《物聯(lián)網(wǎng)》課件第6章-物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)定位和發(fā)現(xiàn)技術(shù)

1、第 6 章網(wǎng)絡(luò)定位和發(fā)現(xiàn)技術(shù) 學(xué)習(xí)任務(wù) GPS全球定位系統(tǒng) 蜂窩基站定位 新興定位系統(tǒng)（ AGPS ） Click to add title in here 123本章主要涉及：學(xué)習(xí)任務(wù)無線室內(nèi)環(huán)境定位傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù) 傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)Click to add title in here 456本章主要涉及：6.1 位置服務(wù)位置服務(wù)（LBS，Location Based Services）又稱定位服務(wù)，LBS是由移動通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)合在一起提供的一種增值業(yè)務(wù)，通過一組定位技術(shù)獲得移動終端的位置信息(如經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù))，提供給移動用戶本人或他人以及通信系統(tǒng)，實現(xiàn)各種與位置相關(guān)

2、的業(yè)務(wù)。實質(zhì)上是一種概念較為寬泛的與空間位置有關(guān)的新型服務(wù)業(yè)務(wù)。6.1 位置服務(wù)位置服務(wù)（LBS，Location Based Services）又稱定位服務(wù)，LBS是由移動通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)合在一起提供的一種增值業(yè)務(wù)，通過一組定位技術(shù)獲得移動終端的位置信息(如經(jīng)緯度坐標(biāo)數(shù)據(jù))，提供給移動用戶本人或他人以及通信系統(tǒng)，實現(xiàn)各種與位置相關(guān)的業(yè)務(wù)。實質(zhì)上是一種概念較為寬泛的與空間位置有關(guān)的新型服務(wù)業(yè)務(wù)。關(guān)于位置服務(wù)的定義有很多。1994年，美國學(xué)者Schilit首先提出了位置服務(wù)的三大目標(biāo)：你在哪里(空間信息)、你和誰在一起(社會信息)、附近有什么資源(信息查詢)。這也成為了LBS最基礎(chǔ)的內(nèi)容

3、。 6.1 位置服務(wù)對于位置定義有如下幾種方法： 1) AOA(angle of arrival )指通過兩個基站的交集來獲取移動臺(Mobile station)的位置； 2) TDOA(time difference of arrival)工作原來類似與GPS。通過一個移動臺和多個基站交互的時間差來定位； 3) location signature位置標(biāo)記。對每個位置區(qū)進(jìn)行標(biāo)識來獲取位置； 4) 衛(wèi)星定位。6.1 位置服務(wù) 需要特別說明的是，位置信息不是單純的“位置”，而是包括： 地理位置（空間坐標(biāo)） 處在該位置的時刻（時間坐標(biāo)） 處在該位置的對象（身份信息）6.2 GPS全球定位系統(tǒng)GP

4、S 是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡稱。GPS是20世紀(jì)70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、 全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù).經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。6.2.1. GPS構(gòu)成GPS全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面控制系統(tǒng)和用戶設(shè)備部分三部分組成。 空間部分GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成(21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星），它位于距地表20200km的上空,均勻分布在6 個軌道面上,軌道傾角為55。衛(wèi)星的

5、分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星,并能在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息。GPS的衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題，隨著時間的推移，導(dǎo)航精度會逐漸降低。 6.2.1. GPS構(gòu)成 地面控制系統(tǒng)地面控制系統(tǒng)由監(jiān)測站、主控制站、地面天線所組成,主控制站位于美國科羅拉多州春田市。地面控制站負(fù)責(zé)收集由衛(wèi)星傳回之訊息,并計算衛(wèi)星星歷、相對距離,大氣校正等數(shù)據(jù)。 用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分即GPS 信號接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。6.2.1. GPS構(gòu)成當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道

6、參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS 用戶設(shè)備。6.2.1. GPS構(gòu)成GPS 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機(jī)體積越來越小，重量越來越輕，便于野外觀測使用。6.2.2. GPS工作過程GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一

7、目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）.6.2.2. GPS工作過程當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼發(fā)射導(dǎo)航電文。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中解調(diào)制出來，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射

8、電文時所處位置，用戶在大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。 6.2.2. GPS工作過程然而，由于用戶接受機(jī)使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個t即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。 6.2.2. GPS工作過程GPS衛(wèi)星信號接收工作原理 6.2.3. GPS定位計算GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如下圖所示，假設(shè)t時刻在地面待測點上安置GPS接收機(jī)，可以測定G

9、PS信號到達(dá)接收機(jī)的時間t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式： 6.2.3. GPS定位計算 GPS定位計算 6.2.3. GPS定位計算上述四個方程式中待測點坐標(biāo)x、 y、 z 和Vto為未知參數(shù)，其中di=cti (i=1、2、3、4)。 di (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。 ti (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時間。 c為GPS信號的傳播速度（即光速）。 6.2.3. GPS定位計算 四個方程式中各個參數(shù)意義如下： x、y、z 為待測點坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)；

10、xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標(biāo)， 可由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。 Vt i (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。 Vto為接收機(jī)的鐘差。 由以上四個方程即可解算出待測點的坐標(biāo)x、y、z 和接收機(jī)的鐘差Vto 。6.2.4. 全球四大GPS系統(tǒng) 美國GPS：由美國國防部于20世紀(jì)70年代初開始設(shè)計、研制，于1993年全部建成。 歐盟“伽利略”：準(zhǔn)備發(fā)射30顆衛(wèi)星，組成“伽利略”衛(wèi)星定位系統(tǒng)。2009年該計劃正式啟動。 俄羅斯“格洛納斯”：始于上世紀(jì)70年代，如要提供全球定位服

11、務(wù)，則需要24顆衛(wèi)星。6.2.4. 全球四大GPS系統(tǒng) 中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System)：是中國正在實施的獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。由空間段、地面段和用戶段三部分組成，空間段包括5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星，地面段包括主控站、注入站和監(jiān)測站等若干個地面站，用戶段包括北斗用戶終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。6.2.5.GPS的應(yīng)用(1)陸地應(yīng)用，主要包括車輛導(dǎo)航、應(yīng)急反應(yīng)、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監(jiān)測、地殼運動監(jiān)測、 市政規(guī)劃控制等；(2)海洋應(yīng)用，包括遠(yuǎn)洋船最佳航程航線測定、船只

12、實時調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救援、海洋探寶、水文地質(zhì)測量以及海洋平臺定位、海平面升降監(jiān)測等；(3)航空航天應(yīng)用，包括飛機(jī)導(dǎo)航、航空遙 感姿態(tài)控制、低軌衛(wèi)星定軌、導(dǎo)彈制導(dǎo)、航空救援和載人航天器防護(hù)探測等。6.3 蜂窩基站定位相對而言，GPS定位成本高、定位慢、耗電多因此在一些定位精度要求不高，但是定位速度要求較高的場景下，并不是特別適合；同時因為GPS衛(wèi)星信號穿透能力弱，因此在室內(nèi)無法使用。相比之下，GSM蜂窩基站定位快速、省電、低成本、應(yīng)用范圍限制小，因此在一些精度要求不高的輕型場景下，也大有用武之地。6.3.1 GSM蜂窩基站的基礎(chǔ)架構(gòu)GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)是由一系列的蜂窩基站構(gòu)成的，這些蜂窩基站把整

13、個通信區(qū)域劃分成如圖所示的一個個蜂窩小區(qū)。這些小區(qū)小則幾十米，大則幾千米。在GSM中通信時，總是需要和某一個蜂窩基站連接的，或者說是處于某一個蜂窩小區(qū)中的。那么GSM定位，就是借助這些蜂窩基站進(jìn)行定位。6.3.1 GSM蜂窩基站的基礎(chǔ)架構(gòu)蜂窩基站 6.3.2 COO（Cell of Origin）定位COO定位是一種單基站定位，即根據(jù)設(shè)備當(dāng)前連接的蜂窩基站的位置來確定設(shè)備的位置。那么很顯然，定位的精度就取決于蜂窩小區(qū)的半徑。在基站密集的城市中心地區(qū)，精度可以達(dá)到50M以內(nèi)；而在其他地區(qū)，可能基站分布相對分散，可能達(dá)到幾千米，也就意味著定位精度只能粗略到幾千米。6.3.3七號信令定位 該技術(shù)以信

14、令監(jiān)測為基礎(chǔ)，能夠?qū)σ苿油ㄐ啪W(wǎng)中特定的信令過程，如漫游、切換以及與電路相關(guān)的信令過程進(jìn)行過濾和分析，并將監(jiān)測結(jié)果提供給業(yè)務(wù)中心，以實現(xiàn)對特定用戶的個性化服務(wù)。 該項技術(shù)通過對信令進(jìn)行實時監(jiān)測，可定位到一個小區(qū)，也可定位到地區(qū)。 故適用對定位精確度要求不高的業(yè)務(wù)，如漫游用戶問候服務(wù)，遠(yuǎn)程設(shè)計服務(wù)、平安報信和貨物跟蹤等。6.3.4 TOA/TDOA定位基于距離的TOA定位 (Time of Arrival，到達(dá)時間)、基于距離差的TDOA定位 (Time Difference of Arrival,到達(dá)時間差)都是基于電波傳播時間的定位方法。同時也都是三基站定位方法，二者的定位都需要同時有三個位置

15、已知的基站合作才能進(jìn)行。6.3.4 TOA/TDOA定位三基站定位方法 6.3.4 TOA/TDOA定位TOA電波到達(dá)時間定位基本原理是得到Ti(i=1,2,3)后，由Ti*c得到設(shè)備到基站i之間的距離Ri，然后根據(jù)幾何只是建立方程組并求解，從而求得Location值。如下圖所示。 TOA 定位方法 6.3.4 TOA/TDOA定位DTOA電波到達(dá)時間差定位是對TOA定位的改進(jìn)，與TOA的不同之處在于，得到Ti后不是立即用Ti去求距離Ri，而是先對T1,T2,T3兩兩求差，然后通過一些巧妙的數(shù)學(xué)算法建立方程組并求解，從而得到Location值。如下圖所示。6.3.4 TOA/TDOA定位DTO

16、A由于其中巧妙設(shè)計的求差過程會抵消其中很大一部分的時間誤差和多徑效應(yīng)帶來的誤差，因而可以大大提高定位的精確度。由于DTOA對網(wǎng)絡(luò)要求相對較低，并且精度較高，因而目前已經(jīng)成為研究的熱點。DTOA定位方法 6.3.5 AOA定位AOA(Angle of Arrival，到達(dá)角度)定位是一種兩基站定位方法，基于信號的入射角度進(jìn)行定位。知道了基站1到設(shè)備之間連線與基準(zhǔn)方向的夾角1，就可以畫出一條射線L1；同樣知道了知道了基站2到設(shè)備之間連線與基準(zhǔn)方向的夾角2，就可以畫出一條射線L2。那么L1月L2的交點就是設(shè)備的位置。6.3.5 AOA定位用函數(shù)調(diào)用表達(dá)如下。Location=GetLocation(

17、Pisition1,1,Position2,2);AOA定位通過兩直線相交確定位置，不可能有多個交點，避免了定位的模糊性。但是為了測量電磁波的入射角度，接收機(jī)必須配備方向性強(qiáng)的天線陣列。 6.3.6 基于場強(qiáng)的定位該方法是通過測出接收到的信號場強(qiáng)和已知的信道衰落模型及發(fā)射信號的場強(qiáng)值估計收發(fā)信短的距離，根據(jù)多個三個距離值就可以得到設(shè)備的位置。從數(shù)學(xué)模型上看，和TOA算法類似，只是獲取距離的方式不同。場強(qiáng)算法雖然簡單，但是由于多徑效應(yīng)的影響，定位精度較差。 6.3.7 混合定位混合定位就是同時使用兩種以上的定位方法來進(jìn)行定位。通過各種定位方法之間結(jié)合使用，互補(bǔ)短長，以達(dá)到更高的定位精度。A-GP

18、S定位（輔助GPS定位）就是一種混合定位，是GPS定位技術(shù)與GSM網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。A-GPS具有很高的定位精度，目前正被越來越廣泛的使用。 6.4.1 AGPS定位基本機(jī)制根據(jù)定位媒介來分，定位技術(shù)基本包含基于GPS的定位和基于蜂窩基站的定位兩類。 GPS定位以其高精度得到更多的關(guān)注，但是其弱點也很明顯：一是硬件初始化（首次搜索衛(wèi)星）時間較長，需要幾分鐘至十幾分鐘；二是GPS衛(wèi)星信號穿透力若，容易受到建筑物、樹木等的阻擋而影響定位精度。6.4.1 AGPS定位基本機(jī)制AGPS定位技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)的輔助，成功的解決或緩解了這兩個問題。對于輔助網(wǎng)絡(luò)，有多種可能性，以GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)為例，一般是通過GPRS網(wǎng)

19、絡(luò)進(jìn)行輔助。AGPS定位技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)的輔助 6.4.2 AGPS定位基本流程首先搜索衛(wèi)星，AGPS定位仍然是基于GPS的，因此定位的首要步驟還是先搜索到當(dāng)前地區(qū)的可用GPS衛(wèi)星。AGPS基本流程（1） 6.4.2 AGPS定位基本流程 AGPS中從定位啟動到GPS接收器找到可用衛(wèi)星的基本流程如下： 設(shè)備從蜂窩基站獲取到當(dāng)前所在的小區(qū)位置（即一次COO定位） 設(shè)備通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)將當(dāng)前蜂窩小區(qū)位置傳送給網(wǎng)絡(luò)中的AGPS位置服務(wù)器 APGS位置服務(wù)器根據(jù)當(dāng)前小區(qū)位置查詢該區(qū)域當(dāng)前可用的衛(wèi)星信息（包括衛(wèi)星的頻段、方位、仰角等相關(guān)信息），并返回給設(shè)備6.4.2 AGPS定位基本流程 GPS接收器根據(jù)得到的

20、可用衛(wèi)星信息，可以快速找到當(dāng)前可用的GPS衛(wèi)星 至此，GPS接收器已經(jīng)可正常接收GPS信號，GPS初始化過程結(jié)束。其次計算位置，GPS接收器一旦找到四顆以上的可用衛(wèi)星，就可以開始接收衛(wèi)星信號實現(xiàn)定位。接下來的過程根據(jù)位置計算所在端的不同，通常有兩種方案：在移動設(shè)備端進(jìn)行計算的MS-Based方式和在網(wǎng)絡(luò)端進(jìn)行計算的MS-Assisted方式。 6.4.2 AGPS定位基本流程 設(shè)備將處理后的GPS信息（偽距信息）通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸給AGPS位置服務(wù)器 AGPS服務(wù)器根據(jù)偽距信息，并結(jié)合其他途徑（蜂窩基站定位、參考GPS定位等）得到的輔助定位信息，計算出最終的位置坐標(biāo)，返回給設(shè)備。 AGPS基本流

21、程（2） 6.4.3 AGPS定位技術(shù)實際應(yīng)用因為AGPS需要網(wǎng)絡(luò)支持，因此目前使用該技術(shù)的大部分設(shè)備為手機(jī)。目前大部分支持AGPS的手機(jī)采用一種純軟件的AGPS方案。該方案基于MS-Based位置計算方式。具體的方案為：定期下載星歷數(shù)據(jù)到手機(jī)中，手機(jī)中的AGPS軟件會根據(jù)星歷信息計算出當(dāng)前位置的可用衛(wèi)星信息，從而提供給設(shè)備用于快速搜星。用戶可以選擇通過WiFi、固網(wǎng)等免費網(wǎng)絡(luò)定期更新星歷數(shù)據(jù)，避免使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流量費用。6.5 無線室內(nèi)環(huán)境定位室內(nèi)定位技術(shù)解決方案，從總體上可歸納為幾類，即:GNSS技術(shù)(如偽衛(wèi)星等)，無線定位技術(shù)(無線通信信號、射頻無線標(biāo)簽、超聲波、光跟蹤、無線傳感

22、器定位技術(shù)等)，其它定位技術(shù)(計算機(jī)視覺、航位推算等)，GNSS和無線定位組合的定位技術(shù) (A-GPS)。 6.5.1 室內(nèi)GPS定位技術(shù)當(dāng)GPS接收機(jī)在室內(nèi)工作時，由于信號受建筑物的影響而大大衰減，定位精度也很低。 室內(nèi)GPS技術(shù)采用大量的相關(guān)器并行地搜索可能的延遲碼，同時也有助于實現(xiàn)快速定位。利用GPS進(jìn)行定位的優(yōu)勢是衛(wèi)星有效覆蓋范圍大，且定位導(dǎo)航信號免費。缺點是定位信號到達(dá)地面時較弱，不能穿透建筑物，而且定位器終端的成本較高。 6.5.2 室內(nèi)無線定位技術(shù) 紅外線室內(nèi)定位技術(shù)紅外線室內(nèi)定位技術(shù)定位的原理是，紅外線IR標(biāo)識發(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。雖然紅外

23、線具有相對較高的室內(nèi)定位精度，但是由于光線不能穿過障礙物，使得紅外射線僅能視距傳播。直線視距和傳輸距離較短這兩大主要缺點使其室內(nèi)定位的效果很差。 6.5.2 室內(nèi)無線定位技術(shù) 超聲波定位技術(shù)超聲波測距主要采用反射式測距法，通過三角定位等算法確定物體的位置，即發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生的回波，根據(jù)回波與發(fā)射波的時間差計算出待測距離，有的則采用單向測距法。 超聲波定位整體定位精度較高，結(jié)構(gòu)簡單，但超聲波受多徑效應(yīng)和非視距傳播影響很大，同時需要大量的底層硬件設(shè)施投資，成本太高。 6.5.2 室內(nèi)無線定位技術(shù) 藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)通過測量信號強(qiáng)度進(jìn)行定位。在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點，并保證藍(lán)牙局域

24、網(wǎng)接入點始終是這個微微網(wǎng)(piconet)的主設(shè)備，就可以獲得用戶的位置信息。藍(lán)牙技術(shù)主要應(yīng)用于小范圍定位，設(shè)備易于集成在 PDA、PC以及手機(jī)中。持有移動終端設(shè)備的用戶，只要設(shè)備的藍(lán)牙功能開啟，藍(lán)牙室內(nèi)定位系統(tǒng)就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行位置判斷。 6.5.2 室內(nèi)無線定位技術(shù) 射頻識別技術(shù)射頻識別技術(shù)利用射頻方式進(jìn)行非接觸式雙向通信交換數(shù)據(jù)以達(dá)到識別和定位的目的。這種技術(shù)作用距離短，一般最長為幾十米。但它可以在幾毫秒內(nèi)得到厘米級定位精度的信息。同時由于其非接觸和非視距等優(yōu)點，可望成為優(yōu)選的室內(nèi)定位技術(shù)。優(yōu)點是標(biāo)識的體積比較小，造價比較低，但是作用距離近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系統(tǒng)之中。 6

25、.5.2 室內(nèi)無線定位技術(shù) 超寬帶技術(shù)超寬帶技術(shù)不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有GHz量級的帶寬。超寬帶可用于室內(nèi)精確定位，例如戰(zhàn)場士兵的位置發(fā)現(xiàn)、機(jī)器人運動跟蹤等。超寬帶技術(shù)可以應(yīng)用于室內(nèi)靜止或者移動物體以及人的定位跟蹤與導(dǎo)航，且能提供十分精確的定位精度。 6.5.2 室內(nèi)無線定位技術(shù) Wi-Fi技術(shù) 是無線局域網(wǎng)絡(luò)系列標(biāo)準(zhǔn)之IEEE802.11的一種定位解決方案。該系統(tǒng)采用經(jīng)驗測試和信號傳播模型相結(jié)合的方式，需要很少基站，系統(tǒng)總精度高。芬蘭的Ekahau公司開發(fā)了能夠利用Wi-Fi進(jìn)行室內(nèi)定位的軟件。Wi-Fi繪圖的精確度

26、大約在1米至20米的范圍內(nèi)，總體而言，它比蜂窩網(wǎng)絡(luò)三角測量定位方法更精確。 6.5.2 室內(nèi)無線定位技術(shù) ZigBee技術(shù)ZigBee也可以用于室內(nèi)定位。它有自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)通信以實現(xiàn)定位。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。ZigBee最顯著的技術(shù)特點是它的低功耗和低成本。 6.6 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位技術(shù) 傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）采集的數(shù)據(jù)往往需要與位置信息相結(jié)合才有意義。由于WSN具有低功耗、自組織和通信距離有限等特點,傳統(tǒng)的GPS等算法不再適合WSN。WSN中需要定位的節(jié)點稱為未知

27、節(jié)點,而已知自身位置并協(xié)助未知節(jié)點定位的節(jié)點稱為錨節(jié)點(anchor node)。WSN的定位就是未知節(jié)點通過定位技術(shù)獲得自身位置信息的過程。在WSN定位中,通常使用三邊測量法、三角測量法和極大似然估計法等算法計算節(jié)點位置。 6.6.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）定位簡介無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取和處理技術(shù)在目標(biāo)跟蹤、入侵監(jiān)測及一些定位相關(guān)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位最簡單的方法是為每個節(jié)點裝載全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS） 接收器， 用以確定節(jié)點位置。但是，由于經(jīng)濟(jì)因素、節(jié)點能量制約和GPS 對于部署環(huán)境有一定要求等條件的限制。因此， 一般只有少量節(jié)點通過裝載GPS 或通過預(yù)先部

28、署在特定位置的方式獲取自身坐標(biāo)。 6.6.2 WSN 定位技術(shù)基本概念1. 定位方法的相關(guān)術(shù)語 錨節(jié)點（anchors）： 也稱為信標(biāo)節(jié)點、燈塔節(jié)點等， 可通過某種手段自主獲取自身位置的節(jié)點； 普通節(jié)點（normal nodes）： 也稱為未知節(jié)點或待定位節(jié)點， 預(yù)先不知道自身位置， 需使用錨節(jié)點的位置信息并運用一定的算法得到估計位置的節(jié)點； 鄰居節(jié)點（neighbor nodes）： 傳感器節(jié)點通信半徑以內(nèi)的其他節(jié)點；6.6.2 WSN 定位技術(shù)基本概念 跳數(shù)（hop count）： 兩節(jié)點間的跳段總數(shù)； 跳段距離（hop distance）： 兩節(jié)點之間的每一跳距離之和； 連通度（conn

29、ectivity）： 一個節(jié)點擁有的鄰居節(jié)點的數(shù)目； 基礎(chǔ)設(shè)施（infrastructure）： 協(xié)助節(jié)點定位且已知自身位置的固定設(shè)備， 如衛(wèi)星基站、GPS 等。 6.6.2 WSN 定位技術(shù)基本概念2. 主要的WSN 定位方法1） 依據(jù)距離測量與否可劃分為：測距算法和非測距算法。 2） 依據(jù)節(jié)點連通度和拓?fù)浞诸惪蓜澐譃椋?單跳算法和多跳算法。3） 依據(jù)信息處理的實現(xiàn)方式可劃分為： 分布式算法和集中式算法。6.6.3 基于測距的算法 基于測距的算法通常分為2個步驟， 首先利用某種測量方法測量距離（或角度）， 接著利用測得的距離（或角度）計算未知節(jié)點坐標(biāo)。1） 距離的測量方法 第一種是基于時間的

30、方法， 包括基于信號傳輸時間的方法（time of arrival, TOA）和基于信號傳輸時間差的方法（time difference of arrival, TDOA）； 第二種是基于信號角度的方法（angle of arrival, AOA）； 第三種是基于信號接收信號強(qiáng)度的方法（received signal strength indicator, RSSI）方法。 6.6.4 節(jié)點坐標(biāo)計算方法當(dāng)未知節(jié)點獲得與鄰近參考節(jié)點之間的距離或相對角度信息后， 通常使用以下原理計算自己的位置。1） 三邊測量法已知3 個節(jié)點A, B, C 的坐標(biāo)以及3 點到未知節(jié)點的距離就可以估算出該未知點D 的

31、坐標(biāo)，同理也可以將這個結(jié)果推廣到三維的情況。 6.6.4 節(jié)點坐標(biāo)計算方法2） 三角測量法已知3 個節(jié)點A, B, C 的坐標(biāo)和未知節(jié)點D 與已知節(jié)點A, B, C 的角度， 每次計算2 個錨節(jié)點和未知節(jié)點組成的圓的圓心位置如已知點A, C與D的圓心位置O, 由此能夠確定3 個圓心的坐標(biāo)和半徑。最后利用三邊測量法， 根據(jù)求得的圓心坐標(biāo)就能求出未知節(jié)點D 的位置。 6.6.4 節(jié)點坐標(biāo)計算方法3） 極大似然估計法已知n個點的坐標(biāo)和它們到未知節(jié)點的距離， 列出坐標(biāo)與距離的n 個方程式， 從第1 個方程開始， 每個方程均減去最后一個方程， 得到n-1個方程組成的線性方程組，最后用最小二乘估計法可以得

32、到未知節(jié)點的坐標(biāo)。6.6.4 節(jié)點坐標(biāo)計算方法4） 極小極大定位算法 計算未知節(jié)點與錨節(jié)點的距離， 接著錨節(jié)點根據(jù)與未知節(jié)點的距離d, 以自身為中心， 畫以2d 為邊長的正方形， 所有錨節(jié)點做出的正方形中重疊的部分的質(zhì)心就是未知節(jié)點的坐標(biāo)。6.6.5 基于非測距的算法基于非測距的算法與測距法的區(qū)別在于前者不直接對距離進(jìn)行測量， 而是使用網(wǎng)絡(luò)的連通度來估計節(jié)點距錨節(jié)點的距離或坐標(biāo)，由于方法的不確定性， 基于非測距的方法眾多。，非測距算法多為理論研究，進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究過程中應(yīng)更多地考慮基于測距的定位算法。 6.6.6 新型WSN 定位研究分析除了傳統(tǒng)的定位方法，新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定

33、位算法也逐漸出現(xiàn) ；1） 基于移動錨節(jié)點的定位算法 2）三維定位方法 3）智能定位算法 6.7 傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)由于晶體振蕩器頻率的差異及諸多物理因素的干擾,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的時鐘會出現(xiàn)時間偏差。而時鐘同步對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)非常重要,如安全協(xié)議中的時間戳、數(shù)據(jù)融合中數(shù)據(jù)的時間標(biāo)記、帶有睡眠機(jī)制的MAC層協(xié)議等都需要不同程度的時間同步。 6.7 傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)1. 時間同步問題簡述在分布式系統(tǒng)中，由于物理上的分散性，系統(tǒng)無法為彼此間相互獨立的模塊提供一個統(tǒng)一的全局時鐘，必須由各個進(jìn)程或模塊各自維護(hù)它們的本地時鐘。由于這些本地時鐘的計時速率、運行環(huán)境存在不一致性，這些本地時鐘間也會出現(xiàn)失步。為了讓這些本地時鐘再次達(dá)到相同的時間值，必須進(jìn)行時間同步操作。時間同步就是通過對本地時鐘的某些操作，達(dá)到為分布式系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一時間標(biāo)度的過程。 6.7 傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步技術(shù)2. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時間同步問題特點時間同步是所有分布式系統(tǒng)