室内定位学习教案

1、室内室内(sh ni)定位定位第一页，共29页。是什么(shn me)？01定位(dngwi)算法02定位(dngwi)技术03应用&进展04Indoor Location第1页/共29页第二页，共29页。1室内定位(dngwi)是什么？PART ONE将室内定位与传统(chuntng)的GPS定位进行对比，清楚室内定位的必要性.第2页/共29页第三页，共29页。GPS定位定位(dngwi)室内(sh ni)定位与（GPS）定位对比(dub)1：两者之间的关联室内定位室内定位常用于室外定位发展成熟用于环境复杂的室内成长阶段环境因素社会需求第3页/共29页第四页，共29页。室内(sh ni)定位

2、与（GPS）定位对比(dub)2：两者之间的差异GPS定位常用于较为宽广的室外，由于卫星信号不受遮挡(zhdng)，定位精度较高，应用较广。最常见应用于：汽车、船只、飞机等的导航等等。汽车GPS导航时，行驶于马路中央、上方无遮蔽物GPS定位依靠卫星位置，以及所在点与卫星的距离，这两者提供我们所需要的位置以及导航室内定位人有很多活动都是在室内进行的，商场购物，车站乘车等等，光靠指示牌信息获得有用的信息，比较困难，室内定位更形象地告诉你所在的位置以及周围环境人进行定位时，常处于环境较为复杂的街道上，高楼内等，GPS卫星信号往往被遮挡，室内定位由此被重视。射频识别技术 （ RFID）、超宽带技术 (

3、UWB)、 无线局域网技术 (WLAN)、 蓝牙技术 (Bluetooth)、 红外技术 (Infrared Technology) 等123需求不同需求不同环境限制环境限制定位技术定位技术第4页/共29页第五页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION ）重要性INDOOR LOCATION室内(sh ni)定位？找不到？找不到(b do)大型商场内（写字楼、体育馆、车站），找不到洗手间，一家小店铺，外卖送餐员，甚至走失的孩子？管理？管理监狱犯罪人员的管理，防止越狱、电子点名；矿井人员管理，日常管理、监控入井人数，防止人员进入危险区域，及时发现未升井人员，防范意外发生

4、，？怎么做？怎么做大型建筑物内部突发紧急状况（比如火灾），怎么选择正确合理的路线逃生游戏！游戏！捉迷藏JUST A JOKE.第5页/共29页第六页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION ）定义(dngy)室内定位，顾名思义室内定位，顾名思义(g mng s y)，在室内采用，在室内采用RFID、UWB、Wi-Fi 等多种技等多种技术，利用指纹模型、传播模型，解算坐标，获得位置服务的一种定位。术，利用指纹模型、传播模型，解算坐标，获得位置服务的一种定位。第6页/共29页第七页，共29页。2室内定位采用的几种(j zhn)解算坐标方法PART TWO第7页/共29页第

5、八页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）原理(yunl)到达到达(dod)时间法时间法（TOA）待定位节点与三个已知信标节点坐标，及其之间的距离（绝对时间*速度），可求出待定位节点的坐标。到达信号角度（到达信号角度（AOA）待定位节点向信标节点发射信号，通过信标节点测定信号到达的角度，解算出待定位节点的坐标。到达时间差法（到达时间差法（TDOA）1.根据节点同时发射两种不同传播速度的信号到接收节点，时间差计算出距离，再利用三圆相交计算节点坐标；2.待定位点在双曲线上.到达信号强度（到达信号强度（RSSI）通过检测信号接收端接收功率，通过传播损耗模型，计算节点间的

6、距离，用三边定位方法，解出坐标。室内定位原理利用信标节点间信号的到达时间、到达时间差、到达信号角度、和到达信号强度信息确定位置坐标的方法。第8页/共29页第九页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）TOA（Time of Arrival）T TOAOATime of Arrival到达时间法（ TOA，Time of Arrival）定位的原理是：测量待定位节点 (x 0,y 0)与已知至少3个信标节点(x i ,y i )之间的信号到达时间t i ，再乘以信号速度v ，计算出待定位节点与各信标节点之间的距离R i ，分别以信标节点(x i ,y i )为圆心(y

7、unxn)， R i 为半径做圆，各圆的交点为待定位节点(x 0,y 0)的坐标。TOA定位(dngwi)方法缺点：时钟同步误差和测量误差。如果信标节点与待定位节点无法做到精确的时钟同步，则所测得的信号到达时间会有时间误差，导致R i 存在偏差，使三个圆无法交汇，或交汇处不是一点而是一片区域，造成定位误差。时钟同步：把分布在各地的时钟对准（同步起来）第9页/共29页第十页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）TDOA（ Time Difference of Arrival）TDOA方式方式(fngsh)一一发射节点同时发射两种不同(b tn)传播速度的无线信号，接

8、收节点根据已知的这两种信号的传播速度以及两种信号的到达时间差，计算待定位节点和信标节点之间的距离，通过计算待定位节点和至少3个信标节点之间的距离，用三圆相交法确定待定节点的坐标位置。方式二方式二由待定位节点(x 0,y 0)向两个信标节点(x 1,y 1)、(x 2,y 2)同时发射信号，由于待定位节点与两个信标节点之间的距离不同，通过已知信号的传播速度v 和两个信标节点接收到信号时间差t 相乘，可确定待定位节点在以两个信标节点为焦点、距离差为vt的双曲线上。通过测量至少三个信标节点之间的信号到达时间差，构成一组关于待定位节点坐标的双曲线方程组，求解该双曲线方程组可得到移动台的估计位置。第10

9、页/共29页第十一页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）AOA（Angle of Arrival）到达角度法定位(dngwi)原理：待定位(dngwi)节点向信标节点发射信号，通过信标节点测定信号到达的角度，解算出待定位(dngwi)节点的坐标。在二维空间中，测得两个信号到达信标节点的到达角度A O A ， 信 标 节 点 根 据 各 测 得 的 A O A 直 线 方 向 取 其 交点，解出待定位(dngwi)节点的坐标求 解 方 程 组,得 到 待定 位 节 点 位置 (x 0,y 0) 。AOA法定位精度受天线测角精度影响，增加(zngji)信标节点布点密

10、度或使用天线阵列可提高定位精度。第11页/共29页第十二页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）RSSI（Received Signal Strength Indication）求 解 方 程 组,得 到 待定 位 节 点 位置 (x 0,y 0) 。AOA法定位精度受天线测角精度影响，增加信标节点布点密度或使用(shyng)天线阵列可提高定位精度。信号(xnho)强度法（RSSI，Received Signal Strength Indication）定位原理：通过检测信号(xnho)接收端接收功率P t ，通过传播损耗模型，计算节点间的距离d ，根据三边定位方

11、法，解出信标节点的位置坐标。室内信号(xnho)传播具有复杂性，不能用理想传播模型计算出精确的距离。因此，系统设计经常使用以下简化路径损耗模型：P t：为发射信号功率 K ：依赖于天线特性和平均信道损耗的常系数 d 0：天线远场的参考距离 ：为路径损耗指数第12页/共29页第十三页，共29页。3室内定位(dngwi)的常用定位(dngwi)技术PART THREE红外线室内定位技术、超声波定位技术、蓝牙技术、射频(sh pn)识别技术、超宽带技术、Wi-Fi技术、ZigBee技术第13页/共29页第十四页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）几种(j zhn)技术

12、.红外线室内红外线室内(sh ni)定位定位第一种是被定位目标使用红外线IR标识作为移动点，发射调制的红外射线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位；第二种是通过多对发射器和接收器织红外线网覆盖待测空间，直接对运动目标进行定位。超声波定位技术超声波定位技术超声波室内定位系统，由待定位接收机和已知位置信标节点组成。利用超声波和射频信号的TDOA测量两点间距离，再用三边定位方法计算节点位置。蓝牙技术蓝牙技术利用在室内安装的若干个蓝牙局域网接入点，把网络维持成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备，然后通过测量信号强度对新加入的盲节点进行三角

13、定位。.射频识别技术射频识别技术基于RFID的室内定位系统采用基于信号强度分析法，检测待定位标签和读卡器之间的信号强度，再由已知标签和读卡器之间的信号强度，解算待定位标签的位置。第14页/共29页第十五页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）几种(j zhn)技术超宽带技术超宽带技术(jsh) UWB（Ultra-Wide-Band）超宽带定位技术是一种全新的、与传统通信定位技术有极大差异的新技术。它利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯，并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。ZigBee技术技术ZigBee室内定位技术通过若干

14、个待定位的盲节点和一个已知位置的参考节点与网关之间形成组网，每个微小的盲节点之间相互协调通信以实现全部定位。Wi-Fi技术技术Wi-Fi定位技术有两种，一是通过移动设备和三个无线网络接入点的无线信号强度，通过差分算法，对人和车辆的进行三角定位。另一种是事先记录巨量的确定位置点的信号强度，通过用新加入的设备的信号强度对比拥有巨量数据的数据库，来确定位置（”指纹”定位)第15页/共29页第十六页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）红外线室内(sh ni)定位技术红外线室内红外线室内(sh ni)定位定位第一种是被定位目标使用红外线IR标识作为移动点，发射调制的红外射

15、线，通过安装在室内的光学传感器接收进行定位；第二种是通过多对发射器和接收器织红外线网覆盖待测空间，直接对运动目标进行定位。方式二：第16页/共29页第十七页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）超声波定位(dngwi)技术超声波定位超声波定位(dngwi)技术技术超声波室内定位系统，由待定位接收机和已知位置信标节点组成。利用超声波和射频信号的TDOA测量两点间距离，再用三边定位方法计算节点位置。第17页/共29页第十八页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）射频识别(shbi)技术（Radio Frequency Identifica

16、tion）射频识别技术射频识别技术基于RFID的室内定位系统采用基于信号强度分析法，检测待定位标签和读卡器之间的信号强度，再由已知标签和读卡器之间的信号强度，解算待定位标签的位置。系统采用已知位置的参考标签作为定位系统的参考点。系统还包括一个由读卡器和参考标签组成的传感器网络和用于用户设备与Internet间通信的无线网络。定位的结果通过API在监视界面上显示。其 中 ， 读 卡 器 的 工 作 范 围 是 4 0 米 ， 如 果 增 加 天线，覆盖范围可达300米。当待定位标签处于检测范围内，读卡器读取待定位标签和参考标签的识别码信息和信号强度信息。通过信号强度与距离的关系，采用某种算法确

17、定 待 定 位 标 签 位 置。第18页/共29页第十九页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）几种(j zhn)技术（UWB（Ultra-Wide-Band）超宽带技术超宽带技术(jsh) UWB（Ultra-Wide-Band）超宽带定位技术是一种全新的、与传统通信定位技术有极大差异的新技术。它利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯，并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。UWB超宽带技术是一种不用载波，而利用纳秒至皮秒级的非非正弦波窄正弦波窄脉冲脉冲传输数据的无线通信技术。与Bluetooth和WLAN等带宽相对较窄的传统无

18、线 通 信 技 术 不 同 ， UWB在 超 宽 频 带 上 发 送 一 系 列 非常窄的低功率脉冲，数据速率可达数十到数百Mbps。U采 用 T D O A 和 A O A 混 合 定 位方法进行高精度定位。一个UWB室内定位系统包括三个部分：（1）活动标签：该标签由电池供电工作，且带有数据存储器，能够发射带识别码的UWB信号进行定位；（2）传感器：作为位置固定的信标节点接收并计算从标签发射出来的信号；（3）软件平台：能够获取、分析所有位置信息并传输信息给用户。标签发射UWB脉冲信号，天线阵列根据信号到达的时间差和到达角度计算出标签的精确位置。传感器按照蜂窝单元组织形式布置。每个定位单元中，

19、主传感器配合其他传感器工标签进行通信。传感器通过以太网或无线局域网将标签位置发送到定位引擎。定位引擎对数据进行整合，在定位软件平台上实现可视化处理。每个传感器独立测定UWB信号到达方向角AOA；而到达时间差TDOA则由一对传感器测定。目前，单个传感器就能较为准确地测得标签位置，两个传感器能 够 测 出 精 准 的 3 D 位 置 信 息 。 Ubisense 7000Zebra的Dart UWB传感器第19页/共29页第二十页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）计算(j sun)模型传播(chunb)模型指纹模型依靠分析信号传播过程中的特性来推算传播距离。常用的

20、特性包括: SSI ，AOA，TOA。由于所有参数难以在同一模型内考虑，所以精度有限。另外，SSI 的数值不是常数， 由于很多原因会导致SSI 值不同。传播模型得益于已知无线电信号的传播和 AP 接入点的位置。但不能很好地处理信号的不确定性。指纹模型， 运用模式匹配的技术， 根据所在位置的测量值跟已经观测到的所有位置的测量值作比较， 然后根据匹配情况确定位置。可以将信号的不确定性考虑在内。主要缺点是需要大量的工作量去给一个给定的环境建立定位模型并进行校准。而且环境改变之后，之前建立的模型将不再适用，需要修改。WiFi 室内定位技术需要多个 WiFi 接入点。第一步是构建指纹地图，按照 指纹，地

21、点 的形式在不同位置收集数据， 并写入指纹地图的数据库。其中指纹可以包括信号强度、 方向以及接入点的 MAC 地址等信息。第二步是定位， 被测物体上安装 WiFi 信号接收器，在某一位置接收到信号之后，用当前位置的指纹信息到指纹地图库中匹配，即可得出所在位置WIFI技术第20页/共29页第二十一页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）技术(jsh)对比技术名称技术名称精确度精确度穿透性穿透性抗干扰性抗干扰性布局复杂程度布局复杂程度成本成本红外线室内定位超声波定位射频识别定位蓝牙Wi-FiZigBeeUWB第21页/共29页第二十二页，共29页。4室内(sh ni)

22、定位的应用&进展PART THREE第22页/共29页第二十三页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）应用(yngyng)个人个人(grn)导航导航个人行迹个人行迹记录记录推推送和顾客送和顾客商业行为分析商业行为分析位置感知位置感知服务服务Personal Data Collection and Tracking.Context-aware Service.Commercial Behavior AnalysisPedestrian Navigation.室内室内外环境外环境下的无缝下的无缝导航定位导航定位服务服务Ubiquitous Positioning an

23、d Navigation机构的实机构的实时定位系统时定位系统Real Time Location System第23页/共29页第二十四页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）应用(yngyng)010203。有效区分、识别、跟踪、定位和监控在押人员将每个在押人员的个人信息与他们的日常行为等动态紧密联系起来，充分发挥科技手段的作用，才能有效减少和杜绝监狱场所越狱(yu y)脱逃、监内暴力、罪犯自伤自残等事件的发生，真正实现监狱管理科技信息化监狱管理监狱管理实时监控病员，预防意外的事故发生医疗监管医疗监管矿井工作矿井工作更多。能够进行实时监控（遏制超定员生产、防止人

24、员进入危险区域等）、日常管理（考勤管理、持证上岗管理等）、应急救援第24页/共29页第二十五页，共29页。室内(sh ni)定位（INDOOR LOCATION）应用(yngyng) 防狱内越狱 通过在围墙边界处架设有效的红外对射装置，结合智能视频监控系统以及 UWB 精确定位系统，有效防止监狱集中区脱逃事件的发生。首先在围墙边界架设多个红外对射装置，并在每个装置附近都安装智能监控，且 UWB 定位系统覆盖(fgi)整个区域。当服刑人员触碰阻挡红外发射时立即产生报警，系统自动切换智能视频到该报警处，实现实时拍摄记录现场违规行为。并结合服刑人员所佩戴的防拆腕带标签，实现 UWB 精确定位，系统提供精度高达 15CM 的 3D 现在效果图，从而判断在场人数及位置。通过设定围栏周界，有效防止越狱发生。主动红外入侵探测器由主动红外发射机和主动红外接收机组成，当发射机与接收机之间的红外光束被完全遮断或按给定百分比遮断时能产生报警状态的装置。第25页/共29页第二十六页，共29页。室内(sh ni)定位