关于移动物体的定位技术研究.doc

关于移动物体的定位技术研究地理定位、方位定位和无线定位这些名词今天被广泛地用来描述确定一个移动台(MS、也称定位节点)所在位置的能力。位置一般包含了和MS有关的坐标，坐标可以是二维或三维的，通常包含了与MS所在位置的经度和纬度的有关信息，而确定这些位置信息的技术便是对移动物体的定位技术。移动目标的定位技术主要可以划分为两大类：基于移动设备的方法和基于网络的方法。前者主要是由移动设备根据当前和以前与它通信的参考基站信息，计算出自身的位置，其最典型的应用是在GPS系统中；而后者是网络根据其参考基站和移动设备通信的信息（时间和信号强度等），结合网络的拓扑结构计算出移动设备的位置，实现定位。在RFID应用中，出于功耗方面的考虑，电子标签不能成为定位的主动方，所以基本上都采用基于网络的方法。无线定位技术最初是为了满足远程航海的导航等要求而产生的。全球定位系统GPS的出现使得无线定位技术产生了质的飞跃，定位精度得到大幅度提高，精度可达10米以内。无线定位系统的功能性体系结构必须具备两个功能单元：1)移动台(MS、也称定位节点)的位置估计，2)和网络共享某些属性的此位置估计信息。 定位系统测量来自移动终端的无线电波的有关参数，同时系统测量某些固定接收器或者某些固定发送器发送到移动接收器的无线电波参数。因此有两种办法可以获得对MS的实际位置信息的估计： 自我定位系统，即常被称为基于移动终端为中心的定位系统，MS通过测量自己相对某个已知位置发送器的距离或者方向来确定自己的位置(例如GPS接收器)。 远距离定位系统，即常被叫做基于网络的定位系统，它采用很多地理定位基站(GBS)一起来确定MS位置，可以通过分析接收信号的强度、信号相位以及到达时间等属性来确定MS的距离，至于MS的方向则可以通过接收信号的到达角来获得，最终系统根据每个接收器测量到的移动终端的距离或者方向来联合计算移动终端的位置。 无线定位技术是通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法以判断出被测物体的位置，测量参数一般包括传输时间、幅度、相位和到达角等。而定位精度取决于测量的方法。蜂窝移动通信系统中的定位技术主要有：基于终端的定位技术和基于网络的定位技术。 基于终端的定位技术主要指移动终端计算出自己所处的位置，即自我/个人手机定位技术。这种技术主要有GPS、辅助GPS（Assisted GPS）和增强型观察时间差EOTD（Enhanced Observed Time Difference）等几种方法。 GPS：全球卫星定位系统GPS是70年代初美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统，主要是利用几颗卫星的测量数据计算一个移动用户的位置，即经度、纬度和高度。原始数据可以由终端处理，也可以送到网络侧处理。一般用于车辆导航和手持设备。GPS通过四个卫星定位,并采用基于到达时间（TOA）的机理。基于网络的定位技术是指网络根据测量数据计算出移动终端所处的位置。这种技术主要有CGITA、基于方向的定位技术（信号到达角AOA）、基于距离的定位技术（上行到达时间ULTOA和到达时间差TDOA）和基于指纹的定位技术等几种。 基于距离的定位技术：MS和接收器之间的距离的估计可以通过接收信号强度、ULTOA以及TDOA技术获得。TOA定位方法与EOTD较为类似，差别在于ULTOA由基站测量终端数据的到达时间。 该方法要求至少有三个基站(BS)参与测量，如果基站接收器与移动台之间的距离估计值为di，移动台可以被定位在以接收器为中心，半径为di的圆上。每个基站增加一个位置测量单元LMU，LMU测量终端发送的接入突发脉冲或常规突发脉冲的到达时刻，LMU可以和BS结合在一起，也可分开放置。由于每个BS的地理位置是已知的，因此可以利用球面三角算出MS位置。TDOA测量的是移动用户发射信号到达不同BS之间的传输时间差，而不是传输时间。ULTOA定位方法需要MS和参与定位的BS相互之间精确同步，而TDOA则不需要。具体主要采用以下三种方法来实现： TOA方法：利用发射的信号在空气传播速度来确定发送器和接收器之间的距离。这就是目前GPS接收器中所采用的稍做修改的TOA技术，当一个GBS检测一个信号时可以确定其绝对的TOA。如果同时知道MS发射信号的时间，则这两个信号的时间差可以用来估计信号从MS到GBS经历的时间。确定移动台的位置需要三次不同的测量。TOA技术可以提供以移动台为中心的圆，或者以固定收发机为中心的圆。 信号强度方法：如果MS发射的功率是已知的，则在GBS处测量RSS值可以根据已知的数学模型提供发送器和接收器之间距离估计，这样的数学模型描述了无线信号与距离有关的路径损耗特性。但由于存在多径损耗，并且阴影衰落效应对此模型将造成较大的标准偏差。 接收信号相位方法：收到信号的相位也可以用来作为定位参数，通过用辅助的参考接收器测量载波的相位，差分GPS（DGPS）与标准的GPS相比，可以把定位精确度从20米提高到1米。但信号相位的周期特性会导致相位模糊，而在DGPS里模糊的载波相位测量被用来对范围测量进行细调。可以采用相位方法并结TOA/TDOA或者RSS方法来细调位置估计，同样多径效应导致相位测量时产生较大误差。 无线通信技术的成熟和发展，带动了新兴无线业务的出现，越来越多的应用都需要自动定位服务。为解决自动定位的问题，基于卫星通信的全球定位系统（GPS）出现了，其良好的定位精度解决了很多军事和民用的实际问题。 但是，当需要定位的物体位于建筑物内部，如办公大楼、仓库、矿道内，其定位精度就明显下降了甚至无法进行工作。因此，必须研究新的室内定位技术以弥补GPS的不足。目前，常见的技术有红外技术、IEEE 802.11技术、超声波技术、以ZigBee/IEEE802.15.4为代表无线网络技术和RFID技术。 红外技术：Olivetti研究室（现在为AT&T Cambridge研究室）研制的基于红外技术的有源标签可以用于室内物体的定位，但是它要求物体必须和红外线阅读器必须成一条直线，且定位距离太近，因而限制了其继续发展。 IEEE 802.11：基于无线局域网的定位系统，在一定的区域内安装适量的无线基站，根据这些基站获得的待定位物体发送的信息（时间和强度），并结合基站所组成的拓扑结构，综合分析，从而确定物体的具体位置。这类系统可以利用现有的无线局域网设备，仅需要增加相应的信息分析服务器以完成定位信息的分析。 超声波技术：Cricket Location Support System和Active Bat location system是目前成功使用的两个系统，它们都利用了类似蝙蝠定位的原理，可以实现最高精度到9cm的定位。但是这类系统的成本太高，无法大面积推广。 RFID：以SpotON系统为代表。S