自动识别技术07课件

自动识别技术第七章位置识别技术第七章位置识别技术位置识别技术概述RFID定位技术卫星定位技术一、位置识别技术概述位置识别技术指通过特定的位置标识与测距技术来确定物体位置信息。位置信息分为两类：物理意义上的位置信息指被定位物体具体的物理或数学层面上的位置数据，用经纬度坐标和海拔高度来描述。抽象意义上的位置信息抽象的位置信息描述的是一个相对位置，表达为：某个物体位于一个具有确定位置对象的附近（对面、旁边或背面等）。按照位置识别的范围大小来分，可将位置识别技术分为室外定位识别技术和室内定位识别技术。室外定位识别技术主要有基于卫星通信的全球定位系统GPS和蜂窝（移动通信网）定位技术。相比蜂窝定位技术，GPS具有良好的定位精度，解决了很多军事和民用的实际问题，它是一种基于卫星的定位系统，在室外空旷环境下可提供精度在10米之内的导航。但是当定位目标移动至室内，卫星信号会受到建筑物的影响而大大衰减，定位精度也随之变得很低。常用的室内定位识别技术红外线定位技术超声波定位技术蓝牙定位技术WIFI定位技术ZigBee定位技术RFID定位技术等。二、RFID定位技术RFID定位技术是利用射频方式进行非接触式双向通信交换数据以达到识别和定位的目的，实现起来非常方便，而且系统受环境的干扰较小，电子标签信息可以编辑改写比较灵活。RFID定位技术分类信号强度信息定位（ReceivedSignalStrengthIndication，RSSI）由于无线信号的传播有以下规律：接收端测得的信号强度越强，说明发送端距接收端距离越近，反之，接收端测得的信号强度越弱，则说明发送端距离越远。因此，基于信号强度衰减的方法可以测量收发距离。信号时间信息定位（TimeDifferenceofArrival，TDOA）该方法通过测出电波从发射机传播到多个接收机的传播时间（TOA）或时间差（TDOA）来确定目标的位置。基于电波传播时间（TimeofArrival，TOA）和到达角度定位（Angleof

Arrival，

AOA）AOA（AngleofArrival）算法是由阵列天线测量到移动目标发射的无线射频信号，来判断移动目标的所在的方向，从而实现根据信号到达的方向线（即侧位线）来进行定位，由两个基站得到的两个侧位线的交点就是目标的位置。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但可以在几毫秒内得到厘米级定位精度的信息，且传输范围很大，成本较低。同时由于其非接触和非视距等优点，可望成为优选的室内定位技术。目前，射频识别研究的热点和难点在于理论传播模型的建立、用户的安全隐私和国际标准化等问题。优点是标识的体积比较小，造价比较低，但是作用距离近，不具有通信能力，而且不便于整合到其他系统之中。三、卫星定位技术卫星定位系统是利用卫星来测量物体位置的系统，其关键作用是提供时间/空间基准和所有与位置相关的实时动态信息，已成为国家重大的空间和信息化基础设施，也成为体现现代化大国地位和国家综合国力的重要标志。世界各主要大国都竞相发展独立自主的卫星导航系统。GNSS全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem），泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的。国际GNSS系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统。全球系统（联合国卫星导航委员会已认定的供应商）美国全球定位系统（GPS，GlobalPositioningSystem）俄罗斯格洛纳斯系统（GLONASS，

GlobalNavigationSatelliteSystem）中国北斗卫星导航系统（BDS，BeiDouNavigationSatelliteSystem）欧盟伽利略定位系统（GALILEO）区域系统日本准天顶卫星系统（QZSS，Quasi-ZenithSatelliteSystem）QZSS由三颗分置于相间120°的三个轨道面上的卫星组成，轨道周期为23小时56分钟，倾角45°，轨道高度为31500～40000公里。印度区域导航卫星系统（IRNSS，IndianRegionalNavigationSatelliteSystem）系统由7颗卫星（很可能进入静地轨道和/或椭圆轨道）和地面站组成。增强系统广域差分增强系统（星基增强系统）（SBAS，Satellite-BasedAugmentationSystem）美国广域增强系统（WAAS，WideAreaAugmentationSystem）由美国联邦航空局开发建立的用于空中导航的一个系统，该系统主要是通过解决广域差分GPS的数据通信问题从而提高全球定位系统的精度和可用性。日本的多功能GPS卫星星基增强系统（MSAS，Multi-FunctionalSatelliteAugmentationSystem）MSAS的空间段由两颗多功能传输卫星（MTSat）组成，主要目的是为日本航空提供通信与导航服务。欧洲地球同步导航覆盖服务（EGNOS，Europeangeostationarynavigationoverlayservice）EGNOS系统是欧洲自主建设的第一个卫星导航系统，它通过增强现在运行的两个军用系统：GPS和GLONASS，来满足高安全用户的需求。它是欧洲GNSS计划的第一步，是目前正在研发中的Galileo计划的前奏。印度的GPS辅助型静地轨道增强导航（GAGAN，GPSAidedGeoAugmentedNavigation）尼日利亚通信卫星一号（NIGCOMSAT-1）美国：GPSGlobalPositioningSystem全球定位系统美国的GPS是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗GPS卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能连接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。GPS卫星星座由24颗卫星组成，其中21颗为工作卫星，3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°，各轨道平面的升交点的赤经相差60°，一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。俄罗斯：GLONASS（格洛纳斯）GlobalNavigationSatelliteSystem全球导航卫星系统参数GLONASSNAVSTARGPS系统中的卫星数21＋321＋3轨道平面数36轨道倾角64.8°55°轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min11h58min卫星信号的区分FDMACDMAL1频率1602~1615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率1246~1256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz俄罗斯的格洛纳斯系统由苏联在1976年组建，现在由俄罗斯政府负责运营。1991年组建成具备覆盖全球的卫星导航系统，从1982年12月12日开始，该系统的导航卫星不断得到补充，至1995年，该系统卫星在数目上基本上得到完善。2002年在轨运行卫星增加到8颗，在2003、2004、2005年分别增加到10、11、12颗。2003年发射的卫星，是格洛纳斯的重大改进版本，被称为格洛纳斯-M卫星。格洛纳斯-M卫星重量约1.4吨，太阳能电池功率1600瓦，原子钟精度为1e-13秒，提高了稳定性。2008年联盟火箭也开始参与格洛纳斯卫星的发射，同年格洛纳斯星座在轨运行卫星数量终于增加到18颗，可以为俄罗斯提供全境卫星导航服务。随着格洛纳斯-M的全面应用，格洛纳斯卫星导航系统精度已经接近GPS系统，在2010年10月俄罗斯政府已经补齐了该系统需要的24颗卫星，在2011年达到GPS的标准。目前格洛纳斯全球卫星导航系统在轨卫星达29颗，其中23颗处于工作状态，2颗为备用，3颗暂时处于技术维护状态，1颗处于飞行试验状态。欧盟：Galileo（伽利略）GalileoPositioningSystem到2010年欧洲共发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。欧洲联盟的伽利略卫星导航系统（GalileoSatelliteNavigationSystem），是由欧盟研制和建立的全球卫星导航定位系统。该计划于1999年2月系统由欧洲委员会公布，欧洲委员会和欧空局共同负责。系统由轨道高度为23222km的38颗卫星组成，位于3个倾角为56度的轨道平面内。2012年10月，伽利略全球卫星导航系统第二批两颗卫星成功发射升空，太空中已有的4颗正式的伽利略系统卫星，可以组成网络，初步发挥地面精确定位的功能。日本：MSAS/QZSS基于多功能卫星的星基增强系统（MSAS）Quasi-ZenithSatelliteSystem（准天顶卫星系统）MSAS由日本气象局和日本交通部组织实施的基于2颗多功能卫星（MTSAT）的GPS星基增强系统。QZSS空间星座由位于3个高椭圆轨道上的3颗IGSO卫星组成。准天顶卫星系统是以三颗卫星透过时间转移完成全球定位系统的区域性功能卫星扩增系统。第一颗卫星“Michibiki”于2010年9月11日发射，到2013年形成完整的功能。准天顶卫星系统是针对移动应用系统提供视讯基础服务（影像、声音和资料）和定位资讯。对于其定位服务，在独立模式下工作时，QZSS目前只能提供有限的精度，因此被视为是全球导航卫星系统扩增服务。它的定位服务还将与目前日本还在发展中的多功能运输卫星（Multi-FunctionalTransportSatellite）结合，是一个类似美国联邦航空管理局的广域增强系统。印度：IRNSS（印度区域导航卫星系统）IndianRegionalNavigationalSatelliteSystemIRNSS空间星座有分别位于东经34度，83度和132度的3颗GEO卫星，以及东经55度和111度的4颗倾角为29度的IGSO卫星组成。印度区域导航卫星系统（IRNSS）是一个由印度太空研究组织（ISRO）发展的自由区域型卫星导航系统，印度政府对这个系统有完全的掌控权。印度区域导航卫星系统将提供两种服务，包括民用的标准定位服务，及供特定授权使用者（军用）的限制型服务。此系统将包含7颗卫星及辅助地面设施。其中3颗为同步卫星，分别位于东经34度、83度及132度。另外四颗卫星位于倾角29度的轨道上，分别与赤道交于东经55度及111度。这样的安排意味着7颗卫星都可以持续地与印度控制站保持连络。卫星负载包含原子钟及产生导航信号的电子装备。中国：北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星（GEO）和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。不足：用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；设备体积大、重量重、能耗大。中国的北斗卫星导航系统（BDS）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，向全球用户提供高质量的定位、导航、授时服务，并能向有更高要求的授权用户提供进一步服务，军用与民用目的兼具。中国在2003年完成了具有区域导航功能的北斗卫星导航试验系统，之后开始构建服务全球的北斗卫星导航系统，于2012年12月27起向亚太大部分地区正式提供服务，现共有16颗有源卫星向亚太地区普通用户提供服务。BDS预计在2020年将完成全球系统构建，届时将拥有35颗卫星，卫星信号将覆盖全球。北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120°均匀分布。至2012年底北斗亚太区域导航正式开通，已为正式系统发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上），4颗中地球轨道卫星（均在倾角55°的轨道面上）。北斗卫星导航系统终端与GPS、“伽利略”和“格洛纳斯”相比，优势在于短信服务和导航结合，增加了通信功能；全天候快速定位，极少通信盲区，精度与GPS相当。向全世界提供的服务都是免费的，在提供无源定位导航和授时等服务时，用户数量没有限制，且与GPS兼容；特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计。全球卫星导航系统的基本原理苏联发射了第一颗人造卫星后，美国约翰·霍布斯金大学应用物理实验室的研究人员提出既然可以已知观测站的位置知道卫星位置，那么如果已知卫星位置，应该也能测量出接收者的所在位置。即先我们假定卫星的位置为已知，而我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。当然也可以再测量A点至另一个卫星的距离，也能精确进行定位。这是导航卫星的基本设想。怎样确知卫星的准确位置要确知卫星所处的准确位置。首先，要优化设计卫星运行轨道，而且要由监测站通过各种手段，连续不断监测卫星的运行状态，适时发送控制指令，使卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。如何测定卫星至用户的距离时间×速度