第七章 定位技術(shù)幻燈片.ppt

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)講義,第七章、定位技術(shù),內(nèi)容提要,WSN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（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,1. WSN定位概述,什么是定位？ 定位的應(yīng)用領(lǐng)域 定位的技術(shù)指標 定位系統(tǒng)的設(shè)計要點 定位服務(wù)的標準化,1. WSN定位概述-什么是定位？,定位就是確定位置。 定位的兩種意義： 一種是確定自己的在系統(tǒng)中的位置； 一種是確定目標在系統(tǒng)中的位置。 位置信息的類型： 物理位置指目標在特定坐標系下的位置數(shù)值，表示目標的相對或者絕對位置。 符號位置指在目標與一個基站或者多個基站接近程度的信息，表示目標與基站

2、之間的連通關(guān)系，提供目標大致的所在范圍。,1. WSN定位概述-定位的應(yīng)用領(lǐng)域,導航：了解移動物體在坐標系中的位置，指導移動物體成功到達目的地的工作 跟蹤：系統(tǒng)實時地了解物體所處位置和移動的軌跡 虛擬現(xiàn)實：定位物體的位置和方向 基于地理位置的路由：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),1. WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(1),精度-最重要的指標，指定位系統(tǒng)提供的位置信息的精確程度。 絕對精度指以長度為單位度量的精度。 相對精度，通常以節(jié)點之間距離的百分比來定義。 覆蓋范圍是另一個重要指標，

3、它和精度是一對矛盾。,1. WSN定位概述-定位的技術(shù)指標(2),刷新速度是提供位置信息的頻率。比如GPS每秒鐘刷新1次 WSN相關(guān)的指標 功耗，WSN是功耗受限制的 帶寬，協(xié)議棧開銷+數(shù)據(jù)的有效載荷 節(jié)點密度，節(jié)點密度要求越高，單次定位的通信開銷越大，消耗的電能越多。,1. WSN定位概述-定位系統(tǒng)的設(shè)計要點,兩個主要因素： 定位機制的物理特性 相應(yīng)的算法 其他設(shè)計要求： 節(jié)點密度 擴展性 魯棒性的要求,1. WSN定位概述-定位服務(wù)的標準化,定位系統(tǒng)往往是訂制系統(tǒng)，沒有統(tǒng)一的標準 GPS系統(tǒng)，事實標準 E-911，1996年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC） 制定的運營商（緊急救援）服務(wù)標準,W

4、SN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（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,內(nèi)容提要,2. 基于測距（range-based）的定位技術(shù),三邊定位和多邊定位 測距的方法有： 信號強度（RSS） 信號傳播時間/時間差（TOA/TDOA/RTOF） 接收信號相位（PDOA） 近場電磁測距（NFER） 接收信號角度定位,2. 基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位,多邊定位Multilateration 多次測量方程的個數(shù)大于變量的個數(shù) 估計方法： 最小二乘（LS，Least Square） 極大似然（MLE, Max

5、imum Likelihood Estimation） 最小均方差（MMSE, Minimum Mean Square Error）,2. 基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位,三邊定位Trilateration（多邊定位特例） 多次測量方程的個數(shù)等于變量的個數(shù) 需要考慮無解的情況，求最優(yōu)近似解,2. 基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位,信號強度（RSS ） 通過信號在傳播中的衰減來估計節(jié)點之間的距離 根據(jù)信道模型求解距離： 信道的時變特性： 信道由于受到多徑衰減（Multi-path Fading） 非視距阻擋（Non-of-Sight Blockage）的影響,2. 基于測距的定位技

6、術(shù)-三邊定位和多邊定位,信號傳播時間/時間差（TOA/TDOA/RTOF）,TOA,TDOA,RTOF,到達時間,到達時間差,往返傳播時間,2. 基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位,接收信號相位（PDOA） 通過測相位差，求出信號往返的傳播時間，計算出往返距離 其中，fc是信號頻率，是信號的波長，是發(fā)送信號和反射信號的相位差。由上式可知d的范圍是0, 。不同的距離如果相差倍，則測量獲得的相位相同。,2. 基于測距的定位技術(shù)-三邊定位和多邊定位,近場電磁測距（NFER） 利用了在近場電場與磁場的相位差來測量距離。射頻信號包括電場和磁場2部分。,近場電磁測距方法的測距范圍0.05 0.5 之間

7、，最佳測量范圍0.08 0.3 之間。,2. 基于測距的定位技術(shù)-接收信號角度定位,利用角度關(guān)系定位,已知一個頂點和夾角的射線確定一點,已知三點和三個夾角確定一點,WSN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（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,內(nèi)容提要,3. 無需測距（range-free）的定位技術(shù),質(zhì)心算法 DV-Hop算法 不定形（Amorphous）定位算法 APIT算法,3. 無需測距的定位技術(shù)-質(zhì)心算法,質(zhì)心（Centroid）指多邊形的幾何中心，是多邊形頂點坐標的平均值。設(shè)多邊形定點位置的向量表示為

8、pi=（xi, yi）T，則質(zhì)心為 連通度和RSSI信息的質(zhì)心定位加權(quán)算法（W-Centroid）,3. 無需測距的定位技術(shù)- DV-Hop算法,測量確定分布在2個參考節(jié)點之間的待定節(jié)點構(gòu)成的多跳網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)，估算出每一跳的距離，從而確定每個節(jié)點的位置。 精度：網(wǎng)絡(luò)平均連通度為10，參考節(jié)點比例為10%的各向同性網(wǎng)絡(luò)中定位精度約為33%。 缺點：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。,3. 無需測距的定位技術(shù)- APIT算法,近似三角形內(nèi)點測試法（APIT, Approximate Point-In-Triangulation test）找到若干個由參考節(jié)點構(gòu)成的三角形，

9、則節(jié)點必然在這些三角形的交集內(nèi)。使用這個交集的重心估計節(jié)點的位置。 APIT算法分四步：（1）信標交換，（2）三角形內(nèi)點測試（PIT, Point-In-Triangulation testing），（3） 交集運算計算三角形的重合區(qū)域，（4）重心（COG, Center of Gravity）計算求節(jié)點的位置。,WSN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（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,內(nèi)容提要,4. 定位相關(guān)的其它技術(shù),節(jié)點和事件的跟蹤 測距方式對精度的影響 貝葉斯濾波 卡爾曼濾波 其它技術(shù),4. 定位相關(guān)

10、的其它技術(shù)-節(jié)點和事件的跟蹤,定位是跟蹤的技術(shù)基礎(chǔ) 跟蹤是WSN的重要應(yīng)用 目標或現(xiàn)象的檢測、定位、數(shù)據(jù)收集與分享、以及預測和組管理。 對移動的目標或者事件進行動態(tài)的監(jiān)測 目標：讓盡可能少的、足夠的節(jié)點參與跟蹤任務(wù)，最大可能地降低電能的消耗和信道的開銷 方案：協(xié)同信號與信息處理(CSIP, collaborative signal and information processing),4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-測距方式對精度的影響,Radio（VHF、UWB、CDMA、光、紅外光）,一米的壁壘：更高的精度非常困難,4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-測距方式對精度的影響,聲音（聲波、超聲波） 超聲波的

11、傳播速度約300m/s，設(shè)TDOA達到的時鐘精度為1ms，則測距精度30cm。 1ms的時鐘精度是很低的，經(jīng)過優(yōu)化的時間同步方案可以提供幾十微秒的精度。那么使用超聲波測距的方法可以達到1cm的精度。 超聲波的傳播速度受到環(huán)境的影響，同時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。,4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-貝葉斯濾波,濾波可以看作是根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，推斷系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的過程。順序估計就是通過后驗密度（Posterior Density） 給定了濾波密度就可以通過估計子計算系統(tǒng)的狀態(tài)。估計子有很多種，最常用的是均值估計子： 實際應(yīng)用：順序蒙特卡羅（SMC, sequential

12、 Monte Carlo）和馬爾可夫蒙特卡羅（MCMC, Markov Chain Monte Carlo）的基本原理。,4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-卡爾曼濾波,卡爾曼濾波：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)：擴展卡爾曼濾波 線性化運動方程和觀測方程 Jacobian矩陣計算協(xié)方差 非察覺型卡爾曼濾波器（Unscented Kalman filter） 更加精確的捕捉真實的均值和方差的方法 使用一個確定的采樣技術(shù)選取均值附近的采樣點的最小集合（Sigma Points, SP）,4. 定位相關(guān)的其它技術(shù)-其它技術(shù),模式匹配 數(shù)據(jù)融合等算法 數(shù)據(jù)壓縮 數(shù)據(jù)庫 多媒體技術(shù),

13、以RADAR系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用RSS方式進行實時定位，定位主要分成兩個階段： （1） 離線階段測量并記錄移動節(jié)點在現(xiàn)場不同位置情況下各個參考節(jié)點的RSS，構(gòu)成RSS指紋庫（footprint）；（2） 實時階段將收到的信號強度與指紋庫中的數(shù)據(jù)進行比較，估計出節(jié)點位置。,WSN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（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,內(nèi)容提要,5. 典型定位系統(tǒng),全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng) 全球?qū)Ш较到y(tǒng) 地區(qū)導航系統(tǒng) 無線傳感器網(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

14、定位系統(tǒng) 無需測距的定位系統(tǒng),5. 典型定位系統(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 GPS GPS（Global Positioning System）二十世紀70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(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、獨立的全球多模式衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)，提供高精度、高可靠性的定位服務(wù)，同時它實現(xiàn)完全非軍方控制、管理。,5. 典型定位系統(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 GPS GPS使用24顆人造衛(wèi)星在離地面約2萬公里的

15、高空上，以12小時的周期環(huán)繞地球運行。在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的位置精確可知，通過4顆衛(wèi)星發(fā)出的信號，我們可得到衛(wèi)星到接收機的距離。 GPS精度達到5m，專用車載GPS導航儀已經(jīng)廣泛使用于車輛導航等應(yīng)用領(lǐng)域。,5. 典型定位系統(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個地面控制中心組成，其中27顆衛(wèi)星為工作衛(wèi)星，3顆為候補。衛(wèi)星高度為24126公里，位于3個傾角為56度的軌道平面內(nèi)。 伽利略系統(tǒng)可以分發(fā)實時的米級定位精度信息，這是現(xiàn)有的衛(wèi)星導航系統(tǒng)所沒有的。同

16、時伽利略系統(tǒng)能夠保證在許多特殊情況下提供服務(wù),5. 典型定位系統(tǒng)-全球和區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng),地區(qū)導航系統(tǒng)：區(qū)域范圍 LORAN系統(tǒng) LORAN（LOng RAnge Navigation）是一種地區(qū)導航系統(tǒng)?；疽砸欢ǖ臅r間間隔發(fā)送低頻無線信號，船只、飛機等接收到多個信號基站的信號后，可以計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是測量脈沖和測量相位相結(jié)合的雙曲線導航系統(tǒng)，工作頻段90110kHz，1957年開始建設(shè)，直到現(xiàn)在已經(jīng)建成大量電臺鏈，覆蓋了北半球大部分地區(qū)。 北斗 北斗雙星定位

17、系統(tǒng)是我國自行建立起來的一種區(qū)域性定位系統(tǒng)（RDSS）。2003年5月25日，我國成功發(fā)射了第三顆“北斗一號”導航定位衛(wèi)星，作為“北斗導航定位系統(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”導航定位衛(wèi)星和一個地面中心站，形成了一個較為完善的“雙星導航定位系統(tǒng)”?！半p星導航定位系統(tǒng)”應(yīng)歸于“衛(wèi)星無線電定位服務(wù)”（RDSS）。,5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(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“指紋識別”技術(shù)進行定位，解決WLAN中定位移動計算設(shè)備的問題。 SpotON（1999）,5. 典型定

18、位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng),使用RSS方式定位的系統(tǒng) RADAR（1998） 通過對特定環(huán)境下的RF信號衰落特征值進行處理實現(xiàn)的。 數(shù)據(jù)處理處理分成2個階段：離線階段（office-line phase）和實時階段（real-time phase）。離線階段記錄目標節(jié)點的位置所對應(yīng)3個基站的信號信息，生成以位置為變量的信號信息函數(shù)。實時階段在采集3個基站的信號信息，根據(jù)信號信息函數(shù)求解位置。,5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng),使用RSS方式定位的系統(tǒng) SpotON（1999） SpotOn標簽的硬件由Dragonball EZ處理器、在916.5MHz的TR1000射頻收發(fā)器和1

19、0-bit A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。 該系統(tǒng)基于射頻接收信號強度（RSS）分析的三維位置感知方法，實現(xiàn)小范圍內(nèi)的定位。,5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng),使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng) Bat System（1999） Cricket（2000）,5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng),使用TOA/TDOA方式定位的系統(tǒng) Bat System（1999） Cricket（2000）,室內(nèi)定位系統(tǒng)Badge系統(tǒng)是Active Badge的后繼發(fā)展，是一種基于測距（range-based）的定位技術(shù)。如圖 719，該系統(tǒng)使用超聲波信號的TOA實現(xiàn)三維空間定位，使用多邊定位方法提高精度。

20、Bat系統(tǒng)的定位精度最高達到3cm。,MIT提出了一種融合TDOA和信號到達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方向。 Cricket系統(tǒng)是麻省理工學院的Oxygen項目的一部分，用來確定移動或靜止節(jié)點在大樓內(nèi)的具體所在房間位置。該定位系統(tǒng)利用射頻信號與超聲波信號到達時間間隔和各自的傳播速度，計算出未知位置節(jié)點到已知位置節(jié)點的距離。,5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng),混合定位系統(tǒng) Calamari AHLoS（Ad Hoc Localization System）（2001）,兩個系統(tǒng)本質(zhì)上都是cell-based方式定位的

21、系統(tǒng),5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng),混合定位系統(tǒng) Calamari,Calamar采用超聲波傳播時間（TOA）和接收電信號強度（RSS）方式定位。使用超聲波的測距，將49個節(jié)點部署在144 平方米的范圍。定位中等誤差0.53m。使用RSS，系統(tǒng)分別在半個足球場，定位中等誤差4.1m。,5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng),混合定位系統(tǒng) AHLoS（Ad Hoc Localization System）（2001） AHLoS使用RSS進行接近情況探測，同時使用RF和超聲波的收發(fā)時間進行TDOA測量。 AHLoS系統(tǒng)中使用3種多邊定位算法：原子式（atom multilate

22、ration）、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定位。,5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng),無需測距的定位系統(tǒng) Active Badge（1992） 每一個目標上安裝一個badge。每個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。已知位置的參考節(jié)點收到這些信號，傳送到網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)知道當前某個badge在哪一個cell附近。Active Badge系統(tǒng)的缺點是部署大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)困難，同時，紅外線容易受到光線的干擾，尤其是在戶外。因此，A

23、ctive Badge是一個室內(nèi)的基于蜂窩單元（cell-based）的定位系統(tǒng)。,5. 典型定位系統(tǒng)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng),無需測距的定位系統(tǒng) UC Berkeley（2006） 使用Trio傳感器節(jié)點 多傳感器融合算法，使用空間相關(guān)性，融合后的二進制測量值提供更加精細的位置信息。融合后的數(shù)據(jù)通過數(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） 跟蹤未知個數(shù)的目標。,WSN定位概述 基于測距（range-based）的定位技術(shù) 無需測距（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,內(nèi)容提要,6. 展望,UWB定位 Nanotron CSS定位,6. 展望-UWB定位,隨著通信技術(shù)，特別是物理層的發(fā)展，UWB（Ultra Wide Band，超寬帶）可能成為下一個廣泛使用的技術(shù)。UWB具有一系列優(yōu)良獨特的技術(shù)特性，是一種極具競爭力的短距無線傳輸技術(shù)。UWB不采用正弦載波，而是利用納秒級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、近距離的無線個人通信。按