第4章 定位系统

通过定位系统获取位置信息是物联网时代的重要研究课题。 本章将典型的定位系统和定位技术。 内容提要

内容回顾 第3章介绍了传感器技术 传感器的设计需求（低成本与微型化，低功耗，灵活性与扩展性，鲁棒性） 传感器的软硬件平台 本章介绍位置信息的概念，重点介绍典型的定位系统（卫星定位，蜂窝基站定位，无线室内环境定位，新兴定位系统）以及三种常见的定位技术。

本章内容 4.1 位置信息 4.2 定位系统 4.3 定位技术 4.4 物联网对定位技术的新挑战 位置信息的三大要素是什么？

为什么需要定位？ 位置信息不是单纯的“位置” 基于位置的服务 位置信息和我们的生活息息相关 自动导航 搜索周边服务信息 基于位置的社交网络 地理位置（空间坐标） 处在该位置的时刻（时间坐标） 处在该位置的对象（身份信息）

本章内容 4.1 位置信息 4.2 定位系统 4.3 定位技术 4.4 物联网对定位技术的新挑战 典型的定位系统有哪些？各自有哪些特点？

现存主流定位系统 卫星定位：GPS，北斗 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统：A-GPS

卫星定位 各国的卫星定位系统 GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统。 美国：GPS 俄罗斯：GLONASS 欧盟：伽利略 中国：北斗 由覆盖全球的卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到多颗卫星，以保证可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。 各国的卫星定位系统 美国：GPS 俄罗斯：GLONASS 欧盟：伽利略 中国：北斗 GPS是目前世界上最常用的卫星导航系统。 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

GPS：发展简史 GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System的缩写,意为利用卫星导航进行测时和测距,以构成全球卫星定位系统。是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。 自1973年美国军方批准成立联合计划局开始GPS的研究工作到1993年系统建成,该工程历时20年，耗资300亿美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，在军事和工农业等领域得到了广泛的应用。

GPS System Space User Control The GPS system has three segments Space segment The constellation of GPS satellites Control segment Monitoring and upload stations around the world User segment All GPS receivers and systems worldwide

GPS Satellite

Key Features of GPS Satellites Each GPS satellite has a VERY accurate (atomic) clock All GPS satellites are exactly synchronized to a master ground clock Each satellite transmits a unique Pseudo-Random Noise (PRN) Code The position and clock of each satellite is precisely known and constantly monitored on ground

GPS Signal 50 bps data signal, modulated by a Pseudo-Random Noise (PRN) code, which repeats every 1 ms transmitted at 1,575.42 MHz (L1). Nominal received power on ground is -163 dBW (5x10-17 W)…that’s VERY low!!! Compare it to typical received power in a mobile communications system (GSM) of a few mW…GPS received power is 100 trillion times lower! There is a military signal at the L2 band.

GPS：发展简史 1973年，美国国防部开始GPS计划 1983年，里根承诺将来对民间开放使用 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 2000年，克林顿下令取消军用/民用信号的精度差别对待 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

GPS：系统结构 宇宙空间部分 地面监控部分（全部在美国境内） 用户设备部分 24颗工作卫星 分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。目前可用的卫星通常有28颗。 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 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

GPS：定位原理 已知A、B、C三个节点的坐标，以及它们到节点D的距离，确定节点D的坐标

GPS Receiver Position Calculation How does 3-dimensional (3D) positioning work? If you know the distance to 4 KNOWN locations: The fourth sphere (not shown) will intersect only one of these two locations. The location will be somewhere on the surface of the sphere The two spheres will intersect forming a circle. The location will be somewhere on the circumference of this circle. The third sphere will intersect the circle formed by the other two spheres. This will now create only two possible locations. 3 Dimensional Fix!

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。 伪距测量原理 GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。 卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）。 D = c·△t △t = t2 - t1

GPS：定位原理 当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。 GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y）码： C/A码频率1.023MHz，码间距1微秒，相当于300m； P码频率10.23MHz，码间距0.1微秒，相当于30m。 Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。 导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置、速度等信息便可得知。

单点定位 首先我们可以得到GPS卫星的位置；其次，我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。

GPS：定位原理 GPS系统在每颗卫星上装置有精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使之与自身的时钟同步，获得准确的时间。GPS接收机中的时钟，不可能象在卫星上那样采用原子钟，利用测定第四颗卫星，在计算过程中校准GPS接收机的时钟。 原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(Russium)等。原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

差分GPS定位技术 在GPS定位过程中，存在三部分误差。 一部分是对每一个用户接收机所共有的，例如：卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等； 第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差； 第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。 利用差分技术第一部分误差可完全消除，第二部分误差大部分可以消除。第三部分误差则无法消除，只能靠提高GPS接收机本身的技术指标。

WGS-84 坐标系 WGS-84坐标系（World Geodetic System一1984 Coordinate System） 一种国际上采用的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的Z轴指向BIH （国际时间）1984.0定义的协议地球极（CTP)方向，X轴指向BIH 1984.0的零子午面和CTP赤道的交点，Y轴与Z轴、X轴垂直构成右手坐标系，称为1984年世界大地坐标系统。

高程系统 大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统，某点的大地高是该点到通过该点的参考椭球的法线与参考椭球面的交点间的距离。大地高也称为椭球高。 正常高系统是以似大地水准面为基准的高程系统，某点的正常高是该点到通过该点的铅垂线与似大地水准面的交点之间的距离。

导航型GPS机 手持型GPS机

大地型GPS接收机 单频机 双频机

GPS：主要优缺点 优点 缺点 精度高 全球覆盖，可用于险恶环境 启动时间长 室内信号差 需要GPS接收机 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

GPS典型应用：汽车导航 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的地自动计算“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 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

GPS典型应用：汽车导航 物联网时代，感知更透彻 综合道路状况，污染指数，天气状况，加油站的分布，驾驶员的身体状况等各种因素找出“最佳”路线 由“以路为本”转变到“以人为本” 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

蜂窝基站定位 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 利用基站位置已知的条件，可对通讯设备进行定位 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

单基站定位法 COO定位（Cell of Origin） 优点：简单、快速，适用紧急情况 将移动设备所属基站的位置视为移动设备的位置 精度直接取决于基站覆盖的范围 基站分布疏松地区，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 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

三边定位和多边定位 三边定位Trilateration 多次测量方程的个数等于变量的个数 需要考虑无解的情况，求最优近似解

三边定位和多边定位 信号传播时间/时间差（TOA/TDOA/RTOF） TOA TDOA RTOF

基于TOA定位机制 基本思想 已知信号的传播速度，根据信号的传播时间来计算节点间的距离，然后利用三边或极大似然估计法等计算出节点的位置； 评价 精度高； 要求节点间精确的时间同步； 对传感器节点的硬件和功耗较高的要求；

基于TDOA的定位 原理 发射节点同时发射两种不同传播速度的无线信号，接收节点根据两种信号到达的时间差以及已知这两种信号的传播速度，计算两个节点之间的距离，再通过已有基本的定位算法计算出节点的位置 ；

多基站定位法 ToA/TDoA定位法 AoA定位法 需要三个基站才能定位 稀疏地区可能只能收到两个基站的信号，不适用 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

蜂窝基站定位：主要优缺点 优点 缺点 不需要GPS接收机，可通讯即可定位 启动速度快 信号穿透能力强，室内亦可接收到 定位精度相对较低 基站需要有专门硬件，造价昂贵 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

典型应用：紧急电话定位 美国E-911系统 拨打报警电话时，根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，包括ToA，TDoA，AoA，RSS，A-GPS 使用时尝试各种定位方法，择优而用 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

无线室内环境定位 室内环境的复杂性 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，多径效应明显 对电磁波的阻碍作用 长波信号（GPS）传播能力强，穿透能力弱 室内应选用短波信号来进行定位 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

无线室内环境定位 需求主要来自企业和个人：难以购置ToA，TDoA，AoA等技术所需的昂贵硬件 RSS定位技术 使用信号强度进行定位 利用已有的无线网络（蓝牙、Wi-Fi、ZigBee） 红外线、超声波、蓝牙、RFID、超宽带…… 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

RFID定位典型应用 资产管理 在设备上贴上RFID标签 需要使用时通过RFID定位找到标签的位置，从而定位设备的位置 结合感知技术，还可以监控设备的状况 是否空闲 是否故障 是否老化 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

新兴定位系统 A-GPS GPS定位和蜂窝基站定位的结合体 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 大大缩短搜索卫星的时间 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

Factors that affect GPS accuracy Imperfect satellites Atmospheric effects Multipath Interferences Signal strength Geometry of the satellites used (DOP) Receiver components: sampling frequency, number of correlators, filter bandwidth, etc Geometry of the satellites used, DOP = Dilution of precision = an non-dimensional factor that affects the final accuracy. The more spaced out the satellites being used are, gthe better. DOP > 1 Receiver components

Atmosphere Theoretical path Actual path, delayed, phase shifted, attenuated Ionosphere 50~150km Stratosphere Troposphere 10km

Multipath Direct Signal Ground reflections Multipath effects can cause many problems for satellite navigation. The simulator has for a long time had many ways to simulate multipath type signals. When we changed the emphasis of the host software from pre-processing towards processing at runtime some of the existing multipath were very difficult to implement in a runtime mode. Until recently the runtime multipath models were limited to: Ground Reflector Fixed offset …and Local Reflector Now we have added three new multipath models to the runtime software which are available at runtime.

Multipath (2)

Signal Strength 1 2 3 4 5

Interference

Pros and Cons of GPS PROS It is a global system In nominal conditions it is accurate (5-10m) It is free for users! CONS It does not work indoors and presents degraded performance in high-density urban environments In cold start without any previous information about the satellites it may take several minutes! but that’s where users are! emergency services require QoS!

Solutions to Cons A-GPS INCREASE RECEIVER SENSITIVITY! It does not work indoors and presents degraded performance in high-density urban environments In cold start without any previous information about the satellites it may take several minutes! INCREASE RECEIVER SENSITIVITY! AVOID HAVING TO WAIT TO DECODE NAVIGATION MESSAGE! A-GPS

What is Assisted-GPS?

The concept of A-GPS We have a rough estimate of the user position, then we can provide information about what satellites are in view It can be as rough as 100’s of kms We can also give synchronisation information to aid the GPS receiver to acquire the satellite’s signals: doppler shift and code phase delay. We allow the receiver to (coherently) accumulate more signal -> higher SNR! better sensitivity The receiver starts looking for the satellites right where they are timing information it is “immediately” extracted We can then provide the navigation data to the GPS receiver, and then we do not need to wait to decode the data from the satellite This is achieved by having a reference GPS receiver station which is constantly receiving and decoding the GPS signals in view and extracting signal parameters (navigation data, signal doppler and signal delay)

The concept of A-GPS A GPS monitoring station constantly receives signals from all visible satellites It stores the navigation data, together with SV acquisition data The A-GPS receiver is relatively close to the monitoring station so that it sees the same SVs. The GPS receiver can request assisting data and then use it for a fast TTFF The reference receiver sends signal measurements. Dti Dfi SV#1 – Code phase: chips – Doppler: Hz – Navigation data SV#2 – Code phase: chips – Doppler: Hz SV#3 – Code phase: chips – Doppler: Hz … 824 -1,503 132 +50 1011 -186 826 -1,477 134 +53 1009 -188 825 -1,489 133 +51 1010 -187 827 -1,467 135 +54 1008 -190 Lat: 43°64’15.360” Lon: -123°47’49.083”

Assisted-GPS (A-GPS) In essence A-GPS is very similar to GPS except that a wireless network stores the GPS information Time, position of the UE, GPS data This information is referred to as ‘Assistance Data’ Assistance data is provided to the UE through the wireless network during positioning sessions Allows UE to quickly acquire and measure GPS satellite signals

新兴定位系统（续） 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，定位非常精确。 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

新兴定位系统（续） 网络定位 用于无线传感网、自组织网络 通过少量位置已知节点，定位出全网络节点的位置 卫星定位 蜂窝基站定位 无线室内环境定位 新兴定位系统

网络定位

本章内容 4.1 位置信息 4.2 定位系统 4.3 定位技术 4.4 物联网对定位技术的新挑战 除了距离，哪些空间信息还可用于定位技术？

4.3 定位技术 定位技术的关键： 定位技术的两个步骤：测量物理量→根据物理量确定目标位置 常见定位技术： 有一个或多个已知坐标的参考点 得到待定物体与已知参考点的空间关系 定位技术的两个步骤：测量物理量→根据物理量确定目标位置 常见定位技术： 基于距离的定位（ToA） 基于距离差的定位（TDoA） 基于信号特征的定位（RSS）

基于信号特征的定位 基于信号特征的定位直接利用无线通信的射频信号定位，不需要额外设备 原理：信号强度随传播距离衰减 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 基于信号特征的定位直接利用无线通信的射频信号定位，不需要额外设备 原理：信号强度随传播距离衰减 问题：理想公式实际难以应用

基于信号特征的定位 解决方法： 缺点：不能应对动态变化 基于距离 基于距离差 基于信号特征 将信号强度看做“特征” 预先布置N个参考节点 测出N个参考节点信号的强度，得到一个N维向量 事先测出区域中每个位置的特征向量 将目标测出的特征向量和事先测量值比对，找出位置 缺点：不能应对动态变化

基于信号特征的定位 LANDMARC：基于信号特征的动态定位方法 基于距离 基于距离差 基于信号特征 除了信号发送源，再布置一系列RFID标签作为参考标志 将目标测得的信号特征向量与参考标志此时的特征向量进行比对，确定位置，误差在1m范围以内

引入参考标签来动态的测试发射功率和识别距离之间的关系

初始位置的估计

初始位置的估计

初始位置估计后，可以确定位于待定位标签周围的四个标签的功率损耗，将标签1和标签3分别作为参考点，标签2和标签4作为目标点，计算两条路径的路径损耗指数。得到两条路径的路径损耗以后，再根据初始位置计算得到参考标签1，参考标签3和读卡器构成的直线与待定位标签和读卡器构成的直线之间的角度，估算带定位标签的路径损耗指数，就可计算得到待定位标签到RFID读卡器较为准确的距离信息。

位置隐私保护 移动通信和移动定位技术的快速发展促进了一个新的研究领域——基于位置的服务（LBS） 基于位置的服务(Location Based Service，LBS)是定位技术、GIS 技术、互联网技术和移动通讯技术相结合的产物。 确定移动设备或 用户所在位置 提供与位置相关的各种信息服务 基于位置的紧急救援服务（查询“离我最近医院”） 基于位置的信息娱乐服务（查询“距离我最近的电影院”） 基于位置的广告服务（如“向所有在我咖啡店10 m 范围内的客人发送优惠券”）

随着社会的发展，人们的活动范围越来越大，而且越来越不确定。这种移动性和不确定性给移动通信带来市场和挑战的同时，也为位置服务的开展和扩大带来了无限商机。

另一方面，在人们享受各种位置服务的同时，移动对象个人位置信息泄露的隐私威胁也渐渐成为一个严重的问题，引起了研究者的广泛关注。 位置隐私保护 另一方面，在人们享受各种位置服务的同时，移动对象个人位置信息泄露的隐私威胁也渐渐成为一个严重的问题，引起了研究者的广泛关注。 位置隐私：是一种特殊的信息隐私。信息隐私是由个人、组织或机构定义的何时、何地、用何种方式与他人共享信息，以及共享信息的内容；而位置隐私则指的是防止其他人以任何方式获知对象过去、现在的位置。

Examples Consumer habits Location Privacy protection Psychiatric patient Location Privacy Chinese Food Fan Consumer habits protection

Location-Based Services query, user, location, time local info, POIs, … LBS Provider Alice Problems of revealing location to LBS provider Sensitive information can be inferred from location Example: being at the hospital, lawyer, church… Profiling: daily routines, deviation from them, etc. Please rob me … manual queries separated in time (every hour, rather than every few seconds)

享受位置相关服务 保护位置隐私 矛盾 位置隐私保护

位置匿名技术 1.假名匿名技术： 用户在发送位置服务请求信息时，给出的不是自己真实的位置，而是一个与真实位置有一段距离的假位置的地址。 保护强度就由真假位置之间的距离来决定

位置匿名技术 2.空间匿名 使用一个空间区域来代替用户的准确位置（降低了用户的空间分辨率）。

位置匿名技术 3.时空匿名 时空匿名在空间匿名的基础上增加了一个时间轴。延迟响应时间，可以在这段时间中出现更多的用户，提出更多的查询，隐私匿名度更高

位置匿名技术 4. K-匿名技术 1998年P.Samarati和L.Seweney在PODS国际会议上提出，最早使用于关系数据库 核心思想：通过计算某请求服务用户与周围的其他K一1个用户的距离，形成一个合适的K匿名区域，在这个区域里面每个用户的精确位置都用K匿名区域代替，从而实现了隐藏用户的精确位置。 对敏感信息进行处理，保持数据可统计性；使用数据泛化来处理数据，保持数据可用性。

Example Release Table External Data Source Name Birth Gender ZIP Race Andre 1964 m 02135 White Beth f 55410 Black Carol 90210 Dan 1967 02174 Ellen 1968 02237 Problems k-anonymity: Diversity, etc.

K-匿名技术

K-匿名技术 k 值是由用户定义，用户自定义的隐私需求参数之一。 返回的匿名空间可能非常大。

本章内容 4.1 位置信息 4.2 定位系统 4.3 定位技术 4.4 物联网对定位技术的新挑战 物联网背景对定位技术有哪些新的需求？

4.4 物联网下定位技术的新挑战 网络异构 环境多变 接入物联网的设备五花八门 连接起来的网络各自不同 →如何让不同的设备在不同的网络下准确定位 环境多变 室外 vs. 室内 空旷地带 vs. 障碍物众多 静止设备 vs. 频繁运动

4.4 物联网下定位技术的新挑战 信息安全与隐私保护 大规模应用 位置信息内涵丰富且隐私息息相关 高精度位置信息泄露的后果严重 →如何既保证信息精度，又保护个人隐私 大规模应用 物联网时代，接入网络的设备将超过500亿台 →如何应对庞大的数量增长 →如何让定位技术为简单设备（如RFID标签）所用

Thank you!