GS定位系统在物联网中的应用2

GPS定位系统在物联网中的应用内容提要通过定位系统获取位置信息是物联网时代的重要研究课题。本章将典型的定位系统和定位技术。第3章介绍了传感器技术传感器的设计需求（低成本与微型化，低功耗，灵活性与扩展性，鲁棒性）传感器的软硬件平台本章介绍位置信息的概念，重点介绍典型的定位系统（卫星定位，蜂窝基站定位，无线室内环境定位，新兴定位系统）以及三种常见的定位技术。内容回顾4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位技术的新挑战位置信息的三大要素是什么？本章内容为什么需要定位？基于位置的服务自动导航搜索周边服务信息基于位置的社交网络：Foursquare位置信息和我们的生活息息相关位置信息不是单纯的“位置”地理位置（空间坐标）处在该位置的时刻（时间坐标）处在该位置的对象（身份信息）4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位技术的新挑战典型的定位系统有哪些？各自有哪些特点？本章内容现存主流定位系统卫星定位：GPS蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统：A-GPS，网络定位卫星定位卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统各国的卫星定位系统美国：GPS俄罗斯：GLONASS欧盟：伽利略中国：北斗一号（区域）、北斗二号（全球）GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统。GPS：发展简史卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统1973年，美国国防部开始GPS计划1983年，里根承诺将来对民间开放使用1989年，正式开始发射GPS工作卫星1994年，卫星星座组网完成，投入使用2000年，克林顿下令取消军用/民用信号的精度差别对待GPS：系统结构卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统宇宙空间部分24颗工作卫星地面监控部分（全部在美国境内）1个主控中心（另有1个备用）4个专用地面天线6个专用监视站用户设备部分GPS接收机GPS：定位位原理理卫星定定位蜂窝基基站定定位无线室室内环环境定定位新兴定定位系系统GPS：主要要优缺缺点卫星定定位蜂窝基基站定定位无线室室内环环境定定位新兴定定位系系统优点精度高高全球覆覆盖，，可用用于险险恶环环境缺点启动时时间长长室内信信号差差需要GPS接收机机GPS典型应应用：：汽车车导航航卫星定定位蜂窝基基站定定位无线室室内环环境定定位新兴定定位系系统最初仅仅能提提供位置和周边地地图第二代代汽车车导航航系统统可根根据目目的地地自动动计算算“最短”路线线互联网网时代代，汽汽车导导航可可从交交管部部门取取得路路况咨咨询，，优化化路线线，找找出““最快”路线线GPS典型应应用：：汽车车导航航卫星定定位蜂窝基基站定定位无线室室内环环境定定位新兴定位系系统物联网时代代，感知更透彻彻综合道路状况，，污染指数数，天气状状况，加油油站的分布布，驾驶员员的身体状状况等各种因素找出“最佳佳”路线由“以路为为本”转变变到“以人人为本”蜂窝基站定定位卫星定位蜂窝基站定定位无线室内环环境定位新兴定位系系统GSM蜂窝网络通讯区域被被分割成蜂蜂窝小区每个小区对对应一个通通讯基站通讯设备连连接小区对对应基站进进行通讯利用基站位置已已知的条件，可可对通讯设设备进行定定位单基站定位位法卫星定位蜂窝基站定定位无线室内环环境定位新兴定位系系统COO定位（CellofOrigin）将移动设备备所属基站站的位置视视为移动设设备的位置置精度直接取取决于基站站覆盖的范范围基站分布布疏松地地区，一一个基站站覆盖范范围半径径可达数数公里，，误差巨巨大优点：简单、快快速，适适用紧急急情况多基站定定位法卫星定位位蜂窝基站站定位无线室内内环境定定位新兴定位位系统ToA/TDoA定位法需要三个个基站才才能定位位稀疏地区区可能只只能收到到两个基基站的信信号，不不适用AoA定位法蜂窝基站站定位：：主要优优缺点卫星定位位蜂窝基站站定位无线室内内环境定定位新兴定位位系统优点不需要GPS接收机，，可通讯讯即可定定位启动速度度慢信号穿透透能力强强，室内内亦可接接收到缺点定位精度相对对较低基站需要有专专门硬件，造造价昂贵典型应用：紧紧急电话定位位卫星定位蜂窝基站定位位无线室内环境境定位新兴定位系统统美国E-911系统拨打报警电话话时，根据基基站定位出手手机位置，自自动接到最近近警局综合了各种定定位系统，包包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS使用时尝试各各种定位方法法，择优而用用无线室内环境境定位卫星定位蜂窝基站定位位无线室内环境境定位新兴定位系统统室内环境的复复杂性多径效应原因：障碍物物反射电磁波波，反射波和和原始波在接接收端混叠室内障碍物众众多，多径效效应明显对电磁波的阻阻碍作用长波信号（GPS）传播能力强强，穿透能力力弱室内应选用短短波信号来进进行定位无线室内环境境定位卫星定位蜂窝基站定位位无线室内环境境定位新兴定位系统统需求主要来自企业业和个人：难难以购置ToA，TDoA，AoA等技术所需的的昂贵硬件RSS定位技术使用信号强度度进行定位利用已有的无无线网络（蓝蓝牙、Wi-Fi、ZigBee）红外线、超声声波、蓝牙、、RFID、超宽带……RFID定位典型应用用卫星定位蜂窝基站定位位无线室内环境境定位新兴定位系统统资产管理在设备上贴上上RFID标签需要使用时通通过RFID定位找到标签签的位置，从从而定位设备备的位置结合感知技术术，还可以监监控设备的状状况是否空闲是否故障是否老化新兴定位系统统卫星定位蜂窝基站定位位无线室内环境境定位新兴定位系统统A-GPSGPS定位和蜂窝基基站定位的结结合体利用基站定位位确定大致范范围连接网络查询询当前位置可可见卫星大大缩短搜索索卫星的时间间新兴定位系统统（续）卫星定位蜂窝基站定位位无线室内环境境定位新兴定位系统统无线AP定位利用可见Wi-Fi接入点来定位位在大城市中，，无线AP数目多，定位位非常精确在iPhone中成熟应用网络定位用于无线传感感网、自组织织网络通过少量位置置已知节点，，定位出全网网络节点的位位置4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位位技术的新挑挑战除了距离，哪哪些空间信息息还可用于定定位技术？本章内容4.3定位技术定位技术的关关键：有一个或多个个已知坐标的的参考点得到待定物体体与已知参考考点的空间关关系定位技术的两两个步骤：测量物理量→→根据物理量量确定目标位位置常见定位技术术：基于距离的定定位（ToA）基于距离差的的定位（TDoA）基于信号特征征的定位（RSS）基于距离的定定位（ToA）基于距离基于距离差基于信号特征征距离测量方法法距离d=波速v*传播时时间Δt传播时时间Δt=收到时时刻t––发出时时刻t0问题：：接受端端如何何得知知t0？基于距距离的的定位位（ToA）基于距距离基于距距离差差基于信信号特特征方法1：利用波速差发送端同时发送一道电磁波和声波接收端记录：电磁波到达时刻声波到达时刻距离由于远大于，上式可简化为基于距距离的的定位位（ToA）基于距距离基于距距离差差基于信信号特特征方法2：测量波的往返时间发送端于时刻发送波接收端收到波后，等待时间后返回同样的波发送端记录收到回复的时间距离基于距距离的的定位位（ToA）基于距距离基于距距离差差基于信信号特特征位置计计算方方法多边测测量（也称称多点点测量量）平面上上定位位，取取三个个参考考点以每个个参考考点为为圆心心，到到该参参考点点的距距离为为半径径画圆圆，目目标必必在圆圆上平面上上三个个圆交交于一一点实际中中取用用超过过三个个参考考点，，用最小二二乘法法减少误误差基于距距离差差的定定位（（TDoA）基于距距离基于距距离差差基于信信号特特征ToA的局限限需要参参考点点和测测量目目标时时钟同同步TDoA不需要要参考考点和和测量量目标标时钟钟同步步参考点点之间间仍然然需要要时钟钟同步步基于距距离差差的定定位（（TDoA）基于于距距离离基于于距距离离差差基于于信信号号特特征征距离离差差测测距距方方法法测量量目目标标广广播播信信号号参考考点点i，j分别别记记录录信信号号接接收收到到的的时时刻刻ti，tj测量量目目标标到到i，j的距离差差基于距离离差的定定位（TDoA）基于距离基于距离差基于信号特征征位置计算方法法至少两组数据据联立方程求求解实际采用多组组数据最小二二乘法求解每次测量结果果参考点坐标到参考点的距距离构建方程：基于信号特征征的定位基于距离基于距离差基于信号特征征ToA和TDoA都需要接收端端特殊装置基于信号特征征的定位直接利用无线线通信的射频频信号定位，，不需要额外设设备原理：信号强度随传传播距离衰减减问题：理想公式实际际难以应用基于信号特征征的定位基于距离基于距离差基于信号特征征解决方法：将信号强度看看做“特征””预先布置N个参考节点测出N个参考节点信信号的强度，，得到一个N维向量事先测出区域域中每个位置置的特征向量量将目标测出的的特征向量和和事先测量值值比对，找出出位置缺点：不能应对动态态变化基于信号特征征的定位基于距离基于距离差基于信号特征征LANDMARC：基于信号特征征的动态定位方法除了信号发送送源，再布置置一系列RFID标签作为参考考标志每个标志随时时记录自己收收到的RSS信号强度特征征向量将目标测得的的信号特征向向量与参考标标志此时的特特征向量进行行比对，确定定位置，误差差在1m范围以内4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位位技术的新挑挑战物联网背景对对定位技术有有哪些新的需需求？本章内容网络异构接入物联网的的设备五花八八门连接起来的网网络各自不同同→如何让不不同的设备备在不同的的网络下准准确定位环境多变室外vs.室内空旷地带vs.障碍物众多多静止设备vs.频繁运动4.4物联网下定定位技术的的新挑战信息安全与与隐私保护护位置信息内内涵丰富且且隐私息息息相关高精度位置置信息泄露露的后果严严重→如