《物聯(lián)網工程導論 第3版》 課件 第6章-位置服務

物聯(lián)網工程導論

（第3版）南開大學吳功宜

吳英第6章

位置信息、服務與定位技術本章知識點結構本章教學要求掌握位置信息的概念和內涵理解衛(wèi)星定位系統(tǒng)概念與工作原理了解各種定位技術的特點理解物聯(lián)網位置服務的基本概念6.1位置信息與位置服務

6.1.1位置信息的重要性位置信息是人們生活中每一個時刻都必須掌握的信息，是最基本的一類信息位置是物聯(lián)網中各種信息的重要屬性之一，缺少位置的感知信息是沒有使用價值的位置信息是物聯(lián)網提供位置服務的基礎6.1.2位置服務的基本概念位置服務不只是單純獲取一個空間信息，其涵蓋了三個關鍵要素（地理位置、時間、人或物體），利用這些彼此關聯(lián)的關鍵要素信息，既能夠“因地制宜”為人們提供所在位置附近的服務，又能夠“見機行事”為人們提供時效性、便捷性的服務，還能夠“因人而異”提供更個性化、人性化的服務6.1.3位置服務的發(fā)展基于位置的服務LocationBasedService，LBS6.2全球定位系統(tǒng)

6.2.1GPS的基本概念全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)“GNNS”將衛(wèi)星定位和導航技術與現(xiàn)代通信技術相結合，具有全時空、全天候、高精度、連續(xù)實時地提供導航、定位和授時的特點目前世界4個衛(wèi)星導航系統(tǒng)：美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）、歐洲伽利略（Galileo）”衛(wèi)星定位系統(tǒng)，以及中國的“北斗（BeiDou）”衛(wèi)星導航系統(tǒng)由于美國的GPS系統(tǒng)發(fā)展得比較早，技術成熟、應用面廣，因此人們習慣上用的“GPS”代替了更為準確的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)術語“GNNS”6.2.2GPS系統(tǒng)結構GPS由三個部分組成：空間星座部分、地面監(jiān)控部分與用戶設備部分空間星座部分24顆衛(wèi)星分布在6個軌道上，每一個軌道上不均勻地分布著4顆衛(wèi)星，軌道高度為20200千米衛(wèi)星的功能：

接收從地面監(jiān)控部分發(fā)射的導航信息，執(zhí)行控制指令，通過推進器調整自身的運行姿態(tài)

進行必要的數(shù)據(jù)處理，向地面發(fā)送導航信息地面監(jiān)控部分由分布在全球的一個主控站、6個監(jiān)控站與4個注入站組成監(jiān)控站的主要任務是對衛(wèi)星進行連續(xù)觀測和數(shù)據(jù)采集，并將檢測數(shù)據(jù)傳送到主控站主控站是整個系統(tǒng)的核心，它擔負5項任務：監(jiān)視所有衛(wèi)星的運行軌道計算衛(wèi)星運行軌道的各種修正參數(shù)計算衛(wèi)星時鐘誤差，維護GPS系統(tǒng)的時間基準發(fā)送調整衛(wèi)星軌道的命令，確保衛(wèi)星按預定的軌道運行監(jiān)視衛(wèi)星運行情況，當發(fā)現(xiàn)故障時啟動備份衛(wèi)星注入站將主控站的衛(wèi)星導航報文與控制命令發(fā)送到各個衛(wèi)星用戶設備部分導航型接收機主要用于運動物體的導航，可以實時給出物體的位置和速度，根據(jù)應用的不同可以分為：車載型、航海型、航空型與星載型接收機測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量，這類儀器定位精度高，設備復雜，價格較貴授時型接收機主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通信的時間同步6.2.3GPS工作原理已知衛(wèi)星1的坐標是（x1,y1,z1），那么距離R1值與A點坐標、衛(wèi)星1的坐標關系為：如果接收機同時能夠接收到衛(wèi)星2與衛(wèi)星3的信號，確定A點與3顆衛(wèi)星的距離分別為R2、R3，那么就可以推出與R2、R3對應的A點坐標與衛(wèi)星2、衛(wèi)星3坐標關系的方程從3個方程中解出3個未知數(shù)，即A點的坐標（x,y,z），應該是可行的；計算出A點的坐標之后，結合電子地圖，就可以確定A點在地圖上的位置如果再在下一秒測量出下一個新坐標的值，接收機就可以算出你的運動速度與方向。如果你輸入一個目的地址，接收機就可以為你推薦導航的路線，或者為你的汽車導航衛(wèi)星系統(tǒng)的時鐘與GPS接收機的時鐘肯定是有誤差的，通過第四顆衛(wèi)星計算出接收機時鐘與衛(wèi)星系統(tǒng)時鐘的誤差，修正計算出的衛(wèi)星信號在空間傳播的時間Δt值，以提高定位精度位置與導航信息不是衛(wèi)星計算好后發(fā)給用戶設備，而是用戶設備自己算出來。用戶設備跟蹤可見的GPS衛(wèi)星，對接收到的衛(wèi)星無線信號進行處理，計算出位置信息與導航信息6.2.4北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)將由5顆

靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，2020年左右覆蓋全球

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的四大功能是：定位、導航、授時與通信定位精度能夠達到10米，測速精度0.2米/秒，時間同步精度可以達到10ns，用戶終端具有雙向短報文通信功能，用戶一次可以傳送40～60個漢字的短報文信息通信北斗系統(tǒng)將廣泛應用于個人定位與導航、氣象、道路交通、鐵路運輸、海運和水運、航空運輸、應急救援、智能農業(yè)、智能物流、智能環(huán)保、智能電網等領域6.3定位技術的發(fā)展

6.3.1移動通信網定位技術從3G網絡投入商用開始，定位服務已成為移動通信網必備的附加功能，為數(shù)以億計的移動用戶提供各種基于位置的服務。移動通信網中的定位技術是指通過移動站對接收到的無線電波中的某些參數(shù)（例如傳輸時間、幅度、相位、到達角等）進行測量，并根據(jù)特定算法計算出被測物體的位置在基于LTE標準的4G/5G網絡中，常用的定位技術主要包括：增強小區(qū)ID（EnhancedCell-ID，E-CID）、OTDOA、A-GPS等A-GPS技術輔助GPS定位（AssistedGPS，A-GPS）6.3.2基于Wi-Fi的定位技術Wi-Fi的AP設備號的唯一性Wi-Fi的AP定時發(fā)送信標AP設備只覆蓋有限的地理范圍6.3.3基于RFID的定位技術凡是應用RFID技術的應用領域，在自動感知物品信息的同時，可以從中提取物品的位置信息可用于生產過程控制中的質量跟蹤、庫存與固定資產管理，物流管理應用中采購、入庫、庫存管理、出庫、配送運輸?shù)娜^程，醫(yī)院管理中藥品、醫(yī)療器械、醫(yī)用廢棄物，以及患者、醫(yī)護人員管理等可用于幼兒園幼兒管理、醫(yī)院新生兒管理，博物館與旅游景區(qū)對不同區(qū)域游客的解說服務，機場乘客導航與服務，監(jiān)獄服刑人員管理等6.3.4無線傳感器定位技術在無線傳感器網絡中，位置信息是事件發(fā)生位置報告、目標跟蹤、路由控制、網絡管理的前提事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點位置，是傳感器節(jié)點監(jiān)測信息中所包含的重要信息；沒有位置信息的監(jiān)測數(shù)據(jù)是毫無意義的，錯誤的位置信息往往會導致判斷的錯誤WSN定位信息除用來報告事件發(fā)生的地點外，還可以用于目標跟蹤，實時監(jiān)視目標的行動路線，預測目標的前進軌跡6.4位置服務

6.4.1位置服務的必要性隨著智能手機、可穿戴計算設備與物聯(lián)網終端設備的廣泛應用，位置服務逐漸成為移動互聯(lián)網及物聯(lián)網應用中的必備服務。目前，位置服務已經深入滲透到社會生活的各個方面，并且正在改變著人們的生活與生產方式在智能工業(yè)應用中，對于智能工廠的自動化生產過程控制系統(tǒng)，只有知道裝配的零部件是否到達指定位置，才能確定下一步的裝配動作；在智能交通應用中，車載GPS設備實時監(jiān)測車輛的位置，計算并更新汽車到達目的地的最佳行車路線，以向駕駛員提供導航信息；在智能醫(yī)療應用中，健康監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時采集被監(jiān)控對象的血壓、脈搏等參數(shù)，患者發(fā)病后及時確定所在的位置并采取急救措施6.4.2位置應用示例“掌上公交”應用示例位置服務應用的發(fā)展隨著智能手機、可穿戴計算設備與物聯(lián)網移動終端設備應用的發(fā)展，位置服務迅速地流行開來位置服務已經成為信息服務業(yè)一種新的服務模式與經濟增長點位置服務以及從商業(yè)服務逐漸擴大到智能工業(yè)、智能農業(yè)智能醫(yī)療、智能物流、智能交通等領域物聯(lián)網應用高度依賴位置信息與位置服務，位置服務將成為物聯(lián)網重要的研究內容與新的產業(yè)增長點物聯(lián)網與高精度地圖互聯(lián)網地圖經歷了從簡單到復雜，從提供靜態(tài)地圖到提供動態(tài)地圖的發(fā)展過程，物聯(lián)網自動駕駛的應用提出了新的高精度定位、高精度地圖研發(fā)的需求現(xiàn)有的互聯(lián)網地圖精度一般只能達到米級，而自動駕駛汽車需要達到厘米級（