无线传感器网络定位与目标跟踪技术

全球范围定位技术
AGPS
辅助全球卫星定位系统（Assisted Global Positioning System，AGPS）是一 种GPS的运行方式。它可以利用手机基地站的资讯，配合传统GPS卫 星，让定位的速度更快。
◆AGPS技术是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动台进行定位 的技术，可以在移动通信网络中使用。 ◆AGPS技术需要在手机具有GPS接收机模块，改造手机天线，同时要 在移动网络上加建位置服务器、差分GPS基准站等设备。如果要提高 该方案在室内等GPS信号屏蔽地区的定位有效性，该方案还提出需要 增添类似于EOTD方案中的位测量单元（LMU）。 ◆GPSOne是AGPS技术的一种定位方案。
基于传感器网的定位技术
基于无线传感器网络的定位技术
COO定位法
优点
◆实现简单 ◆只需建立基站覆盖数据库 ◆定位快速 ◆无需改造设备
缺点
◆定位精度较差
全球范围定位技术
GPS
GPS是英文Global Positioning System（全 球定位系统）的简称。 GPS系统利用GPS定位卫星，在全球范 围内实时进行定位、导航的系统，称为 全球卫星定位系统，简称GPS。GPS是 由美国国防部研制建立的一种具有全方 位、全天候、全时段、高精度的卫星导 航系统，能为全球用户提供低成本、高 精度的三维位置、速度和精确定时等导 航信息
全球范围定位技术
GPSOne
GPSOne是高通公司开发的一种基于 GPS的混合定位技术。 GPSOne技术利用地面基站移动台定 位技术对GPS定位进行互补辅助定位， 是位置信息的获得更加快速准确。 ◆常用的移动台定位技术包括AOA、 TOA、TDOA等
◆地面定位技术：行程往返延迟RTD， 导频相位测量
邻居节点
跳数
网络连接度
集中式定位法
多维标度技术定位算法
◆MDS可以将相关物体映射为低 维空间中存在的一个点，当这个 低维空间的维数转化为2或者3时， 该情景就成为一个节点定位问题。 ◆可用于测距式定位算法中 ◆在锚节点少的网络计算中，误 差较大
◆节点多的网络，矩阵大，运算 量大
分布式定位法
Dv-Hop定位算法
基于无线传感器网络的定位技术
TDOA定位法
组合测量算法采用RF信号 和超声波信号测距，根据 传感器发射的两种信号到 达的时间差(T2 - T1)和两种 信号的传播速度解算两点 间的距离。
◆测量精度提高 ◆设备成本增加
基于传感器网的定位技术
基于无线传感器网络的定位技术
COO定位法
单基站定位方式，根据移动终端所处的传感器网络ID号确定终端 的具体位置。 ◆定位原理和方式最为简单。 ◆定位精度取决于网络小区的覆盖半径：基站密集区域(如城市核 心区)，定位精度可达50m以内；基站稀疏区域(如山区)，定位精度 只能粗略为几千米。
基本原理：测量确定分布在两 个或多个锚节点之间多跳网络 (未知节点构成)的跳数，估算 出每一跳的距离，进而估算出 每个节点的位置。 ◆精度：网络连通度为10，锚 节点比例10%的网络中，定位 精确度约为33%
L1
L2
m 40
75 m
L3 A
100 m
分布式定位法
Dv-Hop定位算法
应用背景：大规模网络中，目标节点无法与足够多的锚节 点直接通信；节点随机部署，只有锚节点可精确定位。
-10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100
根据无线信道的路径损耗模型， 利用接收信号强度、发送功率来 估计传输的直线距离。
◆优点：硬件门槛低
◆缺点：精度受路径障碍物影响 较大
0
10
20
ຫໍສະໝຸດ Baidu
30
40 50 60 距 离 （ m）
70
80
90
100
基于传感器网的定位技术
全球范围定位技术
GPSOne
手机上报移动台 导频测量信息 定位引擎根据“初始位置” 计算GPS捕获辅助数据， 发送给手机 接收GPS信号和移动台 导频测量信号， 上报定位引擎
是
混合定位方式 ◆通过地面辅助网络和 GPS共同定位 ◆移动台直接利用GPS测 量值计算位置信息 采用GPS信号计 算手机位置 输出定位结果 结果返回手机 GPS信号达标
75 m
L2
m 40
L3 L1 A
100 m
基于传感器网的定位技术
按传感器工作模式分类
基于带有传感器的移动终 端定位技术 ◆基于下行链路 ◆提供多种位置信息 ◆定位准确快速，解算相 对复杂，对系统硬件有一 定要求
基于传感器网的定位技术
基于带有传感器的移动终端的定位技术
0
RSSI定位法
RSSI(dBm)
GPS
GPS特点 ◆卫星不间断发射由二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)组成的导航 电文，伪码分为民用的C/A码(粗码)和军用的P码(精确码)。 ◆C/A码测得的伪距精度约为10-20米， P码伪距精度约为2米；如加入辅 助手段精度可达厘米级，甚至毫米级。
◆GPS提供的导航信息为经纬度。
地球直径约12756km 纬度1度对应距离约为111.133km 经度1度对应距离约为111.413cosΦ(km)， Φ为测量点纬度
全球范围定位技术
GPSOne
行程往返延迟RTD 导频相位差测量
◆设移动台发送信号至基 站的时间为t，假定上、下 行链路的传输延迟特性相 同，则信号返回的延迟为2t。 ◆移动台信号往返时间对 应的几何距离是基站到移 动台实际距离的两倍。
◆移动台持续搜索相邻活 跃的小区之间的导频信号， 用来确定基站切换的最优 选择对象。 ◆移动台测量来自基站的 每一个导频与参考导频之 间的相位差。
无线传感器网络 定位与目标跟踪技术
WSN定位技术
◆确定自己(目标或节点) 在系统中的位置 ◆在系统中寻找目标(节点) 的位置
◆绝对位置：目标在某一特定坐 标系中的位置(经纬度、高度等) ◆相对位置：相对于某一基点的 位置关系
基于传感器网的定位技术
按传感器工作模式分类
基于无线传感器网络的定 位技术 ◆基于上行链路 ◆提供相对位置 ◆确定锚节点(基点，L1、 L2、L3)，再根据目标(A) 与锚节点的距离，确定目 标节点的相对位置
基于带有传感器的移动终端的定位技术
TA定位法
移动终端与附近的三个以上的基站 通信，利用TA参数解算得到位置 信息。
◆优点：移动终端无需改动
◆缺点：无法与其他业务同时进行； 增加信令开销；定位时间较长
基于传感器网的定位技术
基于无线传感器网络的定位技术
AOA定位法
相应地测量出目标与两个基站之间 的传输信号到达角度参数的信息， 通过数学解算，得到目标的具体位 置信息 ◆优点：在基站稀疏的场景使用 ◆缺点：障碍物增大误差
基于传感器网的定位技术
基于无线传感器网络的定位技术
TOA定位法
基于信号到达时间定位法，通过精确测量从目标到三个以上基站 的信号传输时间得到目标到基站的距离，进而解算出目标的位置
基于传感器网的定位技术
基于无线传感器网络的定位技术
TOA定位法
电磁波传播速度高；目标与基站距离小，因此TOA定位法 的精度与位置测量单元的时钟精度紧密相关。
使用卫星数少
提高GPS接收机 灵敏度 减少搜索 响应快
局部区域定位技术
战场区域定位
可快速了解作战单位具体位置以及战场实时情况
局部区域定位技术
人员位置监控与查找
局部区域定位技术
物品与人员运动轨迹记录
基于节点的定位技术
概念
锚节点
也叫信标节点，指已知自身位置信息的节点，为 其他节点提供参考坐标。 一个节点通信距离范围内的所有节点的集合，大 多数场合指一跳距离的节点。 指两个节点之间建立通讯连接所需经过的跳段的 总和。 所有节点的邻居个数取平均值，可反映传感器配 置的密集程度
定位技术的应用
灾难救援
定位技术的应用
智能交通
车辆之间可以进行相互通信；车辆与于路边节点之间也可以 进行通信，组成车载网络。
定位技术的应用
智能物流
在堆场管理，集装箱管理，实时追踪，智能仓储以及货物配送环节， 都需要定位技术的支持。
定位技术的应用
船舶人员管理
优点
◆终端设备无需改造 ◆定位精度高，数据可优化
缺点
◆时钟同步复杂 ◆误差易累积放大
基于传感器网的定位技术
基于无线传感器网络的定位技术
TDOA定位法
基于信号到达时间差定位法，通过精确测量从目标到不同步基站 的信号传输时间差，进而解算出目标的位置
基于传感器网的定位技术
基于无线传感器网络的定位技术 TDOA定位法
优点
◆算法结构简单易实现，计 算量小
缺点
◆性能受节点密度影响大，节 点密度大，精确度高 ◆不适用于非凸区域的定位 ◆锚节点的分布情况影响定位 精度
◆扩展性好
◆无需复杂的精确测距方式， 硬件要求低，成本低
分布式定位法
质心定位算法
基本原理：锚节点每隔一段时 间，向邻居节点广播信标信号； 未知节点接收到来自不同锚节 点的信标信号超过阈值或接收 一定时间后，该节点即确定自 身位置在这些锚节点所组成的 多边形的质心。 加权因子体现各锚节点对质心 位置的影响程度。
基于传感器网的定位技术
基于无线传感器网络的定位技术
TDOA定位法
优点
◆可在语音和控制信道上测量
◆适用于多种通信制式 ◆对原有系统改动不大 ◆测量精度对距离、多径干扰、 功率等因素不敏感 ◆延时小
缺点
◆需要对基站设备进行 改造 ◆传感器节点须附加声 波或超声波收发装置 (组合测距方式)
基于传感器网的定位技术
TDOA算法是对TOA算法的一种改进方法，不直接利用信号到达时间 来解算目标位置，利用信号到达时间差解算。
◆无需在信号中加入特定的时间标记信息
◆定位精度该与TOA算法 ◆解算二维坐标最少需要两个双曲线方程，即三个基站；解算三 维坐标至少需要三个双曲线方程，即四个基站 ◆对硬件设备要求较高，未解决障碍物造成误差的弊端 ◆TDOA值解算方式：差值直接解算(时间同步)、估计算法
全球范围定位技术
GPS
GPS系统由三部分组成 ◆卫星空间星座：共有24颗人造地球卫星， 其中21颗工作星，3颗备用星。分布在互成 60度夹角的6个轨道平面上。每12小时环绕 地球一圈。 ◆地面控制部分：主控站、地面天线、监 测站及通讯辅助系统。 ◆GPS用户装置：卫星天线和接收机
全球范围定位技术
否
引入其他算法计 算手机位置
全球范围定位技术
GPSOne
目标三维坐标通过三颗卫星获得
◆利用基站时钟对移动 台参考时钟进行校准， 即修正移动台时钟与 GPS时钟的时钟差 ◆时钟差与信号路径无 关，因此无多径干扰
全球范围定位技术
GPSOne定位方案的优势
提高精度 降低设备复杂度 和成本 可利用移动台已 有器件和软件 迅速锁定信号 延长电池寿命 减少对通信信道 干扰 缩小了移动台在 频域的搜索空间 GPS数据更新 累积误差小