第6章 物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)

第六章物聯(lián)網(wǎng)定位技術(shù)6.1定位的概念與技術(shù)發(fā)展6.2定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用6.3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)6.4蜂窩系統(tǒng)定位技術(shù)6.5RFID定位技術(shù)6.6無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)定位技術(shù)6.7定位技術(shù)的發(fā)展前景6.1定位的概念與發(fā)展歷史在很多物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，物體（或者稱(chēng)對(duì)象）的“位置”信息有著重要的意義。在物聯(lián)網(wǎng)中，人們使用RFID、傳感器或者其他信息采集工具從物理世界當(dāng)中獲取各種各樣的信息，并將這些信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到用戶(hù)或者服務(wù)器端進(jìn)行處理以為用戶(hù)提供各種各樣的服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)中用于獲取物體位置的技術(shù)統(tǒng)稱(chēng)為定位技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)中的所謂“物體”的概念非常廣泛：它既可以指人，也可以指設(shè)備。一、定位的概念二、定位技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史早期的航?；顒?dòng)中主要是通過(guò)沿著海岸線(xiàn)建造在航道的關(guān)鍵部位建造燈塔來(lái)對(duì)船只進(jìn)行導(dǎo)航。這些定位技術(shù)的精度非常差，并且覆蓋范圍不廣。無(wú)線(xiàn)電技術(shù)出現(xiàn)以后，人們可以進(jìn)行更大范圍的和更加精確的定位。最早的基于無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的定位系統(tǒng)是羅蘭遠(yuǎn)程導(dǎo)航系統(tǒng)，建立于20世紀(jì)40年代，其最初的目的是用于海軍中的中程無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航。羅蘭系統(tǒng)的示意圖A和B是一對(duì)基站，同時(shí)發(fā)送信號(hào)。用戶(hù)根據(jù)收到信號(hào)的時(shí)間差來(lái)確定自己的位置是在哪個(gè)雙曲線(xiàn)上。圖中不同的雙曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)于不同的時(shí)間差。隨著人造衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，人們開(kāi)始利用人造衛(wèi)星來(lái)構(gòu)建更精確，覆蓋范圍更廣的定位/導(dǎo)航系統(tǒng)。地球同步軌道衛(wèi)星可以以相對(duì)地球靜止的方式在太空軌道中運(yùn)行，這就提供了一種方式來(lái)為定位系統(tǒng)提供固定的參考點(diǎn)。隨著蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展，手機(jī)用戶(hù)極大增加。這類(lèi)定位系統(tǒng)一般通過(guò)是通過(guò)測(cè)量手機(jī)和基站之間的信號(hào)強(qiáng)度、距離或者到達(dá)角度，利用基站的位置來(lái)計(jì)算手機(jī)用戶(hù)的位置。移動(dòng)手機(jī)用戶(hù)一般稱(chēng)作移動(dòng)臺(tái)，通過(guò)基站的輔助來(lái)定位。室內(nèi)的無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)一般利用RFID標(biāo)簽來(lái)進(jìn)行。利用RFID標(biāo)簽的定位系統(tǒng)可以分為定位標(biāo)簽的和定位RFID讀寫(xiě)器的兩種。這類(lèi)定位系統(tǒng)所采用的模型可以分為兩大類(lèi)：基于模式匹配的和基于模型匹配的。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的定位算法一般利用一些已知自身位置的節(jié)點(diǎn)（稱(chēng)為錨節(jié)點(diǎn)）來(lái)輔助一般節(jié)點(diǎn)進(jìn)行定位。算法設(shè)計(jì)的目標(biāo)除了達(dá)到較高的精度外，還注重降低開(kāi)銷(xiāo)，包括通信開(kāi)銷(xiāo)和計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，并且將盡量減少對(duì)硬件的要求。6.2定位技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

災(zāi)難救援在智能交通中的應(yīng)用在智能物流中的應(yīng)用基于位置的服務(wù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)在軍事行動(dòng)中的應(yīng)用利用定位技術(shù)，指揮官可以快速的了解單兵的位置信息并發(fā)布相應(yīng)的命令。災(zāi)難救援北斗通信系統(tǒng)在汶川抗震救災(zāi)中的應(yīng)用定位技術(shù)在智能交通中的應(yīng)用智能交通系統(tǒng)示意圖。車(chē)輛之間可以進(jìn)行相互通信；車(chē)輛與于路邊節(jié)點(diǎn)之間也可以進(jìn)行通信，組成車(chē)載網(wǎng)絡(luò)。定位技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。定位技術(shù)在智能物流中的應(yīng)用典型智能物流系統(tǒng)示意圖。在堆場(chǎng)管理，集裝箱管理，實(shí)時(shí)追蹤，智能倉(cāng)儲(chǔ)以及貨物配送環(huán)節(jié)，都需要定位技術(shù)的支持?；谖恢玫姆?wù)基于位置的服務(wù)(LocationBasedService，LBS是在獲取移動(dòng)終端用戶(hù)的位置信息的基礎(chǔ)上，在地理信息系統(tǒng)(GeographicInformationSystem，GIS)平臺(tái)的支持下為用戶(hù)提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。隨著智能手機(jī)的普及和智能手機(jī)上定位功能的普及，基于位置的服務(wù)吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。6.3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)美國(guó)的GPS(GlobalPositioningSystem)全球定位系統(tǒng)。歐洲的伽利略定位系統(tǒng)。俄羅斯的GLONASS定位系統(tǒng)。中國(guó)的北斗定位系統(tǒng)。一、GPS全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介GPS是美國(guó)國(guó)防部主要為滿(mǎn)足軍事需要而建立的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，它具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位的能力。（1）GPS的組成GPS系統(tǒng)主要由空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶(hù)設(shè)備部分組成。GPS系統(tǒng)的星座部分主要由24顆衛(wèi)星構(gòu)成，其中21顆為工作衛(wèi)星，另外3顆為備用衛(wèi)星，用于在必要時(shí)根據(jù)指令替代發(fā)生故障的衛(wèi)星。這24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，每個(gè)軌道面包含4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道為橢圓形，平均高度約20200km，運(yùn)行周期大約11小時(shí)58分鐘。對(duì)地面觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，每天見(jiàn)到的衛(wèi)星幾何分布相同，但是每天見(jiàn)到同一衛(wèi)星的時(shí)間大概要提前4分鐘。在地球任意一點(diǎn)上，用戶(hù)能夠觀察到的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而有所不同，最少可見(jiàn)到4顆，最多時(shí)可見(jiàn)到11顆。GPS的地面監(jiān)控部分主要由分布全球的6個(gè)地面站構(gòu)成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站、主控站、備用主控站和信息注入站。主控站位于美國(guó)科羅拉多州的謝里佛爾空軍基地，是整個(gè)地面監(jiān)控系統(tǒng)的管理中心和技術(shù)中心。另外還有一個(gè)位于馬里蘭州蓋茨堡的備用主控站，在發(fā)生緊急情況時(shí)啟用。注入站目前有4個(gè)，其作用是把主控站計(jì)算得到的衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文等信息注入到相應(yīng)的衛(wèi)星。注入站同時(shí)也是監(jiān)測(cè)站，另外還有位于夏威夷和卡納維拉爾角2處監(jiān)測(cè)站，故監(jiān)測(cè)站目前有6個(gè)。監(jiān)測(cè)站的主要作用是采集GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給主控站。用戶(hù)設(shè)備部分用戶(hù)設(shè)備主要是GPS接收機(jī)，它是一種特制的無(wú)線(xiàn)電接收機(jī)，主要作用是從GPS衛(wèi)星收到信號(hào)并利用傳來(lái)的信息計(jì)算用戶(hù)的三維位置及時(shí)間。用戶(hù)設(shè)備部分的主要設(shè)備是GPS接收機(jī)。GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，利用GPS接收器測(cè)量出的到衛(wèi)星的距離，來(lái)計(jì)算待測(cè)點(diǎn)的位置。如圖2所示，假設(shè)在t時(shí)刻在待測(cè)點(diǎn)位置上觀測(cè)到4個(gè)衛(wèi)星，并測(cè)出信號(hào)從該觀測(cè)點(diǎn)到4個(gè)衛(wèi)星的傳播時(shí)間，便可以列出對(duì)應(yīng)的4個(gè)方程來(lái)求得觀測(cè)點(diǎn)的位置。（2）GPS的定位原理GPS中利用信號(hào)在衛(wèi)星和接收機(jī)之間的往返時(shí)間來(lái)計(jì)算距離的。在某一時(shí)刻，衛(wèi)星發(fā)送一長(zhǎng)串稱(chēng)為偽隨機(jī)碼的數(shù)字序列，而同時(shí)接收機(jī)也在同一時(shí)刻產(chǎn)生相同的數(shù)字序列。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)時(shí)，由于傳輸?shù)难舆t，從衛(wèi)星信號(hào)接收到的數(shù)字序列會(huì)比接收機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)的時(shí)間滯后。時(shí)間延遲的長(zhǎng)度就是信號(hào)傳送的時(shí)間。接收機(jī)將這一時(shí)間乘以光速就可以計(jì)算出信號(hào)傳送的距離。假設(shè)信號(hào)是以直線(xiàn)傳送的，則這一結(jié)果即為接收機(jī)到衛(wèi)星的距離。為了使測(cè)得的距離數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效，GPS接收機(jī)需要安裝和衛(wèi)星上同步的精確時(shí)鐘。為了達(dá)到所要求的計(jì)時(shí)精度（納秒級(jí)），需要使用能夠精確計(jì)時(shí)的原子鐘。但對(duì)普通的GPS接收器來(lái)說(shuō)，原子鐘的價(jià)格太貴了（價(jià)格在5-10萬(wàn)美元之間）。GPS系統(tǒng)用一個(gè)巧妙的方案解決了這一問(wèn)題。每一顆衛(wèi)星上仍然使用昂貴的原子鐘，但接收機(jī)使用的是經(jīng)常需要調(diào)校的普通石英鐘。簡(jiǎn)言之，接收機(jī)接收來(lái)自四顆或更多衛(wèi)星的信號(hào)在計(jì)算距離的同時(shí)，對(duì)自身的始終誤差進(jìn)行校正，將自身的時(shí)鐘調(diào)整到與衛(wèi)星上的原子時(shí)鐘相同的值，從而使接收機(jī)的時(shí)間與所有衛(wèi)星上的原子鐘相同。GPS接收機(jī)就可以“免費(fèi)”獲得原子鐘的精確度。其原理如下。當(dāng)測(cè)量到四顆定位衛(wèi)星到觀測(cè)點(diǎn)所處位置的準(zhǔn)確距離時(shí)，我們就可以畫(huà)出相交于一點(diǎn)的四個(gè)球面。但是如果測(cè)量有誤差，四個(gè)球面就不可能相交于一點(diǎn)。由于接收機(jī)利用自身內(nèi)置的時(shí)鐘來(lái)測(cè)量所有的距離，距離測(cè)量會(huì)呈現(xiàn)一定的比例誤差。接收機(jī)可以計(jì)算出使四個(gè)球面相交于一點(diǎn)所進(jìn)行的必要調(diào)整，并基于此重新設(shè)置自身的時(shí)鐘以便和衛(wèi)星原子鐘同步。接收機(jī)只要開(kāi)啟就處在不斷的調(diào)整中，這也意味著接收機(jī)幾乎與衛(wèi)星中昂貴的原子鐘一樣精確。圖6.7GPS定位原理：R1’，R2’，R3’和R4’為所測(cè)偽距GPS定位可分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位（或稱(chēng)差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測(cè)量，可用于車(chē)船等的概略導(dǎo)航定位。利用單獨(dú)的GPS接收機(jī)定位的精度為30米左右。為了有效提高定位精度，提出了差分定位技術(shù)。其基本原理是用一個(gè)已知位置的固定接收機(jī)站來(lái)測(cè)算GPS的誤差。差分定位是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。具有偽距差分功能的GPS接收機(jī)的定位精度在1—10米之間?？偟膩?lái)說(shuō)，GPS定位系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：1）能夠全球、全天候工作。能夠覆蓋全球98%的面積。2）定位精度高。單機(jī)定位精度優(yōu)于10m，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。3）操作簡(jiǎn)便，應(yīng)用廣泛。只需要一臺(tái)GPS接收機(jī)即可準(zhǔn)確確定用戶(hù)所在的位置。已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于軍事工程，道路工程，車(chē)輛。船舶導(dǎo)航等多種應(yīng)用中。GPS的主要特點(diǎn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)﹝BeiDou（COMPASS）NavigationSatelliteSystem﹞是我國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其建設(shè)目標(biāo)是建成獨(dú)立自主、開(kāi)放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶(hù)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(cè)站等若干個(gè)地面站，用戶(hù)段包括北斗用戶(hù)終端以及與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容的終端。北斗一號(hào)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)）是利用地球同步衛(wèi)星為用戶(hù)提供快速定位、簡(jiǎn)短數(shù)字報(bào)文通信和授時(shí)服務(wù)的一種全天候、區(qū)域性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由由空間星座、地面控制中心系統(tǒng)和用戶(hù)終端三部分構(gòu)成?？臻g星座部分包括三顆地球同步軌道衛(wèi)星，包括兩顆地球靜止衛(wèi)星和一顆在軌備份衛(wèi)星。北斗地面控制中心系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的功能中樞，完成用戶(hù)終端位置解算、通信信息轉(zhuǎn)發(fā)、用戶(hù)數(shù)據(jù)保存、系統(tǒng)監(jiān)控管理等一系列功能，可為用戶(hù)提供定位、通信和授時(shí)服務(wù)。用戶(hù)終端是直接由用戶(hù)使用的設(shè)備，用于發(fā)送定位請(qǐng)求和通信信息，接收定位信息、通信信息和定時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)單機(jī)定位和雙向數(shù)字簡(jiǎn)短報(bào)文通信功能，也可作為自主導(dǎo)航和精確授時(shí)設(shè)備。北斗二號(hào)以北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，我國(guó)開(kāi)始逐步實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，首先滿(mǎn)足中國(guó)及其周邊地區(qū)的導(dǎo)航定位需求，并進(jìn)行系統(tǒng)的組網(wǎng)和測(cè)試，逐步構(gòu)建一個(gè)類(lèi)似GPS的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，稱(chēng)為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)北斗二號(hào)。北斗定位系統(tǒng)與GPS定位系統(tǒng)的比較與GPS相比，北斗具有如下優(yōu)點(diǎn)：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)可以提供導(dǎo)航定位服務(wù)，其精度可以達(dá)到重點(diǎn)地區(qū)水平10米，高程10米，其他大部分地區(qū)水平20米，高程20米；測(cè)速精度優(yōu)于0.2米/秒。這和美國(guó)GPS的水平是差不多的。第二，授時(shí)服務(wù)。授時(shí)精度可達(dá)到單向優(yōu)于50納秒，雙向優(yōu)于10納秒。第三，短報(bào)文通信服務(wù)。這一功能能夠保證在我國(guó)及周邊地區(qū)具備每次120個(gè)漢字的短信息交換能力。第四，具備一定的保密、抗干擾和抗摧毀能力；系統(tǒng)的導(dǎo)航定位用戶(hù)容量不再受到限制，并且保證用戶(hù)設(shè)備的體積小、質(zhì)量輕、功耗低，滿(mǎn)足手持、機(jī)載、星載、彈載等各種載體需要。

北斗也具有一些缺點(diǎn)，如用戶(hù)數(shù)受限，由于采用主動(dòng)定位方式而使得對(duì)主控中心的依賴(lài)性更高等問(wèn)題。蜂窩系統(tǒng)定位技術(shù)蜂窩系統(tǒng)定位一般是指在蜂窩系統(tǒng)中利用無(wú)線(xiàn)電信號(hào)來(lái)確定一個(gè)移動(dòng)對(duì)象（通常是手機(jī)，也稱(chēng)作移動(dòng)臺(tái))所在的地理位置。利用蜂窩系統(tǒng)定位技術(shù)，移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商可以為用戶(hù)提供很多的定位相關(guān)服務(wù)，如提供用戶(hù)所在的位置信息，根據(jù)用戶(hù)所在的位置不同進(jìn)行靈活的收費(fèi)服務(wù)，在蜂窩系統(tǒng)中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和資源管理等。根據(jù)獲得移動(dòng)臺(tái)位置信息方式的不同，蜂窩定位系統(tǒng)大致可分為3類(lèi)：基于移動(dòng)臺(tái)的定位系統(tǒng)基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)輔助定位系統(tǒng)蜂窩系統(tǒng)常用定位技術(shù)蜂窩系統(tǒng)中常用的定位技術(shù)有很多，這里我們主要介紹幾種有代表性的定位技術(shù)，包括:基于GPS的定位技術(shù)起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)基于到達(dá)角的定位技術(shù)基于距離的定位技術(shù)GPS是一種比較成熟的定位技術(shù)，能夠在全球范圍內(nèi)提供較為準(zhǔn)確的定位。GPS定位不能應(yīng)用于室內(nèi)，并且在容易受到城市里的高樓等環(huán)境的影響，定位精度下降較大。GPS定位系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，為了適用于蜂窩系統(tǒng)定位，有必要對(duì)實(shí)時(shí)性進(jìn)行改進(jìn)?；贕PS的定位技術(shù)差分GPS技術(shù)的原理是使用基準(zhǔn)接收機(jī)來(lái)消除GPS定位中的公共誤差。其中GPS基準(zhǔn)接收機(jī)為固定的基站，知到自己的準(zhǔn)確地理坐標(biāo)，因此能計(jì)算出GPS的定位結(jié)果和自身真實(shí)的地理位置的差值。輔助GPS定位技術(shù)是為了克服GPS定位技術(shù)中存在的啟動(dòng)時(shí)間過(guò)慢的缺點(diǎn)，提高定位的實(shí)時(shí)性。其主要思想是建立一個(gè)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)參考網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)相連，通信網(wǎng)的移動(dòng)臺(tái)內(nèi)置一個(gè)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)接收機(jī)。起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)這類(lèi)定位系統(tǒng)根據(jù)用戶(hù)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所處的小區(qū)或者基站來(lái)標(biāo)識(shí)用戶(hù)位置。蜂窩系統(tǒng)中每個(gè)基站都有一個(gè)全網(wǎng)唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)(CELLID)，系統(tǒng)可以根據(jù)與用戶(hù)進(jìn)行通信的基站標(biāo)識(shí)來(lái)確認(rèn)用戶(hù)所在區(qū)域，并由此提供一個(gè)