物联网定位方式与技术

1、物联网的定位方式和技术，报告员：专业：信号和信息处理领导：一、物联网的定位方式，无线通信技术的成熟和发展牵引着物联网时代的到来，越来越多的应用需要自动定位服务。 以下，介绍GPS定位、蜂窝基站定位、无线室内环境定位、新兴的定位方式等几个一般的定位方式。 GPS定位、GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统。 GPS计划始于1973年，由美国国防部指导下的卫星导航定位联合技术局(JPO )主导进行研究。 1989年正式发射GPS工作卫星，1994年GPS卫星星座网络完成，GPS投入使用。 在美国国防部的背景下，GPS系统最初是为军事设计的。 使用后，GPS向民间工业开放，只有军用接收机能享受到高质

2、量的信号(精度达到20米)，民间信号质量故意下降(精度约300米)。 2000年5月1日，美国总统比尔克林顿下令消除GPS系统的差异，民间的GPS信号也达到了20米的精度。 除了美国的GPS定位系统外，目前使用的卫星定位系统还有俄罗斯的GLONASS全球卫星定位系统和中国的北斗一号地区卫星定位系统。 欧盟的伽利略导航系统目前正在部署中，预计将于2014年正式使用。 我国目前正在自主开发北斗二号全球卫星导航系统，届时可以复盖全球范围的信号。 GPS卫星网络、GPS定位系统、空间部分： GPS系统的空间部分由24颗工作卫星组成，先将24颗卫星均匀分布在3个轨道平面上，设计出在各平面上配置8颗卫星的

3、设计，然后变更为6个轨道平面、各平面采用4颗星的设计。 这保证了至少6颗卫星随时都在视线中，并能够定位。 地面监视部： GPS系统地面监视部有位于美国科罗拉多州Schriever空军基地的1个主中心、4个专用地面天线和6个专用监视站。 另外，马里兰州盖茨城也有防备紧急事态的主中心。 用户装置部分：在使用GPS系统时，用户必须有专用于GPS的接收机。 接收机通常包括用于与卫星通信的专用天线、用于位置计算的处理器和高精度时钟。 GPS定位原理，目前卫星导航系统定位是采用的三球交叉定位原理，具体流程如下： (1)用户测量自己到三颗卫星的距离(2)卫星的位置准确已知，用电文广播发给用户(3)以卫星为球

4、心，以距离为半径为球面三球交叉定位原理的示意图，接收机和GPS卫星之间的距离测量，各卫星不断发送，各信息中包含发送的时刻和该时刻卫星的坐标。 接收机会接收这些信息，同时根据自己的时钟记录接收到的时间。 从接收到消息的时间减去发起消息的时间，以得到该消息在空间中传播的时间。 如果在这个时间乘以信息的传播速度，就能得到从接收机到信息发送时的卫星坐标的距离。 GPS定位的缺陷，时钟精度要求极高，成本太高，受到成本限制，接收机的时钟精度比卫星时钟低，影响定位精度。 理论上可以用3颗卫星进行定位，但实际上用GPS进行定位需要至少4颗卫星，这是因为在大大限制了GPS使用范围的室内，由于电磁屏蔽效果经常难以

5、接收GPS信号，所以GPS这种定位方式主要活跃在室外。 因为GPS接收机启动很慢，通常需要35分钟，所以定位速度也很慢。 信号在大气中传播，容易受天气的影响，定位不稳定。此外，蜂窝基站的位置、蜂窝基站的位置主要应用于移动通信中广泛采用的蜂窝网络，并且目前诸如GSM、CDMA、3G等的通信网络中的大部分采用蜂窝网络架构。 在通信网络中，将通信区域划分成一个小区，并通常在每个小区中具有对应的基站。 在GSM网络的示例中，当移动设备进行通信时，移动设备首先连接到小区中的基站，然后经基站连接到GSM网络进行通信。 即，在进行移动通信时，移动设备总是与用来定位移动设备的蜂窝基站相关联。 COO定位、CO

6、O定位是最简单的定位方法，是单个基站定位。 该方法非常原始，将移动设备所属的基站的坐标作为移动设备的坐标。 该定位方法的精度非常低，其精度直接依赖于基站复盖的范围。 如果基站的复盖范围半径是50米，则初始误差是50米。 ToA/TDoA定位为了得到更准确的定位，必须使用多个基站同时测得的数据。 多基站定位方法中最常用的是ToA/TDoA定位。 toa (arrival time of arrival )基站的定位与GPS定位方法类似，但不同之处在于将卫星变更为基站。 虽然此方法对时钟同步精度有很高的要求，但基站的时钟精度远远不及GPS卫星的水平，而且多径效应在测量结果上也产生误差。 由于以上的

7、理由，实际上多采用了TDoA(Time Difference of Arrival )定位方法，并不是通过直接信号的发送和到达时间来确定位置，而是通过信号到达不同的基站的时间差建立方程式来求出位置，通过时间差抵消了大部分的时钟非同步引起的误差。 AoA定位、ToA和TDoA测定法，进行定位需要至少3个基站，人们所在地区的基站分布稀疏，只能测定周围接收的基站信号只有2个。 在这种情况下，能够采用AoA(Angle of Arrival :阵列角度)定位法。 一旦在天线阵列中测量目标和两个基站之间的连接方位，就可使用两种辐射的焦点来定位目标。 AoA定位图像、蜂窝基站定位应用程序、蜂窝基站定位的精

8、度不高，其优点是定位速度快，能在几秒内完成定位。 蜂窝基站定位法的典型应用是紧急电话定位，活跃在刑事事件中。 北美地区的E-911系统(增强911 )现在是比较成熟的紧急电话定位系统(911是北美地区的紧急电话号码，相当于我国的911 )。 在无线室内环境的定位、无线通信领域，室内和室外的环境可以说是土壤的不同。 定位也同样，在室外露天环境中，只要使用GPS就能获得高定位精度，基站的定位也很好。 但是，在室内环境中，GPS被遮挡而难以使用，另一方面，基站定位的信号受到多路径效应(由于波的反射或叠加原理)的影响，定位效果也受到很大损害。 许多现有的室内定位系统基于信号强度(RSS )，其优点在于

9、，它不需要专用的定位设备并且在不采访中使用现有铺设的网络(如蓝牙网络、WiFi网络、zi 目前，在室内环境下进行短波定位的方法主要有红外线定位、超声波定位、蓝牙定位、射频识别定位(RFID )、超宽带定位(UWB )、ZiGbee定位等。 由于篇幅有限，这里详细叙述ZiGbee的定位。 Zigbee技术，Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。 在该协议中规定的技术是短距离、低功耗的无线通信技术。 Zigbee在中国被解释为“紫蜂”，与蓝牙类似，是一种新型的短距离无线通信技术。ZigBee定位原理、ZigBee定位是指，在应定位的地域中布局多个廉价的参考节点，从而在这些参考节点间

10、经由无线通信形成大型自组织网络系统，在需要对定位区域的节点进行定位时， 通信距离内的参照节点能够快速收集这些节点的信息，同时利用路由广播将信息传输至其他参照节点，最终形成信息传递链，经信息的多级跳跃处理至终端计算机上以实现一定地区长时间的监视和定位。ZigBee定位原理、ZigBee定位算法和典型数据聚合计算的具体计算方法是：读取节点首先计算节点位置的参数，然后将相关信息传递到中央数据收集点，计算节点位置，最后将节点位置的相关参数返回给该节点这种节点位置的计算方法仅适用于限定于小规模网络的节点数。 这是因为相关计算所需的业务会随着节点数的增加而指数增加。 因此，高业务负载和带宽的不足限制了该方

11、法在电池供电网络中的应用。 另外，ZigBee定位算法和分布式定位计算方法(CC2431 )本地基于从最近的参考节点(其位置已知)接收到的信息来计算节点，并确定相关节点的位置。 因此，网络通信量的多少由测量对象节点的范围内的节点的数目来决定。 另外，网络通信量与被测节点的数量成比例地增加，因此CC2431还允许在同一网络中存在多个被测节点。 另外，定位引擎技术和定位引擎根据无线网络中的近距离射频的接收信号强度指示(RSSI )，计算所需的定位的位置。 在不同环境下，两个射频之间的RSSI信号显着变化。 举例来说，如果在两个射频之间存在行人，那么接收信号将减少30dBm。 为了补偿这种差异，并且

12、考虑到定位结果的精度，定位引擎基于来自最大16个射频的RSSI值执行相关定位计算。 其依据的理论是，当采用很多节点时，RSSI的变化最终将达到平均值。 在参考节点和目标节点之间需要传送的唯一信息是参考节点的x和y坐标。 定位引擎通过组合基于接收到的x坐标和y坐标从参考节点的数据测量的RSSI值来计算定位位置。 扩大了霸权范围，定位引擎的霸权范围为64m64m，但很多应用要求更大的霸权范围。 扩大定位引擎的垄断范围可以通过两种方法实现：1)提高参考节点的输出功率，同时降低定位引擎的计算结果的精度；2 )将参考节点配置在更大的范围内，利用最强的信号进行相关参考节点的位置计算。 第二种方法是更理想的

13、，因为定位引擎在扩大垄断面的同时不会牺牲定位精度。 具体的工作原理是放大垄断范围，从网络中的待测量节点发出广播信息，从各相邻的参照节点收集数据，选择信号最强的参照节点的x和y坐标。 计算与参照节点相关的其他节点的坐标。 处理定位引擎中的数据，并考虑距最近的参考节点的偏移值，以获取被测量节点在大型网络中的实际位置。 另外，提高了精度，并且定位引擎利用来自附近参考节点的RSSI测量来计算目标节点的位置。 RSSI根据邻近RF源的变化而变化，包括天线设计、周围环境和某些其他因素。 定位引擎对多个参考节点的位置信息进行平均。 增加参考节点的数量可以全面提高精度，同时减少对每个节点的具体测试结果的依赖性

14、。 在任何情况下设置引用节点都会影响定位的精度。 这主要是因为，当引用节点位于靠近关联曲面的位置时，天花板和地板会被吸附。 因此，在各个方向上必须尽可能使用具有相同传输能力的全向天线。新的定位系统除了上述几个定位系统以外，随着技术的发展，新的定位系统也诞生了。 这里介绍两个有代表性的系统： A-GPS定位和无线AP定位。 由于A-GPS定位、A-GPS (辅助全球定位系统)辅助GPS定位，所以该定位方法可被认为是GPS定位与蜂窝基站定位的结合体。 GPS定位很慢，初次定位需要几分钟时间来检索当前可用的卫星信号。 基站的定位很快，但其精度不如GPS高。 A-GPS取长度并缩短，利用基站定位法，迅

15、速搜索当前位置的大致位置，经由基站连接网络，经由因特网服务器检索当前位置可见的卫星，大大缩短了检索卫星的速度。 在知道那几个卫星可用之后，仅通过使用那些卫星进行定位，就可以获得非常准确的结果。 使用A-GPS定位的话，全过程几十秒钟就能享受到GPS的定位精度，两者都很美。 另外，无线AP的定位与蜂窝基站的COO的定位技术类似，是经由wi-fi接入点确定目标的位置的wi-fi定位技术。 每个PS总是向外部广播信息，包括世界上唯一的MAC地址在内的各种WiFi设备都在搜索接入点。 用一个数据库记录世界上所有的无线AP的MAC地址和该AP存在的位置后，就能检查数据库取得附近的AP的位置，从信号强度推断出比较正确的位置。 该技术和GPS的并用是上述的