物联网导论-定位系统及其应用培训课件.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第,4,章,定位系统,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第1页,内容提要,经过,定位系统,获取位置信息是物联网时代主要研究课题。,本章将经典定位系统和定位技术。,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第2页,第,3,章介绍了传感器技术,传感器设计需求（低成本与微型化，低功耗，灵活性与扩展性，鲁棒性）,传感器软硬件平台,本章介绍,位置信息,概念，重点介绍,经典定位系统,（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,三种常见定位技术,。,内容回顾,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第3页,4.1,位置信息,4.2,定位系统,4.3,定位技术,4.4,物联网对定位技术新挑战,位置信息三大要素是什么？,本章内容,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第4页,为何需要定位？,基于位置服务,自动导航,搜索周围服务信息,基于位置社交网络：,Four square,位置信息和我们生活息息相关,位置信息,不是单纯“位置”,地理位置（,空间,坐标）,处于该位置时刻（,时间,坐标）,处于该位置对象（,身份,信息）,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第5页,4.1,位置信息,4.2,定位系统,4.3,定位技术,4.4,物联网对定位技术新挑战,经典定位系统有哪些？各自有哪些特点？,本章内容,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第6页,现存主流定位系统,卫星定位：,GPS,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,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第7页,卫星定位,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,各国卫星定位系统,美国：,GPS,俄罗斯：,GLONASS,欧盟：伽利略,中国：北斗一号（区域）、北斗二号（全球）,GPS,是当前世界上最惯用,卫星导航系统,。,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第8页,GPS,：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，里根承诺未来对民间开放使用,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,，克林顿下令取消军用/民用信号精度差异对待,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第9页,GPS,：系统结构,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,宇宙空间部分,24,颗工作卫星,地面监控部分,（全部在美国境内）,1,个主控中心（另有,1,个备用）,4,个专用地面天线,6,个专用监视站,用户设备部分,GPS,接收机,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第10页,GPS,：定位原理,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第11页,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,开启时间长,室内信号差,需要,GPS,接收机,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第12页,GPS,经典应用：汽车导航,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,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,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第13页,GPS,经典应用：汽车导航,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,物联网时代，,感知更透彻,综合,道路情况，污染指数，天气情况，加油站分布，驾驶员身体情况等,各种原因,找出“最正确”路线,由“以路为本”转变到“以人为本”,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第14页,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,条件，可对通讯设备进行定位,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第15页,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（,Cell of Origin,）,将移动设备所属基站位置视为移动设备位置,精度直接取决于基站覆盖范围,基站分布疏松地域，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,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第16页,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,稀疏地域可能只能收到两个基站信号，不适用,AoA,定位法,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第17页,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,开启速度慢,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,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第18页,经典应用：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，依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，包含,ToA,，,TDoA,，,AoA,，,RSS,，,A-GPS,使用时尝试各种定位方法，择优而用,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第19页,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,室内环境复杂性,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，多径效应显著,对电磁波妨碍作用,长波信号（,GPS,）传输能力强，穿透能力弱,室内应选取短波信号来进行定位,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第20页,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,等技术所需昂贵硬件,RSS,定位技术,使用信号强度进行定位,利用已经有无线网络（蓝牙、,Wi-Fi,、,ZigBee,）,红外线、超声波、蓝牙、,RFID,、超宽带,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第21页,RFID,定位经典应用,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,资产管理,在设备上贴上,RFID,标签,需要使用时经过,RFID,定位找到标签位置，从而定位设备位置,结合感知技术，还能够监控设备情况,是否空闲,是否故障,是否老化,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第22页,新兴定位系统,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,A-GPS,GPS,定位和蜂窝基站定位结合体,利用基站定位确定大致范围,连接网络查询当前位置可见卫星,大大缩短搜索卫星时间,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第23页,新兴定位系统（续）,卫星定位,蜂窝基站定位,无线室内环境定位,新兴定位系统,无线,AP,定位,利用可见,Wi-Fi,接入点来定位,在大城市中，无线,AP,数目多，定位非常准确,在,iPhone,中成熟应用,网络定位,用于无线传感网、自组织网络,经过少许位置已知节点，定位出全网络节点位置,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第24页,4.1,位置信息,4.2,定位系统,4.3,定位技术,4.4,物联网对定位技术新挑战,除了距离，哪些空间信息还可用于定位技术？,本章内容,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第25页,4.3,定位技术,定位技术关键：,有一个或多个已知坐标参考点,得到待定物体与已知参考点空间关系,定位技术两个步骤：,测量物理量依据物理量确定目标位置,常见定位技术：,基于距离定位（,ToA,）,基于距离差定位（,TDoA,）,基于信号特征定位（,RSS,）,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第26页,基于距离定位（,ToA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,距离测量方法,距离,d=,波速,v*,传输时间,t,传输时间,t=,收到时刻,t,发出时刻,t0,问题：,接收端怎样得知,t0,？,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第27页,基于距离定位（,ToA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,方法,1,：,利用波速差,发送端同时发送一道电磁波和声波,接收端统计：,电磁波抵达时刻,声波抵达时刻,距离,因为 远大于 ，上式可简化为,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第28页,基于距离定位（,ToA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,方法,2,：,测量波往返时间,发送端于时刻 发送波,接收端收到波后，等候时间 后返回一样波,发送端统计收到回复时间,距离,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第29页,基于距离定位（,ToA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,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,以每个参考点为圆心，到该参考点距离为半径画圆，目标必在圆上,平面上三个圆交于一点,实际中取用超出三个参考点，用,最小二乘法,降低误差,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第30页,基于距离差定位（,TDoA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,ToA,局限,需要参考点和测量目标时钟同时,TDoA,不需要参考点和测量目标时钟同时,参考点之间依然需要时钟同时,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第31页,基于距离差定位（,TDoA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,距离差测距方法,测量目标广播信号,参考点,i,，,j,分别统计信号接收到时刻,ti,，,tj,测量目标到,i,，,j,距离差,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第32页,基于距离差定位（,TDoA,）,基于距离,基于距离差,基于信号特征,位置计算方法,最少两组数据联立方程求解,实际采取多组数据最小二乘法求解,每次测量结果,参考点坐标,到参考点距离,构建方程：,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第33页,基于信号特征定位,基于距离,基于距离差,基于信号特征,ToA,和,TDoA,都需要接收端特殊装置,基于信号特征定位,直接利用无线通信射频信号定位，,不需要额外设备,原理：,信号强度随传输距离衰减,问题：,理想公式实际难以应用,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第34页,基于信号特征定位,基于距离,基于距离差,基于信号特征,处理方法：,将信号强度看做“特征”,预先布置,N,个参考节点,测出,N,个参考节点信号强度，得到一个,N,维向量,事先测出区域中每个位置特征向量,将目标测出特征向量和事先测量值比对，找出位置,缺点：,不能应对动态改变,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第35页,基于信号特征定位,基于距离,基于距离差,基于信号特征,LANDMARC,：,基于信号特征,动态定位,方法,除了信号发送源，再布置一系列,RFID,标签作为参考标志,每个标志随时统计自己收到,RSS,信号强度特征向量,将目标测得信号特征向量与参考标志此时特征向量进行比对，确定位置，误差在,1m,范围以内,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第36页,4.1,位置信息,4.2,定位系统,4.3,定位技术,4.4,物联网对定位技术新挑战,物联网背景对定位技术有哪些新需求？,本章内容,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第37页,网络异构,接入物联网设备五花八门,连接起来网络各自不一样,怎样让不一样设备在不一样网络下准确定位,环境多变,室外,vs.,室内,空阔地带,vs.,障碍物众多,静止设备,vs.,频繁运动,4.4,物联网下定位技术新挑战,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第38页,信息安全与隐私保护,位置信息内涵丰富且隐私息息相关,高精度位置信息泄露后果严重,怎样既确保信息精度，又保护个人隐私,大规模应用,物联网时代，接入网络设备将超出,500,亿台,怎样应对庞大数量增加,怎样让定位技术为简单设备（如,RFID,标签）所用,4.4,物联网下定位技术新挑战,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第39页,本章小结,内容回顾,本章介绍了位置信息基本概念，重点讨论了四种定位系统以及三种经典定位技术，最终探讨了物联网对定位技术新挑战。,重点掌握,了解位置信息三要素。,了解,GPS,系统组成，定位原理，经典应用和优缺点。,了解蜂窝基站定位（单基站和多基站）方法以及优缺点。,回顾,RFID,基本概念，举例说明,RFID,定位应用，举例说明新兴定位技术。,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第40页,本章小结,重点掌握（续）,掌握基于位置定位距离测量两种方法。,掌握基于位置差定位测量方法和位置计算方法，与基于位置定位相比有何优缺点。,了解基于信号特征定位方法。,举例说明物理网环境下定位技术新挑战。,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第41页,Thank you!,物联网导论-定位系统及其应用培训课件,第42页,