物联网导论(第11章物联网定位技术)剖析

1、第11章 物联网定位技术 通过本章的学习，掌握GPS、移动蜂窝测量技术、WLAN、短距离无线测量、WSN这些物联网中常用的定位技术的基本原理，主要参数和应用场合。本章学习目标本章学习目标 物联网定位技术 GPS的组成 C/A码、P码与Y码 GPS定位、测速和授时 细微特征匹配 指纹室内定位技术本章知识点本章知识点 所谓“物联网定位”，就是在所选定的坐标系中，确定“物”的坐标。所谓“物联网定位技术”就是采用某种测量和计算技术测量“物”在所选定坐标系中的坐标。对选定坐标系中“物”的定位，首先是测量其坐标系中的各维度的坐标，在实际应用中，我们所测量的空间是三维空间。因此，在定位测量中，一般需要测量“

2、物”的三个维度的坐标。 在物联网中常用的定位技术主要有GPS/北斗、移动蜂窝测量技术、WLAN、短距离无线测量、WSN、UWB（超宽带）等。本章我们主要介绍GPS、蜂窝定位、以及WLAN定位技术。11.1 概述概述主要定位技术特点对比主要定位技术特点对比GPS蜂窝WiFiUWBZigBee蓝牙RFID覆盖 可靠性 共存性 移动性 灵活性 成本 响应 精度 50 m20 m10 m3 m相对精度 能耗 应用室外3G/4G室内工业室内智能设备 物料管理11.2 GPS定位技术定位技术 GPS是Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positi

3、oning System的缩写ANVSTAR/GPS的简称。其含义是利用导航卫星进行定时和测距的全球定位系统。 GPS是一种全天候空基导航系统，用于精密定位、测速和提供精密时间，它可以看作一种卫星从空间已知位置发射信号，用户接收信号测定到达卫星距离的测距系统。 通过测量到四颗卫星的伪距，解定位方程，可求得用户在空间的三维位置坐标和时钟差四个未知数。11.2.1GPS的组成与应用的组成与应用 GPS由卫星部分、地面控制部分和用户设备组成。1 GPS组成组成 实际星座是由24颗卫星组成，均匀分布在6个倾角为55轨道面上，其中三颗为有源在轨备用卫星。GPS卫星由收发设备、操作系统和各种辅助设备、太阳

4、能电池等组成。 为了测量卫星至接收机的伪距，卫星发射三种伪随机码（简称伪码）信号，即C/A码、P码与Y码，它们分别调制在二个载频上发射。（1）空间卫星部分）空间卫星部分 C/A码粗测/捕获码，为民间用户提供标准定位服务(SPS)； P码精密码，为美国军方用户和特许的用户提供精密定位服务(PPS)。 P码是保密码，但P码的编码方式巳公开。为了严格限制非特许的用户使用P码，美国在1994年1月31日在卫星上实施了反电子欺骗A-S(Anti-Spooting)的技术措施，将P码进一步加密编译成Y码。Y码是P码与一个被称为W码的密码模二相加而成的。这样，倘若发射虚假的P码信号进行电子欺骗，使对方产生错

5、误定位，对方只要采用装有选择Y码附加芯片的P码接收机，不接收这种假信号，就可达到防止电子欺骗的目的。C/A码、码、P码与码与Y码码 控制部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成，它的任务是跟踪所有自卫星，进行卫星轨道参数和卫星钟钟差测定，并将预测轨道修正参数和各个卫星的钟差数据注入卫星，它还有控制卫星飞行姿态、控制SA的大小和接通与不接通A-S等功能。（2）控制部分）控制部分 GPS用户设备包括GPS接收机和传感器。它的种类繁多，例如按工作原理可分为伪距法、载波相位法、多普勒法相干涉法接收机，按用途可分为导航、测量、跟踪、授时等接收机。（3）用户设备）用户设备 （1）导航与车辆管理

6、：为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。为车辆进行管理监控， 配合智能交通提供实时道路信息。 （2）测绘与跟踪服务：为测绘人员提供精确的二维坐标。为人员和车辆提供航迹跟踪服务。另外，在军事和国防方面能为各种精确武器提供制导。2 GPS应用应用11.2.2轨道参数轨道参数 卫星运行的轨迹称为轨道，描述卫星空间轨道位置与状态的参数称为轨道参数。在GPS定位时，根据GPS卫星的轨道参数计算卫星在任一瞬间的位置，从而计算测点的位置。 根据开普勒定律，可以推导出用来计算卫星位置的轨道参数。如果只考虑地球对卫星的引力，井把地球当作理想球体，卫星在空间的位置可由以下6个轨道参数确定，如图7.2.1所示。

7、1 轨道参数轨道参数轨道参数示意轨道参数示意图图卫星yz春风点轨道赤道地心近地点升交点sVsiasbs （1）轨道倾角i （2）升交点赤径 （3）近地点角距 （4）轨道椭圆长半轴as （5）轨道椭圆偏心率es （6）真近点角Vs （7）卫星摄动轨道和摄动运行的轨道参数轨道参数轨道参数s 利用卫星定位必须首先计算卫星的位置，然后根据卫星所在位置和对卫星的观测量（在GPS中为伪距或相位）计算观测点的位置。GPS卫星通过发播电文向用户提供有关卫星轨道参数等信息，此类信息称为导航电文。卫星位置的计算就是以导航电文中给出的某些参数进行计算的。 在地球上任一点观测卫星，最直观方便的是知道卫星所在的瞬时位置

8、，即知道相对于观测者的方位和仰角（高度）。为此，必须将卫星的地心坐标转换到以观测点为中心的站心坐标系中。2 GPS卫星位置计算卫星位置计算11.2.3 GPS定位、测速和授时原理定位、测速和授时原理 GPS定位按照测量方法分为伪距测量法、多普勒测量法、载波相位测量法和干涉法四种，以下仅介绍伪距测量法。1 伪距测量定位伪距测量定位 测定卫星与用户之间的距离来确定用户位置的，称为卫星测距定位。用户接收机接收卫星信号，测定卫星至用户的传播时间，从而确定卫星至用户的距离，此种测距称为无源测距。距离和电波传播延迟时间的关系：c为光速；T为电波传播延迟时间；R为卫星到用户的距离。（1）卫星无源测距定位）卫

9、星无源测距定位 根据卫星信号所含的卫星星历信息，可以求得每颗卫星在发射时刻的位置，从而确定用户的位置在以卫星为球心、以R为半径的球面（球面位置面）上。用同样方法，测定至3颗卫星的距离，可以确定用户在空间的位置（三球面的交点）。若测点在地面上，则只要测定到2颗卫星的距离，就可确定测点所在位置。 卫星无源测距定位要确定用户至卫星的距离，就要测量卫星至用户的电波传播延迟时间，为此用户必须具有保持与卫星钟时间准确同步的本地钟原子钟。由于原子钟昂贵，比普通的GPS接收机高得多，因此对于一般用户来说配用原子钟是不现实的。无源测距只能用于地面站测控卫星或者其他特种用途的用户。 （1）单站法时间传递 （a）已

10、知用户位置 （b）未知用户位置 （2）共视法时间传递3 GPS授时原理授时原理7.2.4 GPS用户接收机用户接收机放大电路解调电路晶振电路时钟电路112信号通道微处理器显示/键盘通信接口电源天线天线部分接收单元电源与时钟图11.2.2 GPS接收机的组成结构图（1）通道数与跟踪方式CPS接收机要跟踪视界内的所有卫星，取得这些卫星的修正参数，要具有812个接收通道。目前生产的GPS接收机通常通道数在512个以内。（2）信号的载频和伪随机码普通的GPS导航型接收机接收f1载频信号，跟踪C/A码，进行伪距测量。这种接收机称为单频单码接收机；而高档的测量型和军用GPS接收机接收f1、f2二个载频，跟

11、踪C/A码、P码，或者跟踪C/A码、Y码及无码信号、称为双频双码接收机。每一类接收机都给出所采用的载频和伪随机码。（3）接收灵敏度卫星信号到达地面测点，随着用户观测卫星仰角的减小，大气吸收加强。为了对GPS卫星信号正常跟踪，要求接收机的灵敏度优于-130db。（4）精度主要指标为定位精度、测速精度、定时精度、首次定位时间、热启动时间、冷启动时间、再捕获时间等。另外还有工作条件、环境参数、天线要求等技术指标。2 GPS接收机的主要技术指标接收机的主要技术指标11.3 无线蜂窝定位无线蜂窝定位11.3.1蜂窝移动通信定位技术的体制蜂窝移动通信定位技术的体制 基于CDAM技术的三代及四代移动却更能实

12、现民用级的导航定位，因此，作为移动数据业务重要组成部分的定位业务日益成为人们关注的焦点，也日益成为各个通信运营商竞争的通信业务领域。 国内外，应用蜂窝移动通信技术进行定位已有较长的历史。1996年美国FCC制定了E911规范，要求所有的移动运营商必须以67%的概率提供优于125米精度的定位结果以保证紧急救援服务，这推动了蜂窝定位技术的研究和应用。从此以后基于无线电定位技术的位置服务在全球范围内开始发展壮大，此后日本、德国、法国、瑞典、芬兰等国家也纷纷推出各具特色的公众和商用位置服务。1 蜂窝移动定位技术的发展蜂窝移动定位技术的发展 根据蜂窝移动通信系统本身的特点，国内外的众多研究机构和学者提出

13、了多种解决方案，出现了许多新的基于蜂窝网络技术的定位方法，如表所示。2蜂窝移动通信定位技术的体制蜂窝移动通信定位技术的体制性能Cell-IDTDOAEOTDOTDOAGPSA-GPS定位精度低100m20km较高50150m中100500m中100500m高550m高550m鲁棒性差好一般一般一般很好三维支持否否否否是是响应时间快(1s内)快(10s内)快(10s内)快(10s内)慢(30s15m)一般(510s)漫游支持好好差差好好网络负载小小大大无小系统扩展好好中差好好空中接口好一般差差好好系统成本低中高高中低总体一般好较好一般一般很好 北美部分地区仍在采用AMPS(FDMA体制)和D-A

14、MPS(TDMA体制)系统，用户定位主要基于TOA和TDOA技术，通过在反向控制信道上的信息中增加训练序列，并使用高精度定时系统、高可靠性的锁相环和滤波器进行参数估计，能够获得误差小于50纳秒的TOA或TDOA参数，实现100米以内的定位精度。根据GSM系统所采用的TDMA接入方式和网络本身提供的时间提前(TA)参数，E-OTD和基于Cell-ID的定位技术成为GSM系统定位技术的主要候选方案。对于已经在香港、韩国及我国大量部署的IS- 95CDMA系统，主要采取了TDOA定位体制，充分利用了扩频系统的高多径分辨能力和时差提取能力。第三代移动通信系统(3G)的三个主要标准WCDMA、CDMA-

15、2000和TD-SCDMA均采用CDMA作为基本的多址接入方式，基于IS- 95CDMA开发的各种定位技术可以在适当地修改后应用于3G系统中。定位体制和方案的选择定位体制和方案的选择 （1）根据定位系统所处空间位置的不同，可以分为空基定位系统(GPS)、地基定位系统以及混合定位系统(A-GPS)； （2）根据定位参数测量位置的不同，可以分为基于网络的定位和基于用户的定位； （3）根据定位所用参数的不同，可以分为场强测量法(SOA)、增强型场强测量法(ESOA)、到达角度测量法(AOA)、到达时间/时间差测量法(TOA/TDOA/OTDOA/E-FLT)、混合参数定位法和细微特征匹配方法等。3

16、蜂窝移动通信系统分类蜂窝移动通信系统分类11.3.2 主要蜂窝定位技术主要蜂窝定位技术 A-GPS是GPS技术与蜂窝网络技术相结合的产物。通过在基站设备中增加GPS接收机，用户GPS接收模块可以从蜂窝网络获得的少量辅助数据（如可视卫星数目与坐标），完成GPS的初始同步与捕获，计算用户到卫星的距离，然后将该参数反馈给蜂窝网络内的定位服务器完成定位计算。由于使用了位置固定的基站GPS接收机作为定位参考，并利用基站的架设高度消除了建筑物对卫星信号的阻挡，所以A-GPS已经成为目前定位精度最高的实现方案，现已出现了多种实用化的包含A-GPS功能的芯片组及终端产品。1 A-GPS 定位系统根据用户在网络

17、内部所处的小区或者基站来标识用户位置。蜂窝系统的每个基站都有全网唯一的标识号(Cell-ID)，系统可以根据与用户进行通信的基站标识来确认用户所在区域。由于用户可能在小区内部的任何位置，所以定位精度完全取决于小区的大小。 CDMA系统典型的小区半径规划为0.52km（城区）/110km（郊区、农村）。 Cell-ID/SECTOR-ID是完全基于网络协议的定位方法，不需要测量任何电波参数。2 Cell-ID/SECTOR-ID/TA11.4 WLAN室内定位技术室内定位技术 无线局域网的定位就是在无线局域网中通过对接收到的无线电信号的特征信息进行分析，根据特定的算法来计算出被测物体所在的位置。

18、这种定位系统主要由数据采集、定位估计和显示三个功能模块组成，如图11.4.1所示。11.4.1 概述概述数据采集定位估计显示数据采集接收的无线信号接收的无线信号定位 测 量 TO A 、AOA、RSS、图11.4.1 WLAN定位系统组成 在WLAN定位算法中，一般采用的度量指标是无线信号的接收信号强(Received Signal Strength，RSS)，与其它无线信号的度量指标相比，采用接收信号强度的无线局域网定位系统有着以下的优点。 首先，它是一种经济的解决方案。 其次，与采用红外线、视频信号的室内定位系统相比，基于无线局域网的定位系统能够使用的范围更大。 第三，在使用无线局域网的数

19、据通信功能的同时，用户还可以获得定位服务以及基于位置的服务，反过来也充分开发了无线局域网的应用潜能。 最后，由于无线射频信号的健壮传输，基于无线局域网的定位系统是一种比较稳定的系统。 无线局域网有两种工作模式，即为基础架构模式和点对点模式。基础架构模式为最主要的一种工作模式，基础架构模式(Infrastructure Model)或称为集中控制模式，该模式是利用接入点(Access Point，AP)来承担无线网络覆盖和通信的任务。接入点如同无线蜂窝网里的基站，将多个无线的移动终端汇聚到有线网络上。 点对点模式或者分布对等模式(Ad-Hoc Model)，是另一种较特殊的工作模式为，常用于野外

20、和家庭环境下组成临时的对等无线网，不需要接入点设备就可以达到相互连接、资源共享的目的。7.4.2无线局域网室内定位技术的分类无线局域网室内定位技术的分类WLAN基础架构模式示意图基础架构模式示意图 在基础架构工作模式下，接入点以一定的频率连续向外发射无线电信号，标识自己的存在和发布有关无线网络的基本信息，如 SSID（服务集标识码）、WEP 信息等。WLAN客户端通过扫描获取与无线网络相关的信息，如来自不同AP的接收信号强度、信噪比等，然后按照一定的策略，选择最合适的接入点建立无线连接，如最简单的是，直接与信号强度最强的AP建立连接，或者选择具有某个指定 SSID 的接入点。无线局域网定位技术

21、正是基于WLAN客户端与 AP 之间的无线信号信息进行位置的估计。 几何法(Geometry)、近似法(Proximity)和场景分析法(Scene Analysis)是定位技术中经常采用的思想。基础架构下的位置估计基础架构下的位置估计 几何法是指利用几何学的原理来计算待测目标的位置。它又分为两种，即三边测量(Trilateration)和三角测量(Triangulation)。三边测量采用距离测量技术，而三角测量是采用方位测量技术。1几何法几何法 近似法的原理是通过物理接触或其他的感知方式，当发现用户“靠近”某一已知位置或距离已知位置在一定范围内时，用已知的位置来估计用户的位置，如图11.4

22、.3所示。2近似法近似法 在无线局域网里，近似法定位技术的实现是通过接入点的位置来确定移动用户的位置。近似法的最大优点是简单，易于实现。它的定位准确度主要依赖于无线接入点的性能和定位所在的环境。无线AP跟无线路由器类似，按照协议标准本身来说IEEE 802.11b和IEEE 802.11g的覆盖范围是室内100米、室外300米。这个数值仅是理论值，在实际应用中，会碰到各种障碍物，其中以玻璃、木板、石膏墙对无线信号的影响最小，而混凝土墙壁和铁对无线信号的屏蔽最大，所以通常实际使用范围是：室内30米、室外100 米（没有障碍物）。 场景分析法利用在某一有利地点观察到的场景中的特征来推断观察者或场景中物体的位置。一般地，观察的场景都被简化成易于表示或计算