物联网 第七章 定位技术

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
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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 7.3.6 RFID室内定位技术 7.3.7 UWB室内定位技术 7.3.8 WIFI室内定位技术 7.3.9 ZigBee室内定位技术
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GPS是（Global Positioning System）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。
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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
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GPS全球定位系统 空间部分
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室内定位技术要求
定位精度 稳健性 安全性 方向判断 标志识别 复杂度
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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PS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。
第七章 定位技术
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
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定位服务（LBS，Location Based Services）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。
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（Monitor Station）、主控制站 （Master Monitor Station）、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。
Location = GetLocation（[Position1,α 1 ][Position2,α 2]）
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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。
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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。
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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。
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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。
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AOA定位
到达角度（Angle of Arrival，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。
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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。
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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。
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全球四大成熟的卫星定位系统
•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
美国 GPS
中国北 斗
•是中国自行 研制的全球 卫星导航系
统
•欧洲的卫星 定位系统
欧盟 “伽利 略”
俄罗斯 格洛纳
斯
•18颗卫星 覆盖俄罗斯
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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
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TOA定位
基于距离的到达时间即TOA（Time of Arrival）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。
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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。
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单基站定位
COO（Cell of Origin）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。
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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。
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辅助全球卫星定位系统AGPS（Assisted GPS，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。
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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
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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。
“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）。
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7.2.1 定位服务技术概述 7.2.2 室外定位技术 7.2.3 GPS全球定位系统 7.2.4 基站定位 7.2.5 新型定位系统
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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
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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。
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无线局域网络（WLAN）具有高带宽、高速率、高覆盖度的特点，且受非 视距影响极小。在中短距离范围内，Wi-Fi具有无可比拟的优势。对于室内环 境，Wi-Fi的多径效应依然不能避免，因此基于信号衰减模型的定位方法无法 使用。
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。
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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
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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）。
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
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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。