第4章定位系統物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第1頁內容提要經過定位系統獲取位置信息是物聯網時代主要研究課題。本章將經典定位系統和定位技術。物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第2頁第3章介紹了傳感器技術傳感器設計需求（低成本與微型化，低功耗，靈活性與擴展性，魯棒性）傳感器軟硬件平臺本章介紹位置信息概念，重點介紹經典定位系統（衛星定位，蜂窩基站定位，無線室內環境定位，新興定位系統）以及三種常見定位技術。內容回顧物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第3頁4.1位置信息4.2定位系統4.3定位技術4.4物聯網對定位技術新挑戰位置信息三大要素是什么？本章內容物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第4頁為何需要定位？基于位置服務自動導航搜索周圍服務信息基于位置社交網絡：Foursquare位置信息和我們生活息息相關位置信息不是單純“位置”地理位置（空間坐標）處于該位置時刻（時間坐標）處于該位置對象（身份信息）物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第5頁4.1位置信息4.2定位系統4.3定位技術4.4物聯網對定位技術新挑戰經典定位系統有哪些？各自有哪些特點？本章內容物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第6頁現存主流定位系統衛星定位：GPS蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統：A-GPS，網絡定位物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第7頁衛星定位衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統各國衛星定位系統美國：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國：北斗一號（區域）、北斗二號（全球）GPS是當前世界上最慣用衛星導航系統。物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第8頁GPS：發展簡史衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統1973年，美國國防部開始GPS計劃1983年，里根承諾未來對民間開放使用1989年，正式開始發射GPS工作衛星1994年，衛星星座組網完成，投入使用，克林頓下令取消軍用/民用信號精度差異對待物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第9頁GPS：系統結構衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統宇宙空間部分24顆工作衛星地面監控部分（全部在美國境內）1個主控中心（另有1個備用）4個專用地面天線6個專用監視站用戶設備部分GPS接收機物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第10頁GPS：定位原理衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第11頁GPS：主要優缺點衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統優點精度高全球覆蓋，可用于險惡環境缺點開啟時間長室內信號差需要GPS接收機物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第12頁GPS經典應用：汽車導航衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統最初僅能提供位置和周邊地圖第二代汽車導航系統可根據目地自動計算“最短”路線互聯網時代，汽車導航可從交管部門取得路況咨詢，優化路線，找出“最快”路線物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第13頁GPS經典應用：汽車導航衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統物聯網時代，感知更透徹綜合道路情況，污染指數，天氣情況，加油站分布，駕駛員身體情況等各種原因找出“最正確”路線由“以路為本”轉變到“以人為本”物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第14頁蜂窩基站定位衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統GSM蜂窩網絡通訊區域被分割成蜂窩小區每個小區對應一個通訊基站通訊設備連接小區對應基站進行通訊利用基站位置已知條件，可對通訊設備進行定位物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第15頁單基站定位法衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統COO定位（CellofOrigin）將移動設備所屬基站位置視為移動設備位置精度直接取決于基站覆蓋范圍基站分布疏松地域，一個基站覆蓋范圍半徑可達數公里，誤差巨大優點：簡單、快速，適用緊急情況物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第16頁多基站定位法衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統ToA/TDoA定位法需要三個基站才能定位稀疏地域可能只能收到兩個基站信號，不適用AoA定位法物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第17頁蜂窩基站定位：主要優缺點衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統優點不需要GPS接收機，可通訊即可定位開啟速度慢信號穿透能力強，室內亦可接收到缺點定位精度相對較低基站需要有專門硬件，造價昂貴物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第18頁經典應用：緊急電話定位衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統美國E-911系統撥打報警電話時，依據基站定位出手機位置，自動接到最近警局綜合了各種定位系統，包含ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS使用時嘗試各種定位方法，擇優而用物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第19頁無線室內環境定位衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統室內環境復雜性多徑效應原因：障礙物反射電磁波，反射波和原始波在接收端混疊室內障礙物眾多，多徑效應顯著對電磁波妨礙作用長波信號（GPS）傳輸能力強，穿透能力弱室內應選取短波信號來進行定位物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第20頁無線室內環境定位衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統需求主要來自企業和個人：難以購置ToA，TDoA，AoA等技術所需昂貴硬件RSS定位技術使用信號強度進行定位利用已經有無線網絡（藍牙、Wi-Fi、ZigBee）紅外線、超聲波、藍牙、RFID、超寬帶……物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第21頁RFID定位經典應用衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統資產管理在設備上貼上RFID標簽需要使用時經過RFID定位找到標簽位置，從而定位設備位置結合感知技術，還能夠監控設備情況是否空閑是否故障是否老化物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第22頁新興定位系統衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統A-GPSGPS定位和蜂窩基站定位結合體利用基站定位確定大致范圍連接網絡查詢當前位置可見衛星大大縮短搜索衛星時間物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第23頁新興定位系統（續）衛星定位蜂窩基站定位無線室內環境定位新興定位系統無線AP定位利用可見Wi-Fi接入點來定位在大城市中，無線AP數目多，定位非常準確在iPhone中成熟應用網絡定位用于無線傳感網、自組織網絡經過少許位置已知節點，定位出全網絡節點位置物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第24頁4.1位置信息4.2定位系統4.3定位技術4.4物聯網對定位技術新挑戰除了距離，哪些空間信息還可用于定位技術？本章內容物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第25頁4.3定位技術定位技術關鍵：有一個或多個已知坐標參考點得到待定物體與已知參考點空間關系定位技術兩個步驟：測量物理量→依據物理量確定目標位置常見定位技術：基于距離定位（ToA）基于距離差定位（TDoA）基于信號特征定位（RSS）物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第26頁基于距離定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征距離測量方法距離d=波速v*傳輸時間Δt傳輸時間Δt=收到時刻t–發出時刻t0問題：接收端怎樣得知t0？物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第27頁基于距離定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征方法1：利用波速差發送端同時發送一道電磁波和聲波接收端統計：電磁波抵達時刻聲波抵達時刻距離因為遠大于，上式可簡化為物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第28頁基于距離定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征方法2：測量波往返時間發送端于時刻發送波接收端收到波后，等候時間后返回一樣波發送端統計收到回復時間距離物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第29頁基于距離定位（ToA）基于距離基于距離差基于信號特征位置計算方法多邊測量（也稱多點測量）平面上定位，取三個參考點以每個參考點為圓心，到該參考點距離為半徑畫圓，目標必在圓上平面上三個圓交于一點實際中取用超出三個參考點，用最小二乘法降低誤差物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第30頁基于距離差定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征ToA局限需要參考點和測量目標時鐘同時TDoA不需要參考點和測量目標時鐘同時參考點之間依然需要時鐘同時物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第31頁基于距離差定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征距離差測距方法測量目標廣播信號參考點i，j分別統計信號接收到時刻ti，tj測量目標到i，j距離差物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第32頁基于距離差定位（TDoA）基于距離基于距離差基于信號特征位置計算方法最少兩組數據聯立方程求解實際采取多組數據最小二乘法求解每次測量結果參考點坐標到參考點距離構建方程：物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第33頁基于信號特征定位基于距離基于距離差基于信號特征ToA和TDoA都需要接收端特殊裝置基于信號特征定位直接利用無線通信射頻信號定位，不需要額外設備原理：信號強度隨傳輸距離衰減問題：理想公式實際難以應用物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第34頁基于信號特征定位基于距離基于距離差基于信號特征處理方法：將信號強度看做“特征”預先布置N個參考節點測出N個參考節點信號強度，得到一個N維向量事先測出區域中每個位置特征向量將目標測出特征向量和事先測量值比對，找出位置缺點：不能應對動態改變物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第35頁基于信號特征定位基于距離基于距離差基于信號特征LANDMARC：基于信號特征動態定位方法除了信號發送源，再布置一系列RFID標簽作為參考標志每個標志隨時統計自己收到RSS信號強度特征向量將目標測得信號特征向量與參考標志此時特征向量進行比對，確定位置，誤差在1m范圍以內物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第36頁4.1位置信息4.2定位系統4.3定位技術4.4物聯網對定位技術新挑戰物聯網背景對定位技術有哪些新需求？本章內容物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第37頁網絡異構接入物聯網設備五花八門連接起來網絡各自不一樣→怎樣讓不一樣設備在不一樣網絡下準確定位環境多變室外vs.室內空闊地帶vs.障礙物眾多靜止設備vs.頻繁運動4.4物聯網下定位技術新挑戰物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第38頁信息安全與隱私保護位置信息內涵豐富且隱私息息相關高精度位置信息泄露后果嚴重→怎樣既確保信息精度，又保護個人隱私大規模應用物聯網時代，接入網絡設備將超出500億臺→怎樣應對龐大數量增加→怎樣讓定位技術為簡單設備（如RFID標簽）所用4.4物聯網下定位技術新挑戰物聯網導論-定位系統及其應用培訓課件第39頁本章小結內容回顧本章介紹了位置信息基本概念，重點討論了四種定位系統以及三種經典定位技術，最終探討了物聯網對定位技術新挑戰。重點掌握了解位置信息三要素。了解GP