物联网基于位置服务关键技术研究及应用平台研发

物联网基于位置服务关键技术研究及应用平台研发1.简介基于位置服务（LBS，LocationBasedService）将移动人员/设备的位置信息与其它信息相整合，为用户提供各种智能服务。基于位置服务是物联网应用的一个重要发展方向，也是普适计算学科研究的一个最大分支。作为基于位置服务的关键支撑技术，位置感知技术（即定位技术）受到各方面的广泛关注。目前室外开阔环境下的位置感知技术在GPS等卫星定位技术的支持下得到了较大发展，但在室内等封闭环境，位置感知技术受到各种制约因素限制，发展缓慢。本课题针对物联网日益增长的室内外全空间基于位置服务应用需求，将深入研究适用于室内外全空间环境的高精度多模定位技术，探索多重导航信号覆盖下的融合定位框架以及平滑过渡方法以及基于位置服务的隐私保护技术。课题将研制系列低功耗、集成化全空间高精度定位终端产品，并设计及优化实现自适应的多模融合定位引擎软件。2.国内外相关技术进展分析（技术先进性和必要性分析）LBS作为普适计算技术研究的最大分支，主要包括位置信息采集（即定位技术）、空间信息采集与处理技术，以及位置隐私等研究内容，其中位置信息是各种开放位置服务的关键基础，而隐私权是解决位置服务不可回避的障碍。目前位置信息采集技术发展迅速，按照使用基础设施的不同，定位技术可细分为基于卫星定位、基于惯导定位、基于蜂窝网络定位、基于短距离无线技术定位以及基于图像定位等。图1显示了现有定位系统的定位性能、定位测量技术与应用环境。可见，不同的定位技术由于使用的定位信号、定位方法不同，导致可获得的定位精度以及适用的环境存在较大差别。在实际应用中，需要根据定位精度、功耗、成本等具体要求进行选择，有时为了满足全空间高精度定位需求，甚至需要对多种定位技术进行融合。下面简要介绍各种定位技术发展现状。2.1卫星定位技术卫星定位导航技术是当前发展最快、应用最广，也最为成熟的无线定位技术，目前主要有美国的全球定位系统（GlobalPositioningSystem，GPS）、俄罗斯的GLONASS卫星定位系统、欧洲的伽利略卫星定位系统以及我国的北斗定位导航系统，其中GPS系统商用最为成功。室内环境室外局域室外全球10.10.3310301003001k3kGSM/CDMA/3GCell-IDAoATOATDOARSSTDOA自动化控制跟踪及导航图像INS角速度加速度WLAN/RFI/Bluetooth特征匹配UWB/超声波TDOARTOF定位精度（米）GPSDGPS图1现有定位系统性能、使用技术与应用环境GPS等卫星定位系统通过利用精确同步卫星时钟提供的授时和测距，采用距离交会定位或差分定位方法对用户进行定位，具有定位精度高、实时性好、抗干扰能力强等优点。虽然GPS定位技术比较成熟，但GPS接收器至少要接收到4个卫星信号才能求解出自身坐标。因此在空旷的室外环境中，GPS接收器可以畅通无阻地接收到足够的卫星信号实现高精度定位，但是当GPS接收器和卫星之间有高山、建筑物、隧道等物体或地面阻挡时，就难以实现有效定位。此外，较高的能耗及成本也限制了GPS在低成本、低功耗领域的应用，在传感器网络中，一般仅用做信标。2.2惯性定位技术与需要使用外界测量信号的各种无线定位技术不同，惯性导航系统（InertialNavigationSystem，INS）仅仅利用安装在载体上的惯性敏感器件获取加速度和角速度等信息，与载体基准方向和初始位置信息相结合，就可自主递推出载体的运动方向、位置以及运动速度。惯性导航不需与外界发生任何声、光、电、磁的联系，具有自主性强、隐蔽性好、可实时定位以及全天候工作等优点，在各种运载体的导航、制导、定位和稳定控制中获得了广泛的应用。现有的惯性导航系统主要有平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两类。其中前者将陀螺仪和加速度计安装在稳定平台上，以平台坐标系为基准测量运载体的运动参数，精度较高，但价格昂贵。此外，由于它采用框架伺服系统，可靠性较差。捷联式惯性导航系统采用数学姿态转换平台，把陀螺仪和加速度计等惯性敏感器直接安装在运载体上，将惯性敏感器输出的量测信息直接送至导航计算机中进行实时姿态矩阵解算，通过姿态矩阵把导航加速度计测量的载体沿机体坐标系轴向的加速度信息变换到导航坐标系，然后进行导航计算。同时，从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向信息（如横滚角、俯仰角、航向角等）。在捷联式惯性导航系统中，导航计算机负责完成平台惯导中常平架所具有的稳定平台功能，即用“数学解析平台”取代稳定平台的功能，因此不需要使用稳定平台，具有安装及维修方便、成本较低等优点，应用相对广泛。不过，由于它直接把敏感元件固定在载体上，工作环境较恶劣，导致系统精度较低，需要采取相应的补偿措施。不管惯性器件的精度多高，由于陀螺漂移和加速度计的误差随时间逐渐积累（这是纯惯导系统的主要误差源来源，位置误差累积是时间的三次方函数），惯导系统长时间运行必将导致不可避免的积累误差。因此，目前人们在不断探索提高自主式惯导系统精度的同时，还在寻求引入外部信息的手段，形成组合式导航系统。这是弥补惯导系统不足的一个重要措施。2.3蜂窝网络定位技术在日益增长的基于位置服务需求和美国E-911法案的共同推动下，基于蜂窝网络的移动定位技术有了较大发展。蜂窝网络定位方案分为基于移动台、基于网络和GPS辅助三类，其中基于移动台定位方法主要有应用于时分多址（TDMA，二代移动通信都基于此技术）系统的下行链路增强观测时间定位方法E-OTD、应用于码分多址（CDMA）系统的下行链路空闲周期观测到达时间差方法OTDOA-IPDL[15]、基于GPS的混合定位技术gpsOne等。其中，下行E-OTD与上行链路TDOA定位精度相同，可通过提高基站突发脉冲发射功率提高定位覆盖率。应用于码分多址系统的OTDOA-IPDL定位法精度与时分多址系统的E-OTD定位法相同。基于网络定位方法目前主要有基于网络的小区识别（CELL-ID）定位和基于时间提前量（TimeAdvance，TA）定位、上行链路信号到达时间(TimeofArrival，TOA)定位、上行链路信号到达时间差(TimeDifferenceofArrival，TDOA)定位以及上行链路信号到达角(AOA，AngleofArrival)定位等方法。其中，CELL-ID定位技术根据移动终端所处蜂窝小区ID号确定用户位置，并不需要对移动终端和网络进行升级改造，定位覆盖率较高，在各种无线环境中均有着良好的鲁棒性，对通信网络无任何影响，定位响应时间较短。不过其定位误差与服务区大小成正比，为100米以内(微蜂窝)或3～6km以内(郊区宏蜂窝)。基于时间提前量定位方法使用了GSM系统的特有参数，在宏蜂窝时，其定位精度可控制在550m以内，比Cell-ID定位方法有较大改进，但受射频信号多径、非视距（Non-line-of-sight，NLOS）传播、几何精度因子(GDOP)等影响大，鲁棒性相对较差。目前移动通信技术正往3G时代迈进，利用3G智能天线中的波束形成技术可获得移动终端和基站间的相对角度信息AOA，通过使用该信息可提高移动终端的定位精确。基于移动台的定位方案和GPS辅助定位方案不仅需要升级现有移动终端，而且还需要使用空中接口将定位信息传送回蜂窝网络，不适合用于在现有GSM等蜂窝网络中增加定位服务功能（LoCationService，LCS）。但由于这两种方案的定位精度较高，在WCDMA及CDMA2000等3G网络中将得到广泛使用。基于网络定位方案只需要对蜂窝网络设备进行升级，并不需要对数量众多的移动终端作任何修改，实现相对容易，比较适合用于在现有2G蜂窝网络，如GSM网络中增加定位服务功能。正如图1所示，基于蜂窝网络的移动定位技术与卫星定位技术一样，也可以实现广域范围内的目标定位。但在室内、地下等蜂窝网络无法覆盖的环境不能实现目标定位。此外，精度难以满足高精度定位应用需求。2.4WLAN/Bluetooth/RFID/UWB/超声波等短距离无线定位技术近年来，WLAN/Bluetooth/RFID/UWB/超声波等短距离无线定位技术备受关注，它们无需搭建昂贵的基础设施，具有成本低、精度高等优势，适合于室内环境定位。目前WLAN网络在室内环境已广泛部署，产品成熟、价格低廉，添加定位服务方便易行。因此WLAN定位技术研究日益受到重视。WLAN定位系统一般通过测量无线局域网接入点（AP，AccessPoint）发射的信号强度进行定位。该方法适用于办公室、车间、学校和医院等公共场所。由于接收信号强度受环境变化、人员移动等因素影响，具有较强的时变和随机特性，因此其定位精度相对有限，一般在3米左右。通过增加接入点数目，以及对射频信号衰落进行补偿，可提高WLAN定位精度。微软公司从1999年就开始研究基于射频指纹（Fingerprint）匹配技术的定位系统RADAR，实现办公室移动接入设备的定位。目前基于WLAN的定位软件已开始商用，如Ekahau、AeroScout等公司都相继推出了基于802.11b/g网络的定位系统，可以实现建筑范围内的实时定位，定位精度一般在几米左右。蓝牙使用2.4GHz的ISM频段，可实现和WLAN类似的定位功能。近年来，随着射频识别（RFID）技术的迅速发展以及标准化推进，射频识别技术在工业生产、商品物流等领域应用逐渐推广，为人员与物品的实时定位提供了新的低成本解决方案。目前射频识别定位系统一般基于参考标签和读写器位置信息以及检测到的射频信号强度，使用聚合算法实现定位。其中无源射频识别距离一般在10米以下，使用多个读写器可实现目标区域定位。香港科大提出的LANDMARC是典型的无源射频识别定位系统。不过由于无源读写器功率较大，成本较高，难以大规模应用于定位跟踪。有源射频识别的能量相对有保障，其通信距离可达100米，处理器能力也得到增强，可用于相对较大室内区域的目标定位。UWB定位技术是近年出现的一种高精度、低功耗、短距离无线定位技术，它通过利用超宽带通信可有效识别多径传播的特性，采用TOA/TDOA等测距技术，可获得10cm级的测距与定位精度。UWB定位技术的主要误差来源包括发送和接收机内码序列传输处理时间和无线链路传播时延带来的空间传播误差、非视距传播影响、接收噪声影响、参考点之间不完全同步以及求解方程组带来的误差。UWB定位需要比较严格的时钟同步，即使采用TDOA测距技术，也需要参考站之间实现精确的时钟同步。Ubisense是典型的基于UWB的高精度定位系统。受发射功率的限制，UWB定位技术定位范围受到一定限制。超声波定位技术是另一种短距离无线定位技术，它通过测量超声波的传播距离实现目标定位。其定位精度较高，可达厘米级。不过由于需要使用专门的超声波收发设备，传输距离只有几米到几十米范围，且有较强的方向性，因此难以大规模部署，一般应用于精密机械加工或需要高精度定位的应用场合。BadgeSystem和CricketSystem是典型的基于超声波测距的高精度室内定位系统。2.5图像定位技术随着制造成本的降低以及应用范围的不断增加，基于图像、视频等多媒体信息的定位跟踪技术得到广泛关注，目前已在智能车辆定位跟踪、智能机器人定位导航、视频会议智能定位跟踪、关键场景安全监控、舰载、机载、车载摄像机目标侦查等应用中广泛使用。图像定位技术一般使用背景差/帧差法/光流法等算法进行目标检测。在获取目标的点、线、轮廓、区域、直方图等单视觉特征后，进行特征匹配和多视角特征信息协作融合，最后基于单目视觉成像模型（如针孔成像）或多目视觉立体成像模型（如极线几何）重建目标在3D空间的位置，并采用滤波理论或偏微分方程理论持续定位和跟踪目标。图像定位跟踪技术具有定位精度高、监测范围广、信息量大等优势，利用可见光、红外、X射线等成像技术与磁感应器、激光、无线电等技术配合，可在难以探测的环境对目标进行被动定位与跟踪。不过，由于需要处理的数据量较大，图像定位技术对硬件资源（存储和计算能力）和网络带宽要求较高，设备能耗大，成本较高。2.6多模融合定位技术表1对上述定位