第4章定位系统

第4章定位系统内容提要通过定位系统获取位置信息是物联网时代的重要研究课题。本章将典型的定位系统和定位技术。•第3章介绍了传感器技术•传感器的设计需求（低成本与微型化，低功耗，灵活性与扩展性，鲁棒性）•传感器的软硬件平台•本章介绍位置信息的概念，重点介绍典型的定位系统（卫星定位，蜂窝基站定位，无线室内环境定位，新兴定位系统）以及三种常见的定位技术。内容回顾4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位技术的新挑战位置信息的三大要素是什么？本章内容位置信息的基本概念位置服务的基本概念定位系统遥感技术GPS技术GIS技术电子地图定位技术*移动通信定位技术无线局域网定位技术RFID定位技术无线传感器网络定位技术为什么需要定位？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：Foursquare位置信息和我们的生活息息相关位置信息不是单纯的“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）4.1位置信息4.2定位系统4.3定位技术4.4物联网对定位技术的新挑战典型的定位系统有哪些？各自有哪些特点？本章内容现存主流定位系统•卫星定位：GNSS•蜂窝基站定位•无线室内环境定位•新兴定位系统：A-GPS，网络定位卫星定位系统GNSS•GlobalNavigationSatelliteSystem中国：北斗一号（区域）北斗二号（全球）参考网址:•全球导航卫星系统（GNSS）将从单一的GPS系统时代转变为多系统并存的全球导航卫星系统时代。•GNSS的四大全球系统分别为美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo和中国的Compass（北斗卫星导航系统。–GPS将于2013年左右完成现代化进程，并不失时机地实施GPSⅢ计划；–GLONASS快速复苏，2007年底达到17颗工作卫星的基本星座规模，2010年实现24颗星完全工作，并在实施现代化计划；–Galileo几经曲折，目前也在抓紧部署；–中国的北斗卫星导航系统计划于2012年形成区域覆盖能力，2020年左右实现全球覆盖。卫星定位系统GNSSGPS：发展简史卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•1973年，美国国防部开始GPS计划•1983年，里根承诺将来对民间开放使用•1989年，正式开始发射GPS工作卫星•1994年，卫星星座组网完成，投入使用•2000年，克林顿下令取消军用/民用信号的精度差别对待GPS定位系统GPS卫星（空间星座部分）地面监控系统（地面监控部分）GPS接收机（用户部分）24颗卫星1个主控站3个注入站5个监测站各型GPS接收机GPS：系统结构1、空间星座部分•24颗卫星(21+3)•6个轨道平面•55º轨道倾角•2万km轨道高度(地面高度)•12小时(恒星时)轨道周期•5个多小时出现在地平线以上(每颗星)GPS卫星星座的功能•主要包括：（1）接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；（2）卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；（3）通过星载的高精度铷钟、铯钟产生基准信号和提供精密的时间标准；（4）向用户发送导航定位信号。包括：两种载波（L1和L2）调制在L1上的伪噪声码C/A码（CoarseAcquisitionCode粗捕获码）调制在L1和L2上的伪噪声P码(PreciseCode精码)（5）在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。GPS卫星结构双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2m2。多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。2、地面监控部分地面监控部分主要包括：一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion)迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)55夏威夷阿松森迭哥•伽西亚卡瓦加兰科罗拉多•斯必灵司•地面主控站的作用主控站的作用收集数据数据处理监测与协调控制卫星2、地面监控部分•地面监控站的作用2、地面监控部分监控站伪距导航数据气象数据卫星状态数据主控站测传送注入站的作用注入站的主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。3、用户接收部分天线前置放大器GPS信号接收机射电部分微处理器电源部分数据存器显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制3、用户接收部分按用途按携带形式按工作原理按载波频率GPS信号接收机分类导航型、测地型和授时型码接收机和无码接收机单频接收机和双频接收机袖珍式、背负式、车载式、舰用式、空（飞机）载式、弹载式和星载式•GPS卫星在空中昼夜不停地连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供GPS接收机接收，卫星时间是由星载原子钟产生的，卫星的位置信息（卫星轨道参数，又称为星历）则是由地面控制站定时发送给卫星，称为“注入”，然后通过卫星广播给用户接收机。•GPS实施的是“到达时间差”（时延）的概念：利用每一颗GPS卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。•GPS卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供GPS接收机接收。由于传输的距离因素，接收机接收到信号的时刻要比卫星发送信号的时刻延迟，通常称之为时延，因此，也可以通过时延来确定距离。•卫星和接收机同时产生同样的伪随机码，一旦两个码实现时间同步，接收机便能测定时延；将时延乘上光速，便能得到距离。图中显示了GPS系统的时延原理。GPS定位原理GPS定位原理卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差，称为伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。•GPS信号利用码分多址（CDMA）方式，所有的卫星都工作在同样的频率上，采用伪随机噪声码（PRN）。•GPS有两种伪随机码：–第一种为粗捕获（C/A）码，主要提供给民用，它调制在L1载波上。其调制频率是1.023MHz，每1ms（1023比特）码将重复一次。每个GPS卫星有其独特的伪随机码。粗捕获码的码元宽度较大，通常测距误差为29.3～2.93米。–笫二种为精准（P）码，是和粗捕获码对应的精测码，它每7天才重复一次，以10.23MHz的频率调制在L1和L2载波上。这种码供军事应用，是加密的。当它加密时，则被称为“Y”码。–由于精准码比粗捕获码复杂得多，所以信号捕获要困难得多，这就是为什么许多军用接收机开机后常常是首先显示粗捕获码，然后过渡到精准码捕获。当然，由于技术的不断进步，美国人已解决了精准码的直接捕获问题，不一定需要有粗捕获码向精准码过渡的过程。GPS伪随机码DGPS：差分定位原理将一台GPS接收机安置在基准站上观测，根据基准站已知的精确坐标，计算出基准站到卫星的距离和由于误差的存在基准占接收机观测的伪距离之间存在一个差值，这个差值（改正值）由基准站实时地发送出去，用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站的改正数，并对定位结果进行修正消除公共误差。DGPS差分定位原理GPS定位精度•精度的定义，是指一个参量的估算值或者测量值与该量的真实值间的统计差值。对于GPS民用或者军用性能标准和空间信号而言，这些参量是指伪距、伪距变化率（速度）和伪距加速度。GPS：主要优缺点卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•优点精度高全球覆盖，可用于险恶环境•缺点启动时间长室内信号差需要GPS接收机GPS的应用•GPS在交通运输中的应用•GPS在公安工作中的应用•GPS在军事上的应用•GPS在生活上的应用•GPS的其他应用GPS在交通运输中的应用车辆跟踪提供出行路线规划和导航信息查询话务指挥紧急援助三维导航：GPS的首要功能，为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。船舶远洋导航和进港引水飞机航路引导和进场降落汽车自主导航地面车辆跟踪和城市智能交通管理GPS典型应用：汽车导航•最初仅能提供位置和周边地图•第二代汽车导航系统可根据目的地自动计算“最短”路线•互联网时代，汽车导航可从交管部门取得路况咨询，优化路线，找出“最快”路线GPS典型应用：汽车导航•物联网时代，感知更透彻综合道路状况，污染指数，天气状况，加油站的分布，驾驶员的身体状况等各种因素找出“最佳”路线由“以路为本”转变到“以人为本”GPS在公安工作中的应用将跟踪定位、报警、监控、指挥调度系统融为一体，形成现代化、动态化的公安通信指挥系统采用GPS技术装备了定位追踪报警指挥系统和部分巡逻警车，建立警用移动目标卫星定位指挥系统金融保卫部门中建立了运钞车等运动目标和金库等固定目标的卫星定位跟踪监控系统，提高了处理突发事件的快速反应能力GPS在军事上的应用1.GPS在海湾战争中的应用2.GPS应用于B-52、F-163.精确标定战场重点设施的位置4.用于空战指挥和控制5.GPS用于地面部队6.用于扫雷GPS在生活上的应用教育应用地图坐标网格比例尺方位GPS原理地理实察结合GIS结合RS系统地理区域/世界地理游戏学习小区制图空间分析乡土教育环境教育验证影像判释导航资料收集与展示地点型学习数据库整合应用导航系统学习导览系统小区安全生态调查历史古迹调查校园环境调查GLOBE计划土地覆盖调查辅助地形气候解说多媒体数据库旅行日志大地寻宝猎点计划玉米田迷宫生活圈制图旅行图创作个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体）GPS在生活上的应用GPS在生活上的应用人身安全系统应用科技业者研发出GPS智慧鞋(350$，将2*3的芯片装置在鞋底，方便追踪穿着鞋子的主人目前的行踪)。蜂窝基站定位卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•GSM蜂窝网络通讯区域被分割成蜂窝小区每个小区对应一个通讯基站通讯设备连接小区对应基站进行通讯•利用基站位置已知的条件，可对通讯设备进行定位•单基站定位方法•基于距离差的定位方法示意图38单基站定位法卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•COO定位（CellofOrigin）将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置精度直接取决于基站覆盖的范围基站分布疏松地区，一个基站覆盖范围半径可达数公里，误差巨大•优点：简单、快速，适用紧急情况多基站定位法卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•ToA/TDoA定位法需要三个基站才能定位稀疏地区可能只能收到两个基站的信号，不适用•AoA定位法蜂窝基站定位：主要优缺点卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统•优点不需要GPS接收机，可通讯即可定位启动速度慢信号穿透能力强，室内亦可接收到•缺点定位精度相对较低基站需要有专门硬件，造价昂贵典型应用：紧急电话定位卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统美国E-911系统•拨打报警电话时，根据基站定位出手机位置，自动接到最近警局•综合了各种定位系统，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS•使用时尝试各种定位方法，择优而用无线室内环境定位卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统问题：1、GPS定位、基站定位能否用于室内定位？2、室内定位是否要更复杂？无线室内环境定位室内环境的复杂性•多径效应原因：障碍物反射电磁波，反射波和原始波在接收端混叠室内障碍物众多，多径效应明显•对电磁波的阻碍作用长波信号（GPS）传播能力强，穿透能力弱室内应选用短波信号来进行定位无线室内环境定位卫星定位蜂窝基站定位无线室内环境定位新兴定位系统需求主要来自企业和个人：难以购置ToA，TDoA，AoA等技术所需的昂贵硬件RSS定位技术•使用信号强度进行定位•利用已有的无线网络（蓝牙、Wi-Fi、ZigBee）•红外线、超声波、蓝牙、RFID、超宽带……RFID定位典