第6章物联网定位技术72.pptx

第六章 物联网定位技术;6.1 定位的概念与技术发展;6.6 无线传感网定位技术;6.1 定位的概念与发展历史;物联网中用于获取物体位置的技术统称为定位技术。 物联网中的所谓“物体”的概念非常广泛：它既可以指人，也可以指设备。;二、定位技术发展简史;;随着人造卫星技术的发展，人们开始利用人造卫星来构建更精确，覆盖范围更广的定位/导航系统。地球同步轨道卫星可以以相对地球静止的方式在太空轨道中运行，这就提供了一种方式来为定位系统提供固定的参考点。;;室内的无线定位系统一般利用RFID标签来进行。利用RFID标签的定位系统可以分为定位标签的和定位RFID读写器的两种。这类定位系统所采用的模型可以分为两大类：基于模式匹配的和基于模型匹配的。;无线传感器网络中的定位算法一般利用一些已知自身位置的节点（称为锚节点）来辅助一般节点进行定位。算法设计的目标除了达到较高的精度外，还注重降低开销，包括通信开销和计算开销，并且将尽量减少对硬件的要求。;6.2 定位技术在物联网中的应用;;;;;;6.3 卫星导航系统;一、GPS全球定位系统简介;（1）GPS的组成 GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。GPS 系统的星座部分主要由24 颗卫星构成，其中21 颗为工作卫星，另外3 颗为备用卫星，用于在必要时根据指令替代发生故障的卫星。这24颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，每个轨道面包含4颗卫星。;卫星轨道为椭圆形，平均高度约20200km，运行周期大约11小时58分钟。对地面观测者来说，每天见到的卫星几何分布相同，但是每天见到同一卫星的时间大概要提前4分钟。在地球任意一点上，用户能够观察到的卫星颗数随着时间和地点的不同而有所不同，最少可见到4 颗，最多时可见到11 颗。;GPS 的地面监控部分主要由分布全球的6个地面站构成，其中包括卫星监测站、主控站、备用主控站和信息注入站。主控站位于美国科罗拉多州的谢里佛尔空军基地，是整个地面监控系统的管理中心和技术中心。另外还有一个位于马里兰州盖茨堡的备用主控站，在发生紧急情况时启用。注入站目前有4个，其作用是把主控站计算得到的卫星星历、导航电文等信??注入到相应的卫星。;注入站同时也是监测站，另外还有位于夏威夷和卡纳维拉尔角2处监测站，故监测站目前有6个。监测站的主要作用是采集GPS卫星数据和当地的环境数据，然后发送给主控站。 用户设备部分用户设备主要是GPS接收机，它是一种特制的无线电接收机，主要作用是从GPS卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。用户设备部分的主要设备是GPS 接收机。 ;GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，利用GPS接收器测量出的到卫星的距离，来计算待测点的位置。如图2所示，假设在t时刻在待测点位置上观测到4个卫星，并测出信号从该观测点到4个卫星的传播时间，便可以列出对应的4个方程来求得观测点的位置。 ;GPS中利用信号在卫星和接收机之间的往返时间来计算距离的。在某一时刻，卫星发送一长串称为伪随机码的数字序列，而同时接收机也在同一时刻产生相同的数字序列。当卫星信号到达接收机时，由于传输的延迟，从卫星信号接收到的数字序列会比接收机产生的信号的时间滞后。时间延迟的长度就是信号传送的时间。接收机将这一时间乘以光速就可以计算出信号传送的距离。假设信号是以直线传送的，则这一结果即为接收机到卫星的距离。;为了使测得的距离数据准确有效，GPS接收机需要安装和卫星上同步的精确时钟。为了达到所要求的计时精度（纳秒级），需要使用能够精确计时的原子钟。但对普通的GPS接收器来说，原子钟的价格太贵了（价格在5-10万美元之间）。GPS系统用一个巧妙的方案解决了这一问题。;每一颗卫星上仍然使用昂贵的原子钟，但接收机使用的是经常需要调校的普通石英钟。简言之，接收机接收来自四颗或更多卫星的信号在计算距离的同时，对自身的始终误差进行校正，将自身的时钟调整到与卫星上的原子时钟相同的值，从而使接收机的时间与所有卫星上的原子钟相同。 ;GPS接收机就可以“免费”获得原子钟的精确度。其原理如下。当测量到四颗定位卫星到观测点所处位置的准确距离时，我们就可以画出相交于一点的四个球面。但是如果测量有误差，四个球面就不可能相交于一点。由于接收机利用自身内置的时钟来测量所有的距离，距离测量会呈现一定的比例误差。;接收机可以计算出使四个球面相交于一点所进行的必要调整，并基于此重新设置自身的时钟以便和卫星原子钟同步。接收机只要开启就处在不断的调整中，这也意味着接收机几乎与卫星中昂贵的原子钟一样精确。 ;图6.7 GPS定位原理： R1’，R2’，R3’和R4’为所测伪距 ;GPS定位可分为单点定位和相对定位（或称差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机