《物联网概论》第七章 定位技术

物联网概论第七章定位技术2目录

7.1定位服务概述

7.2定位服务的核心技术

7.3室内定位技术

7.4室内外综合定位技术

37.1定位服务概述

定位服务（LBS，LocationBasedServices）又称位置服务，是由卫星定位与GIS结合，加上移动通信网络与相关技术的支持，获得移动终端、用户或实体的实际位置，如其经纬度坐标、高程数据或对应的电子地图上的标示点，实现各种与位置相关的各类服务。“位置”概念包括：（1）地理位置（空间坐标）；（2）对象处在该位置的时刻（时间坐标）；（3）处在该位置的对象（身份与标识信息等）。47.1.2定位服务技术分类核心技术如基于GPS、A-GPS的定位导航技术，WLAN的无线通信及定位技术，基于RFID、蓝牙等的身份识别与定位导航技术，基于WSN的探测、定位及跟踪报警技术，以及位置服务中间件技术支撑技术如嵌入式系统技术，数据库管理技术，AdHoc及Mesh网络技术，局域网及互联网技术，MIS技术等应用系统目标识别与跟踪导航服务系统，自动电子导航服务系统，智能建筑的应急联动管理系统，关键区域入侵防护与遥测预警系统，复杂建筑的三维地理信息及导航系统等57.1.3定位模式

室外定位指确定一个移动台（MS）如手机，或载有可跟踪的电子标签的人或物等所在的位置。以GPS/北斗卫星等的出现使空间定位技术产生了质的飞跃，定位精度大幅提高，可达米级。当今GPS/北斗卫星与无线网络融合形成的定位服务，使移动定位服务成为物联网领域最具潜力的应用之一。6

7.1.3定位模式

无线定位模式自我定位远距离定位为移动终端中心定位系统，MS通过测量自己相对于某个已知位置发送器的距离或方向来确定自己的位置（如GPS接收器）为基于网络的定位系统，采用多个地理定位基站（GBS）来确定MS位置，通过分析接收信号强度、信号相位以及到达时间等属性来确定MS的距离，MS的方向则通过接收信号的到达角获得，系统根据每个接收器测量到的移动终端的距离及方向来联合计算移动终端的位置。77.2定位服务核心技术

7.2.1GPS

7.2.2

基站定位

7.2.3新型定位系统

87.2.1GPS全球定位系统

GPS是（GlobalPositioningSystem）全球定位系统的简称，它是上世纪70年代初美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星已布置完成。97.2.1GPS全球定位系统GPS全球定位系统由空间部分、地面控制部分与用户设备三部分组成107.2.1GPS全球定位系统GPS全球定位系统空间部分地面控制系统用户设备部分GPS的空间部分由24颗卫星组成，均匀分布在6个轨道面上，轨道倾角55°监测站（MonitorStation）、主控制站（MasterMonitorStation）、注入站和地面天线所组成。即GPS信号接收机。功能是能捕获到按一定卫星截止角所选的待测卫星。当接收机捕获到卫星信号后，就可测出接收机至卫星的伪距离和距离变化率，解调出卫星轨道参数等数据。117.2.1GPS全球定位系统GPS/北斗定位及测算原理示意图公式中X1Y1Z1、X2Y2Z2、X3Y3Z3、X4Y4Z4为已知卫星P1、P2、P3、P4测量出的伪距，c为光速，dti为已知卫星时钟与GPS时间偏差，dt为未知接收机与GPS/北斗卫星时间偏差。卫星的时钟偏差由接收机从卫星导频信息中取得。平方根项代表卫星与接收机之间距。127.2.1GPS全球定位系统卫星定位过程GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到未知用户接收机之间的距离，再综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。

卫星位置可根据星载时钟记录的时间在卫星星历中查出。接收机到卫星的距离通过记录卫星信号传播到接收机的时间，再乘以光速得到。由于大气层电离层的干扰，以及接收机与卫星间的时钟误差，该距离并非两者间的真实距离，而是伪距（PR）。137.2.1GPS全球定位系统全球四大成熟的卫星定位系统美国GPS由美国国防部建设并向全球开放的卫星定位系统，但美国只向外国提供低精度卫星信号中国北斗是中国自行研制的全球卫星导航系统俄罗斯格洛纳斯18颗卫星覆盖俄罗斯欧盟“伽利略”欧洲的卫星定位系统147.2.2基站定位基站定位GSM基站定位单基站定位TOA/TDOA定位AOA定位接收信号强度（RSS）接收信号相位方法157.2.2基站定位GSM基站定位原理GSM定位就是借助识别这些蜂窝基站进行对象定位，MSC是移动交换中心，通过公共电话交换网（PSTN）与主干网互联。167.2.2基站定位单基站定位

COO（CellofOrigin）是单基站定位技术，由于移动运营商对其每个基站的地理位置与编码都有唯一标识（Cell-ID），且每个基站所服务的区域就称为一个小区，于是当移动设备连接到当前的基站时，就可通过运营商知道其当下所在的小区的位置。177.2.2基站定位TOA定位

基于距离的到达时间即TOA（TimeofArrival）定位技术，其基本原理是通过测出电波从手机/终端/移动台传播到多个基站的时间来确定手机终端的位置。用TOA定位的方法需要手机和参与定位的基站之间时间精确同步，须通过与在基站上安装了GPS或原子钟的移动网络之间的同步来实现。本方法通过测量基站信号到达手机的时间，可确定其距离。利用信号源到各基站的距离（以基站为中心，距离为半径作圆），就能确定信号的位置。187.2.2基站定位TDOA定位

基于距离的到达时间差即TDOA（TimeDifferenceofArrival）定位技术，不同于TOA，它通过检测信号到达基站间的时间差，而不是到达的绝对时间来确定手机/终端/移动台的位置，降低了时间同步要求。仍采用三个不同的基站可以测到两个TDOA，手机位于两个TDOA决定的双曲线的交点上。TOA要测量各基站信号到达移动台的绝对时间，比较困难；而TDOA法比较信号到达各个移动台的时间差，就相对容易一些。197.2.2基站定位TOA/TDOA定位

TOA/TDOA定位法都是通过三对[Poisitioni，Ti]（i=1，2，3）来确定设备的位置Location。二者的不同只是GetLocation（）函数的具体算法上的不同。207.2.2基站定位AOA定位

到达角度（AngleofArrival，AOA）定位是一种基于方向的两基站定位方法，采用信号入射角方式进行定位。AOA定位通过两直线相交确定位置，因不可能有多交点，避免了定位的模糊性。Location=GetLocation（[Position1,α1][Position2,α2]）217.2.2基站定位接收信号强度（RSS）方法

如果MS发射的功率是已知的，则在GBS处测量RSS(接收信号强度)值，可根据已知数学模型提供发送器和接收器之间距离估计。数学模型描述了无线信号与距离有关的路径损耗特性，但由于存在多径损耗，并且阴影衰落效应对此模型会造成较大的标准偏差。227.2.2基站定位接收信号相位方法

收到信号的相位也可以用来作为定位参数，通过用辅助的参考接收器测量载波的相位，差分GPS（DGPS）与标准的GPS相比，可以把定位精确度从20m提高到1m。但信号相位的周期特性会导致相位模糊，而在DGPS里模糊的载波相位测量被用来对范围测量进行细调。可以采用相位方法并结合TOA或TDOA或者RSS方法来细调位置估计，同样，多径效应会导致相位测量时产生较大误差。237.2.3新型定位系统

辅助全球卫星定位系统AGPS（AssistedGPS，AGPS）是一种结合了GPS定位和蜂窝基站定位的优势，借助移动通信网络传输数据，可达很高的定位精度和很快的定位速度，在移动设备尤其是手机中被越来越广泛的使用。247.2.3新型定位系统AGPS定位架构——GPS等卫星定位的弱点主要是：硬件初始化（首次搜索卫星）时间较长；二是GPS卫星信号穿透力弱，易受建筑物、树木等的阻挡而影响定位精度。AGPS定位技术借助移动通信网络等的辅助，成功地解决或缓解了这两个问题。257.2.3新型定位系统AGPS作业步骤搜星过程一次COO定位移动设备通过蜂窝网络将当前的小区位置传送给网络中的AGPS位置服务器APGS位置服务器根据当前小区位置查询该区域当前可用的卫星信息快速找到当前可用的GPS卫星计算位置MS-Based方式MS-Assisted方式267.3室内定位技术

7.3.1室内定位技术概述

7.3.2室内GPS定位技术

7.3.3红外线室内定位技术

7.3.4超声波定位技术

7.3.5蓝牙室内定位技术

7.3.6RFID室内定位技术

7.3.7UWB室内定位技术

7.3.8WIFI室内定位技术

7.3.9ZigBee室内定位技术

277.3.1室内定位技术概述

物联网应用很大一部分是在室内、尤其是复杂环境的室内，如机场大厅、展厅、仓库、超市、图书馆、地下停车场、矿井、车间、酒店、教学楼等环境中，常常需要确定移动终端、载有电子标签的物品或人员、设施与装备等在室内的位置信息。随着机器人的普及，对大量室内移动机器人的精确定位需求也日益增加。

但受定位时间、定位精度以及复杂室内环境等条件的限制，任何一种定位技术目前还未达到法尽善尽美。287.3.1室内定位技术概述定位精度稳健性安全性方向判断标志识别复杂度室内定位技术要求297.3.2室内GPS定位技术

当GPS接收机在室内时，信号受建筑物的影响而大大衰减，定位精度也很低，要想达到室外一样直接从卫星中提取导航数据和时间信息是不可能的。为得到较高的信号灵敏度，就需要延长在每个码延迟上的停留时间，A-GPS技术为此提供了可能性。室内GPS技术采用大量的相关定位器并行地搜索可能的延迟码，以助于实现快速定位。307.3.3红外线室内定位技术

红外线室内定位系统由红外线发射器和接收器。通常，红外发射器是网络的固定节点，而红外接收器或传感器安装在待定位目标上，作为移动终端。红外发射器发射调制的红外射线，通过室内的光学传感器进行接收定位。317.3.4超声波定位技术

超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成。主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有3个或3个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。327.3.5蓝牙室内定位

蓝牙技术通过测量信号强度进行定位。这是一种短距离低功耗的无线传输技术，在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置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，就可获得用户的位置信息。337.3.6RFID室内定位方法

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。这种技术作用距离短，一般最长为几十米。但它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，具有很大的发展空间。347.3.7UWB室内定位技术UWB定位系统主要由参考标识、主动标识和接收机构成。在二维坐标中应用UWB技术时主要采用TOA方法进行定位，三维坐标中多采用TDOA、AOA或二者结合的方法进行。357.3.8Wi-Fi室内定位

无线局域网络（WLAN）具有高带宽、高速