《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件

《定位系統(tǒng)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！《定位系統(tǒng)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使1內(nèi)容提要通過定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要研究課題。本章將典型的定位系統(tǒng)和定位技術(shù)。內(nèi)容提要通過定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要研究課題。2第3章介紹了傳感器技術(shù)傳感器的設(shè)計(jì)需求（低成本與微型化，低功耗，靈活性與擴(kuò)展性，魯棒性）傳感器的軟硬件平臺(tái)本章介紹位置信息的概念，重點(diǎn)介紹典型的定位系統(tǒng)（衛(wèi)星定位，蜂窩基站定位，無線室內(nèi)環(huán)境定位，新興定位系統(tǒng)）以及三種常見的定位技術(shù)。內(nèi)容回顧第3章介紹了傳感器技術(shù)內(nèi)容回顧34.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)位置信息的三大要素是什么？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容4為什么需要定位？基于位置的服務(wù)自動(dòng)導(dǎo)航搜索周邊服務(wù)信息基于位置的社交網(wǎng)絡(luò)位置信息和我們的生活息息相關(guān)位置信息不是單純的“位置”地理位置（空間坐標(biāo)）處在該位置的時(shí)刻（時(shí)間坐標(biāo)）處在該位置的對(duì)象（身份信息）為什么需要定位？基于位置的服務(wù)位置信息不是單純的“位置”54.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)典型的定位系統(tǒng)有哪些？各自有哪些特點(diǎn)？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容6現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS，北斗蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)：A-GPS現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS，北斗7衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)美國：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國：北斗GPS是目前世界上最常用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。由覆蓋全球的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以保證在任意時(shí)刻，地球上任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到多顆衛(wèi)星，以保證可以采集到該觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能。這項(xiàng)技術(shù)可以用來引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個(gè)人，安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地。衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)由覆蓋全球的8GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的縮寫,意為利用衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距,以構(gòu)成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。是美國國防部主要為滿足軍事部門對(duì)海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的需要而建立的。自1973年美國軍方批準(zhǔn)成立聯(lián)合計(jì)劃局開始GPS的研究工作到1993年系統(tǒng)建成,該工程歷時(shí)20年，耗資300億美元，成為繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后的第三項(xiàng)龐大空間計(jì)劃。它從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航和定位問題，在軍事和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。GPS：發(fā)展簡(jiǎn)史GPS是英文NavigationSatelliteTim9GPSSystemSpaceControlUserGPSSystemSpaceControlUser10GPSSatelliteGPSSatellite11KeyFeaturesofGPSSatellitesEachGPSsatellitehasaVERYaccurate(atomic)clockAllGPSsatellitesareexactlysynchronizedtoamastergroundclockEachsatellitetransmitsauniquePseudo-RandomNoise(PRN)CodeThepositionandclockofeachsatelliteispreciselyknownandconstantlymonitoredongroundKeyFeaturesofGPSSatellites12GPSSignal50bpsdatasignal,modulatedbyaPseudo-RandomNoise(PRN)code,whichrepeatsevery1mstransmittedat1,575.42MHz(L1).Nominalreceivedpowerongroundis-163dBW(5x10-17W)…that’sVERYlow!!!Compareittotypicalreceivedpowerinamobilecommunicationssystem(GSM)ofafewmW…GPSreceivedpoweris100trilliontimeslower!GPSSignal50bpsdatasignal,13GPS：發(fā)展簡(jiǎn)史衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)1973年，美國國防部開始GPS計(jì)劃1983年，里根承諾將來對(duì)民間開放使用1989年，正式開始發(fā)射GPS工作衛(wèi)星1994年，衛(wèi)星星座組網(wǎng)完成，投入使用2000年，克林頓下令取消軍用/民用信號(hào)的精度差別對(duì)待GPS：發(fā)展簡(jiǎn)史衛(wèi)星定位1973年，美國國防部開始GPS計(jì)劃14GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)宇宙空間部分24顆工作衛(wèi)星分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行。目前可用的衛(wèi)星通常有28顆。地面監(jiān)控部分（全部在美國境內(nèi)）1個(gè)主控中心（另有1個(gè)備用）4個(gè)專用地面天線6個(gè)專用監(jiān)視站用戶設(shè)備部分GPS接收機(jī)GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位宇宙空間部分15已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及它們到節(jié)點(diǎn)D的距離，確定節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)GPS：定位原理已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及它們到節(jié)點(diǎn)D的距離，確定節(jié)16Ifyouknowthedistanceto4KNOWNlocations:Thefourthsphere(notshown)willintersectonlyoneofthesetwolocations.Howdoes3-dimensional(3D)positioningwork?3DimensionalFix!GPSReceiverPositionCalculationThelocationwillbesomewhereonthesurfaceofthesphereThetwosphereswillintersectformingacircle.Thelocationwillbesomewhereonthecircumferenceofthiscircle.Thethirdspherewillintersectthecircleformedbytheothertwospheres.Thiswillnowcreateonlytwopossiblelocations.Ifyouknowthedistanceto417偽距測(cè)量原理D=c·△t△t=t2-t1GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到。由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）。偽距測(cè)量原理D=c·△tGPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是18《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件19當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y）碼：

C/A碼頻率1.023MHz，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；

P碼頻率10.23MHz，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。

Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置、速度等信息便可得知。GPS：定位原理當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨20單點(diǎn)定位

首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準(zhǔn)確測(cè)定我們所在地點(diǎn)A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點(diǎn)一定是位于以衛(wèi)星為中心、所測(cè)得距離為半徑的圓球上。進(jìn)一步，我們又測(cè)得點(diǎn)A至另一衛(wèi)星的距離，則A點(diǎn)一定處在前后兩個(gè)圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測(cè)得與第三個(gè)衛(wèi)星的距離，就可以確定A點(diǎn)只能是在三個(gè)圓球相交的兩個(gè)點(diǎn)上。根據(jù)一些地理知識(shí)，可以很容易排除其中一個(gè)不合理的位置。單點(diǎn)定位 首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準(zhǔn)21《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件22 GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有精細(xì)的原子鐘，并由監(jiān)測(cè)站經(jīng)常進(jìn)展校準(zhǔn)。衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信息，同時(shí)也發(fā)送準(zhǔn)確時(shí)間信息。GPS接收機(jī)接收此信息，使之與自身的時(shí)鐘同步，獲得準(zhǔn)確的時(shí)間。GPS接收機(jī)中的時(shí)鐘，不可能象在衛(wèi)星上那樣采用原子鐘，利用測(cè)定第四顆衛(wèi)星，在計(jì)算過程中校準(zhǔn)GPS接收機(jī)的時(shí)鐘。GPS：定位原理原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來計(jì)時(shí)的。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確了?，F(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫(Hydrogen)、銫(Cesium)、銣(Russium)等。原子鐘的精度可以達(dá)到每100萬年才誤差1秒。這為天文、航海、宇宙航行提供了強(qiáng)有力的保障。 GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有精細(xì)的原子鐘，并由監(jiān)測(cè)站經(jīng)常進(jìn)23差分GPS定位技術(shù)在GPS定位過程中，存在三局部誤差。一局部是對(duì)每一個(gè)用戶接收機(jī)所共有的，例如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差等；第二局部為不能由用戶測(cè)量或由校正模型來計(jì)算的傳播延遲誤差；第三局部為各用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。

利用差分技術(shù)第一局部誤差可完全消除，第二局部誤差大局部可以消除。第三局部誤差那么無法消除，只能靠提高GPS接收機(jī)本身的技術(shù)指標(biāo)。差分GPS定位技術(shù)在GPS定位過程中，存在三局部誤差。24《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件25WGS-84坐標(biāo)系（WorldGeodeticSystem一1984CoordinateSystem）一種國際上采用的地心坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標(biāo)系的Z軸指向BIH（國際時(shí)間）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系，稱為1984年世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS-84坐標(biāo)系WGS-84坐標(biāo)系（WorldGeodeticSyste26高程系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的大地高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的參考橢球的法線與參考橢球面的交點(diǎn)間的距離。大地高也稱為橢球高。正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的正常高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的鉛垂線與似大地水準(zhǔn)面的交點(diǎn)之間的距離。高程系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的大27《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件28《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件29導(dǎo)航型GPS機(jī)手持型GPS機(jī)導(dǎo)航型GPS機(jī)手持型GPS機(jī)30大地型GPS接收機(jī)單頻機(jī)雙頻機(jī)大地型GPS接收機(jī)單頻機(jī)雙頻機(jī)31GPS：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)精度高全球覆蓋，可用于險(xiǎn)惡環(huán)境缺點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)室內(nèi)信號(hào)差需要GPS接收機(jī)GPS：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位優(yōu)點(diǎn)32GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)最初僅能提供位置和周邊地圖第二代汽車導(dǎo)航系統(tǒng)可根據(jù)目的地自動(dòng)計(jì)算“最短”路線互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，汽車導(dǎo)航可從交管部門取得路況咨詢，優(yōu)化路線，找出“最快”路線GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位最初僅能提供位置和周邊地圖33GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，感知更透徹綜合道路狀況，污染指數(shù)，天氣狀況，加油站的分布，駕駛員的身體狀況等各種因素找出“最佳”路線由“以路為本”轉(zhuǎn)變到“以人為本”GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，感知更透徹34蜂窩基站定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊區(qū)域被分割成蜂窩小區(qū)每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)通訊基站通訊設(shè)備連接小區(qū)對(duì)應(yīng)基站進(jìn)行通訊利用基站位置已知的條件，可對(duì)通訊設(shè)備進(jìn)行定位蜂窩基站定位衛(wèi)星定位GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)35單基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)COO定位（CellofOrigin）將移動(dòng)設(shè)備所屬基站的位置視為移動(dòng)設(shè)備的位置精度直接取決于基站覆蓋的范圍基站分布疏松地區(qū)，一個(gè)基站覆蓋范圍半徑可達(dá)數(shù)公里，誤差巨大優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、快速，適用緊急情況單基站定位法衛(wèi)星定位COO定位（CellofOrigin36三邊定位和多邊定位三邊定位Trilateration屢次測(cè)量方程的個(gè)數(shù)等于變量的個(gè)數(shù)需要考慮無解的情況，求最優(yōu)近似解三邊定位和多邊定位三邊定位Trilateration37三邊定位和多邊定位信號(hào)傳播時(shí)間/時(shí)間差〔TOA/TDOA/RTOF〕TOATDOARTOF三邊定位和多邊定位信號(hào)傳播時(shí)間/時(shí)間差〔TOA/TDOA/38基于TOA定位機(jī)制根本思想信號(hào)的傳播速度，根據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離，然后利用三邊或極大似然估計(jì)法等計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置；評(píng)價(jià)精度高；要求節(jié)點(diǎn)間準(zhǔn)確的時(shí)間同步；對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件和功耗較高的要求；基于TOA定位機(jī)制根本思想39基于TDOA的定位原理發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過已有根本的定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置；基于TDOA的定位原理40多基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)ToA/TDoA定位法需要三個(gè)基站才能定位稀疏地區(qū)可能只能收到兩個(gè)基站的信號(hào)，不適用AoA定位法多基站定位法衛(wèi)星定位ToA/TDoA定位法41蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)不需要GPS接收機(jī)，可通訊即可定位啟動(dòng)速度快信號(hào)穿透能力強(qiáng)，室內(nèi)亦可接收到缺點(diǎn)定位精度相對(duì)較低基站需要有專門硬件，造價(jià)昂貴蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位優(yōu)點(diǎn)42典型應(yīng)用：緊急電話定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)美國E-911系統(tǒng)撥打報(bào)警電話時(shí)，根據(jù)基站定位出手機(jī)位置，自動(dòng)接到最近警局綜合了各種定位系統(tǒng)，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS使用時(shí)嘗試各種定位方法，擇優(yōu)而用典型應(yīng)用：緊急電話定位衛(wèi)星定位美國E-911系統(tǒng)43無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性多徑效應(yīng)原因：障礙物反射電磁波，反射波和原始波在接收端混疊室內(nèi)障礙物眾多，多徑效應(yīng)明顯對(duì)電磁波的阻礙作用長(zhǎng)波信號(hào)（GPS）傳播能力強(qiáng)，穿透能力弱室內(nèi)應(yīng)選用短波信號(hào)來進(jìn)行定位無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性44無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)需求主要來自企業(yè)和個(gè)人：難以購置ToA，TDoA，AoA等技術(shù)所需的昂貴硬件RSS定位技術(shù)使用信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位利用已有的無線網(wǎng)絡(luò)（藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee）紅外線、超聲波、藍(lán)牙、RFID、超寬帶……無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位需求主要來自企業(yè)和個(gè)人：難以購置To45RFID定位典型應(yīng)用衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)資產(chǎn)管理在設(shè)備上貼上RFID標(biāo)簽需要使用時(shí)通過RFID定位找到標(biāo)簽的位置，從而定位設(shè)備的位置結(jié)合感知技術(shù)，還可以監(jiān)控設(shè)備的狀況是否空閑是否故障是否老化RFID定位典型應(yīng)用衛(wèi)星定位資產(chǎn)管理46新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)A-GPSGPS定位和蜂窩基站定位的結(jié)合體利用基站定位確定大致范圍連接網(wǎng)絡(luò)查詢當(dāng)前位置可見衛(wèi)星大大縮短搜索衛(wèi)星的時(shí)間新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位A-GPS47FactorsthataffectGPSaccuracyImperfectsatellitesAtmosphericeffectsMultipathInterferencesSignalstrengthReceivercomponentsGeometryofthesatellitesused(DOP)FactorsthataffectGPSaccura48Atmosphere10km50~150kmIonosphereStratosphereTroposphereTheoreticalpathActualpath,delayed,phaseshifted,attenuatedAtmosphere10km50~150kmIonosphe49MultipathGroundreflectionsDirectSignalMultipathGroundreflectionsDir50Multipath(2)Multipath(2)51SignalStrength12345SignalStrength1234552InterferenceInterference53ProsandConsofGPSPROSItisaglobalsystemInnominalconditionsitisaccurate(5-10m)Itisfreeforusers!CONSItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!butthat’swhereusersare!emergencyservicesrequireQoS!ProsandConsofGPSPROSCONSb54SolutionstoConsItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!INCREASERECEIVERSENSITIVITY!AVOIDHAVINGTOWAITTODECODENAVIGATIONMESSAGE!A-GPSSolutionstoConsItdoesnotw55WhatisAssisted-GPS?WhatisAssisted-GPS?56TheconceptofA-GPSWehavearoughestimateoftheuserposition,thenwecanprovideinformationaboutwhatsatellitesareinviewItcanbeasroughas100’sofkmsWecanalsogivesynchronisationinformationtoaidtheGPSreceivertoacquirethesatellite’ssignals:dopplershiftandcodephasedelay.Weallowthereceiverto(coherently)accumulatemoresignal->higherSNR!bettersensitivityThereceiverstartslookingforthesatellitesrightwheretheyaretiminginformationitis“immediately”extractedWecanthenprovidethenavigationdatatotheGPSreceiver,andthenwedonotneedtowaittodecodethedatafromthesatelliteThisisachievedbyhavingareferenceGPSreceiverstationwhichisconstantlyreceivinganddecodingtheGPSsignalsinviewandextractingsignalparameters(navigationdata,signaldopplerandsignaldelay)TheconceptofA-GPSWehavea57TheconceptofA-GPSAGPSmonitoringstationconstantlyreceivessignalsfromallvisiblesatellitesItstoresthenavigationdata,togetherwithSVacquisitiondataTheA-GPSreceiverisrelativelyclosetothemonitoringstationsothatitseesthesameSVs.TheGPSreceivercanrequestassistingdataandthenuseitforafastTTFFThereferencereceiversendssignalmeasurements.SV#1–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#2–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#3–Codephase:chips –Doppler:Hz –Navigationdata…827-1,467135+541008-190826-1,477134+531009-188825-1,489133+511010-187824-1,503132+501011-186DtiDfiLat:43°64’15.360”Lon:-123°47’49.083”TheconceptofA-GPSAGPSmoni58Assisted-GPS(A-GPS)InessenceA-GPSisverysimilartoGPSexceptthatawirelessnetworkstorestheGPSinformationTime,positionoftheUE,GPSdataThisinformationisreferredtoas‘AssistanceData’AssistancedataisprovidedtotheUEthroughthewirelessnetworkduringpositioningsessionsAllowsUEtoquicklyacquireandmeasureGPSsatellitesignalsAssisted-GPS(A-GPS)Inessence59新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)無線AP定位利用可見Wi-Fi接入點(diǎn)來定位，在大城市中，無線AP數(shù)目多，定位非常精確。新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位無線AP定位60新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)定位用于無線傳感網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)通過少量位置已知節(jié)點(diǎn)，定位出全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)定位61網(wǎng)絡(luò)定位網(wǎng)絡(luò)定位624.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)除了距離，哪些空間信息還可用于定位技術(shù)？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容634.3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：有一個(gè)或多個(gè)已知坐標(biāo)的參考點(diǎn)得到待定物體與已知參考點(diǎn)的空間關(guān)系定位技術(shù)的兩個(gè)步驟：測(cè)量物理量→根據(jù)物理量確定目標(biāo)位置常見定位技術(shù)：基于距離的定位（ToA）基于距離差的定位（TDoA）基于信號(hào)特征的定位（RSS）4.3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：64基于信號(hào)特征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征ToA和TDoA都需要接收端特殊裝置基于信號(hào)特征的定位直接利用無線通信的射頻信號(hào)定位，不需要額外設(shè)備原理：信號(hào)強(qiáng)度隨傳播距離衰減問題：理想公式實(shí)際難以應(yīng)用基于信號(hào)特征的定位基于距離ToA和TDoA都需要接收端特殊裝65基于信號(hào)特征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征解決方法：將信號(hào)強(qiáng)度看做“特征”預(yù)先布置N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)測(cè)出N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)的強(qiáng)度，得到一個(gè)N維向量事先測(cè)出區(qū)域中每個(gè)位置的特征向量將目標(biāo)測(cè)出的特征向量和事先測(cè)量值比對(duì)，找出位置缺點(diǎn)：不能應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)變化基于信號(hào)特征的定位基于距離解決方法：66基于信號(hào)特征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征LANDMARC：基于信號(hào)特征的動(dòng)態(tài)定位方法除了信號(hào)發(fā)送源，再布置一系列RFID標(biāo)簽作為參考標(biāo)志將目標(biāo)測(cè)得的信號(hào)特征向量與參考標(biāo)志此時(shí)的特征向量進(jìn)行比對(duì)，確定位置，誤差在1m范圍以內(nèi)基于信號(hào)特征的定位基于距離LANDMARC：基于信號(hào)特征的動(dòng)67《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件68引入?yún)⒖紭?biāo)簽來動(dòng)態(tài)的測(cè)試發(fā)射功率和識(shí)別距離之間的關(guān)系引入?yún)⒖紭?biāo)簽來動(dòng)態(tài)的測(cè)試發(fā)射功率和識(shí)別距離之間的關(guān)系69初始位置的估計(jì)初始位置的估計(jì)70初始位置的估計(jì)初始位置的估計(jì)71初始位置估計(jì)后，可以確定位于待定位標(biāo)簽周圍的四個(gè)標(biāo)簽的功率損耗，將標(biāo)簽1和標(biāo)簽3分別作為參考點(diǎn)，標(biāo)簽2和標(biāo)簽4作為目標(biāo)點(diǎn)，計(jì)算兩條路徑的路徑損耗指數(shù)。得到兩條路徑的路徑損耗以后，再根據(jù)初始位置計(jì)算得到參考標(biāo)簽1，參考標(biāo)簽3和讀卡器構(gòu)成的直線與待定位標(biāo)簽和讀卡器構(gòu)成的直線之間的角度，估算帶定位標(biāo)簽的路徑損耗指數(shù)，就可計(jì)算得到待定位標(biāo)簽到RFID讀卡器較為準(zhǔn)確的距離信息。初始位置估計(jì)后，可以確定位于待定位標(biāo)簽周圍的四個(gè)標(biāo)簽的功率損72移動(dòng)通信和移動(dòng)定位技術(shù)的快速開展促進(jìn)了一個(gè)新的研究領(lǐng)域——基于位置的效勞〔LBS〕基于位置的效勞(LocationBasedService，LBS)是定位技術(shù)、GIS技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)通訊技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。確定移動(dòng)設(shè)備或用戶所在位置提供與位置相關(guān)的各種信息服務(wù)位置隱私保護(hù)基于位置的緊急救援服務(wù)（查詢“離我最近醫(yī)院”）基于位置的信息娛樂服務(wù)（查詢“距離我最近的電影院”）基于位置的廣告服務(wù)（如“向所有在我咖啡店10m范圍內(nèi)的客人發(fā)送優(yōu)惠券”）移動(dòng)通信和移動(dòng)定位技術(shù)的快速開展促進(jìn)了一個(gè)新的研究領(lǐng)域——基73隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的活動(dòng)范圍越來越大，而且越來越不確定。這種移動(dòng)性和不確定性給移動(dòng)通信帶來市場(chǎng)和挑戰(zhàn)的同時(shí)，也為位置服務(wù)的開展和擴(kuò)大帶來了無限商機(jī)。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們的活動(dòng)范圍越來越大，而且越來越不確定。這74另一方面，在人們享受各種位置效勞的同時(shí)，移動(dòng)對(duì)象個(gè)人位置信息泄露的隱私威脅也漸漸成為一個(gè)嚴(yán)重的問題，引起了研究者的廣泛關(guān)注。位置隱私：是一種特殊的信息隱私。信息隱私是由個(gè)人、組織或機(jī)構(gòu)定義的何時(shí)、何地、用何種方式與他人共享信息，以及共享信息的內(nèi)容；而位置隱私那么指的是防止其他人以任何方式獲知對(duì)象過去、現(xiàn)在的位置。位置隱私保護(hù)另一方面，在人們享受各種位置效勞的同時(shí)，移動(dòng)對(duì)象個(gè)人位75PsychiatricpatientLocationPrivacyChineseFoodFanConsumerhabitsprotectionExamplesPsychiatricpatientChineseFoo76Location-BasedServicesProblemsofrevealinglocationtoLBSproviderSensitiveinformationcanbeinferredfromlocationExample:beingatthehospital,lawyer,church…Profiling:dailyroutines,deviationfromthem,etc.Pleaserobme…AliceLBSProviderquery,user,location,timelocalinfo,POIs,…77Location-BasedServicesProblem77保護(hù)位置隱私享受位置相關(guān)服務(wù)位置隱私保護(hù)矛盾保護(hù)位置隱私享受位置相關(guān)服務(wù)位置隱私保護(hù)矛盾781.假名匿名技術(shù)：用戶在發(fā)送位置效勞請(qǐng)求信息時(shí)，給出的不是自己真實(shí)的位置，而是一個(gè)與真實(shí)位置有一段距離的假位置的地址。保護(hù)強(qiáng)度就由真假位置之間的距離來決定位置匿名技術(shù)1.假名匿名技術(shù)：位置匿名技術(shù)792.空間匿名使用一個(gè)空間區(qū)域來代替用戶的準(zhǔn)確位置〔降低了用戶的空間分辨率〕。位置匿名技術(shù)2.空間匿名位置匿名技術(shù)803.時(shí)空匿名時(shí)空匿名在空間匿名的根底上增加了一個(gè)時(shí)間軸。延遲響應(yīng)時(shí)間，可以在這段時(shí)間中出現(xiàn)更多的用戶，提出更多的查詢，隱私匿名度更高位置匿名技術(shù)3.時(shí)空匿名位置匿名技術(shù)814.K-匿名技術(shù)核心思想：通過計(jì)算某請(qǐng)求效勞用戶與周圍的其他K一1個(gè)用戶的距離，形成一個(gè)適宜的K匿名區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域里面每個(gè)用戶的準(zhǔn)確位置都用K匿名區(qū)域代替，從而實(shí)現(xiàn)了隱藏用戶的準(zhǔn)確位置。對(duì)敏感信息進(jìn)展處理，保持?jǐn)?shù)據(jù)可統(tǒng)計(jì)性；使用數(shù)據(jù)泛化來處理數(shù)據(jù)，保持?jǐn)?shù)據(jù)可用性。位置匿名技術(shù)一條數(shù)據(jù)表示的個(gè)人信息和至少其他k-1條數(shù)據(jù)不能區(qū)分。其主要目的是為了解決如何在保證數(shù)據(jù)可用的前提下，發(fā)布帶有隱私信息的數(shù)據(jù)，使得每一條記錄無法與確定的個(gè)人匹配。4.K-匿名技術(shù)位置匿名技術(shù)一條數(shù)據(jù)表示的個(gè)人信息和至少82ExampleNameBirthGenderZIPRaceAndre1964m02135WhiteBeth1964f55410BlackCarol1964f90210WhiteDan1967m02174WhiteEllen1968f02237WhiteReleaseTableExternalDataSource83ExampleNameBirthGenderZIPRaceA83K-匿名技術(shù)K-匿名技術(shù)84k值是由用戶定義，用戶自定義的隱私需求參數(shù)之一。一般情況下，k值越大，匿名框也越大，但是這也與用戶提出服務(wù)的所在位置的周圍環(huán)境有關(guān)。假設(shè)提出查詢請(qǐng)求的用戶要求k=100的匿名度，如果此時(shí)用戶正在一個(gè)招聘會(huì)上，一個(gè)很小的空間即可滿足用戶的需求，但如果用戶此時(shí)在沙漠中，則返回的匿名空間可能非常大。K-匿名技術(shù)k值是由用戶定義，用戶自定義的隱私需求參數(shù)之一。K-匿名技854.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)物聯(lián)網(wǎng)背景對(duì)定位技術(shù)有哪些新的需求？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容86網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)接入物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備五花八門連接起來的網(wǎng)絡(luò)各自不同→如何讓不同的設(shè)備在不同的網(wǎng)絡(luò)下準(zhǔn)確定位環(huán)境多變室外vs.室內(nèi)空曠地帶vs.障礙物眾多靜止設(shè)備vs.頻繁運(yùn)動(dòng)4.4物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)4.4物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)87信息安全與隱私保護(hù)位置信息內(nèi)涵豐富且隱私息息相關(guān)高精度位置信息泄露的后果嚴(yán)重→如何既保證信息精度，又保護(hù)個(gè)人隱私大規(guī)模應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備將超過500億臺(tái)→如何應(yīng)對(duì)龐大的數(shù)量增長(zhǎng)→如何讓定位技術(shù)為簡(jiǎn)單設(shè)備（如RFID標(biāo)簽）所用4.4物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)信息安全與隱私保護(hù)4.4物聯(lián)網(wǎng)下定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)88Thankyou!Thankyou!89《定位系統(tǒng)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！《定位系統(tǒng)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使90內(nèi)容提要通過定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要研究課題。本章將典型的定位系統(tǒng)和定位技術(shù)。內(nèi)容提要通過定位系統(tǒng)獲取位置信息是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的重要研究課題。91第3章介紹了傳感器技術(shù)傳感器的設(shè)計(jì)需求（低成本與微型化，低功耗，靈活性與擴(kuò)展性，魯棒性）傳感器的軟硬件平臺(tái)本章介紹位置信息的概念，重點(diǎn)介紹典型的定位系統(tǒng)（衛(wèi)星定位，蜂窩基站定位，無線室內(nèi)環(huán)境定位，新興定位系統(tǒng)）以及三種常見的定位技術(shù)。內(nèi)容回顧第3章介紹了傳感器技術(shù)內(nèi)容回顧924.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)位置信息的三大要素是什么？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容93為什么需要定位？基于位置的服務(wù)自動(dòng)導(dǎo)航搜索周邊服務(wù)信息基于位置的社交網(wǎng)絡(luò)位置信息和我們的生活息息相關(guān)位置信息不是單純的“位置”地理位置（空間坐標(biāo)）處在該位置的時(shí)刻（時(shí)間坐標(biāo)）處在該位置的對(duì)象（身份信息）為什么需要定位？基于位置的服務(wù)位置信息不是單純的“位置”944.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)典型的定位系統(tǒng)有哪些？各自有哪些特點(diǎn)？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容95現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS，北斗蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)：A-GPS現(xiàn)存主流定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位：GPS，北斗96衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)美國：GPS俄羅斯：GLONASS歐盟：伽利略中國：北斗GPS是目前世界上最常用的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。由覆蓋全球的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以保證在任意時(shí)刻，地球上任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到多顆衛(wèi)星，以保證可以采集到該觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能。這項(xiàng)技術(shù)可以用來引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車輛以及個(gè)人，安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地。衛(wèi)星定位衛(wèi)星定位各國的衛(wèi)星定位系統(tǒng)由覆蓋全球的97GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem的縮寫,意為利用衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距,以構(gòu)成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。是美國國防部主要為滿足軍事部門對(duì)海上、陸地和空中設(shè)施進(jìn)行高精度導(dǎo)航和定位的需要而建立的。自1973年美國軍方批準(zhǔn)成立聯(lián)合計(jì)劃局開始GPS的研究工作到1993年系統(tǒng)建成,該工程歷時(shí)20年，耗資300億美元，成為繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后的第三項(xiàng)龐大空間計(jì)劃。它從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航和定位問題，在軍事和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。GPS：發(fā)展簡(jiǎn)史GPS是英文NavigationSatelliteTim98GPSSystemSpaceControlUserGPSSystemSpaceControlUser99GPSSatelliteGPSSatellite100KeyFeaturesofGPSSatellitesEachGPSsatellitehasaVERYaccurate(atomic)clockAllGPSsatellitesareexactlysynchronizedtoamastergroundclockEachsatellitetransmitsauniquePseudo-RandomNoise(PRN)CodeThepositionandclockofeachsatelliteispreciselyknownandconstantlymonitoredongroundKeyFeaturesofGPSSatellites101GPSSignal50bpsdatasignal,modulatedbyaPseudo-RandomNoise(PRN)code,whichrepeatsevery1mstransmittedat1,575.42MHz(L1).Nominalreceivedpowerongroundis-163dBW(5x10-17W)…that’sVERYlow!!!Compareittotypicalreceivedpowerinamobilecommunicationssystem(GSM)ofafewmW…GPSreceivedpoweris100trilliontimeslower!GPSSignal50bpsdatasignal,102GPS：發(fā)展簡(jiǎn)史衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)1973年，美國國防部開始GPS計(jì)劃1983年，里根承諾將來對(duì)民間開放使用1989年，正式開始發(fā)射GPS工作衛(wèi)星1994年，衛(wèi)星星座組網(wǎng)完成，投入使用2000年，克林頓下令取消軍用/民用信號(hào)的精度差別對(duì)待GPS：發(fā)展簡(jiǎn)史衛(wèi)星定位1973年，美國國防部開始GPS計(jì)劃103GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)宇宙空間部分24顆工作衛(wèi)星分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上繞地球運(yùn)行。目前可用的衛(wèi)星通常有28顆。地面監(jiān)控部分（全部在美國境內(nèi)）1個(gè)主控中心（另有1個(gè)備用）4個(gè)專用地面天線6個(gè)專用監(jiān)視站用戶設(shè)備部分GPS接收機(jī)GPS：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星定位宇宙空間部分104已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及它們到節(jié)點(diǎn)D的距離，確定節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)GPS：定位原理已知A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以及它們到節(jié)點(diǎn)D的距離，確定節(jié)105Ifyouknowthedistanceto4KNOWNlocations:Thefourthsphere(notshown)willintersectonlyoneofthesetwolocations.Howdoes3-dimensional(3D)positioningwork?3DimensionalFix!GPSReceiverPositionCalculationThelocationwillbesomewhereonthesurfaceofthesphereThetwosphereswillintersectformingacircle.Thelocationwillbesomewhereonthecircumferenceofthiscircle.Thethirdspherewillintersectthecircleformedbytheothertwospheres.Thiswillnowcreateonlytwopossiblelocations.Ifyouknowthedistanceto4106偽距測(cè)量原理D=c·△t△t=t2-t1GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到。由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）。偽距測(cè)量原理D=c·△tGPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是107《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件108當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y）碼：

C/A碼頻率1.023MHz，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；

P碼頻率10.23MHz，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。

Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置、速度等信息便可得知。GPS：定位原理當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨109單點(diǎn)定位

首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準(zhǔn)確測(cè)定我們所在地點(diǎn)A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點(diǎn)一定是位于以衛(wèi)星為中心、所測(cè)得距離為半徑的圓球上。進(jìn)一步，我們又測(cè)得點(diǎn)A至另一衛(wèi)星的距離，則A點(diǎn)一定處在前后兩個(gè)圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測(cè)得與第三個(gè)衛(wèi)星的距離，就可以確定A點(diǎn)只能是在三個(gè)圓球相交的兩個(gè)點(diǎn)上。根據(jù)一些地理知識(shí)，可以很容易排除其中一個(gè)不合理的位置。單點(diǎn)定位 首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準(zhǔn)110《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件111 GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有精細(xì)的原子鐘，并由監(jiān)測(cè)站經(jīng)常進(jìn)展校準(zhǔn)。衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信息，同時(shí)也發(fā)送準(zhǔn)確時(shí)間信息。GPS接收機(jī)接收此信息，使之與自身的時(shí)鐘同步，獲得準(zhǔn)確的時(shí)間。GPS接收機(jī)中的時(shí)鐘，不可能象在衛(wèi)星上那樣采用原子鐘，利用測(cè)定第四顆衛(wèi)星，在計(jì)算過程中校準(zhǔn)GPS接收機(jī)的時(shí)鐘。GPS：定位原理原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來計(jì)時(shí)的。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再加上利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計(jì)時(shí)就可以非常準(zhǔn)確了。現(xiàn)在用在原子鐘里的元素有氫(Hydrogen)、銫(Cesium)、銣(Russium)等。原子鐘的精度可以達(dá)到每100萬年才誤差1秒。這為天文、航海、宇宙航行提供了強(qiáng)有力的保障。 GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有精細(xì)的原子鐘，并由監(jiān)測(cè)站經(jīng)常進(jìn)112差分GPS定位技術(shù)在GPS定位過程中，存在三局部誤差。一局部是對(duì)每一個(gè)用戶接收機(jī)所共有的，例如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對(duì)流層誤差等；第二局部為不能由用戶測(cè)量或由校正模型來計(jì)算的傳播延遲誤差；第三局部為各用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。

利用差分技術(shù)第一局部誤差可完全消除，第二局部誤差大局部可以消除。第三局部誤差那么無法消除，只能靠提高GPS接收機(jī)本身的技術(shù)指標(biāo)。差分GPS定位技術(shù)在GPS定位過程中，存在三局部誤差。113《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件114WGS-84坐標(biāo)系（WorldGeodeticSystem一1984CoordinateSystem）一種國際上采用的地心坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)為地球質(zhì)心，其地心空間直角坐標(biāo)系的Z軸指向BIH（國際時(shí)間）1984.0定義的協(xié)議地球極（CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點(diǎn)，Y軸與Z軸、X軸垂直構(gòu)成右手坐標(biāo)系，稱為1984年世界大地坐標(biāo)系統(tǒng)。WGS-84坐標(biāo)系WGS-84坐標(biāo)系（WorldGeodeticSyste115高程系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的大地高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的參考橢球的法線與參考橢球面的交點(diǎn)間的距離。大地高也稱為橢球高。正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的正常高是該點(diǎn)到通過該點(diǎn)的鉛垂線與似大地水準(zhǔn)面的交點(diǎn)之間的距離。高程系統(tǒng)大地高系統(tǒng)是以參考橢球面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，某點(diǎn)的大116《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件117《定位系統(tǒng)》-2教學(xué)課件118導(dǎo)航型GPS機(jī)手持型GPS機(jī)導(dǎo)航型GPS機(jī)手持型GPS機(jī)119大地型GPS接收機(jī)單頻機(jī)雙頻機(jī)大地型GPS接收機(jī)單頻機(jī)雙頻機(jī)120GPS：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)精度高全球覆蓋，可用于險(xiǎn)惡環(huán)境缺點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)室內(nèi)信號(hào)差需要GPS接收機(jī)GPS：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位優(yōu)點(diǎn)121GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)最初僅能提供位置和周邊地圖第二代汽車導(dǎo)航系統(tǒng)可根據(jù)目的地自動(dòng)計(jì)算“最短”路線互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，汽車導(dǎo)航可從交管部門取得路況咨詢，優(yōu)化路線，找出“最快”路線GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位最初僅能提供位置和周邊地圖122GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，感知更透徹綜合道路狀況，污染指數(shù)，天氣狀況，加油站的分布，駕駛員的身體狀況等各種因素找出“最佳”路線由“以路為本”轉(zhuǎn)變到“以人為本”GPS典型應(yīng)用：汽車導(dǎo)航衛(wèi)星定位物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，感知更透徹123蜂窩基站定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)通訊區(qū)域被分割成蜂窩小區(qū)每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)通訊基站通訊設(shè)備連接小區(qū)對(duì)應(yīng)基站進(jìn)行通訊利用基站位置已知的條件，可對(duì)通訊設(shè)備進(jìn)行定位蜂窩基站定位衛(wèi)星定位GSM蜂窩網(wǎng)絡(luò)124單基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)COO定位（CellofOrigin）將移動(dòng)設(shè)備所屬基站的位置視為移動(dòng)設(shè)備的位置精度直接取決于基站覆蓋的范圍基站分布疏松地區(qū)，一個(gè)基站覆蓋范圍半徑可達(dá)數(shù)公里，誤差巨大優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、快速，適用緊急情況單基站定位法衛(wèi)星定位COO定位（CellofOrigin125三邊定位和多邊定位三邊定位Trilateration屢次測(cè)量方程的個(gè)數(shù)等于變量的個(gè)數(shù)需要考慮無解的情況，求最優(yōu)近似解三邊定位和多邊定位三邊定位Trilateration126三邊定位和多邊定位信號(hào)傳播時(shí)間/時(shí)間差〔TOA/TDOA/RTOF〕TOATDOARTOF三邊定位和多邊定位信號(hào)傳播時(shí)間/時(shí)間差〔TOA/TDOA/127基于TOA定位機(jī)制根本思想信號(hào)的傳播速度，根據(jù)信號(hào)的傳播時(shí)間來計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的距離，然后利用三邊或極大似然估計(jì)法等計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置；評(píng)價(jià)精度高；要求節(jié)點(diǎn)間準(zhǔn)確的時(shí)間同步；對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件和功耗較高的要求；基于TOA定位機(jī)制根本思想128基于TDOA的定位原理發(fā)射節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)射兩種不同傳播速度的無線信號(hào)，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)兩種信號(hào)到達(dá)的時(shí)間差以及這兩種信號(hào)的傳播速度，計(jì)算兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過已有根本的定位算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置；基于TDOA的定位原理129多基站定位法衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)ToA/TDoA定位法需要三個(gè)基站才能定位稀疏地區(qū)可能只能收到兩個(gè)基站的信號(hào)，不適用AoA定位法多基站定位法衛(wèi)星定位ToA/TDoA定位法130蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)不需要GPS接收機(jī)，可通訊即可定位啟動(dòng)速度快信號(hào)穿透能力強(qiáng)，室內(nèi)亦可接收到缺點(diǎn)定位精度相對(duì)較低基站需要有專門硬件，造價(jià)昂貴蜂窩基站定位：主要優(yōu)缺點(diǎn)衛(wèi)星定位優(yōu)點(diǎn)131典型應(yīng)用：緊急電話定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)美國E-911系統(tǒng)撥打報(bào)警電話時(shí)，根據(jù)基站定位出手機(jī)位置，自動(dòng)接到最近警局綜合了各種定位系統(tǒng)，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS使用時(shí)嘗試各種定位方法，擇優(yōu)而用典型應(yīng)用：緊急電話定位衛(wèi)星定位美國E-911系統(tǒng)132無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性多徑效應(yīng)原因：障礙物反射電磁波，反射波和原始波在接收端混疊室內(nèi)障礙物眾多，多徑效應(yīng)明顯對(duì)電磁波的阻礙作用長(zhǎng)波信號(hào)（GPS）傳播能力強(qiáng)，穿透能力弱室內(nèi)應(yīng)選用短波信號(hào)來進(jìn)行定位無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位室內(nèi)環(huán)境的復(fù)雜性133無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)需求主要來自企業(yè)和個(gè)人：難以購置ToA，TDoA，AoA等技術(shù)所需的昂貴硬件RSS定位技術(shù)使用信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行定位利用已有的無線網(wǎng)絡(luò)（藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee）紅外線、超聲波、藍(lán)牙、RFID、超寬帶……無線室內(nèi)環(huán)境定位衛(wèi)星定位需求主要來自企業(yè)和個(gè)人：難以購置To134RFID定位典型應(yīng)用衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)資產(chǎn)管理在設(shè)備上貼上RFID標(biāo)簽需要使用時(shí)通過RFID定位找到標(biāo)簽的位置，從而定位設(shè)備的位置結(jié)合感知技術(shù)，還可以監(jiān)控設(shè)備的狀況是否空閑是否故障是否老化RFID定位典型應(yīng)用衛(wèi)星定位資產(chǎn)管理135新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)A-GPSGPS定位和蜂窩基站定位的結(jié)合體利用基站定位確定大致范圍連接網(wǎng)絡(luò)查詢當(dāng)前位置可見衛(wèi)星大大縮短搜索衛(wèi)星的時(shí)間新興定位系統(tǒng)衛(wèi)星定位A-GPS136FactorsthataffectGPSaccuracyImperfectsatellitesAtmosphericeffectsMultipathInterferencesSignalstrengthReceivercomponentsGeometryofthesatellitesused(DOP)FactorsthataffectGPSaccura137Atmosphere10km50~150kmIonosphereStratosphereTroposphereTheoreticalpathActualpath,delayed,phaseshifted,attenuatedAtmosphere10km50~150kmIonosphe138MultipathGroundreflectionsDirectSignalMultipathGroundreflectionsDir139Multipath(2)Multipath(2)140SignalStrength12345SignalStrength12345141InterferenceInterference142ProsandConsofGPSPROSItisaglobalsystemInnominalconditionsitisaccurate(5-10m)Itisfreeforusers!CONSItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!butthat’swhereusersare!emergencyservicesrequireQoS!ProsandConsofGPSPROSCONSb143SolutionstoConsItdoesnotworkindoorsandpresentsdegradedperformanceinhigh-densityurbanenvironmentsIncoldstartwithoutanypreviousinformationaboutthesatellitesitmaytakeseveralminutes!INCREASERECEIVERSENSITIVITY!AVOIDHAVINGTOWAITTODECODENAVIGATIONMESSAGE!A-GPSSolutionstoConsItdoesnotw144WhatisAssisted-GPS?WhatisAssisted-GPS?145TheconceptofA-GPSWehavearoughestimateoftheuserposition,thenwecanprovideinformationaboutwhatsatellitesareinviewItcanbeasroughas100’sofkmsWecanalsogivesynchronisationinformationtoaidtheGPSreceivertoacquirethesatellite’ssignals:dopplershiftandcodephasedelay.Weallowthereceiverto(coherently)accumulatemoresignal->higherSNR!bettersensitivityThereceiverstartslookingforthesatellitesrightwheretheyaretiminginformationitis“immediately”extractedWecanthenprovidethenavigationdatatotheGPSreceiver,andthenwedonotneedtowaittodecodethedatafromthesatelliteThisisachievedbyhavingareferenceGPSreceiverstationwhichisconstantlyreceivinganddecodingtheGPSsignalsinviewandextractingsignalparameters(navigationdata,signaldopplerandsignaldelay)TheconceptofA-GPSWehavea146TheconceptofA-GPSAGPSmonitoringstationconstantlyreceivessignalsfromallvisiblesatellitesItstoresthenavigationdata,togetherwithSVacquisitiondataTheA-GPSreceiverisrelativelyclosetothemonitoringstationsothatitseesthesameSVs.TheGPSreceivercanrequestassistingdataandthenuseitforafastTTFFThereferencereceiversendssignalmeasurements.SV#1–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#2–Codephase:chips –Doppler:Hz –NavigationdataSV#3–Codephase:chips –Doppler:Hz –Navigationdata…827-1,467135+541008-190826-1,477134+531009-188825-1,489133+511010-187824-1,503132+501011-186DtiDfiLat:43°64’15.360”Lon:-123°47’49.083”TheconceptofA-GPSAGPSmoni147Assisted-GPS(A-GPS)InessenceA-GPSisverysimilartoGPSexceptthatawirelessnetworkstorestheGPSinformationTime,positionoftheUE,GPSdataThisinformationisreferredtoas‘AssistanceData’AssistancedataisprovidedtotheUEthroughthewirelessnetworkduringpositioningsessionsAllowsUEtoquicklyacquireandmeasureGPSsatellitesignalsAssisted-GPS(A-GPS)Inessence148新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)無線AP定位利用可見Wi-Fi接入點(diǎn)來定位，在大城市中，無線AP數(shù)目多，定位非常精確。新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位無線AP定位149新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位蜂窩基站定位無線室內(nèi)環(huán)境定位新興定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)定位用于無線傳感網(wǎng)、自組織網(wǎng)絡(luò)通過少量位置已知節(jié)點(diǎn)，定位出全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置新興定位系統(tǒng)（續(xù)）衛(wèi)星定位網(wǎng)絡(luò)定位150網(wǎng)絡(luò)定位網(wǎng)絡(luò)定位1514.1位置信息4.2定位系統(tǒng)4.3定位技術(shù)4.4物聯(lián)網(wǎng)對(duì)定位技術(shù)的新挑戰(zhàn)除了距離，哪些空間信息還可用于定位技術(shù)？本章內(nèi)容4.1位置信息本章內(nèi)容1524.3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：有一個(gè)或多個(gè)已知坐標(biāo)的參考點(diǎn)得到待定物體與已知參考點(diǎn)的空間關(guān)系定位技術(shù)的兩個(gè)步驟：測(cè)量物理量→根據(jù)物理量確定目標(biāo)位置常見定位技術(shù)：基于距離的定位（ToA）基于距離差的定位（TDoA）基于信號(hào)特征的定位（RSS）4.3定位技術(shù)定位技術(shù)的關(guān)鍵：153基于信號(hào)特征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征ToA和TDoA都需要接收端特殊裝置基于信號(hào)特征的定位直接利用無線通信的射頻信號(hào)定位，不需要額外設(shè)備原理：信號(hào)強(qiáng)度隨傳播距離衰減問題：理想公式實(shí)際難以應(yīng)用基于信號(hào)特征的定位基于距離ToA和TDoA都需要接收端特殊裝154基于信號(hào)特征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征解決方法：將信號(hào)強(qiáng)度看做“特征”預(yù)先布置N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)測(cè)出N個(gè)參考節(jié)點(diǎn)信號(hào)的強(qiáng)度，得到一個(gè)N維向量事先測(cè)出區(qū)域中每個(gè)位置的特征向量將目標(biāo)測(cè)出的特征向量和事先測(cè)量值比對(duì)，找出位置缺點(diǎn)：不能應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)變化基于信號(hào)特征的定位基于距離解決方法：155基于信號(hào)特征的定位基于距離基于距離差基于信號(hào)特征LANDMARC：基于信號(hào)特征的動(dòng)態(tài)定位方法除了信號(hào)發(fā)送源，再布置一系列RFID標(biāo)簽作為參考標(biāo)志將目標(biāo)測(cè)得的信號(hào)特征向量與參考標(biāo)志此