無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 第07章 定位技術(shù)資料

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(jsh)講義第七章、定位(dngwi)技術(shù)共六十頁(yè)內(nèi)容提要(ni rn t yo)WSN定位概述 基于測(cè)距（range-based）的定位技術(shù) 無(wú)需測(cè)距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型定位系統(tǒng) 展望(zhnwng)主要參考文獻(xiàn)共六十頁(yè)內(nèi)容提要(ni rn t yo)WSN定位概述 基于測(cè)距（range-based）的定位技術(shù) 無(wú)需測(cè)距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它(qt)技術(shù) 典型定位系統(tǒng) 展望主要參考文獻(xiàn)共六十頁(yè)1. WSN定位(dngwi)概述 什么是定位(dngwi)？定位的應(yīng)用領(lǐng)域定位的技術(shù)指標(biāo) 定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 定

2、位服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化 共六十頁(yè)1. WSN定位(dngwi)概述-什么是定位？ 定位就是確定位置。定位的兩種意義：一種是確定及自己的在系統(tǒng)中的位置；一種是系統(tǒng)確定目標(biāo)在系統(tǒng)中的位置。位置信息的類型：物理位置指目標(biāo)在特定坐標(biāo)系下的位置數(shù)值，表示(biosh)目標(biāo)的相對(duì)或者絕對(duì)位置。符號(hào)位置指在目標(biāo)與一個(gè)基站或者多個(gè)基站接近程度的信息，表示目標(biāo)與基站之間的連通關(guān)系，提供目標(biāo)大致的所在范圍。共六十頁(yè)1. WSN定位(dngwi)概述-定位的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ш剑毫私庖苿?dòng)物體在坐標(biāo)系中的位置，指導(dǎo)移動(dòng)物體成功到達(dá)(dod)目的地的工作 跟蹤：系統(tǒng)實(shí)時(shí)地了解物體所處位置和移動(dòng)的軌跡 虛擬現(xiàn)實(shí)：定位物體的位置和方向 網(wǎng)

3、絡(luò)路由：優(yōu)化的路由可以提高系統(tǒng)性能、安全性，節(jié)省寶貴的電能 基于位置的服務(wù)（LBS, Location Based Service） ：新的增值服務(wù) 共六十頁(yè)1. WSN定位(dngwi)概述-定位的技術(shù)指標(biāo)(1) 最重要的指標(biāo)，指定位系統(tǒng)提供的位置信息的精確(jngqu)程度。 絕對(duì)精度指以長(zhǎng)度為單位度量的精度。相對(duì)精度，通常以節(jié)點(diǎn)之間距離的百分比來(lái)定義。覆蓋范圍是另一個(gè)重要指標(biāo)，它和精度是一對(duì)矛盾。精度覆蓋范圍超聲波分米級(jí)十多米Wi-Fi和藍(lán)牙3米100米GSM系統(tǒng)100米公里級(jí)共六十頁(yè)1. WSN定位(dngwi)概述-定位的技術(shù)指標(biāo)(2) 刷新速度是提供位置信息(xnx)的頻率。比如G

4、PS每秒鐘刷新1次 WSN相關(guān)的指標(biāo)功耗，WSN是功耗受限制的帶寬，協(xié)議棧開(kāi)銷+數(shù)據(jù)的有效載荷 節(jié)點(diǎn)密度，節(jié)點(diǎn)密度要求越高，單次定位的通信開(kāi)銷越大，消耗的電能越多。 共六十頁(yè)1. WSN定位概述-定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(shj)要點(diǎn)兩個(gè)主要因素：定位機(jī)制的物理(wl)特性相應(yīng)的算法其他設(shè)計(jì)要求：節(jié)點(diǎn)密度擴(kuò)展性魯棒性的要求 共六十頁(yè)1. WSN定位(dngwi)概述-定位服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)化定位系統(tǒng)往往是訂制系統(tǒng)，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)GPS系統(tǒng)，事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)E-911，1996年美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC） 制定的運(yùn)營(yíng)商（緊急(jnj)救援）服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)共六十頁(yè)WSN定位(dngwi)概述 基于測(cè)距（range-based）

5、的定位技術(shù) 無(wú)需測(cè)距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型定位系統(tǒng)展望主要參考文獻(xiàn)內(nèi)容提要(ni rn t yo)共六十頁(yè)2. 基于(jy)測(cè)距（range-based）的定位技術(shù) 三邊定位和多邊定位 信號(hào)強(qiáng)度（RSS） 信號(hào)傳播時(shí)間/時(shí)間差（TOA/TDOA/RTOF） 接收(jishu)信號(hào)相位（PDOA） 近場(chǎng)電磁測(cè)距（NFER） 接收信號(hào)角度定位 共六十頁(yè)2. 基于測(cè)距的定位技術(shù)-三邊(sn bin)定位和多邊定位 多邊定位Multilateration多次測(cè)量方程(fngchng)的個(gè)數(shù)大于變量的個(gè)數(shù) 估計(jì)方法：最小二乘（LS，Least Square）極大似然

6、（MLE, Maximum Likelihood Estimation）最小均方差（MMSE, Minimum Mean Square Error） 共六十頁(yè)2. 基于測(cè)距的定位技術(shù)(jsh)-三邊定位和多邊定位 三邊定位Trilateration（多邊定位特例(tl)）多次測(cè)量方程的個(gè)數(shù)等于變量的個(gè)數(shù) 需要考慮無(wú)解的情況，求最優(yōu)近似解共六十頁(yè)2. 基于(jy)測(cè)距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位 信號(hào)強(qiáng)度（RSS ）通過(guò)信號(hào)在傳播中的衰減來(lái)估計(jì)節(jié)點(diǎn)之間的距離根據(jù)信道模型求解(qi ji)距離：信道的時(shí)變特性：信道由于受到多徑衰減（Multi-path Fading）非視距阻擋（Non-of-S

7、ight Blockage）的影響 共六十頁(yè)2. 基于測(cè)距的定位(dngwi)技術(shù)-三邊定位和多邊定位 信號(hào)傳播(chunb)時(shí)間/時(shí)間差（TOA/TDOA/RTOF）TOATDOARTOF共六十頁(yè)2. 基于測(cè)距的定位(dngwi)技術(shù)-三邊定位和多邊定位 接收信號(hào)相位（PDOA）通過(guò)測(cè)相位差，求出信號(hào)往返的傳播時(shí)間，計(jì)算出往返距離 其中，fc是信號(hào)頻率，是信號(hào)的波長(zhǎng)，是發(fā)送信號(hào)和反射信號(hào)的相位差。由上式可知d的范圍(fnwi)是0, 。不同的距離如果相差倍，則測(cè)量獲得的相位相同。共六十頁(yè)2. 基于測(cè)距的定位技術(shù)-三邊(sn bin)定位和多邊定位 近場(chǎng)電磁測(cè)距（NFER）利用了在近場(chǎng)電場(chǎng)與磁

8、場(chǎng)的相位差來(lái)測(cè)量距離。射頻(sh pn)信號(hào)包括電場(chǎng)和磁場(chǎng)2部分。近場(chǎng)電磁測(cè)距方法的測(cè)距范圍0.05 0.5 之間，最佳測(cè)量范圍0.08 0.3 之間。共六十頁(yè)2. 基于測(cè)距的定位技術(shù)-接收(jishu)信號(hào)角度定位利用角度關(guān)系(gun x)定位已知一個(gè)頂點(diǎn)和夾角的射線確定一點(diǎn) 已知三點(diǎn)和三個(gè)夾角確定一點(diǎn) 共六十頁(yè)WSN定位概述 基于(jy)測(cè)距（range-based）的定位技術(shù) 無(wú)需測(cè)距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型定位系統(tǒng)展望主要參考文獻(xiàn)內(nèi)容提要(ni rn t yo)共六十頁(yè)3. 無(wú)需(wx)測(cè)距（range-free）的定位技術(shù)質(zhì)心算法(sun f) D

9、V-Hop算法 不定形（Amorphous）定位算法 APIT算法 共六十頁(yè)3. 無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)(jsh)-質(zhì)心算法 質(zhì)心（Centroid）指多邊形的幾何中心，是多邊形頂點(diǎn)坐標(biāo)的平均值。設(shè)多邊形定點(diǎn)位置的向量表示為 pi=（xi, yi）T，則質(zhì)心為連通度和RSSI信息的質(zhì)心定位(dngwi)加權(quán)算法（W-Centroid） 共六十頁(yè)L3AL1L23. 無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)(jsh)- DV-Hop算法 測(cè)量確定分布在2個(gè)參考節(jié)點(diǎn)之間的待定節(jié)點(diǎn)構(gòu)成(guchng)的多跳網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)，估算出每一跳的距離，從而確定每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置。 精度：網(wǎng)絡(luò)平均連通度為10，參考節(jié)點(diǎn)比例為10%的各向同性網(wǎng)絡(luò)中

10、定位精度約為33%。缺點(diǎn)：僅僅在各向同性的密集網(wǎng)絡(luò)中，校正值才能合理地估算平均每跳距離。共六十頁(yè)3. 無(wú)需(wx)測(cè)距的定位技術(shù)-不定形定位算法 在不定形計(jì)算機(jī)（Amorphous Computer）上實(shí)現(xiàn)的定位算法。 不定形計(jì)算機(jī)是一種并行計(jì)算結(jié)構(gòu)，和智能群（蟻群、鳥(niǎo)群、粒子群等）很相似。本質(zhì)上，不定形算法是DV-Hop算法的增強(qiáng)，引入了多參考點(diǎn)測(cè)量進(jìn)行估計(jì)求精的步驟。兩個(gè)重要的參數(shù)修正：不定形算法通過(guò)平滑（smoothing）修正節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的梯度跳數(shù)。采用通信半徑作為每跳距離(jl)，使得節(jié)點(diǎn)到參考節(jié)點(diǎn)的最終估計(jì)距離(jl)偏大。不定形算法采用下面的公式來(lái)修正每跳距離(jl)： 共六十

11、頁(yè)3. 無(wú)需測(cè)距的定位技術(shù)(jsh)- APIT算法 近似三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試法（APIT, Approximate Point-In-Triangulation test）找到若干個(gè)由參考(cnko)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的三角形，則節(jié)點(diǎn)必然在這些三角形的交集內(nèi)。使用這個(gè)交集的重心估計(jì)節(jié)點(diǎn)的位置。 APIT算法分四步：（1）信標(biāo)交換，（2）三角形內(nèi)點(diǎn)測(cè)試（PIT, Point-In-Triangulation testing），（3） 交集運(yùn)算計(jì)算三角形的重合區(qū)域，（4）重心（COG, Center of Gravity）計(jì)算求節(jié)點(diǎn)的位置。 共六十頁(yè)WSN定位概述 基于測(cè)距（range-based）的定位技術(shù)

12、無(wú)需測(cè)距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型(dinxng)定位系統(tǒng)展望主要參考文獻(xiàn)內(nèi)容提要(ni rn t yo)共六十頁(yè)4. 定位(dngwi)相關(guān)的其它技術(shù)節(jié)點(diǎn)和事件的跟蹤 測(cè)距方式對(duì)精度的影響(yngxing) 貝葉斯濾波卡爾曼濾波其它技術(shù)共六十頁(yè)4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-節(jié)點(diǎn)和事件(shjin)的跟蹤 定位是跟蹤的技術(shù)基礎(chǔ)跟蹤是WSN的重要應(yīng)用 目標(biāo)或現(xiàn)象的檢測(cè)、定位、數(shù)據(jù)收集與分享、以及預(yù)測(cè)和組管理。 對(duì)移動(dòng)的目標(biāo)或者事件進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè) 目標(biāo)：讓盡可能少的、足夠的節(jié)點(diǎn)參與跟蹤任務(wù)，最大可能地降低電能的消耗和信道(xn do)的開(kāi)銷方案：協(xié)同信號(hào)與信息處理(C

13、SIP, collaborative signal and information processing) 共六十頁(yè)4. 定位(dngwi)相關(guān)的其它技術(shù)-測(cè)距方式對(duì)精度的影響 Radio（VHF、UWB、CDMA、光、紅外光） 一米的壁壘(bli)：更高的精度非常困難共六十頁(yè)4. 定位相關(guān)(xinggun)的其它技術(shù)-測(cè)距方式對(duì)精度的影響 聲音（聲波、超聲波）超聲波的傳播速度約300m/s，設(shè)TDOA達(dá)到的時(shí)鐘(shzhng)精度為1ms，則測(cè)距精度30cm。1ms的時(shí)鐘精度是很低的，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的時(shí)間同步方案可以提供幾十微秒的精度。那么使用超聲波測(cè)距的方法可以達(dá)到1cm的精度。 超聲波的傳播速

14、度受到環(huán)境的影響，同時(shí)傳播距離在幾米到幾十米的范圍。由于聲波接收的方向性，需要小心的部署。共六十頁(yè)4. 定位(dngwi)相關(guān)的其它技術(shù)-貝葉斯濾波濾波可以看作是根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，推斷系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)(zhungti)的過(guò)程。順序估計(jì)就是通過(guò)后驗(yàn)密度（Posterior Density）給定了濾波密度就可以通過(guò)估計(jì)子計(jì)算系統(tǒng)的狀態(tài)。估計(jì)子有很多種，最常用的是均值估計(jì)子：實(shí)際應(yīng)用：順序蒙特卡羅（SMC, sequential Monte Carlo）和馬爾可夫蒙特卡羅（MCMC, Markov Chain Monte Carlo）的基本原理。 共六十頁(yè)4. 定位(dngwi)相關(guān)的其它技術(shù)-卡爾曼濾波卡

15、爾曼濾波：貝葉斯濾波的特例 要求：線性系統(tǒng)，高斯噪聲 非線性非高斯系統(tǒng)：擴(kuò)展卡爾曼濾波線性化運(yùn)動(dòng)方程和觀測(cè)方程Jacobian矩陣計(jì)算協(xié)方差 非察覺(jué)型卡爾曼濾波器（Unscented Kalman filter） 更加精確的捕捉真實(shí)的均值(jn zh)和方差的方法 使用一個(gè)確定的采樣技術(shù)選取均值附近的采樣點(diǎn)的最小集合（Sigma Points, SP） 共六十頁(yè)4. 定位(dngwi)相關(guān)的其它技術(shù)-其它技術(shù)模式匹配數(shù)據(jù)(shj)融合等算法 數(shù)據(jù)壓縮數(shù)據(jù)庫(kù)多媒體技術(shù) 以RADAR系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用RSS方式進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，定位主要分成兩個(gè)階段：（1） 離線階段測(cè)量并記錄移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)場(chǎng)不同位置情

16、況下各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)的RSS，構(gòu)成RSS指紋庫(kù)（footprint）；（2） 實(shí)時(shí)階段將收到的信號(hào)強(qiáng)度與指紋庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，估計(jì)出節(jié)點(diǎn)位置。 共六十頁(yè)WSN定位(dngwi)概述 基于測(cè)距（range-based）的定位技術(shù) 無(wú)需測(cè)距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型定位系統(tǒng)展望 主要參考文獻(xiàn)內(nèi)容提要(ni rn t yo)共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)全球(qunqi)和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng) 全球?qū)Ш较到y(tǒng) 地區(qū)導(dǎo)航系統(tǒng) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用RSS方式定位的系統(tǒng)使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng) 混合定位系統(tǒng)無(wú)需測(cè)距的定位系統(tǒng)共六十頁(yè)5. 典型(dinxng

17、)定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng) 全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍(fnwi)GPSGPS（Global Positioning System）二十世紀(jì)70年代由美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。 起初為了軍事目的。Galileo系統(tǒng)伽利略系統(tǒng)（GALILEO satellite radio navigation system）是歐洲自主的、獨(dú)立的全球多模式衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)，同時(shí)它實(shí)現(xiàn)完全非軍方控制、管理。 共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng) 全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍(fnwi)GPSGPS使用24顆人造衛(wèi)星在離地面約2萬(wàn)公里的高

18、空上，以12小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行。在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的位置精確可知，通過(guò)4顆衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離。GPS精度達(dá)到5m，專用車載GPS導(dǎo)航儀已經(jīng)廣泛使用于車輛導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域。共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng) 全球?qū)Ш较到y(tǒng)：全球范圍Galileo系統(tǒng)伽利略系統(tǒng)是中高度圓軌道（MEO）方案，該系統(tǒng)將由30顆中高度圓軌道衛(wèi)星和2個(gè)地面(dmin)控制中心組成，其中27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3顆為候補(bǔ)。衛(wèi)星高度為24126公里，位于3個(gè)傾角為56度的軌道平面內(nèi)。 伽利略系統(tǒng)可以分發(fā)實(shí)時(shí)的米級(jí)定位精度信息，這是現(xiàn)有

19、的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所沒(méi)有的。同時(shí)伽利略系統(tǒng)能夠保證在許多特殊情況下提供服務(wù)共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng) 地區(qū)導(dǎo)航系統(tǒng)：區(qū)域范圍LORAN系統(tǒng)LORAN（LOng RAnge Navigation）是一種地區(qū)導(dǎo)航系統(tǒng)。基站以一定的時(shí)間間隔發(fā)送低頻無(wú)線信號(hào)，船只、飛機(jī)等接收到多個(gè)信號(hào)基站的信號(hào)后，可以計(jì)算出自身所處的位置。LORAN系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷LORAN-A、LORAN-C、LORAN-D和LORAN-F，最為重要的是LORAN-C系統(tǒng)。LORAN-C是測(cè)量脈沖和測(cè)量相位相結(jié)合的雙曲線導(dǎo)航系統(tǒng)，工作頻段(pn dun)90110kHz，1957年開(kāi)始建設(shè)，直到現(xiàn)在已經(jīng)

20、建成大量電臺(tái)鏈，覆蓋了北半球大部分地區(qū)。北斗北斗雙星定位系統(tǒng)是我國(guó)自行建立起來(lái)的一種區(qū)域性定位系統(tǒng)（RDSS）。2003年5月25日，我國(guó)成功發(fā)射了第三顆“北斗一號(hào)”導(dǎo)航定位衛(wèi)星，作為“北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)”的備份星，連同2000年10月31日和12月21日發(fā)射升空的兩顆“北斗一號(hào)”導(dǎo)航定位衛(wèi)星和一個(gè)地面中心站，形成了一個(gè)較為完善的“雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”?！半p星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”應(yīng)歸于“衛(wèi)星無(wú)線電定位服務(wù)”（RDSS）。共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用RSS方式定位的系統(tǒng)RADAR（1998）Microsoft的RADAR定位系統(tǒng)利用“指紋識(shí)別”技術(shù)(jsh)進(jìn)行定

21、位，解決WLAN中定位移動(dòng)計(jì)算設(shè)備的問(wèn)題。SpotON（1999） 共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用RSS方式定位的系統(tǒng)RADAR（1998）通過(guò)對(duì)特定環(huán)境下的RF信號(hào)衰落特征值進(jìn)行處理實(shí)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)處理處理分成2個(gè)階段：離線階段（office-line phase）和實(shí)時(shí)階段（real-time phase）。離線階段記錄目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的位置所對(duì)應(yīng)3個(gè)基站的信號(hào)信息，生成(shn chn)以位置為變量的信號(hào)信息函數(shù)。實(shí)時(shí)階段在采集3個(gè)基站的信號(hào)信息，根據(jù)信號(hào)信息函數(shù)求解位置。共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用RSS方式(fng

22、sh)定位的系統(tǒng)SpotON（1999）SpotOn標(biāo)簽的硬件由Dragonball EZ處理器、在916.5MHz的TR1000射頻收發(fā)器和10-bit A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。該系統(tǒng)基于射頻接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）分析的三維位置感知方法，實(shí)現(xiàn)小范圍內(nèi)的定位。 共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用TOA/TDOA方式定位(dngwi)的系統(tǒng)Bat System（1999）Cricket（2000） 共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)使用TOA/TDOA方式(fngsh)定位的系統(tǒng)Bat System（1999）Cricket（2000

23、） 室內(nèi)定位系統(tǒng)Badge系統(tǒng)是Active Badge的后繼發(fā)展，是一種基于測(cè)距（range-based）的定位技術(shù)。如圖 719，該系統(tǒng)使用超聲波信號(hào)的TOA實(shí)現(xiàn)三維空間定位，使用多邊定位方法提高精度。Bat系統(tǒng)的定位精度最高達(dá)到3cm。 MIT提出了一種融合TDOA和信號(hào)到達(dá)相位差的硬件解決方案Cricket Compass，其原型系統(tǒng)可在40角內(nèi)以5的誤差確定接收信號(hào)方向。Cricket系統(tǒng)是麻省理工學(xué)院的Oxygen項(xiàng)目的一部分，用來(lái)確定移動(dòng)或靜止節(jié)點(diǎn)在大樓內(nèi)的具體所在房間位置。該定位系統(tǒng)利用射頻信號(hào)與超聲波信號(hào)到達(dá)時(shí)間間隔和各自的傳播速度，計(jì)算出未知位置節(jié)點(diǎn)到已知位置節(jié)點(diǎn)的距離。共

24、六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合(hnh)定位系統(tǒng)CalamariAHLoS（Ad Hoc Localization System）（2001）兩個(gè)系統(tǒng)本質(zhì)上都是cell-based方式定位的系統(tǒng) 共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合(hnh)定位系統(tǒng)CalamariCalamar采用超聲波傳播時(shí)間（TOA）和接收電信號(hào)強(qiáng)度（RSS）方式定位。使用超聲波的測(cè)距，將49個(gè)節(jié)點(diǎn)部署在144 平方米的范圍。定位中等誤差0.53m。使用RSS，系統(tǒng)分別在半個(gè)足球場(chǎng)，定位中等誤差4.1m。 共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-

25、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)混合定位系統(tǒng)AHLoS（Ad Hoc Localization System）（2001）AHLoS使用(shyng)RSS進(jìn)行接近情況探測(cè)，同時(shí)使用RF和超聲波的收發(fā)時(shí)間進(jìn)行TDOA測(cè)量。AHLoS系統(tǒng)中使用3種多邊定位算法：原子式（atom multilateration）、協(xié)作式（collaborative multilateration）和迭代式（iterative multilateration）。原子式多邊定位就是普通的最大似然估計(jì)定位。 共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)無(wú)需測(cè)距的定位系統(tǒng) Active Badge（1992）

26、 每一個(gè)目標(biāo)上安裝一個(gè)badge。每個(gè)badge周期地每15秒鐘，紅外線發(fā)送大約持續(xù)0.1秒的唯一ID號(hào)。已知位置的參考節(jié)點(diǎn)收到這些信號(hào)，傳送到網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)知道當(dāng)前某個(gè)badge在哪一個(gè)cell附近。Active Badge系統(tǒng)的缺點(diǎn)是部署大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)困難，同時(shí)，紅外線容易受到光線的干擾，尤其是在戶外。因此(ync)，Active Badge是一個(gè)室內(nèi)的基于蜂窩單元（cell-based）的定位系統(tǒng)。共六十頁(yè)5. 典型(dinxng)定位系統(tǒng)-無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)無(wú)需測(cè)距的定位系統(tǒng) UC Berkeley（2006）使用(shyng)Trio傳感器節(jié)點(diǎn) 多傳感器融合算法，使用空間相關(guān)性，融合后的

27、二進(jìn)制測(cè)量值提供更加精細(xì)的位置信息。融合后的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的馬爾可夫-蒙特卡羅算法（Markov chain Monte Carlo Data Association - MCMCDA） 跟蹤未知個(gè)數(shù)的目標(biāo)。 共六十頁(yè)WSN定位概述 基于測(cè)距（range-based）的定位技術(shù) 無(wú)需測(cè)距（range-free）的定位技術(shù) 定位相關(guān)的其它技術(shù) 典型定位系統(tǒng) 展望(zhnwng)主要參考文獻(xiàn)內(nèi)容提要(ni rn t yo)共六十頁(yè)6. 展望(zhnwng)UWB定位(dngwi) Nanotron CSS定位 共六十頁(yè)6. 展望(zhnwng)-UWB定位 隨著通信技術(shù)，特別是物理層的發(fā)展，UW

28、B（Ultra Wide Band，超寬帶）可能成為下一個(gè)廣泛使用的技術(shù)。UWB具有一系列優(yōu)良獨(dú)特的技術(shù)特性，是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的短距無(wú)線傳輸技術(shù)。UWB不采用正弦載波，而是利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。UWB適用于高速、近距離的無(wú)線個(gè)人通信。按照FCC的規(guī)定，從3.1GHz到10.6GHz之間的7.5GHz的帶寬頻率為UWB所使用的頻率范圍。UWB解決了困擾傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)多年的有關(guān)傳播方面的重大難題，具有對(duì)信道衰落不敏感、發(fā)射信號(hào)功率譜密度低、被截獲的可能性低、系統(tǒng)復(fù)雜度低、厘米(l m)級(jí)的定位精度等優(yōu)點(diǎn)。雖然UWB有厘米級(jí)的定位精度，但是UWB的通信范圍僅有幾

29、米，對(duì)于很多定位和跟蹤應(yīng)用，幾米的范圍顯然太小了。 共六十頁(yè)6. 展望(zhnwng)-Nanotron CSS定位 2006年10月最終確定為德國(guó)Nanotron公司的CSS提案為IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)，淘汰了UWB方案。CSS（Chirp Spread Spectrum）工作于ISM 2.4GHz。用于電池供電和中等速率應(yīng)用場(chǎng)合，提供可靠的傳輸。CSS是啁啾脈沖的MDMA （Multi Dimensional Multiple Access）調(diào)制技術(shù)的首次實(shí)現(xiàn)。MDMA調(diào)制技術(shù)基于啁啾脈沖的調(diào)制技術(shù)，與海豚、蝙蝠定位原理相似，具有魯棒性，電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，因此，可以(ky)增加電池

30、使用時(shí)間和降低成本。數(shù)據(jù)速率可以(ky)根據(jù)應(yīng)用需要調(diào)整，最優(yōu)化使用信道。共六十頁(yè)6. 展望(zhnwng)-Nanotron CSS定位CSS提供中等帶寬（1 to 2 Mbps）、低功耗，高距離。當(dāng)chirp pulse的持續(xù)時(shí)間固定為1s，數(shù)據(jù)率達(dá)到(d do)2Mbps。 CSS還考慮到定位需求，提供SDS-TWR （Symmetrical Double-Sided Two Way Ranging）測(cè)距服務(wù)，以TOA的方式測(cè)距、定位，用于確定使用CSS調(diào)制方式通信的兩個(gè)無(wú)線設(shè)備直接距離的方法，使用了相當(dāng)復(fù)雜的算法。CSS的最大通信范圍是室內(nèi)環(huán)境60米的、戶外環(huán)境900米。這是一個(gè)相當(dāng)大

31、的覆蓋范圍，提供幾十厘米的精度。就目前技術(shù)而言，這種定位技術(shù)方案相對(duì)于基于Wi-Fi和超聲波技術(shù)的定位系統(tǒng)有一定應(yīng)用范圍內(nèi)的優(yōu)勢(shì)。共六十頁(yè)主要(zhyo)參考文獻(xiàn)1 S. S. Wang, M. Green, and M. Malkawa, “E-911 Location Standards and Location Commercial Services,” Proceedings of IEEE Emerging Technologies Symposium on Broadband, Wireless Internet Access, April 2000.2 N.B. Priyanth

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