物联网技术-第3章物联网感知技术-3.2定位技术

1.1位置信息和位置服务

1.1.1位置信息

1.1.2位置服务

1.2主流定位系统

1.2.1卫星定位系统（Satellite Positioning Systems）

1.2.2移动通信蜂窝基站定位（Cellular Triangulation or Advanced Forward Link Trilateration）

1.2.3无线室内环境定位（Indoor Wireless Positioning）

1.2.4网络定位：无线AP定位（Wireless Access Point Positioning）

1.2.5RFID定位（Radio Frequency Identification）

1.3定位技术

1.3.1 基于距离的定位（ToA，Time of Arrival）

1.3.1.1距离测量方法

1.3.1.2位置计算方法

1.3.2基于距离差的定位（TDoA，Time Difference of Arrival）

1.3.2.1距离差测距方法

1.3.3基于信号特征的定位（RSS，Received Signal Strength）

1.4GPS卫星定位技术

1.4.1GPS定位原理

1.4.2GPS的系统组成

1.4.3世界主要卫星定位系统

1.4.4北斗卫星导航系统

1.5移动通信蜂窝定位技术

1.6基于RFID的定位技术

1.7致谢

1.1位置信息和位置服务

1.1.1位置信息

• 基于位置的服务

√ 自动导航

√ 搜索周边服务信息

√ 基于位置的社交网络

• 位置信息和我们的生活息息相关

• 位置信息三要素 不是单纯的“位置”

• 地理位置（空间坐标）因地制宜

• 处在该位置的时刻（时间坐标）见机行事

• 处在该位置的对象（身份信息）因人而异

1.1.2位置服务

移动互联网、智能手机与卫星定位技术的应用带动了基于位置的服务（ LBS）的发展

• 位置服务是通过运营商的移动通信网或卫星定位系统获取移动数字终端位置信息，在地理信息系统GIS平台支持下，为用户提供的一种增值服务

• 位置服务两大功能是：确定你的位置，提供适合你的服务

1.2主流定位系统

1.2.1卫星定位系统（Satellite Positioning Systems）

最著名的卫星定位系统是全球导航卫星系统（GNSS），它包括多个全球及区域性的系统，如美国的GPS（全球定位系统）、俄罗斯的GLONASS（格洛纳斯）、中国的北斗卫星导航系统（BDS）以及欧盟的Galileo等。这些系统通过在地球轨道上部署的卫星网络向地面设备发送精确的时间信号，用户设备接收到多个卫星的信号后，通过计算信号到达的时间差来确定自身的位置、速度和时间信息。卫星定位系统具有全球覆盖、高精度、全天候工作的特点，广泛应用于导航、测绘、农业、交通、军事等领域。

1.2.2移动通信蜂窝基站定位（Cellular Triangulation or Advanced Forward Link Trilateration）

利用移动通信网络中的基站来确定移动设备的位置。手机或其他移动设备连接到最近的几个基站，通过测量信号强度和到达时间差，采用三角测量或多边定位法计算出设备的大致位置。这种定位方式不需要特殊硬件支持，只要有手机信号即可工作，但精度通常比卫星定位低，尤其是在城市密集地区信号反射和干扰较多的情况下。适用于紧急服务响应、位置服务(LBS)等场景。

1.2.3无线室内环境定位（Indoor Wireless Positioning）

针对卫星信号在室内较难接收到的问题，开发了多种室内定位技术，如Wi-Fi定位、蓝牙信标(Beacon)定位等。Wi-Fi定位是通过检测设备连接或扫描到的已知Wi-Fi接入点信号强度，结合事先构建的Wi-Fi热点位置数据库来估算位置。蓝牙信标则是在特定位置布置低功耗蓝牙发射器，设备通过接收信标的信号强度或信号到达时间来确定位置，常用于商场、机场等大型室内场所的导航和位置服务。

1.2.4网络定位：无线AP定位（Wireless Access Point Positioning）

类似于无线室内环境定位中的Wi-Fi定位，无线AP定位也是基于已知无线接入点的位置来确定设备位置。这种方法依赖于大量已知Wi-Fi AP的位置数据库，通过比较设备检测到的AP列表与数据库记录，计算出最可能的位置。此技术广泛应用于城市环境中的定位服务。

1.2.5RFID定位（Radio Frequency Identification）

RFID是一种利用射频信号进行自动识别的技术，常用于物品跟踪和资产管理。在定位方面，通过在特定位置部署RFID阅读器，当带有RFID标签的物体进入阅读器的读取范围内时，可以记录下该标签的信息和时间，从而确定物体的位置。RFID定位适用于仓库管理、医疗设备追踪、零售库存控制等场景，其优点在于非视线也能工作，但定位精度和范围取决于阅读器的布局和标签的数量。

1.3定位技术

定位技术的关键：

• 有一个或多个已知坐标的参考点

• 得到待定物体与已知参考点的空间关系

定位技术的两个步骤：

测量物理量→根据物理量确定目标位置

常见定位技术：

• 基于距离的定位（ToA，Time of Arrival）

• 基于距离差的定位（TDoA，Time Difference of Arrival）

• 基于信号特征的定位（RSS，Received Signal Strength）

1.3.1 基于距离的定位（ToA，Time of Arrival）

ToA：通过测量信号到达监测站的时间，可以确定信号源的距离。利用信号源到多个监测站的距离（以监测站为中心，距离为半径作圆），就能确定信号的位置。

1.3.1.1距离测量方法

– 距离d = 波速v * 传播时间Δt

– 传播时间Δt = 收到时刻t – 发出时刻t0

问题是，接收端如何得知t0？

方法1： 利用波速差

发送端同时发送一道 电磁波和声波

接收端记录：

• 电磁波到达时刻 $t\, r$

• 声波到达时刻 $t\, s$

方法2： 测量波的往返时间

发送端于时刻发送波

接收端收到波后，等待时间 $t\, 0$ 后返回同 样的波

发送端记录收到回复的时间t

1.3.1.2位置计算方法

多边测量（也称多点测量）

• 平面上定位，取三个参考点R1、R2、R3

• 以每个参考点为圆心，到该参考点的距 离为半径画圆，目标必在圆上

• 平面上 三个圆交于一点

实际中取用超过三个参考点，用 最小二乘 法 减少误差

• ToA的局限：需要参考点和测量目标时钟同步

1.3.2基于距离差的定位（TDoA，Time Difference of Arrival）

TDoA：利用时间差进行定位的方法，通过比较信号到达多个监测站的时间差，就能作出以监测站为焦点、距离差为长轴的双曲线，双曲线的交点就是信号的位置。

1.3.2.1距离差测距方法

• 测量目标广播信号

• 参考点i，j分别记录信号接收到的

时刻ti，tj

• 测量目标到i，j的距离差

1.3.2.2 位置计算方法

• 至少 两组数据 联立方程求解

• 实际采用 多组数据最小二乘法 求解

• 每次测量结果

参考点坐标（ $x\,i$ ， $y\, i$ ）（ $x\, j$ ， $y\, j$ ）

到参考点的距离差 Δ $d\, ij$

构建方程：

TDoA特点

• 不需要参考点和测量目标时钟同步

• 参考点之间仍然需要时钟同步

1.3.3基于信号特征的定位（RSS，Received Signal Strength）

基于信号强度的定位：直接利用无线通信的射频信号强度定位，不需要额外设备

原理： 信号强度随传播距离衰减

解决方法：

• 将信号强度看做“特征”

• 预先布置 N个参考节点发送信号

• 将某个位置测得的各参考信号的强度作为一个 N维特征 向量

• 事先测出区域中每个位置的特征向量

• 将目标测出的特征向量和事先测量值 比对 ，找出位置

缺点： 不能应对 动态变化

1.4GPS卫星定位技术

GPS 是 Global Positioning System的缩写，利用卫星进行测时和测距，构成全球卫星定位系统。

• 美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。

• 1973年美国军方批准成立联合计划局开始GPS的研究，1993年系统建成，历时20年，耗资300亿

美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。

• 解决了人类在地球上的导航和定位问题

1.4.1GPS定位原理

• GPS导航系统卫星不断地发射导航电文。

• 由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以至少要能接收到4个卫星的信号，才能知道接收机所处的位置。

1.4.2GPS的系统组成

• GPS系统由三部分组成

– 空间部分

– 地面监控 部分

– 用户设备 部分

（1）空间部分

• GPS的空间部分的组成

–GPS卫星星座

• 6个轨道面

• 平均轨道高度 20200km

• 轨道倾角55

• 周期11h 58min （顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）

GPS卫星作用：

• 接收、存储导航电文

• 生成用于导航定位的信号（测距码、载波）

• 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）

• 接收地面指令，进行相应操作

• 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等

主要设备

• 太阳能电池板

• 原子钟（2台铯钟、2台铷钟）

• 信号生成与发射装置

（2）地面监控部分

–组成

• 主控站：1个

• 监测站：5个

• 注入站：3个

• 通讯与辅助系统

监测站（5个）

作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站

主控站（1个）

作用：

• 管理、协调地面监控系统各部分的工作

• 收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星

• 监控卫星状态，向卫星发送控制指令

• 卫星维护与异常情况的处理

注入站（3个）

作用：将导航电文注入GPS卫星

（3）用户部分

GPS信号接收机、其它仪器设备、导航仪、智能手机等

1.4.3世界主要卫星定位系统

• 中国北斗卫星导航系统（BDS）

• 美国全球定位系统（GPS）

• 俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）

• 欧洲全球卫星导航系统“伽利略（Galileo）”

• 日本准天顶卫星系统（QZSS）

• 印度卫星导航系统

–太空卫星导航（IRNSS）

–GPS星基增强系统（GAGAN)

1.4.4北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

空间部分： 5 颗静止轨道卫星和 30 颗非静止轨道卫星

地面部分： 主控站、注入站和监测站等 40 多个地面站

用户部分： 成千上万的北斗用户及其他兼容的终端北斗比GPS 多出 11 颗卫星

北斗 1 号： 双星有源定位试验系统

北斗 2 号： 亚太区域无源导航系统

北斗 3 号： 覆盖全球的无源卫星导航系统

星间链路技术： 将卫星与卫星、卫星与地面站均有机联系起来，极大提升了安全性和定位精度

提供有源和无源两种定位服务： 而GPS 只提供无源。有源定位能实现地面快速定位，容易指挥调度

短报文功能： 卫星定位终端和卫星或北斗地面服务站之间能够通过卫星进行双向信息传输， GPS 只能单向

（via.百度百科）

1.5移动通信蜂窝定位技术

单基站：COO（Cell of Origin）定位

将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置

多基站：TOA（Time of Arrival）定位

1.6基于RFID的定位技术

基于RFID（Radio Frequency Identification，无线射频识别）的定位技术是一种利用RFID系统进行位置确定的方法。RFID系统通常由三部分组成：RFID标签（Tag）、RFID阅读器（Reader）和后台管理系统。RFID标签附着在待定位的目标上，阅读器通过无线信号与标签通信，获取标签信息。