无线定位系统第1章 绪论

1. 无线定位系统的历史与现状
• 无线定位发展现状
– 当前，基于无线传感器网络的定位系统所采用的定位方法主要有 基于测距（range-based）和无需测距（range-free）两种。
– 无需测距的系统在硬件成本和功耗上较低，但是以牺牲定位精度 为代价，在很多精度需求较高的项目中难以应用。 – 基于测距的定位方法目前主要有RSSI、TOA、TDOA、AOA等。 TDOA和AOA分别利用多个信号到达目标节点的时间差和角度来计 算其位置信息，但这两种方法的硬件系统设备复杂、成本较高， 不适合广泛的实际应用。 – RSSI是一种理论上比较理想的算法，它的原理是根据理论和经验模 型，将传播损耗转化为距离。 – TOA是利用无线信号在两个节点间的传播延时来计算物理距离的一 种方法。但是没有改进过的算法对节点间的时钟同步有着苛刻的 要求，而且微小的时钟漂移（clock drift）都会转化成为很大的测 量误差，所以一直未被广泛的应用。
1. 无线定位系统的历史与现状
• 无线定位发展现状
– 按照探测目标的方式，定位技术可以分为有源定位和无源定位。 有源定位系统是通过主动发射电磁波来探测目标，定位精度高但 极易受到敌方的干扰和攻击，特别是反辐射导弹的出现和使用对 雷达等有源探测设备的战场生存状况提出了严峻的挑战。为了弥 补有源定位方法的缺陷，人们在积极改进有源定位性能的同时也 开始了无源定位问题的探索和研究。因此，对辐射源的无源定位 具有重要的军事意义，引起世界各国的重视。 – 在无线定位系统中，AOA（Angle of Arrival，到达角度）定位技术 、TOA（Time of Arrival，到达时间）定位技术、TDOA（Time Difference of Arrival，到达时差）定位技术、FDOA（Frequence of Difference of Arrival，到达频差）定位技术、AOA/TDOA联合定位 技术和TDOA/FDOA联合定位技术等都是常用的基本定位技术。另 外，卡尔曼滤波作为重要的最优估计理论，也被经常用于动态目 标的跟踪系统中。
• 无线定位的起源
– 美国在1991年开始实施的智能运输系统通信标准中，提出了通过 移动通信网提供定位业务的要求。 – 1996年，美国联邦通信委员会（FCC）强制要求所有无线业务提供 商，在移动用户发出紧急呼叫时，必须向公共安全服务系统提供 用户的位置信息和终端号码，以便对用户实施紧急救援工作。 – 1999年12月，FCC99-245将E-911的需求做了进一步的修改和细化， 对网络设备和手机生产商、网络运营商等对定位技术在网络设备 和手机中的实施和支持提出了明确要求和规定。 – 到2001年10月1日，定位精度并没有达到FCC定位精度为125 m，满 足这个定位精度的概率不小于67%的要求，但是FCC的这一规定明 确了提供E-911定位服务将是今后各种蜂窝网络，特别是3G网络必 备的基本功能。
目录
• • • • • • • 第1章 绪论 第2章 卫星定位 第3章 蜂窝通信网络定位 第4章 Wi-Fi定位 第5章 ZigBee网络定位 第6章 UWB定位技术 第7章 CSS定位
第1章 绪论
第1章 绪论
• 无线定位是指利用无线电波信号的特征参数估计特定物体在某种参考 系中的坐标位置。 • 其最初是为了满足远程航海导航和军事领域精确制导等要求而产生的 ，20世纪70年代全球定位系统（GPS）的出现使得定位技术产生了质 的飞跃，定位精度可达到数十米范围。 • 近年来，定位技术开始应用于蜂窝网系统设计、信道分配、切换、E911紧急援助、交通监控与管理领域。 • 随着数据业务和多媒体业务的快速增加，在短距离高速率无线通信的 基础上，常常需要确定移动终端或其持有者、设施与物品的位置信息 ，进而用于监控管理、安全报警、指挥调度、物流、遥测遥控和紧急 救援等需求。 • 然而，由于信号极易受到遮挡和多路径等传播因素的影响，在城市密 集城区和室内封闭空间无法保证有效覆盖，因此对短距离高精度无线 室内定位技术的研究和标准化工作可为实现室内外定位提供有力的技 术支持。
1. 无线定位系统的历史与现状
• 无线定位发展现状
– UWB（Ultra-WideBand，超宽带）脉冲由于具有极高的带宽，持续 时间短至纳秒级，因而具有很强的时间分辨能力。为了充分利用 UWB时间分辨能力强的特点，使用基于信号到达时间估计的测距 技术最适合于以UWB无线定位。 – 角度定位在20世纪40年代就得以应用于电子对抗领域。当时人们 利用简单的测向设备对目标进行多次测向，然后运用人工作图的 方式来确定目标位置。一般来说，辐射源的角度变化慢、范围小 ，是最可靠的测量参数之一。因此，角度定位一直是定位方法研 究的主要内容。但是，由于角度定位方法对测向精度及其敏感以 及虚假定位消除等方面的不足，因此目前角度定位很少单独使用 ，通常与其他定位技术联合使用，以提高定位精度。
1. 无线定位系统的历史与现状
• 无线定位发展现状
– 近年来，世界各国都在这方面积极开展研究，美国更在这一领域 占居先机。
– 休斯公司、利顿公司和美国空军实验室等部门在这一领域做了大 量、有效的研究工作，基本完成定位与跟踪的理论基础研究，己 经进入到飞行试验和工程应用的阶段。 – 美国洛克希德-马丁公司的“沉默的哨兵”系统以及英国防御研究 局研究的利用信号的无源探测定位系统是其中的突出代表。 – 英国防御研究局研究的无源探测定位系统是一种双基系统，利用 英国BBC的发射机发射的TV信号作为系统的照射源对空中目标进行 探测和定位，以常规方法用卡尔曼滤波器获得多普勒频移和方位 信息，再用扩展卡尔曼滤波器根据所获信息对目标定位和测速。 – 此外，俄罗斯和以色列等国家在无源定位与跟踪技术方面也都有 很多突破。
第1章 目录
• 无线定位系统的历史与现状
– 无线定位的起源 – 无线定位发展现状 – 无线定位系统的应用
• 无线定位系统的基本分类
– 卫星定位系统 – 蜂窝定位系统 – 无线局域网定位系统
• 无线定位系统的主源自文库研究内容
– 无线定位算法及性能评价 – 无线网络协议 – 无线定位系统相关技术
1.无线定位系统的历史与现状
1. 无线定位系统的历史与现状
• 无线定位发展现状
– 自E-911定位需求颁布以来，移动台定位技术在国外受到高度重视 和深入研究。目前，研究的内容涉及了蜂窝网络移动台定位技术 的方方面面，并且侧重于如下研究： • 基本定位方法和技术的研究 • 定位算法的研究 • TDOA/TOA检测技术的研究 • 抗非视距传播 • 多径和多址干扰技术的研究 • 数据融合技术的研究 • 定位技术实施方法的研究 • 定位系统的性能评估 • 等等