物联网定位方式与技术

物联网定位方式与技术报告人：专业：信号与信息处理导师：一、物联网中的定位方式无线通信技术的成熟与发展，带动了物联网时代的到来，越来越多的应用都需要自动定位服务。下面将对介绍几种常见的定位方式如GPS定位、蜂窝基站定位、无线室内环境定位以及新兴的定位方式。GPS定位GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统。GPS计划开始于1973年，由美国国防部领导下的卫星导航定位联合技术局（JPO）主导进行研究。1989年正式开始发射GPS工作卫星，1994年GPS卫星星座组网完成，GPS投入使用。由于美国国防部的背景，GPS系统最初设计为军用。投入使用后，GPS对民用工业开放，但是仅有军用接收机可以享受高质量的信号(精确度达20米)，供民用上的信号质量被故意降低（精度约300米）。2000年5月1日，美国总统比尔.克林顿命令取消GPS系统的这种区别对待，从此民用GPS信号也达到20米的精度。除美国的GPS定位系统外，目前已投入使用的卫星导航系统还有俄罗斯的GLONASS全球卫星定位导航系统和我国的北斗一号区域性卫星导航系统。欧盟的伽利略定位导航系统目前正在部署中，预计将于2014正式投入使用。我国目前正在建设自主研发北斗二号全球卫星导航系统，届时将可供全球范围的信号覆盖。GPS卫星组网GPS定位系统宇宙空间部分：GPS系统的宇宙空间部分由24颗工作卫星组成，最初设计将24颗卫星均匀分布到3个轨道平面上，每个平面8颗卫星，后改为采用6轨道平面，，每平面4颗星的设计。这保证了任何一时刻都有至少6颗卫星在视线之内，可以进行定位。地面监测部分：GPS系统的地面监控部分包括1个位于美国科罗拉多州Schriever空军基地的主控中心，4个专用的地面天线，以及6个专用的监视站。此外还有一个紧急状况下备用的主控中心，位于马里兰州盖茨堡。用户设备部分：要使用GPS系统，用户必须具备一个GPS专用接收机。接收机通常包括一个和卫星通信的专用天线，用于位置计算的处理器，以及一个高精度的时钟。GPS定位原理目前，卫星导航系统定位都是采用的三球交汇定位原理，具体流程如下：（1）用户测量出自身到三颗卫星的距离；（2）卫星的位置精确已知，通过电文播发给用户；（3）以卫星为球心，距离为半径画球面；（4）三个球面相交得两个点，根据地理常识排除一个不合理点即得用户位置。三球交会定位原理示意图接收机与GPS卫星间距离测定每颗卫星都在不断地向外发送信息，每条信息中都包含信息发出的时刻，以及卫星在该时刻的坐标。接收机会接收到这些信息，同时根据自己的时钟记录下接受到信息的时刻。用接收到信息的时刻减去信息发出的时刻，得到信息在空间中传播的时间。用这个时间乘上信息传播的速度，就得到了接收机到信息发出时的卫星坐标之间的距离。GPS定位的缺陷对时钟的精确度要求极高，造成成本过高，受限于成本，接收机上的时钟精确度低于卫星时钟，影响了定位精度。理论上三个卫星就可以定位，但在实际中用GPS定位至少要四颗卫星，这极大的制约了GPS的使用范围；当处室内时，由于电磁屏蔽效应，往往难以接收到GPS信号，因此GPS这种定位方式主要在室外施展拳脚。GPS接收机启动较慢，往往需要3~5分钟，因此定位速度也较慢。由于信号要经过大气层传播，容易受天气状况影响，定位不稳定。蜂窝基站定位蜂窝基站定位主要应用于移动通信中广泛采用的蜂窝网络，目前大部分的GSM、CDMA、3G等通信网络均采用蜂窝网络架构。在通信网络中，通信区域被划分为一个个蜂窝小区，通常每个小区有一个对应的基站。以GSM网络为例，当移动设备要进行通信时，先连接在蜂窝小区的基站，然后通过该基站接GSM网络进行通信。也就是说，在进行移动通信时，移动设备始终是和一个蜂窝基站联系起来，蜂窝基站定位就是利用这些基站来定位移动设备。COO定位COO定位（CellofOrigin）是最简单的一种定位方法，它是一种单基站定位。这种方法非常原始，就是将移动设备所属基站的坐标是为移动设备的坐标。这种定位方法的精度极低，其精度直接取决于基站覆盖的范围。如果基站覆盖范围半径为50米，那么期误差就是50米。ToA/TDoA定位要想得到更精确的定位，就必须使用多个基站同时测得的数据。多基站定位方法中，最常用的就是ToA/TDoA定位。ToA（TimeofArrival)基站定位与GPS定位方法相似，不同之处是把卫星换成了基站。这种方法对时钟同步精度要求很高，而基站时钟精度远比不上GPS卫星的水平；此外，多径效应也会对测量结果产生误差。基于以上原因，人们在实际中用的更多的是TDoA（TimeDifferenceofArrival)定位方法，不是直接用信号的发送和到达时间来确定位置，而是用信号到达不同基站的时间差来建立方程组求解位置，通过时间差抵消掉了一大部分时钟不同步带来的误差。AoA定位ToA和TDoA测量法都至少需要三个基站才能进行定位，如果人们所在区域基站分布较稀疏，周围收到的基站信号只有两个，就无法定位。这种情况下，可以使用AoA（AngleofArrival）定位法。只要用天线阵列测得定位目标和两个基站间连线的方位，就可以利用两条射线的焦点确定出目标的位置。AoA定位示意图蜂窝基站定位应用蜂窝基站定位的精度不高，其优势在于其定位速度快，在数秒之内便可以完成定位。蜂窝基站定位法的一个典型应用就是紧急电话定位，在刑事案件中大展身手。北美地区的E-911系统（Enhanced911）是目前比较成熟的紧急电话定位系统（911是北美地区的紧急电话号码，相当于我国的911）。无线室内环境定位在无线通信领域，室内和室外的环境可以说是天壤之别。定位也一样，在室外露天环境，只需要用GPS就可以得到很高的定位精度了，基站定位也不错。但是在室内环境中，GPS由于受到屏蔽，变得很难用，而基站定位的信号受到多径效应（波的反射和叠加原理产生的）的影响，定位效果也会大打折扣。现存大多数室内定位系统都基于信号强度（RadioSignalStrength,RSS）,其优点在于不需要专门的定位设备，可以就是取材，利用已有的铺设好的网络如蓝牙网络、WiFi网络、ZigBee传感网络等来进行定位，非常经济实惠。目前室内环境进行短波定位的方法主要有红外线定位、超声波定位、蓝牙定位、射频识别定位（RFID）、超宽带定位(UWB)、ZiGbee定位等。限于篇幅，这里仅就ZiGbee定位做详细叙述。Zigbee技术Zigbee是IEEE802．15．4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。Zigbee在中国被译为“紫蜂”，它与蓝牙相类似，是一种新兴的短距离无线通信技术。ZigBee定位原理ZigBee定位就是通过在待定位区域布设大量的廉价参考节点，这些参考节点间通过无线通信的方式形成了一个大型的自组织网络系统，当需要对待定位区的节点进行定位时，在通信距离内的参考节点能快速的采集到这些节点信息，同时利用路由广播的方式把信息传递给其他参考节点，最终形成了一个信息传递链并经过信息的多级跳跃回传给终端电脑加以处理，从而实现对一定区域的长时间监控和定位。ZigBee定位原理ZigBee定位算法典型的数据密集型计算具体的计算方法是：节点首先读取计算节点位置的参数，然后将相关信息传送到中央数据采集点，对节点位置进行计算，最后，再将节点位置的相关参数传回至该节点。这种计算节点位置的方法只适用于小型的网络和有限的节点数量，因为进行相关计算所需的流量将随着节点数量的增加而呈指数级速度增加。因此，高流量负载加上带宽的不足限制了这种方法在电池供电网络中的应用。ZigBee定位算法分布式定位计算方法（CC2431）根据从距离最近的参考节点(其位置是已知的)接收到的信息，对节点进行本地计算，确定相关节点的位置。因此，网络流量的多少将由待测节点范围中节点的数量决定。另外，由于网络流量会随着待测节点数量的增加而成比例递增，因此，CC2431还允许同一网络中存在大量的待测节点。定位引擎技术定位引擎根据无线网络中临近射频的接收信号强度指示(RSSI)，计算所需定位的位置。在不同的环境中，两个射频之间的RSSI信号会发生明显的变化。例如，当两个射频之间有一位行人时，接收信号将会降低30dBm。为了补偿这种差异，以及出于对定位结果精确性的考虑，定位引擎将根据来自多达16个射频的RSSI值，进行相关的定位计算。其依据的理论是：当采用大量的节点后，RSSI的变化最终将达到平均值。要求在参考节点和待测节点之间传输的唯一信息就是参考节点的X和Y坐标。定位引擎根据接收到的X和Y坐标，并结合根据参考节点的数据测量得出的RSSI值，计算定位位置。扩大覆盖范围定位引擎的覆盖范围为64m×64m，然而，大多数的应用要求更大的覆盖范围。扩大定位引擎的覆盖范围可以通过两种方法来实现：1）提高参考节点的输出功率，同时降低定位引擎计算结果的精度;2）在一个更大的范围布置参考节点，并利用最强的信号进行相关参考节点的定位计算。由于第二种方法能够在定位引擎扩大覆盖面的同时不牺牲定位精度，因此更为可取。具体的工作原理是：扩大覆盖范围①网络中的待测节点发出广播信息，并从各相邻的参考节点采集数据，选择信号最强的参考节点的X和Y坐标。②计算与参考节点相关的其他节点的坐标。③对定位引擎中的数据进行处理，并考虑距离最近参考节点的偏移值，从而获得待测节点在大型网络中的实际位置。提高精确性定位引擎采用来自附近参考节点的RSSI测量值来计算待测节点的位置。RSSI将随着天线设计、周围环境以及包括若干其他因素在内的其他附近RF源的变化而变化。定位引擎将数个参考节点的位置信息加以平均。增加参考节点的数量，则可降低对各节点具体测试结果的依赖性，同时全面提高精确度。无论在什么情况下设置参考节点，都会影响到定位的精确性，这主要是因为当参考节点设置在离相关表面很近的地方时，会产生天花板或地板的吸附作用。因此，应尽量使用在各方位都具备相同发射能力的全向天线。新型定位系统除了上面几种定位系统外，进来随着技术的发展，又诞生了很多新的定位系统。这里介绍其中具有代表性的两个系统：A-GPS定位和无线AP定位。A-GPS定位A-GPS（AssistedGlobalPositioningSystem）以为辅助GPS定位，这种定位方法可以看做是GPS定位和蜂窝基站定位的结合体。GPS定位较慢，初次定位还要花几分钟来搜索当前可用的卫星信号。而基站定位虽然速度快，但其精确度不如GPS高。A-GPS取长补短，利用基站定位法，快速搜索当前所处的大致位置，然后通过基站连入网络，通过网络服务器查询到当前上方可见的卫星，极大地缩短了搜索卫星的速度。知道那几颗卫星可用之后，只需用这几颗卫星定位，就可以得到非常精确地结果。使用A-GPS定位，全过程只需要数十秒，又可以享受GPS的定位精度，可以说是两全其美。无线AP定位无线AP（AccessPoint,接入点）定位是一种WiFi定位技术，它与蜂窝基站的COO定位技术相似，通过WiFi接入点来确定目标的位置。每个AP都在不断向外广播信息，以便各种WiFi设备寻找接入点，信息中包含有自己全球唯一的MAC地址。如果用一个数据库记录下全世界所有无线AP的MAC地址，以及该AP所在的位置，就可以通过查询数据库来得到附近AP的位置，再通过信号强度来估算出比较精确地位置。该技术和GPS合用，就是前面提到的A-GPS的一种，iphone就是采用了这种技术。二、物联网的定位技术要对一个物体作出定位，关键有二：其一就是要知道一个或多个已知坐标的参考点，其二是必须要得到带定位物体与已知参考点的空间关系。除了距离这一空间关系，角度、区域也可以作为定位的参考，在网络中，节点之间的跳数也可以作为参考。这里仅对几种通过测量距离关系定位的技术做概要介绍。这几种技术可以归纳为两个步骤：第一步：测量物理量；第二部：根据测量出的物理量确定目标的位置。通过距离关系定位的技术1.基于距离的定位；2.基于距离差的定位；3.