物聯(lián)網(wǎng)定位方式與技術(shù),報告人：專業(yè)：信號與信息處理導(dǎo)師：,1,一、物聯(lián)網(wǎng)中的定位方式,無線通信技術(shù)的成熟與發(fā)展，帶動了物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，越來越多的應(yīng)用都需要自動定位服務(wù)。下面將對介紹幾種常見的定位方式如GPS定位、蜂窩基站定位、無線室內(nèi)環(huán)境定位以及新興的定位方式。,2,GPS定位,GPS是目前世界上最常用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。GPS計劃開始于1973年，由美國國防部領(lǐng)導(dǎo)下的衛(wèi)星導(dǎo)航定位聯(lián)合技術(shù)局（JPO）主導(dǎo)進(jìn)行研究。1989年正式開始發(fā)射GPS工作衛(wèi)星，1994年GPS衛(wèi)星星座組網(wǎng)完成，GPS投入使用。由于美國國防部的背景，GPS系統(tǒng)最初設(shè)計為軍用。投入使用后，GPS對民用工業(yè)開放，但是僅有軍用接收機(jī)可以享受高質(zhì)量的信號(精確度達(dá)20米)，供民用上的信號質(zhì)量被故意降低（精度約300米）。2000年5月1日，美國總統(tǒng)比爾.克林頓命令取消GPS系統(tǒng)的這種區(qū)別對待，從此民用GPS信號也達(dá)到20米的精度。除美國的GPS定位系統(tǒng)外，目前已投入使用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還有俄羅斯的GLONASS全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)和我國的北斗一號區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。歐盟的伽利略定位導(dǎo)航系統(tǒng)目前正在部署中，預(yù)計將于2014正式投入使用。我國目前正在建設(shè)自主研發(fā)北斗二號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，屆時將可供全球范圍的信號覆蓋。,3,GPS衛(wèi)星組網(wǎng),4,GPS定位系統(tǒng),宇宙空間部分：GPS系統(tǒng)的宇宙空間部分由24顆工作衛(wèi)星組成，最初設(shè)計將24顆衛(wèi)星均勻分布到3個軌道平面上，每個平面8顆衛(wèi)星，后改為采用6軌道平面，每平面4顆星的設(shè)計。這保證了任何一時刻都有至少6顆衛(wèi)星在視線之內(nèi)，可以進(jìn)行定位。地面監(jiān)測部分：GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分包括1個位于美國科羅拉多州Schriever空軍基地的主控中心，4個專用的地面天線，以及6個專用的監(jiān)視站。此外還有一個緊急狀況下備用的主控中心，位于馬里蘭州蓋茨堡。用戶設(shè)備部分：要使用GPS系統(tǒng)，用戶必須具備一個GPS專用接收機(jī)。接收機(jī)通常包括一個和衛(wèi)星通信的專用天線，用于位置計算的處理器，以及一個高精度的時鐘。,5,GPS定位原理,目前，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位都是采用的三球交匯定位原理，具體流程如下：（1）用戶測量出自身到三顆衛(wèi)星的距離；（2）衛(wèi)星的位置精確已知，通過電文播發(fā)給用戶；（3）以衛(wèi)星為球心，距離為半徑畫球面；（4）三個球面相交得兩個點，根據(jù)地理常識排除一個不合理點即得用戶位置。,6,三球交會定位原理示意圖,7,接收機(jī)與GPS衛(wèi)星間距離測定,每顆衛(wèi)星都在不斷地向外發(fā)送信息，每條信息中都包含信息發(fā)出的時刻，以及衛(wèi)星在該時刻的坐標(biāo)。接收機(jī)會接收到這些信息，同時根據(jù)自己的時鐘記錄下接受到信息的時刻。用接收到信息的時刻減去信息發(fā)出的時刻，得到信息在空間中傳播的時間。用這個時間乘上信息傳播的速度，就得到了接收機(jī)到信息發(fā)出時的衛(wèi)星坐標(biāo)之間的距離。,8,GPS定位的缺陷,對時鐘的精確度要求極高，造成成本過高，受限于成本，接收機(jī)上的時鐘精確度低于衛(wèi)星時鐘，影響了定位精度。理論上三個衛(wèi)星就可以定位，但在實際中用GPS定位至少要四顆衛(wèi)星，這極大的制約了GPS的使用范圍；當(dāng)處室內(nèi)時，由于電磁屏蔽效應(yīng)，往往難以接收到GPS信號，因此GPS這種定位方式主要在室外施展拳腳。GPS接收機(jī)啟動較慢，往往需要35分鐘，因此定位速度也較慢。由于信號要經(jīng)過大氣層傳播，容易受天氣狀況影響，定位不穩(wěn)定。,9,蜂窩基站定位,蜂窩基站定位主要應(yīng)用于移動通信中廣泛采用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，目前大部分的GSM、CDMA、3G等通信網(wǎng)絡(luò)均采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在通信網(wǎng)絡(luò)中，通信區(qū)域被劃分為一個個蜂窩小區(qū)，通常每個小區(qū)有一個對應(yīng)的基站。以GSM網(wǎng)絡(luò)為例，當(dāng)移動設(shè)備要進(jìn)行通信時，先連接在蜂窩小區(qū)的基站，然后通過該基站接GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。也就是說，在進(jìn)行移動通信時，移動設(shè)備始終是和一個蜂窩基站聯(lián)系起來，蜂窩基站定位就是利用這些基站來定位移動設(shè)備。,10,COO定位,COO定位（CellofOrigin）是最簡單的一種定位方法，它是一種單基站定位。這種方法非常原始，就是將移動設(shè)備所屬基站的坐標(biāo)是為移動設(shè)備的坐標(biāo)。這種定位方法的精度極低，其精度直接取決于基站覆蓋的范圍。如果基站覆蓋范圍半徑為50米，那么期誤差就是50米。,11,ToA/TDoA定位,要想得到更精確的定位，就必須使用多個基站同時測得的數(shù)據(jù)。多基站定位方法中，最常用的就是ToA/TDoA定位。ToA（TimeofArrival)基站定位與GPS定位方法相似，不同之處是把衛(wèi)星換成了基站。這種方法對時鐘同步精度要求很高，而基站時鐘精度遠(yuǎn)比不上GPS衛(wèi)星的水平；此外，多徑效應(yīng)也會對測量結(jié)果產(chǎn)生誤差?；谝陨显?，人們在實際中用的更多的是TDoA（TimeDifferenceofArrival)定位方法，不是直接用信號的發(fā)送和到達(dá)時間來確定位置，而是用信號到達(dá)不同基站的時間差來建立方程組求解位置，通過時間差抵消掉了一大部分時鐘不同步帶來的誤差。,12,AoA定位,ToA和TDoA測量法都至少需要三個基站才能進(jìn)行定位，如果人們所在區(qū)域基站分布較稀疏，周圍收到的基站信號只有兩個，就無法定位。這種情況下，可以使用AoA（AngleofArrival）定位法。只要用天線陣列測得定位目標(biāo)和兩個基站間連線的方位，就可以利用兩條射線的焦點確定出目標(biāo)的位置。,13,AoA定位示意圖,14,蜂窩基站定位應(yīng)用,蜂窩基站定位的精度不高，其優(yōu)勢在于其定位速度快，在數(shù)秒之內(nèi)便可以完成定位。蜂窩基站定位法的一個典型應(yīng)用就是緊急電話定位，在刑事案件中大展身手。北美地區(qū)的E-911系統(tǒng)（Enhanced911）是目前比較成熟的緊急電話定位系統(tǒng)（911是北美地區(qū)的緊急電話號碼，相當(dāng)于我國的911）。,15,無線室內(nèi)環(huán)境定位,在無線通信領(lǐng)域，室內(nèi)和室外的環(huán)境可以說是天壤之別。定位也一樣，在室外露天環(huán)境，只需要用GPS就可以得到很高的定位精度了，基站定位也不錯。但是在室內(nèi)環(huán)境中，GPS由于受到屏蔽，變得很難用，而基站定位的信號受到多徑效應(yīng)（波的反射和疊加原理產(chǎn)生的）的影響，定位效果也會大打折扣?，F(xiàn)存大多數(shù)室內(nèi)定位系統(tǒng)都基于信號強度（RadioSignalStrength,RSS）,其優(yōu)點在于不需要專門的定位設(shè)備，可以就是取材，利用已有的鋪設(shè)好的網(wǎng)絡(luò)如藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)絡(luò)、ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)等來進(jìn)行定位，非常經(jīng)濟(jì)實惠。目前室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行短波定位的方法主要有紅外線定位、超聲波定位、藍(lán)牙定位、射頻識別定位（RFID）、超寬帶定位(UWB)、ZiGbee定位等。限于篇幅，這里僅就ZiGbee定位做詳細(xì)敘述。,16,Zigbee技術(shù),Zigbee是IEEE802154協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。Zigbee在中國被譯為“紫蜂”，它與藍(lán)牙相類似，是一種新興的短距離無線通信技術(shù)。,17,ZigBee定位原理,ZigBee定位就是通過在待定位區(qū)域布設(shè)大量的廉價參考節(jié)點，這些參考節(jié)點間通過無線通信的方式形成了一個大型的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)需要對待定位區(qū)的節(jié)點進(jìn)行定位時，在通信距離內(nèi)的參考節(jié)點能快速的采集到這些節(jié)點信息，同時利用路由廣播的方式把信息傳遞給其他參考節(jié)點，最終形成了一個信息傳遞鏈并經(jīng)過信息的多級跳躍回傳給終端電腦加以處理，從而實現(xiàn)對一定區(qū)域的長時間監(jiān)控和定位。,18,ZigBee定位原理,19,ZigBee定位算法,典型的數(shù)據(jù)密集型計算具體的計算方法是：節(jié)點首先讀取計算節(jié)點位置的參數(shù)，然后將相關(guān)信息傳送到中央數(shù)據(jù)采集點，對節(jié)點位置進(jìn)行計算，最后，再將節(jié)點位置的相關(guān)參數(shù)傳回至該節(jié)點。這種計算節(jié)點位置的方法只適用于小型的網(wǎng)絡(luò)和有限的節(jié)點數(shù)量，因為進(jìn)行相關(guān)計算所需的流量將隨著節(jié)點數(shù)量的增加而呈指數(shù)級速度增加。因此，高流量負(fù)載加上帶寬的不足限制了這種方法在電池供電網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。,20,ZigBee定位算法,分布式定位計算方法（CC2431）根據(jù)從距離最近的參考節(jié)點(其位置是已知的)接收到的信息，對節(jié)點進(jìn)行本地計算，確定相關(guān)節(jié)點的位置。因此，網(wǎng)絡(luò)流量的多少將由待測節(jié)點范圍中節(jié)點的數(shù)量決定。另外，由于網(wǎng)絡(luò)流量會隨著待測節(jié)點數(shù)量的增加而成比例遞增，因此，CC2431還允許同一網(wǎng)絡(luò)中存在大量的待測節(jié)點。,21,定位引擎技術(shù),定位引擎根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)中臨近射頻的接收信號強度指示(RSSI)，計算所需定位的位置。在不同的環(huán)境中，兩個射頻之間的RSSI信號會發(fā)生明顯的變化。例如，當(dāng)兩個射頻之間有一位行人時，接收信號將會降低30dBm。為了補償這種差異，以及出于對定位結(jié)果精確性的考慮，定位引擎將根據(jù)來自多達(dá)16個射頻的RSSI值，進(jìn)行相關(guān)的定位計算。其依據(jù)的理論是：當(dāng)采用大量的節(jié)點后，RSSI的變化最終將達(dá)到平均值。要求在參考節(jié)點和待測節(jié)點之間傳輸?shù)奈ㄒ恍畔⒕褪菂⒖脊?jié)點的X和Y坐標(biāo)。定位引擎根據(jù)接收到的X和Y坐標(biāo)，并結(jié)合根據(jù)參考節(jié)點的數(shù)據(jù)測量得出的RSSI值，計算定位位置。,22,擴(kuò)大覆蓋范圍,定位引擎的覆蓋范圍為64m64m，然而，大多數(shù)的應(yīng)用要求更大的覆蓋范圍。擴(kuò)大定位引擎的覆蓋范圍可以通過兩種方法來實現(xiàn)：1）提高參考節(jié)點的輸出功率，同時降低定位引擎計算結(jié)果的精度;2）在一個更大的范圍布置參考節(jié)點，并利用最強的信號進(jìn)行相關(guān)參考節(jié)點的定位計算。由于第二種方法能夠在定位引擎擴(kuò)大覆蓋面的同時不犧牲定位精度，因此更為可取。具體的工作原理是：,23,擴(kuò)大覆蓋范圍,網(wǎng)絡(luò)中的待測節(jié)點發(fā)出廣播信息，并從各相鄰的參考節(jié)點采集數(shù)據(jù)，選擇信號最強的參考節(jié)點的X和Y坐標(biāo)。計算與參考節(jié)點相關(guān)的其他節(jié)點的坐標(biāo)。對定位引擎中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并考慮距離最近參考節(jié)點的偏移值，從而獲得待測節(jié)點在大型網(wǎng)絡(luò)中的實際位置。,24,提高精確性,定位引擎采用來自附近參考節(jié)點的RSSI測量值來計算待測節(jié)點的位置。RSSI將隨著天線設(shè)計、周圍環(huán)境以及包括若干其他因素在內(nèi)的其他附近RF源的變化而變化。定位引擎將數(shù)個參考節(jié)點的位置信息加以平均。增加參考節(jié)點的數(shù)量，則可降低對各節(jié)點具體測試結(jié)果的依賴性，同時全面提高精確度。無論在什么情況下設(shè)置參考節(jié)點，都會影響到定位的精確性，這主要是因為當(dāng)參考節(jié)點設(shè)置在離相關(guān)表面很近的地方時，會產(chǎn)生天花板或地板的吸附作用。因此，應(yīng)盡量使用在各方位都具備相同發(fā)射能力的全向天線。,25,新型定位系統(tǒng),除了上面幾種定位系統(tǒng)外，進(jìn)來隨著技術(shù)的發(fā)展，又誕生了很多新的定位系統(tǒng)。這里介紹其中具有代表性的兩個系統(tǒng)：A-GPS定位和無線AP定位。,26,A-GPS定位,A-GPS（AssistedGlobalPositioningSystem）以為輔助GPS定位，這種定位方法可以看做是GPS定位和蜂窩基站定位的結(jié)合體。GPS定位較慢，初次定位還要花幾分鐘來搜索當(dāng)前可用的衛(wèi)星信號。而基站定位雖然速度快，但其精確度不如GPS高。A-GPS取長補短，利用基站定位法，快速搜索當(dāng)前所處的大致位置，然后通過基站連入網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器查詢到當(dāng)前上方可見的衛(wèi)星，極大地縮短了搜索衛(wèi)星的速度。知道那幾顆衛(wèi)星可用之后，只需用這幾顆衛(wèi)星定位，就可以得到非常精確地結(jié)果。使用A-GPS定位，全過程只需要數(shù)十秒，又可以享受GPS的定位精度，可以說是兩全其美。,27,無線AP定位,無線AP（AccessPoint,接入點）定位是一種WiFi定位技術(shù)，它與蜂窩基站的COO定位技術(shù)相似，通過WiFi接入點來確定目標(biāo)的位置。每個AP都在不斷向外廣播信息，以便各種WiFi設(shè)備尋找接入點，信息中包含有自己全球唯一的MAC地址。如果用一個數(shù)據(jù)庫記錄下全世界所有無線AP的MAC地址，以及該AP所在的位置，就可以通過查詢數(shù)據(jù)庫來得到附近AP的位置，再通過信號強度來估算出比較精確地位置。該技術(shù)和GPS合用，就是前面提到的A-GPS的一種，iphone就是采用了這種技術(shù)。