《物联网导论》第4章 定位系统

1、第4章 定位技术目录第1章 物联网概述第2章 自动识别技术与RFID第3章 传感器技术第4章 定位系统第5章 智能信息设备第6章 互联网第7章 无线宽带网络第8章 无线低速网络第9章 移动通信网络第10章 数据库系统第11章 海量信息存储第12章 搜索引擎第13章 物联网中的智能决策第14章 物联网中的信息安全与隐私保护第15章 智能电网第16章 智能交通第17章 智能物流第18章 智能绿色建筑第19章 环境监测本章各小节目录4.1 位置信息4.24.34.44.1 位置信息在开始讨论物联网与定位系统之前，先来谈谈科技给生活质量带来的改进。在互联网普及之前，当人们想要上街购物时，往往需要做很多

2、准备工作。首先需要找张地图，找到要去的商场，再研究好路线。然后还要翻阅报纸、杂志上面的各种信息，找出各种打折优惠的商店。如果逛街的时间较长，或许还得事先看看各种餐厅的广告，查好附近有哪些吃饭的地方，哪家餐厅比较美味实惠然而，不管事前谋划得如何充分详细，人算不如天算，实际情况有时候并不会和人们预想的一样，因此还需要动态地调整方案，为此可能还要事先做好备用方案。到了互联网时代，情况发生了改观。到了物联网时代，情况再一次发生了巨大的变革。人们不再需要做事前的准备。是什么使人们的任务变轻松了呢？隐藏在各种琳琅满目的自动化服务背后的是一个共同的信息位置。位置信息可以说是最重要的信息之一。在军事上，地理因

3、素经常对占据起着关键性的作用。在日常生活中，位置信息也有着重要的作用。位置信息不只是空间信息。具体而言，位置信息包括三大要素：所在的地理位置、处在该地理位置的时间、处在该地理位置的对象（人或设备）。也就是说，位置信息承载了“时间”、“空间”、“人物”三大关键信息，其信息的内涵可谓十分丰富。利用这些信息，不仅可以“因地制宜”，提供所在地附近的相关服务，还可以根据时间“见机行事”，提供时效性更加的服务，更可以“因人而异”，提供个性化的定制服务。既然位置信息如此重要，如何获取位置信息就理所当然地成为了物联网时代的一个重要研究课题。如今人们平时携带的手机，都可以配备上GPS定位模块。根据ABI Res

4、earch的一项调查数据显示，2009年全球GPS手机的销量达到2.4亿台。现实中有哪些成熟的定位系统？这些定位系统又是使用了怎样的原理来确定人们的位置？本章将通过一一解答这些问题，带您走近定位科学。4.2 定位系统4.2.1 GPSGPS(Global Positioning System)是目前世界上最常用的卫星导航系统。GPS计划开始于1973年，由美国国防部领导下的卫星导航定位联合计划局（JPO）主导进行研究。经过数十年的研究和试验，1989年正式开始发射GPS工作卫星，1994年，第24颗（也是最后一颗）工作卫星的发射，标志着GPS卫星星座组网的完成，从此GPS正式投入使用。由于美国

5、国防部的背景，GPS系统最初被设计为军用。1983年，时任美国总统的里根做出指示，当GPS的研究与应用成熟后，。然而，在GPS投入使用后，对民间应用仍有诸多限制，仅有军用接收机可以享受到高质量的信号（精度可达20m），供民用的信号质量被故意降低（精度约300m）。2000年5月1日，美国总统比尔.克林顿命令取消GPS系统的这种区别对待，从此民用GPS信号也可以达到20m的精度，极大地拓展了GPS在民用工业方面的应用。由于GPS在军事及民用方面的应用效果显著，为了避免战时受制于人，其他的国家也陆续展开了卫星导航系统的研究与部署。俄罗斯的GLONASS，中国的北斗，欧盟的伽利略。我国的北斗二号将实

6、现全球信号覆盖。GPS系统由以下三大部分组成。1）宇宙空间部分：GPS系统的宇宙空间部分由24颗工作卫星构成，最初的设计将24颗卫星均匀分布到3个轨道平面上，每个平面8颗卫星，但之后改为采用6轨道平面，每个平面4颗卫星的设计。GPS的卫星布局保证在地表绝大多数位置，任一时刻都有至少6颗卫星在视线之内，可以进行定位。2）地面监控部分：GPS系统的地面监控部分包括1个位于美国科罗拉多州Schriever空军基地的主控中心（Master Control Station，MCS），4个专用的地面天线，以及6个专用的监视站。此外还有一个紧急状况下备用的主控中心，位于马里兰州盖茨堡。3）用户设备部分：要使

7、用GPS系统，用户端必须具备一个GPS专用接收机。接收机通常包括一个和卫星通信的专用天线，用于位置计算的处理器，以及一个高精度的时钟。随着技术的发展，GPS接收机变得越来越小型和廉价，已经可以集成到大多数日用电子设备中，目前配备有GPS接收机的手机已不在少数。GPS定位的基本运作原理很简单，首先测得接收机与三个GPS卫星之间的距离，然后通过三点定位方式确定接收机的位置。了解了三点定位的原理之后，问题只剩下一个：如何测得接收机与GPS卫星间的距离？每一颗GPS工作卫星都在不断地向外发送信息，每条信息中都包含有信息发出的时刻，以及卫星在该时刻的坐标。接收机会接收这些信息，同时根据自己的时钟记录下接

8、收到信息的时刻。这样，用接收到信息的时刻，减去信息发出的时刻，就得到信息在空间中传播所用的时间。将这个时间乘上信息传播的速度（信息通过电磁波传递，其速度等于光速），就得到了接收机到信息发出时的卫星坐标之间的距离。根据GPS的工作原理，可以看出时钟的精确度对定位的精度有着极大的影响。目前GPS工作卫星上搭载的是铯原子钟，精度极高，140万年才出现1秒的误差。然而，由于成本受限，接收机上面的时钟不可能拥有和星载时钟同样的精度，而即使是微小的计时误差，乘上光速之后也会变得不容忽视。因此，尽管理论上三颗卫星就已足够进行定位，但是实际上GPS定位需要借助至少四颗卫星。换句话说，所处的位置必须至少能接收到

9、四颗卫星的信号，方可以应用GPS来进行定位。这极大地制约了GPS的适用范围，当处于室内环境时，由于电磁遮蔽的效应，往往难以接收到GPS的信号，因此GPS这种定位方式主要在室外场景施展拳脚。其中最为典型的应用就是汽车导航。随着人类社会的发展，城市变得越来越大，交通系统也变得越来越复杂。随着感知技术和智能技术的不断发展，汽车导航系统也在不断进化。最早期的汽车导航系统，仅仅能通过卫星定位找出当前位置，并显示当前区域的地图，到了互联网时代，汽车导航系统又进一步进化，可以通过移动电话的GSM网络与交通管理部门的服务器取得联系，获取最新的路况资讯，从而指导路线的选择。譬如通过网络得知某路段正在施工，或者正

10、在堵车，那么在规划路线的时候，计算机就会自动避开该路段，使得路线更加优化。到了物联网时代，汽车导航技术又会有什么进化呢？物联网的一大特点是感知更加透彻，除了道路状况，还可以感知各种各样的要素污染指数、紫外线强度、天气状况、附近的加油站同时还可以更深入地感知驾驶员的状况健康状况、驾驶水平、出行目的路线的选择不再是“最快速到达目的地”，而是“最适合驾驶员，最适合这次出行”。4.2.2 蜂窝基站定位蜂窝基站定位蜂窝基站定位主要应用于移动通信中广泛采用的蜂窝网络，目前大部分的GSM、CDMA、3G等通信网络均采用了蜂窝网络架构。蜂窝网络基于一个数学猜想：在各种各样的图形中，正六边形可以使用最少的顶点覆

11、盖最大的面积，而蜂窝的名字也正是由此而来。在通信网络中，通信区域被划分成一个个蜂窝小区，通常每个小区有一个对应的基站。以GSM网络为例，当移动设备要进行通信时，先连接所在蜂窝小区的基站，然后通过该基站接入GSM网络进行通信。换言之，在进行移动通信时，移动设备始终是和一个蜂窝基站联系起来的，蜂窝基站定位就是利用这些基站来定位移动设备的。最简单的定位方法是COO定位（Cell of Origin），它是一种单基站定位方法。这种方法非常原始，就是用移动设备所属基站的坐标视为移动设备的坐标。可想而知，这种定位方法的精度很低，其精度直接取决于基站覆盖的范围。如果基站覆盖范围半径为50m，那么其误差最大就

12、是50m。在一些基站分布十分疏松的区域，一个基站覆盖的范围，半径可达几千米，这个误差就相当大了。这种定位方法唯一的优势在于速度，通常只需要23秒时间就可以完成定位。只使用一个基站测得的数据，是很难得到目标精确的位置的。要想要准确地定位，需要更全面的测量。利用多个基站同时测量可以做到这一点。多基站定位方法中，最常用的是ToA/TDoA定位。ToA(Time of Arrival)基站定位法很像之前介绍过的GPS定位方法，不同之处在于把卫星换成了基站。这种计算方法对时钟同步精度要求很高，而基站时钟精度自然远远比不上GPS卫星的水平；此外多径效应也会对测量结果产生误差。实际中，人们用得更多的是TDo

13、A(Time Difference of Arrival)定位法，不是直接用信号的发送和到达时间来求位置，而是用信号到达不同基站的时间差来建立方程组求解位置，通过时间差抵消掉了一大部分时钟不同步带来的误差。这两种方法在第4.3节将会进行详细的介绍，这里暂时先不深入细节。ToA和TDoA测量法都至少需要三个基站才能进行定位，如果人们所在的区域基站分布比较稀疏，周围能收到信号的基站只有两个，情况就比较尴尬了。在这种情况下，可以使用AoA(Angle of Arrival)定位法。如图4.1所示。只要知道了定位目标与两个基站间连线的方位，就可以利用两条射线的交点确定出目标的位置。然而，要测量目标到基

14、站间连线的方向可不是一件简单的事情，需要配备价格不菲的方向性强的天线阵列。除此之外，还有利用信号强度的定位方法（RSS定位），在4.3节将会详细介绍，这里迫于篇幅不再赘述。蜂窝基站定位法的一个典型应用是紧急电话定位。4.2.3 无线室内环境定位无线室内环境定位在无线通信领域，室内和室外的环境可以说有着天壤之别。往往一个在室外环境中很简单就能解决的问题，到室内环境中就变成了一个棘手的世界级难题。定位也是一样，在室外露天环境，只需要用GPS就可以得到很高的定位精度了，用基站定位也不赖。可是到了室内环境中，GPS由于信号受到遮蔽，变得很难使用，而基站定位的信号受到多径效应的影响，定位效果也会大打折扣

15、。多径效应可以说是无线通信领域中的室内杀手。其产生是由于波的反射和叠加原理。电磁波是向四面八方发射出去的，除了沿一条直线传递到接收端以外，还有可能存在别的路径到达接收端。譬如电磁波沿某方向传播，遇到了一堵墙，就会在墙面产生反射，而反射的电磁波就有可能到达接收端。这下接收端就收到了两列电磁波，这两列波叠加在一起，信号发生了混叠，就使信号的强弱发生了变化，甚至产生了变形。室外环境通常比较空旷，能反射电磁波的物体少，多径效应不明显。而室内环境障碍物众多，这些障碍物都可以反射电磁波，因此多径效应在室内变得非常显著。室内环境的众多障碍物带来的另一个问题就是对电磁波信号的阻碍作用。电磁波的波长决定了电磁波

16、的传播距离和穿透障碍能力，而这连个能力可以说是势同水火，注定了鱼和熊掌不可兼得。简单来说，电磁波的波长越长，波的传播距离也就越长，但是它的穿透能力也越弱；反过来，波长越短，传输距离也越短，但是穿透能力却变强了。GPS信号需要进行长途跋涉，从卫星到达地面，因此GPS使用的是长波信号，其穿透能力很弱。而在室内环境中，为了应付障碍众多的情况，应该选用短波信号来进行通信。也是因为这个原因，室内环境的定位，同样应该采用短波。ToA、TDoA、AoA等定位技术都需要专门的硬件支持，而这些硬件往往造价不菲，对于普通企业和个人显得不值得了。现存大多数室内定位系统都基于信号强度（Received Signal

17、Strength或者Radio Signal Strength，RSS），其优点在于不需要专门的定位设备，可以就地取材，利用已有的架设好的网络（如蓝牙网络、WiFi网络、ZigBee传感网等）来进行定位，经济实惠。目前室内环境进行短途定位的方法有很多种，包括传统的红外线定位、超声波定位，以及新兴的蓝牙定位、射频识别定位、超宽带定位、ZigBee定位等。其中射频识别的定位技术，由于其性价比很高，而且射频标签便携易用，在实际中有着很广泛的应用前景。利用RFID标签，人们几乎可以对一切物体进行定位。从而可以使用RFID进行资产管理。4.2.4 新兴定位系统新兴定位系统除了上面介绍的几种相对较为成熟的

18、定位系统外，近来随着技术的发展，又诞生了很多新的定位系统。这里介绍其中具有代表性的两个定位系统：A-GPS系统和无线AP定位。A-GPS(Assisted Global Positioning System)意为辅助GPS定位，这种定位方法可以看作是GPS定位和蜂窝基站定位的结合体。前面多次提到，GPS定位的速度相对较慢，初次定位时，往往需要用好几分钟来搜索当前可用的卫星信号。而基站定位虽然速度快，但是其精度又不如GPS高。A-GPS可以说是取长补短，利用基站定位法，快速确定当前所处的大致范围，然后利用基站连入网络，通过网络服务器查询到当前位置上方可见的卫星，极大地缩短了搜索卫星的速度。在知道

19、哪些卫星可用之后，只需要利用这几颗卫星进行GPS定位，就可以得到非常精确的结果。使用A-GPS定位，全过程只需要数十秒，而又可以享受到GPS的定位精度，可以说是两全其美。目前在很多手机中都采用了A-GPS定位技术。无线AP(Access Point, 接入点)定位是一种WiFi定位技术，它与蜂窝基站的COO定位技术类似，通过WiFi接入点来确定目标的位置。随着WiFi的普及，城市中的无线接入点正变得越来越多，在美国的大城市中，同时收到35个无线接入点信号的情况很常见，而随着我国无线互联网的不断发展，AP数量也会越来越多。每个AP都在不断向外广播信息，以方便各种WiFi设备寻找接入点，而信息中就

20、包含有自己的MAC地址。一般来说，一个无线AP的MAC地址可以看做是全球唯一的。因此，如果用一个数据库记录下全世界所有无线AP的MAC地址，以及该AP所在的位置，那么就可以通过查询数据库来得到附近AP的位置，再通过信号强度来估算出较精确的位置。实际中，这个技术也可以和GPS结合使用（也就是上面提到的A-GPS定位的一种方式）。目前，Skyhook公司已经建立了一个这样的庞大数据库，而iPhone就是采用了这种技术，在有GPS信号的时候，用AP定位辅助GPS来提高定位速度，而在没有GPS的时候，通过AP定位来得到一个不太准确的结果。近年来，随着传感网、无线网状网络等无线自组织网络的兴起，网络定位

21、应运而生。和传统的基站定位相比，网络定位适用于无中心的网络结构，利用网络节点间距离、方向、相对位置等地理信息，计算节点的地理位置。在网络定位模式中，少量节点的位置已知，其余未知位置节点测量相对于已知位置节点的地理信息并计算自身的位置。获得位置后，节点将自己的身份由未知位置节点转变为已知位置节点，并进一步参与到定位其他未知位置节点的过程中。网络定位如今已发展成一个相对完整的学科方向，有兴趣的读者可以参考其他文献资料，了解更深入的内容。4.3 定位技术其实各种定位技术虽然五花八门，但其中的根本原理都是共同的。要对一个物体做出定位，关键有二：其一是必须要有一个或多个已知坐标的参考点，其二是必须要得到

22、待定位物体与已知参考点的空间关系。除了前面多次应用的“距离”这一空间关系，角度、区域也可以作为定位的参考，甚至在网络中，节点之间的跳数也可以作为参考。受篇幅所限，这里主要介绍几种通过测量距离关系定位的技术。这几种定位技术都可以归纳为两个步骤：第一步，测量物理量；第二步，根据测量出的物理量确定目标的位置。4.3.1 基于距离的定位基于距离的定位1. 距离测量方法距离测量方法ToA(Time of Arrival)。然而接下来有一个问题，人们可以记录下接收到参考点发来的波的时刻，可是怎么知道波发出的时刻呢？在GPS中，发出时刻t0是记录在数据包中的。除此之外，还有好几种巧妙的方法可以解决这个问题，

23、而不需要进行数据编码。这里介绍其中的两种方法。第一种方法是利用两个速度不同的波，大多数情况下，选用电磁波和声波。由于电磁波在空气中的传播速度远大于声波的速度，分数项的分母近似于vr，因此上式可以简化为：假如发送端可以同步发送电磁波和声波，那么t为0，上式可以进一步简化为：d=vs(ts-tr)第二种方法则是通过测量波的往返时间来得到距离。假设要测量与某个参考点的距离，首先向该参考点发出一道波，记发出的时刻为t0。当参考点接收到发出的波，它会首先等待一段时间t(同样，t是一个事先约定好的常量)，然后再返回一道同样的波。记录下收到回复波的时间t。现在，根据记录的两个时间t0和t，可以算出波往返的时

24、间为t-t0，而波在两点间单程传播所用的时间就是t=(t-t0-t)/2根据波速v，就可以算出两点间距离为：d=vt=v(t-t0-t)/22. 位置计算方法位置计算方法在测得一组距离之后，可以采用多边测量（也称多点测量，multilateration）的方法来计算出目标的位置。前面介绍GPS提到过的三点测量法（trilateration）是多点测量法的一个特例，以平面测量为例，取3个参考点作为圆心，测出目标到每个圆心的距离。以这些距离为半径，可以画出3个圆，这3个圆在平面上相交为一点，就是目标的位置，如图4.2所示。实际中，由于测量距离或多多少都会带有误差，往往取用多个参考点，测得多个距离，

25、通过最小二乘法来减少误差。图4.2 三边定位4.3.2 基于距离差的定位基于距离差的定位ToA测量法有一个问题，就是保证测量的精度，必须将测量目标和参考点的时钟进行同步。而在实际应用中，这是十分苦难的事。要进行定位的设备可能千差万别，要将它们的时钟一一同步起来简直难于上青天。与ToA不同，TDoA(Time Difference of Arrival)是一种基于距离差的测量方法，它最大的优点在于不需要进行测量目标与参考点之间的时钟同步，只需要所有参考点之间保持时钟同步即可。由于参考点是事先布置好的，完全可以在布置的时候保证它们的时钟同步性，难度远低于动态地同步测量目标与参考点。1. 距离差的测

26、量方法距离差的测量方法要测量距离差，测量目标首先广播一个信号，参考点将会接收这个信号，并记录接收到的时刻。假设有两个参考点i和j，它们接收到信号的时刻分别是ti和tj，对应的TDoA值为tij=ti-tj。通过这个值可以算出测量目标到这两个参考点的距离差dij。假设信号发出的时刻为t0，信号传播速度为v，则：dij=di-dj=v(ti-t0)-v(tj-t0)=v(ti-tj)可以注意到，从最后结果中消去了t0，这意味着并不需要保证发送端和接收端的时钟同步（也就是确保t0和ti是同一个时钟下记录的时间），只需要接收端的时钟保持同步即可。2. 位置计算方法位置计算方法接下来的问题是，如何利用测

27、量出来的距离差来计算出目标的位置呢？相对于ToA测量法，距离差测量法并不是那么直观。在ToA中，每组测量结果包括一个参考点坐标(x0,y0)和到这个参考点的距离d，可以将目标锁定在一个圆上面，方程为：在TDoA中，情况要稍微复杂点。每组测量结果包含两个参考点(xi, yi)和(xj, yj)，以及到这两个参考点的距离差dij，锁定目标的方程为：这是一个双曲线方程，双曲线的焦点就是这两个参考点。（上面说的都是二维平面上的情况，如果是三维平面中，则对应的是一个双曲面。简单起见，这里的讨论都在平面上进行）。因此，要在平面上唯一确定目标的坐标，至少需要两组测量结果，三个参考点，如图4.3所示。实际中，

28、使用多组测量结果，通过最小二乘法来减少误差。图4.3 三参考点定位4.3.3 基于信号特征的定位基于信号特征的定位前面介绍的两种方法都有一个共同的不足之处：它们都需要在设备上安装特殊的装置（定位信号发射、接收装置）才能对这个设备进行定位。这无形之中制约了这些定位方法的应用范围。例如在RFID标签上面，就很难再额外增加一个定位专用的模块，而且增加定位模块会增加设备成本。换个角度想，接入物联网的移动设备，绝大多数都可以用射频信号进行无线的通信，如果可以直接利用这些无线通信的射频信号来进行定位，那就不需要再额外安装定位专用硬件了。这就是基于信号特征的定位。利用信号特征定位基于这样一个事实：射频信号在

29、传播过程中，其信号强度（RSS）会不断衰减。也就是说，离信号发射源越近的地方，接收到信号的强度越高，而离发射源越远，信号强度就越弱。根据Friis方程，在与发送源距离d的地方接受到的信号功率为：其中，Pt为发送端的功率，Gt和Gr分别为发送端和接收端天线的增益，为信号载波的波长。看起来，通过测量接收到的信号功率，就可以根据这个式子计算出到发送端的距离了。可惜的是，这个方程过于理想。实际中的情况不完全是这样。现实世界中，射频信号会受到很多因素的干扰，如噪音、阴影效应、多径效应等。特别是在室内环境中，如果光凭这个方程来计算目标的位置，计算出来的结果可能和真实位置相距甚远。有鉴于此，在室内环境使用信

30、号强度来进行定位时，并不直接利用它来进行位置的计算，而是将信号强度看做一个“特征”。假设在一片区域布置了N个参考节点，这些节点在向外发送信号。当要定位时，可以测出这N种信号的强度，得到一个N维的特征向量，这个特征向量被称为RSS指纹。由于RSS在区域中的分布相对稳定，可以事先测量出区域中每一个位置的RSS特征向量，做成一幅RSS特征地图。将RSS指纹在RSS特征地图中进行比对，就可以找出目标所在的位置。然而这种按图索骥的办法有两个缺陷：其一，这个办法需要事先建立特征地图，特征地图的精细程度直接决定了最后进行比对得出位置的精度，因此要获得高精度的结果，事先要进行大量的现场测量工作。其二，如果区域

31、中的RSS特征并不是一成不变，而是动态变化的，那么很可能之前测好的地图，过一段时间之后就变得和现实相距甚远，不能直接使用了。于是，若想获得实时精确的定位结果，需要频繁地更新地图，这个工作量不容小觑。遗憾的是，现实中的无线通信环境，往往就是高度动态的。既然无法以静制动，那就只有用动态对付动态了。下面介绍一种基于信号特征的动态定位方法LANDMARC。LANDMARC使用了RFID技术，在测量区域内布置一系列的RFID标签作为“地标”，再辅以少量的阅读器。此外，测量目标也携带有RFID标签（譬如在衣服上贴上RFID标签，就可以对穿衣服的人进行定位了）。图4.4所示为一个LANDMARC布局的例子，途中的白色小正方形表示事先设置好的参考标签，而灰色长方形表示RFID阅读器，而黑色的小圆点表示一个个贴了RFID标签的定位目标。这个布局应能保证每一个参考标签都能和阅读器进行通信。阅读器不断地向外发出射频信号。定位目标携带的RFID标签接收这些信号，并测得其信号强度，这样就得到了一个RSS特征向量S=(S1,S2,Sn)，其中Si表示第i个阅读器信号对应的强度。而对于每个参考点来说，也会分别测出其所在位置的RSS特征向量=(1,2,n)。接下来，为了计算目标的位置，首先定义目标和参考点j