物联网定位方式与技术.ppt

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（Cell of Origin）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（Time of Arrival)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