安徽建筑大学物联网定位技术期末复习

1 x2 * x2 y2 * y2 x1 * x1 y1 * y1 D1 * D1 D2 * D2 2 1 C3 x3 * x3 y3 * y3 x2 * x2 y2 * y2 D2 * D2 D3 * D3 2
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TDOA定位算法（续）
已知目标标签的坐标（x0，y0）和三个阅读器的坐标（x1，y1），（x2，y2 ），（x3，y3）有如下关系：
R 21 R31
x0 x 2 * x 0 x 2 y 0 y 2 * y 0 y 2 x 0 x1 * x 0 x1 y 0 y1 * y 0 y1 x0 x3 * x 0 x3 y 0 y 3 * y 0 y 3 x 0 x1 * x 0 x1 y 0 y1 * y 0 y1
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TOA定位算法（续）
TOA定位算法是基于TOA圆周方程，通过圆与圆之间交线 的不同组合，构造出不同的定位方程。从几何模型上分析 ，如果移动台s到基站i的信号在视距情况下传播，测得的 距离为Di，移动台一定位于以基站i为圆心，Di为半径的圆 周上，当有3个基站坐标时，TOA的测量方程如下，其中 ，(xi,yi)为第i个基站的坐标，(xs,ys)为移动台s的坐标。
ห้องสมุดไป่ตู้
其中
y2 y1 * C3 y3 y2 * C1 x3 x2 y2 y1 x2 x1 y3 y2
C1
ys
值得注意的是：在二维平面定位系统中，最少基站数为3个。当基站 数大于3时，可以通过最小二乘法求解方程组。
物联网定位技术
---小葵花课堂出品 2017.11.23
为什么需要定位
基于位置的服务(Location Based Service, LBS)
自动导航 搜索周边服务信息 基于位置的社交网络：微信、陌陌
位置信息和我们的生活息息相关
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位置的含义
位置信息不是单纯的“位置”
地理位置（空间坐标）因地制宜 处在该位置的时刻（时间坐标）见机行事 处在该位置的对象（身份信息）因人而异 位置信息承载了“时间”、“空间”和“人物” 信息
x2 x1 * C3 x3 x2 * C1 y3 y2 x2 x1 y2 y1 x3 x2
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TDOA定位算法
基于信号传播时间差的定位算法（ TDOA算法： Time Difference of Arrival ）原理：是对TOA 算法的改进,在不同的测量点同步发射信号, 通过计算不同节点到达目标的距离差来定位。 基于信号到达时间差TDOA的定位，其主要的定位方法为双曲线定位 法。双曲线定位法的原理是利用双曲线的特性，即双曲线上的点到两 焦点距离之差为定值。双曲线定位法是基于TDOA的定位方法，其观 测值也是时间，但不同于TOA定位，其定位依据是标签到几个不同阅 读器的传播的时间差。由几何原理可知，至少需要三个阅读器才能得 到唯一满足要求的双曲线交点，从而可得标签所在位置。 优点：定位精度高。两个节点在时间上不需要同步,而且解决了硬件延 迟问题。 缺点：要求所有阅读器同步,此外阻挡物和空间的复杂性使得阅读器可 能接收不到标签发出的信号。还会受到多径和噪声的影响。
基于非测距(Range-Free)的RFID定位算法
DV-hop定位算法 APIT定位算法 凸规划算法
测距定位与非测距定位算法比较 RFID定位算法面临的挑战
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RFID定位概述
GPS定位系统在进行室内定位时存在固有的定位精度问题，所以必须 通过其他定位技术解决室内定位问题，如红外线、802． 1l、超声波 和RFID等等，这些系统各有优缺点。其中RFID技术由于其非接触和非 视距等优点已成为优选的定位技术，RFID系统可以在几毫秒内得到厘 米级定位精度的信息，其传输范围很大，成本较低，因此备受关注。 RFID定位与跟踪系统主要利用电子标签对物体的唯一标识特性，依据 读写器与安装在物体上的标签之间射频通信的信号强度(RSSI)或信号 到达时间差(TDOA)来测量物品的空间位置，主要应用于GPS系统难 以奏效的室内定位领域。 RFID系统基本原理：阅读器通过发射天线发送特定频率的射频信号进 行监测，当标签进入有效工作区域时产生感应电流，电子标签被激活 ，电子标签将自身编码信息通过内置射频天线发送出去；阅读器接收 到从标签发过来的调制信号，经阅读器解调解码后将有效信息送至主 机系统进行相关处理；主机系统根据逻辑运算识别该标签的身份并作 出相应处理，最终发出指令信号控制阅读器完成相应的读写操作。 RFID系统主要由电子标签、读写器、天线、计算系统组成。
➢
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主要研究内容
定位算法及性能评价
3．衡量定位算法的性能指标
➢ 除了通用的估计精度指标，如:均方误差（Mean Square Error，MSE）、均方根误差（Root Mean Square Error， RMSE）、累积分布函数（Cumulative Distribution Function，CDF）等，针对定位技术领域对定位结果的评价 也有特殊的评价指标，如克拉美罗下界（Cramer-Rao Lower Bound，CRLB）、圆误差概率/球误差概率（ Circular Error Probability/Spherical Error Probability ， CEP/SEP）、几何精度因子（Geometric Dilution of Precision，GDOP）、相对定位误差（Relative Position Error，RPE）。
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基于测距的RFID定位算法
TOA定位算法 TDOA定位算法 AOA定位算法 RSSI定位算法
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TOA定位算法
基于信号传播时间的定位算法（ TOA算法： Time of Arrival ）原理：通过获得发射机发射的信号到达目标再返 回发射机的时间,由传播时间得出标签到阅读器的距离。 然后根据三边定位法或多边定位法解出目标标签的位置。 优点：定位精度高。 缺点：该算法要求标签和阅读器要同步,其次环境的复杂 性会导致多径效应并降低系统的定位精度。
（5 ）
（6 ）
虽然可以用相同的方法得到基站1和基站 3的相交线方程，但由于第 3 条交线同样会经过前2条交线的相同点，因此，只需求得3条交线其 中2条的方程，便可联立解出交点坐标。 联立方程式(5)和方程式(6)，可得
xs
1 x3 * x3 y3 * y3 x2 * x2 y2 * y2 D2 * D2 D3 * D3 2
Di
xi xs yi ys
2
2
, i 1, 2,3.
（1）
由(1)式可以得出 2 2 D1 x1 xs y1 ys
D2 D3
（2）
（3 ）
x2 xs y2 ys
2
2
x3 xs y3 ys
2
2
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（4 ）
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TOA定位算法（续）
由(2)式和(3)式作差可得基站1和基站2相交线的方程式： 同理，基站2基站3两圆交点的相交线方程为:
x3 x2 xs y3 y2 ys x2 x1 xs y2 y1 ys
1 x2 * x2 y2 * y2 x1 * x1 y1 * y1 D1 * D1 D2 * D2 2
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定位内涵
无线定位
利用无线电波信号（或声频信号或光信号）确定移动 或静止目标（人、动物、或设备）在某个参考坐标系 下的坐标位置
Wireless Positioning 和Radio Positioning
两个概念往往等同;前者比后者包含的内容更广
定位（Localization/Positioning）、导航 (Navigation)和制导(Guidance)
导航：引导目标从一个位置到达另一位置 制导：导引并控制目标从一位置到达另一位置 导航和制导都需要用到定位
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物联网定位技术框架
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主要研究内容
定位算法及性能评价
1．无线定位的基本原理
➢ 物理测量 测量手段：WiFi、GPS、Bluetooth、ZigBee、UWB 、 红外、光波、声波和超声波等，最新的还有：广播信号 、地磁场 测量结果：距离、时间、方向、区域、连接关系和信号 指纹等 位置计算 利用估计的参数，采用相应的定位算法计算出与参考节 点相对的位置 数据处理 贯穿定位的每个环节 ✓ 测量时，随机误差？提出明显的错误数据
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TDOA定位算法（续）
用三个已知位置的阅读器Reader1、Reader2、Reader3 来定位标签。我们 要测出在同一时刻，目标标签到各个阅读器的距离，因此要求每个阅读器时 钟一定要同步，否则计算出来的误差很大，不能很好地反映目标标签的实际 位置。 我们可以测量出阅读器 Reader1，Reader2 与标签之间的距离差，其方法 是让两个阅读器同时发出的一个信号，则两个信号到达目标标签的时间不同 ，从而存在一个时间差,设为t21。则距离差为 R21=c*t21，其中，c为电磁波在 自由空间中的传播速度。 由我们已经学过的几何知识可知，在已知Reader1，Reader2 和标签之间的 距离差时，标签必定位于以Reader1，Reader2为焦点并且与两焦点距离差 为R21的双曲线对上。 当又已知阅读器 Reader1 , Reader3 与标签的距离差R31=c*t31时，可得到另 一组以两阅读器 Reader1 和 Reader3 为焦点、与该两个焦点距离差为R31双 曲线对上。由此可知，两组双曲线的交点就是标签的位置所在。
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主要研究内容
定位算法及性能评价
2．影响精度的因素
➢ 由于移动通信系统的通信环境复杂多变，因此各种依赖于通 信信号测量的定位技术都受到各种因素的影响，严重影响了 定位精度。 影响定位精度的主要因素包括：多径传播问题，非视距传播 （NLOS）问题，CDMA多址接入干扰，以及参与定位的基 站数的限制。
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AOA定位算法
基于接收信号角度的定位算法(AOA算法： Angle Of Arrival) 原理：是对TOA 算法的改进,在不同的测量点同步 发射信号,通过计算不同节点到达目标的距离差来定位。 优点：定位精度高。 缺点：由于要加阵列天线,成本高。 信号到达角度定位法AOA通常是基于几组阅读器（最少 两组），通过计算应答器反射信号与阅读器的夹角，然后 结合两组阅读器之间的距离，完成对应答器的定位。基于 信号到达角度定位方法具有成本低，易实现，抗干扰能力 强，原理简单等优点。基于信号到达角度的RFID定位方法 所用的应答器即可以是有源应答器，也可以是无源应答器 。
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定位算法分类框架
基于测距定位与测距无关定位
定位算法
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第8章 RFID定位
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本章主要内容
RFID定位概述 基于测距(Range-Based)的RFID定位算法
TOA定位算法 TDOA定位算法 AOA定位算法 RSSI定位算法
解方程组可以得到两个不同的解，也就是图2中所得到的两对双曲线的两个交 点，这两个交点中只有一个代表了标签的位置坐标，由标签在阅读器围成的 三角形内来消除模糊解得出标签位置的真实值。 此方法计算量较大，并且要求阅读器之间要在通信上有良好的协调。总之， 基于TDOA的RFID定位，虽然避免了阅读器和标签计时不同步给定位带来的 误差，但对系统计时精度的要求仍然较高，应用受限。