物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論

（第3版）南開大學(xué)吳功宜

吳英第6章

位置信息、服務(wù)與定位技術(shù)本章知識點(diǎn)結(jié)構(gòu)本章教學(xué)要求掌握位置信息的概念和內(nèi)涵理解衛(wèi)星定位系統(tǒng)概念與工作原理了解各種定位技術(shù)的特點(diǎn)理解物聯(lián)網(wǎng)位置服務(wù)的基本概念6.1位置信息與位置服務(wù)

6.1.1位置信息的重要性位置信息是人們生活中每一個時刻都必須掌握的信息，是最基本的一類信息位置是物聯(lián)網(wǎng)中各種信息的重要屬性之一，缺少位置的感知信息是沒有使用價值的位置信息是物聯(lián)網(wǎng)提供位置服務(wù)的基礎(chǔ)6.1.2位置服務(wù)的基本概念位置服務(wù)不只是單純獲取一個空間信息，其涵蓋了三個關(guān)鍵要素（地理位置、時間、人或物體），利用這些彼此關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵要素信息，既能夠“因地制宜”為人們提供所在位置附近的服務(wù)，又能夠“見機(jī)行事”為人們提供時效性、便捷性的服務(wù)，還能夠“因人而異”提供更個性化、人性化的服務(wù)6.1.3位置服務(wù)的發(fā)展基于位置的服務(wù)LocationBasedService，LBS6.2全球定位系統(tǒng)

6.2.1GPS的基本概念全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“GNNS”將衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，具有全時空、全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時地提供導(dǎo)航、定位和授時的特點(diǎn)目前世界4個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）、歐洲伽利略（Galileo）”衛(wèi)星定位系統(tǒng)，以及中國的“北斗（BeiDou）”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由于美國的GPS系統(tǒng)發(fā)展得比較早，技術(shù)成熟、應(yīng)用面廣，因此人們習(xí)慣上用的“GPS”代替了更為準(zhǔn)確的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)術(shù)語“GNNS”6.2.2GPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)GPS由三個部分組成：空間星座部分、地面監(jiān)控部分與用戶設(shè)備部分空間星座部分24顆衛(wèi)星分布在6個軌道上，每一個軌道上不均勻地分布著4顆衛(wèi)星，軌道高度為20200千米衛(wèi)星的功能：

接收從地面監(jiān)控部分發(fā)射的導(dǎo)航信息，執(zhí)行控制指令，通過推進(jìn)器調(diào)整自身的運(yùn)行姿態(tài)

進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理，向地面發(fā)送導(dǎo)航信息地面監(jiān)控部分由分布在全球的一個主控站、6個監(jiān)控站與4個注入站組成監(jiān)控站的主要任務(wù)是對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測和數(shù)據(jù)采集，并將檢測數(shù)據(jù)傳送到主控站主控站是整個系統(tǒng)的核心，它擔(dān)負(fù)5項(xiàng)任務(wù)：監(jiān)視所有衛(wèi)星的運(yùn)行軌道計算衛(wèi)星運(yùn)行軌道的各種修正參數(shù)計算衛(wèi)星時鐘誤差，維護(hù)GPS系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)發(fā)送調(diào)整衛(wèi)星軌道的命令，確保衛(wèi)星按預(yù)定的軌道運(yùn)行監(jiān)視衛(wèi)星運(yùn)行情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障時啟動備份衛(wèi)星注入站將主控站的衛(wèi)星導(dǎo)航報文與控制命令發(fā)送到各個衛(wèi)星用戶設(shè)備部分導(dǎo)航型接收機(jī)主要用于運(yùn)動物體的導(dǎo)航，可以實(shí)時給出物體的位置和速度，根據(jù)應(yīng)用的不同可以分為：車載型、航海型、航空型與星載型接收機(jī)測地型接收機(jī)主要用于精密大地測量和精密工程測量，這類儀器定位精度高，設(shè)備復(fù)雜，價格較貴授時型接收機(jī)主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行授時，常用于天文臺及無線電通信的時間同步6.2.3GPS工作原理已知衛(wèi)星1的坐標(biāo)是（x1,y1,z1），那么距離R1值與A點(diǎn)坐標(biāo)、衛(wèi)星1的坐標(biāo)關(guān)系為：如果接收機(jī)同時能夠接收到衛(wèi)星2與衛(wèi)星3的信號，確定A點(diǎn)與3顆衛(wèi)星的距離分別為R2、R3，那么就可以推出與R2、R3對應(yīng)的A點(diǎn)坐標(biāo)與衛(wèi)星2、衛(wèi)星3坐標(biāo)關(guān)系的方程從3個方程中解出3個未知數(shù)，即A點(diǎn)的坐標(biāo)（x,y,z），應(yīng)該是可行的；計算出A點(diǎn)的坐標(biāo)之后，結(jié)合電子地圖，就可以確定A點(diǎn)在地圖上的位置如果再在下一秒測量出下一個新坐標(biāo)的值，接收機(jī)就可以算出你的運(yùn)動速度與方向。如果你輸入一個目的地址，接收機(jī)就可以為你推薦導(dǎo)航的路線，或者為你的汽車導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的時鐘與GPS接收機(jī)的時鐘肯定是有誤差的，通過第四顆衛(wèi)星計算出接收機(jī)時鐘與衛(wèi)星系統(tǒng)時鐘的誤差，修正計算出的衛(wèi)星信號在空間傳播的時間Δt值，以提高定位精度位置與導(dǎo)航信息不是衛(wèi)星計算好后發(fā)給用戶設(shè)備，而是用戶設(shè)備自己算出來。用戶設(shè)備跟蹤可見的GPS衛(wèi)星，對接收到的衛(wèi)星無線信號進(jìn)行處理，計算出位置信息與導(dǎo)航信息6.2.4北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將由5顆

靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，2020年左右覆蓋全球

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的四大功能是：定位、導(dǎo)航、授時與通信定位精度能夠達(dá)到10米，測速精度0.2米/秒，時間同步精度可以達(dá)到10ns，用戶終端具有雙向短報文通信功能，用戶一次可以傳送40～60個漢字的短報文信息通信北斗系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于個人定位與導(dǎo)航、氣象、道路交通、鐵路運(yùn)輸、海運(yùn)和水運(yùn)、航空運(yùn)輸、應(yīng)急救援、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能環(huán)保、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域6.3定位技術(shù)的發(fā)展

6.3.1移動通信網(wǎng)定位技術(shù)從3G網(wǎng)絡(luò)投入商用開始，定位服務(wù)已成為移動通信網(wǎng)必備的附加功能，為數(shù)以億計的移動用戶提供各種基于位置的服務(wù)。移動通信網(wǎng)中的定位技術(shù)是指通過移動站對接收到的無線電波中的某些參數(shù)（例如傳輸時間、幅度、相位、到達(dá)角等）進(jìn)行測量，并根據(jù)特定算法計算出被測物體的位置在基于LTE標(biāo)準(zhǔn)的4G/5G網(wǎng)絡(luò)中，常用的定位技術(shù)主要包括：增強(qiáng)小區(qū)ID（EnhancedCell-ID，E-CID）、OTDOA、A-GPS等A-GPS技術(shù)輔助GPS定位（AssistedGPS，A-GPS）6.3.2基于Wi-Fi的定位技術(shù)Wi-Fi的AP設(shè)備號的唯一性Wi-Fi的AP定時發(fā)送信標(biāo)AP設(shè)備只覆蓋有限的地理范圍6.3.3基于RFID的定位技術(shù)凡是應(yīng)用RFID技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，在自動感知物品信息的同時，可以從中提取物品的位置信息可用于生產(chǎn)過程控制中的質(zhì)量跟蹤、庫存與固定資產(chǎn)管理，物流管理應(yīng)用中采購、入庫、庫存管理、出庫、配送運(yùn)輸?shù)娜^程，醫(yī)院管理中藥品、醫(yī)療器械、醫(yī)用廢棄物，以及患者、醫(yī)護(hù)人員管理等可用于幼兒園幼兒管理、醫(yī)院新生兒管理，博物館與旅游景區(qū)對不同區(qū)域游客的解說服務(wù)，機(jī)場乘客導(dǎo)航與服務(wù)，監(jiān)獄服刑人員管理等6.3.4無線傳感器定位技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，位置信息是事件發(fā)生位置報告、目標(biāo)跟蹤、路由控制、網(wǎng)絡(luò)管理的前提事件發(fā)生的位置或獲取信息的節(jié)點(diǎn)位置，是傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測信息中所包含的重要信息；沒有位置信息的監(jiān)測數(shù)據(jù)是毫無意義的，錯誤的位置信息往往會導(dǎo)致判斷的錯誤WSN定位信息除用來報告事件發(fā)生的地點(diǎn)外，還可以用于目標(biāo)跟蹤，實(shí)時監(jiān)視目標(biāo)的行動路線，預(yù)測目標(biāo)的前進(jìn)軌跡6.4位置服務(wù)

6.4.1位置服務(wù)的必要性隨著智能手機(jī)、可穿戴計算設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的廣泛應(yīng)用，位置服務(wù)逐漸成為移動互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的必備服務(wù)。目前，位置服務(wù)已經(jīng)深入滲透到社會生活的各個方面，并且正在改變著人們的生活與生產(chǎn)方式在智能工業(yè)應(yīng)用中，對于智能工廠的自動化生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)，只有知道裝配的零部件是否到達(dá)指定位置，才能確定下一步的裝配動作；在智能交通應(yīng)用中，車載GPS設(shè)備實(shí)時監(jiān)測車輛的位置，計算并更新汽車到達(dá)目的地的最佳行車路線，以向駕駛員提供導(dǎo)航信息；在智能醫(yī)療應(yīng)用中，健康監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時采集被監(jiān)控對象的血壓、脈搏等參數(shù)，患者發(fā)病后及時確定所在的位置并采取急救措施6.4.2位置應(yīng)用示例“掌上公交”應(yīng)用示例位置服務(wù)應(yīng)用的發(fā)展隨著智能手機(jī)、可穿戴計算設(shè)備與物聯(lián)網(wǎng)移動終端設(shè)備應(yīng)用的發(fā)展，位置服務(wù)迅速地流行開來位置服務(wù)已經(jīng)成為信息服務(wù)業(yè)一種新的服務(wù)模式與經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)位置服務(wù)以及從商業(yè)服務(wù)逐漸擴(kuò)大到智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)智能醫(yī)療、智能物流、智能交通等領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用高度依賴位置信息與位置服務(wù)，位置服務(wù)將成為物聯(lián)網(wǎng)重要的研究內(nèi)容與新的產(chǎn)業(yè)增長點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)與高精度地圖互聯(lián)網(wǎng)地圖經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜，從提供靜態(tài)地圖到提供動態(tài)地圖的發(fā)展過程，物聯(lián)網(wǎng)自動駕駛的應(yīng)用提出了新的高精度定位、高精度地圖研發(fā)的需求現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)地圖精度一般只能達(dá)到米級，而自動駕駛汽車需要達(dá)到厘米級（