《物联网技术》课程笔记——第三章 物联网感知技术之定位技术

简介: 《物联网技术》课程笔记——第三章 物联网感知技术之定位技术


1、位置信息和位置服务

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)
  • 处在该位置的时刻(时间坐标)
  • 处在该位置的对象(身份信息)

1.2 位置服务

  • 移动互联网、智能手机与GPS技术的应用带动了基于位置的服务( LBS)的发展
  • 位置服务是通过移动通信运营商的GSM网、CDMA网、3G/4G或全球定位系统GPS获取移动数字终端设备位置信息,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

移动互联网中的位置服务

2、定位系统

  • 卫星定位
  • 移动通信蜂窝基站定位
  • 无线室内环境定位
  • 网络定位:无线 :无线AP定位
  • RFID定位

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)

3.1 基于距离的定位(ToA)

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。

注:

  • 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:接收端如何得知t0?

3.2 基于距离差的定位(TDoA)

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。

  • ToA的局限
  • 需要参考点和测量目标时钟同步
  • TDoA
  • 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

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

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

3.3 基于信号强度的定位

  • 解决方法:
  • 将信号强度看做“特征 “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 ,找出位置
  • 缺点:不能应对动态变化

4、GPS卫星定位技术

4.1概述

  • 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。

4.2 GPS定位原理

4.3 GPS的系统组成

4.3.1 GPS的空间部分

  • GPS的空间部分的组成
  • 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卫星星座
  • 设计星座:21+3
  • 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星
  • 保证在每天24小时的任何时刻,在高度角15°以上,能够同时观测到4颗以上卫星
  • 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

4.3.2 GPS的地面监控部分

  • 组成
  • 分布
  • 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
  • 地点:夏威夷、主控站及三个注入站

  • 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
  • 地点:美国科罗拉多州法尔孔空军基地
  • 注入站(3个)
  • 作用:将导航电文注入GPS卫星
  • 地点:阿松森群岛(大西洋)、迪戈加西亚(印度洋)和卡瓦加兰(太平洋)

1.3.3 GPS的用户部分

4.4 伪距测量原理

  • 伪距:
  • 卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得到的量测距离。

  • 由于发射者与接收者的时钟存在误差, 测得的△t并不准确,所以称作伪距

4.5 单点定位

  • 首先我们可以得到GPS卫星的位置
  • 其次,我们又能准确测定我们所在地点A 至3个卫星之间的距离
  • 那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的三个圆球相交的两个点上
  • 根据地理知识,很容易排除其中一个不合理的位置
  • 单点定位精度:±15~30米

4.6 GPS中的准确时间

  • GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟,并由监测站经常进行校准。
  • 卫星发送导航信息,同时发送时间信息。
  • GPS接收机接收此信息,使之与自身的时钟同步,就可获得准确的时间。
  • GPS接收机中的时钟,不可能像在卫星上那样,设置昂贵的原子钟,所以就利用第四颗卫星,在计算过程中校准GPS接收机的时钟

4.7 差分GPS定位技术

  • 在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。其目的在于消除公共项,包括公共误差和公共参数。
  • 利用差分GPS技术来改善定位性能。它使用一台GPS基准接收机和一台用户接收机,利用实时或事后处理技术,就可以使用户测量时消去公共的误差源——电离层和对流层效应,并能将卫星钟误差和星历误差消除。

4.7.1 差分GPS定位技术的误差

  • 在GPS定位过程中,存在三部分误差
  • 一部分是对每一个用户接收机所共有的,例如:卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等
  • 第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差
  • 第三部分为各用户接收机所固有的误差,例如内部噪声、通道延迟、多径效应等
  • 利用差分技术第一部分误差可完全消除,第二部分误差大部分可以消除。第三部分误差则无法消除,只能靠提高GPS接收机本身的技术指标
  • 载波相位和差分定位技术的应用使测量定位精度可以达到毫米级精度

4.7.2 差分GPS定位的分类

  • 差分GPS定位分为三类,即位置差分 :位置差分、伪距差分和相位差分。
  • 这三类差分方式的工作原理是相同的,即都是由基准站发送改正数,由用户站接收并对其测量结果进行改正,以获得精确的定位结果。
  • 位置差分原理:安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位,解算出基准站的坐标。解算出的坐标与基准站的已知坐标之间存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去,由用户站接收,并且对其解算的用户站坐标进行改正。先决条件:基准站和用户站观测同一组卫星的情况。

4.8 GPS接收机分类

4.9 GPS的主要应用领域

  • 陆地应用:车辆导航、突发事件应急指挥、大气 物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测与市政规划控制
  • 海洋应用:远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、船舶远洋导航和进港引水、海洋救援、水文地质测量、海洋平台定位与海平面升降监测
  • 航空航天应用:飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等

4.10 地理信息系统GIS

  • GIS是在地理学、遥测遥感技术、GPS、管理科学与计算机科学的基础上发展起来的一门交叉学科
  • 遥感影像可以作为GIS系统的一种基本地图,由GPS系统提供的精确位置数据,以及其他社会经济数据共同形成了地理空间数据库

4.11 世界主要卫星定位系统

关于中国北斗系统

5、移动通信蜂窝定位技术

5.1 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

5.2 多基站:TOA(Time of Arrival)定位

6、基于RFID的定位技术

  • RFID标签通过与标签读写器的数据交互,可以将存储在RFID标签中有关物品的信息自动传送到计算机中,同时RFID标签与RFID标签读写器 交互的过程也记录下带着RFID标签物体的位
  • 已经成功应用于幼儿园幼儿管理、医院新生儿管理,博物馆与旅游景区对到达不同区域的游客播放不同解说词的服务,机场乘客导航与服务,以及监控人员管理

练习与思考

  • 位置信息的三要素是什么?
  • 什么是基于位置的服务?
  • 简述基于距离的定位技术的原理和过程。
  • GPS系统由哪几部分组成?
  • 为什么差分GPS定位技术可以显著提高定位精度?
  • 简述移动通信蜂窝定位技术的基本原理。
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