且?guī)в袛?shù)據(jù)存儲器，能夠發(fā)射帶識別碼的UWB信號進(jìn)行定位；（2）傳感器：作為位置固定的信標(biāo)節(jié)點接收并計算從標(biāo)簽發(fā)射出來的信號；（3）軟件平臺：能夠獲取、分析所有位置信息并傳輸信息給用戶。標(biāo)簽發(fā)射UWB脈沖信號，天線陣列根據(jù)信號到達(dá)的時間差和到達(dá)角度計算出標(biāo)簽的精確位置。傳感器按照蜂窩單元組織形式布置。每個定位單元中，

19、主傳感器配合其他傳感器工標(biāo)簽進(jìn)行通信。傳感器通過以太網(wǎng)或無線局域網(wǎng)將標(biāo)簽位置發(fā)送到定位引擎。定位引擎對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，在定位軟件平臺上實現(xiàn)可視化處理。每個傳感器獨立測定UWB信號到達(dá)方向角AOA；而到達(dá)時間差TDOA則由一對傳感器測定。目前，單個傳感器就能較為準(zhǔn)確地測得標(biāo)簽位置，兩個傳感器能 夠 測 出 精 準(zhǔn) 的 3 D 位 置 信 息 。 Ubisense 7000Zebra的Dart UWB傳感器第19頁/共29頁第二十頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）計算(j sun)模型傳播(chunb)模型指紋模型依靠分析信號傳播過程中的特性來推算傳播距離。常用的

20、特性包括: SSI ，AOA，TOA。由于所有參數(shù)難以在同一模型內(nèi)考慮，所以精度有限。另外，SSI 的數(shù)值不是常數(shù)， 由于很多原因會導(dǎo)致SSI 值不同。傳播模型得益于已知無線電信號的傳播和 AP 接入點的位置。但不能很好地處理信號的不確定性。指紋模型， 運用模式匹配的技術(shù)， 根據(jù)所在位置的測量值跟已經(jīng)觀測到的所有位置的測量值作比較， 然后根據(jù)匹配情況確定位置。可以將信號的不確定性考慮在內(nèi)。主要缺點是需要大量的工作量去給一個給定的環(huán)境建立定位模型并進(jìn)行校準(zhǔn)。而且環(huán)境改變之后，之前建立的模型將不再適用，需要修改。WiFi 室內(nèi)定位技術(shù)需要多個 WiFi 接入點。第一步是構(gòu)建指紋地圖，按照 指紋，地

21、點 的形式在不同位置收集數(shù)據(jù)， 并寫入指紋地圖的數(shù)據(jù)庫。其中指紋可以包括信號強度、 方向以及接入點的 MAC 地址等信息。第二步是定位， 被測物體上安裝 WiFi 信號接收器，在某一位置接收到信號之后，用當(dāng)前位置的指紋信息到指紋地圖庫中匹配，即可得出所在位置WIFI技術(shù)第20頁/共29頁第二十一頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）技術(shù)(jsh)對比技術(shù)名稱技術(shù)名稱精確度精確度穿透性穿透性抗干擾性抗干擾性布局復(fù)雜程度布局復(fù)雜程度成本成本紅外線室內(nèi)定位超聲波定位射頻識別定位藍(lán)牙Wi-FiZigBeeUWB第21頁/共29頁第二十二頁，共29頁。4室內(nèi)(sh ni)

22、定位的應(yīng)用&進(jìn)展PART THREE第22頁/共29頁第二十三頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）應(yīng)用(yngyng)個人個人(grn)導(dǎo)航導(dǎo)航個人行跡個人行跡記錄記錄推推送和顧客送和顧客商業(yè)行為分析商業(yè)行為分析位置感知位置感知服務(wù)服務(wù)Personal Data Collection and Tracking.Context-aware Service.Commercial Behavior AnalysisPedestrian Navigation.室內(nèi)室內(nèi)外環(huán)境外環(huán)境下的無縫下的無縫導(dǎo)航定位導(dǎo)航定位服務(wù)服務(wù)Ubiquitous Positioning an

23、d Navigation機構(gòu)的實機構(gòu)的實時定位系統(tǒng)時定位系統(tǒng)Real Time Location System第23頁/共29頁第二十四頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）應(yīng)用(yngyng)010203。有效區(qū)分、識別、跟蹤、定位和監(jiān)控在押人員將每個在押人員的個人信息與他們的日常行為等動態(tài)緊密聯(lián)系起來，充分發(fā)揮科技手段的作用，才能有效減少和杜絕監(jiān)獄場所越獄(yu y)脫逃、監(jiān)內(nèi)暴力、罪犯自傷自殘等事件的發(fā)生，真正實現(xiàn)監(jiān)獄管理科技信息化監(jiān)獄管理監(jiān)獄管理實時監(jiān)控病員，預(yù)防意外的事故發(fā)生醫(yī)療監(jiān)管醫(yī)療監(jiān)管礦井工作礦井工作更多。能夠進(jìn)行實時監(jiān)控（遏制超定員生產(chǎn)、防止人

24、員進(jìn)入危險區(qū)域等）、日常管理（考勤管理、持證上崗管理等）、應(yīng)急救援第24頁/共29頁第二十五頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）應(yīng)用(yngyng) 防獄內(nèi)越獄 通過在圍墻邊界處架設(shè)有效的紅外對射裝置，結(jié)合智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及 UWB 精確定位系統(tǒng)，有效防止監(jiān)獄集中區(qū)脫逃事件的發(fā)生。首先在圍墻邊界架設(shè)多個紅外對射裝置，并在每個裝置附近都安裝智能監(jiān)控，且 UWB 定位系統(tǒng)覆蓋(fgi)整個區(qū)域。當(dāng)服刑人員觸碰阻擋紅外發(fā)射時立即產(chǎn)生報警，系統(tǒng)自動切換智能視頻到該報警處，實現(xiàn)實時拍攝記錄現(xiàn)場違規(guī)行為。并結(jié)合服刑人員所佩戴的防拆腕帶標(biāo)簽，實現(xiàn) UWB 精確定位，系統(tǒng)提供精度高達(dá) 15CM 的 3D 現(xiàn)在效果圖，從而判斷在場人數(shù)及位置。通過設(shè)定圍欄周界，有效防止越獄發(fā)生。主動紅外入侵探測器由主動紅外發(fā)射機和主動紅外接收機組成，當(dāng)發(fā)射機與接收機之間的紅外光束被完全遮斷或按給定百分比遮斷時能產(chǎn)生報警狀態(tài)的裝置。第25頁/共29頁第二十六頁，共29頁。室內(nèi)(sh ni)定位