《物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論》第4章_定位系統(tǒng)v11ppt課件

1、第4章定位系統(tǒng).內(nèi)容提要經(jīng)過(guò)定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要研討課題。本章將典型的定位系統(tǒng)和定位技術(shù)。.第3章引見(jiàn)了傳感器技術(shù)傳感器的設(shè)計(jì)需求低本錢(qián)與微型化，低功耗，靈敏性與擴(kuò)展性，魯棒性傳感器的軟硬件平臺(tái)本章引見(jiàn)位置信息的概念，重點(diǎn)引見(jiàn)典型的定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位，蜂窩基站定位，無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位，新興定位系統(tǒng)以及三種常見(jiàn)的定位技術(shù)。內(nèi)容回想.4.1 位置信息4.2 定位系統(tǒng)4.3 定位技術(shù)4.4 物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)位置信息的三大要素是什么？本章內(nèi)容.為什么需求定位？基于位置的效力自動(dòng)導(dǎo)航搜索周邊效力信息基于位置的社交網(wǎng)絡(luò)：Four square位置信息和我們的生活息息相關(guān)位置信息不是單

2、純的“位置地理位置空間坐標(biāo)處在該位置的時(shí)辰時(shí)間坐標(biāo)處在該位置的對(duì)象身份信息.4.1 位置信息4.2 定位系統(tǒng)4.3 定位技術(shù)4.4 物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)典型的定位系統(tǒng)有哪些？各自有哪些特點(diǎn)？本章內(nèi)容.現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)：A-GPS，網(wǎng)絡(luò)定位.衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)各國(guó)的衛(wèi)星定位系統(tǒng)美國(guó)：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國(guó)：北斗一號(hào)區(qū)域、北斗二號(hào)全球GPS是目前世界上最常用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。.GPS：開(kāi)展簡(jiǎn)史衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)1973年，美國(guó)國(guó)防部開(kāi)場(chǎng)GPS方案198

3、3年，里根承諾未來(lái)對(duì)民間開(kāi)放運(yùn)用1989年，正式開(kāi)場(chǎng)發(fā)射GPS任務(wù)衛(wèi)星1994年，衛(wèi)星星座組網(wǎng)完成，投入運(yùn)用2000年，克林頓下令取消軍用/民用信號(hào)的精度差別對(duì)待(20m vs 300m).GPS：系統(tǒng)構(gòu)造衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)宇宙空間部分24顆任務(wù)衛(wèi)星地面監(jiān)控部分全部在美國(guó)境內(nèi)1個(gè)主控中心另有1個(gè)備用4個(gè)公用地面天線6個(gè)公用監(jiān)視站用戶(hù)設(shè)備部分GPS接納機(jī).GPS：定位原理衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng).GPS：主要優(yōu)缺陷衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)精度高全球覆蓋，可用于險(xiǎn)惡環(huán)境缺陷啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)室內(nèi)信號(hào)差需求GPS接納機(jī).GPS

4、典型運(yùn)用：汽車(chē)導(dǎo)航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)最初僅能提供位置和周邊地圖第二代汽車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)可根據(jù)目的地自動(dòng)計(jì)算“最短道路互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，汽車(chē)導(dǎo)航可從交管部門(mén)獲得路況咨詢(xún)，優(yōu)化道路，找出“最快道路.GPS典型運(yùn)用：汽車(chē)導(dǎo)航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，感知更透徹綜合道路情況，污染指數(shù)，天氣情況，加油站的分布，駕駛員的身體情況等各種要素找出“最正確道路由“以路為本轉(zhuǎn)變到“以人為本.蜂窩基站定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊區(qū)域被分割成蜂窩小區(qū)每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)通訊基站通訊設(shè)備銜接小區(qū)對(duì)應(yīng)基站進(jìn)展通訊利用基站位置知的條件

5、，可對(duì)通訊設(shè)備進(jìn)展定位.單基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)COO定位Cell of Origin將挪動(dòng)設(shè)備所屬基站的位置視為挪動(dòng)設(shè)備的位置精度直接取決于基站覆蓋的范圍基站分布疏松地域，一個(gè)基站覆蓋范圍半徑可達(dá)數(shù)公里，誤差宏大優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、快速，適用緊急情況.多基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)ToA/TDoA定位法需求三個(gè)基站才干定位稀疏地域能夠只能收到兩個(gè)基站的信號(hào)，不適用AoA定位法.蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺陷衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)不需求GPS接納機(jī)，可通訊即可定位啟動(dòng)速度kuai信號(hào)穿透才干強(qiáng)，室內(nèi)亦可接納到缺陷

6、定位精度相對(duì)較低基站需求有專(zhuān)門(mén)硬件，造價(jià)昂貴.典型運(yùn)用：緊急定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)美國(guó)E-911系統(tǒng)撥打報(bào)警時(shí)，根據(jù)基站定位出手機(jī)位置，自動(dòng)接到最近警局綜合了各種定位系統(tǒng)，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS運(yùn)用時(shí)嘗試各種定位方法，擇優(yōu)而用.無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性多徑效應(yīng)緣由：妨礙物反射電磁波，反射波和原始波在接納端混疊室內(nèi)妨礙物眾多，多徑效應(yīng)明顯對(duì)電磁波的妨礙作用長(zhǎng)波信號(hào)GPS傳播才干強(qiáng)，穿透才干弱室內(nèi)應(yīng)選用短波信號(hào)來(lái)進(jìn)展定位.無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)需

7、求主要來(lái)自企業(yè)和個(gè)人：難以購(gòu)置ToA，TDoA，AoA等技術(shù)所需的昂貴硬件RSS定位技術(shù)運(yùn)用信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)展定位利用已有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee紅外線、超聲波、藍(lán)牙、RFID、超寬帶.RFID定位典型運(yùn)用衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)資產(chǎn)管理在設(shè)備上貼上RFID標(biāo)簽需求運(yùn)用時(shí)經(jīng)過(guò)RFID定位找到標(biāo)簽的位置，從而定位設(shè)備的位置結(jié)合感知技術(shù)，還可以監(jiān)控設(shè)備的情況能否空閑能否缺點(diǎn)能否老化.新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)A-GPSGPS定位和蜂窩基站定位的結(jié)合體利用基站定位確定大致范圍銜接網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)當(dāng)前位置可見(jiàn)衛(wèi)星大大縮短搜索衛(wèi)星的時(shí)間.新興定

8、位系統(tǒng)續(xù)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無(wú)線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)無(wú)線AP定位利用可見(jiàn)Wi-Fi接入點(diǎn)來(lái)定位在大城市中，無(wú)線AP數(shù)目多，定位非常準(zhǔn)確在iPhone中成熟運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)定位用于無(wú)線傳感網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)少量位置知節(jié)點(diǎn)，定位出全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置.4.1 位置信息4.2 定位系統(tǒng)4.3 定位技術(shù)4.4 物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)除了間隔，哪些空間信息還可用于定位技術(shù)？本章內(nèi)容.4.3 定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：有一個(gè)或多個(gè)知坐標(biāo)的參考點(diǎn)得到待定物體與知參考點(diǎn)的空間關(guān)系定位技術(shù)的兩個(gè)步驟：丈量物理量根據(jù)物理量確定目的位置常見(jiàn)定位技術(shù)：基于間隔的定位ToA基于間隔差的定位TDoA基于信號(hào)特征的定位RSS.基于

9、間隔的定位ToA基于間隔基于間隔差基于信號(hào)特征間隔丈量方法間隔d = 波速v * 傳播時(shí)間t傳播時(shí)間t = 收到時(shí)辰t 發(fā)出時(shí)辰t0問(wèn)題：接受端如何得知t0？.基于間隔的定位ToA基于間隔基于間隔差基于信號(hào)特征方法1：利用波速差發(fā)送端同時(shí)發(fā)送一道電磁波和聲波接納端記錄：電磁波到達(dá)時(shí)辰聲波到達(dá)時(shí)辰間隔由于 遠(yuǎn)大于 ，上式可簡(jiǎn)化為.基于間隔的定位ToA基于間隔基于間隔差基于信號(hào)特征方法2：丈量波的往返時(shí)間發(fā)送端于時(shí)辰 發(fā)送波接納端收到波后，等待時(shí)間 后前往同樣的波發(fā)送端記錄收到回復(fù)的時(shí)間間隔.基于間隔的定位ToA基于間隔基于間隔差基于信號(hào)特征位置計(jì)算方法多邊丈量也稱(chēng)多點(diǎn)丈量平面上定位，取三個(gè)參考點(diǎn)

10、以每個(gè)參考點(diǎn)為圓心，到該參考點(diǎn)的間隔為半徑畫(huà)圓，目的必在圓上平面上三個(gè)圓交于一點(diǎn)實(shí)踐中取用超越三個(gè)參考點(diǎn)，用最小二乘法減少誤差.基于間隔差的定位TDoA基于間隔基于間隔差基于信號(hào)特征ToA的局限需求參考點(diǎn)和丈量目的時(shí)鐘同步TDoA不需求參考點(diǎn)和丈量目的時(shí)鐘同步參考點(diǎn)之間依然需求時(shí)鐘同步.基于間隔差的定位TDoA基于間隔基于間隔差基于信號(hào)特征間隔差測(cè)距方法丈量目的廣播信號(hào)參考點(diǎn)i，j分別記錄信號(hào)接納到的時(shí)辰ti，tj丈量目的到i，j的間隔差.基于間隔差的定位TDoA基于間隔基于間隔差基于信號(hào)特征位置計(jì)算方法至少兩組數(shù)據(jù)聯(lián)立方程求解實(shí)踐采用多組數(shù)據(jù)最小二乘法求解每次丈量結(jié)果參考點(diǎn)坐標(biāo)到參考點(diǎn)的間隔

11、構(gòu)建方程：.基于信號(hào)特征的定位基于間隔基于間隔差基于信號(hào)特征ToA和TDoA都需求接納端特殊安裝基于信號(hào)特征的定位直接利用無(wú)線通訊的射頻信號(hào)定位，不需求額外設(shè)備原理：信號(hào)強(qiáng)度隨傳播間隔衰減問(wèn)題：理想公式實(shí)踐難以運(yùn)用.基于信號(hào)特征的定位基于間隔基于間隔差基于信號(hào)特征處理方法：將信號(hào)強(qiáng)度看做“特征預(yù)先布置N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)測(cè)出N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)的強(qiáng)度，得到一個(gè)N維向量事先測(cè)出區(qū)域中每個(gè)位置的特征向量將目的測(cè)出的特征向量和事先丈量值比對(duì)，找出位置缺陷：不能應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)變化.基于信號(hào)特征的定位基于間隔基于間隔差基于信號(hào)特征LANDMARC：基于信號(hào)特征的動(dòng)態(tài)定位方法除了信號(hào)發(fā)送源，再布置一系列RFID標(biāo)簽作為參考

12、標(biāo)志每個(gè)標(biāo)志隨時(shí)記錄本人收到的RSS信號(hào)強(qiáng)度特征向量將目的測(cè)得的信號(hào)特征向量與參考標(biāo)志此時(shí)的特征向量進(jìn)展比對(duì)，確定位置，誤差在1m范圍以?xún)?nèi).4.1 位置信息4.2 定位系統(tǒng)4.3 定位技術(shù)4.4 物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)物聯(lián)網(wǎng)背景對(duì)定位技術(shù)有哪些新的需求？本章內(nèi)容.網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)接入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備五花八門(mén)銜接起來(lái)的網(wǎng)絡(luò)各自不同如何讓不同的設(shè)備在不同的網(wǎng)絡(luò)下準(zhǔn)確定位環(huán)境多變室外 vs. 室內(nèi)空闊地帶 vs. 妨礙物眾多靜止設(shè)備 vs. 頻繁運(yùn)動(dòng)4.4 物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn).信息平安與隱私維護(hù)位置信息內(nèi)涵豐富且隱私息息相關(guān)高精度位置信息泄露的后果嚴(yán)重如何既保證信息精度，又維護(hù)個(gè)人隱私大規(guī)模運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備將超越500億臺(tái)如何應(yīng)對(duì)龐大的數(shù)量增長(zhǎng)如何讓定位技術(shù)為簡(jiǎn)單設(shè)備如RFID標(biāo)簽所用4.4 物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn).本章小結(jié)內(nèi)容回想本章引見(jiàn)了位置信息的根本概念，重點(diǎn)討論了四種定位系統(tǒng)以及三種典型的定位技術(shù)，最后討論了物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)。重點(diǎn)掌握了解位置信息的三要素。了