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2.1 定位系統

定位系統用于確定人或物體相對于已知位置的位置,或者在一個坐標系統中的位置。定位系統分為基于距離的(Range-based)定位系統和距離無關的(Range-Free)定位系統。基于距離的定位系統是利用接收信號的特征(如ToA、DoA和接收信號強度)來進行定位的,距離無關的定位系統是利用網絡連接來定位的。根據定位范圍的不同,基于距離的定位系統可分為全球衛星導航系統和局部定位系統兩大類[1],如圖2-1所示。

2.1.1 全球衛星導航系統

全球衛星導航系統(GNSS)是利用衛星向用戶提供位置信息的系統。GNSS主要包括美國的全球定位系統(GPS)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)衛星導航系統、歐洲的伽利略(GALILEO)衛星導航系統和我國的北斗(Beidou)衛星導航系統。

圖2-1 基于距離的定位系統分類

1.GPS

GPS是戶外環境中最常見和最成功的定位系統之一,由31顆地球同步軌道衛星組成,可對帶有GPS接收器的用戶或物體進行定位,確定其經/緯度和海拔,定位精度為幾米。31顆地球同步軌道衛星在20200km的高度環繞地球運行,運行周期大約為11小時58分鐘。在地球表面的任何時間、任何地點,至少有4顆衛星是可見的。GPS需要精確的時間和衛星的位置,衛星攜帶了穩定性極高的原子鐘,衛星與地面要進行時間同步,衛星之間也要進行時間同步,衛星的位置很精確。

2.GLONASS衛星導航系統

GLONASS衛星導航系統不像GPS那樣具有廣泛的覆蓋范圍,但使用GPS+GLONASS衛星導航系統可提高覆蓋范圍和定位精度。例如,在城市地區中,當GPS衛星的信號被巨大的建筑物阻擋時,可以通過GLONASS衛星導航系統的衛星來進行定位。越來越多的智能手機采用GPS+GLONASS衛星導航系統來提供基于位置的服務。

3.GALILEO衛星導航系統

GALILEO衛星導航系統是歐洲航天局的導航和定位系統,可提供精確、可靠的全球定位服務。GALILEO衛星導航系統與GPS和GLONASS衛星導航系統具有互操作性。GALILEO衛星導航系統由27顆活動衛星和3顆備用衛星組成,在24000km的高度環繞地球運行。GALILEO衛星導航系統和GPS具有相似的帶寬和中心頻段,這意味著GALILEO衛星導航系統可以與GPS順利互操作,其信號性能也優于GPS。GALILEO衛星導航系統的信號性能提高是由于其采用了一種稱為復合二進制偏移載波的新型調制技術,該技術的接收功率是C/A編碼技術的2倍。此外,除了引入更多的頻帶信號,GALILEO衛星導航系統接收端設計的復雜度也較低。

4.北斗衛星導航系統

北斗衛星導航系統是我國出于國家安全和經濟社會發展的考慮,自主建設運行的全球衛星導航系統,可以為全球用戶提供全天候的高精度定位、導航和授時服務,是國家重要的時空基礎設施[2]。我國政府高度重視北斗衛星導航系統建設,20世紀80年代開始探索適合國情的衛星導航系統,形成了“三步走”發展戰略:2000年,建成“北斗一號”系統,向國內提供服務;2012年,建成“北斗二號”系統,向亞太地區提供服務;2020年,建成“北斗三號”系統,向全球提供服務。到2035年,將建成以北斗衛星導航系統為核心,更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系。北斗衛星導航系統的定位精度為水平10m、高程10m(95%),測速精度為0.2m/s(95%),授時精度為20ns(95%)。

上述4種衛星導航系統的定位原理大致相同。GPS由空間部分、控制部分和用戶部分構成。控制部分由1個主控站、5個監測站和3個注入站組成,作用是監測和控制衛星運行、編算衛星星歷(導航電文)、保持系統時間同步。主控站的作用是從各個監測站收集衛星數據,計算衛星的星歷和時鐘修正參數等,并通過注入站注入衛星;向衛星發布指令,控制衛星,當衛星出現故障時,調度備用衛星。監控站的作用是接收衛星信號,監測衛星運行狀態,收集天氣數據,并將這些信息發送給主控站。注入站的作用是將主控站計算的衛星星歷及時鐘修正參數等注入衛星。用戶設備部分包含GPS接收器及相關設備。GPS接收器主要由GPS芯片構成,如車載、船載GPS導航儀,內置GPS功能的移動設備,其作用是接收、跟蹤、變換和測量GPS信號。

GPS的定位方式包括偽距單點定位、載波相位定位和實時差分定位。偽距測量是指測定衛星到GPS接收機的距離,即由衛星發射的測距碼信號到達GPS接收機的傳輸時間乘以光速所得的距離。偽距單點定位利用GPS接收機在某一時刻測定與4顆以上GPS衛星的偽距,并從衛星導航電文中獲得的衛星瞬時坐標,采用距離交會法求出天線在世界大地坐標系(World Geodetic System, WGS)中的坐標。載波相位測量是指測定GPS衛星載波信號到GPS接收機天線之間的相位延時。GPS衛星載波上調制了測距碼和導航電文,GPS接收機接收到衛星信號后,先將載波上的測距碼和導航電文去掉,重新獲得載波,稱為重建載波。GPS接收機將重建載波與GPS接收機內由振蕩器產生的本振信號通過相位計比相后可得到相位差。實時差分定位的原理是在已有的精確地心坐標點上安放GPS接收機(稱為基準站),利用已知的地心坐標和星歷計算GPS觀測值的校正值,并通過無線電通信設備(稱為數據鏈)將校正值發送給移動中的GPS接收機(稱為流動站)。流動站利用校正值對自己的GPS觀測值進行修正,以消除上述誤差,從而提高實時定位精度。GPS的動態差分主要有位置差分、偽距差分、載波相位實時差分和廣域差分等。

2.1.2 局部定位系統

局部定位系統(Local Positioning Systems, LPS)是通過錨節點向用戶提供位置信息的。LPS的覆蓋范圍有限,只能在網絡的覆蓋范圍內進行定位。根據不同的網絡特性,如可用性、環境和傳輸介質等,可對LPS進行分類[3]

1.定位系統的結構

根據定位系統的結構,可將LPS分為分布式LPS和集中式LPS。在分布式LPS中,每個用戶都可以通過錨節點來確定自己的位置。與分布式LPS不同,在集中式LPS中,每個用戶使用到達時間(ToA)、到達角度(AoA)、到達時間差(TDoA)或接收信號強度(RSS)來確定其鄰域信息,鄰域信息保存在一個中心站中,中心站發現用戶的位置并與用戶共享位置信息。

2.定位環境

由于定位系統嚴重依賴于定位環境,因此針對不同的定位環境開發了不同的LPS。根據定位環境的不同,可將LPS分為戶外LPS、室內LPS和水下LPS。

1)戶外LPS

戶外LPS一般使用GPS,其定位精度為5~10m。借助于廣域增強系統,其定位精度可提高到1~8m,但這種定位精度仍然無法滿足某些應用的需求。采用基于局部差分GPS的室外LPS,其定位精度為1cm,但由于功率和成本的限制,傳感器節點往往不帶有GPS接收器。

2)室內LPS

近年來,由于室內LPS的商業價值和社會價值而使其備受關注,在2020年,室內LPS的市場價值達到100億美元。室內環境較為復雜,存在大量的障礙物、信號波動、噪聲、環境變化、非視距通信、多徑干擾等問題,因此大部分的研究工作都致力于開發精確、低成本、節能的室內LPS。室內結構的復雜性(包括移動物體、開放/封閉空間、多層空間以及房間、墻壁和樓梯等室內構件的動態變化結構)對定位方案提出了更多的要求。

3)水下LPS

水下LPS通常用于水下光無線通信系統中。由于聲波傳輸速度較慢,人們開始研究高速的水下光無線通信系統。與聲學系統相比,水下光無線通信(Underwater Optical Wireless Communication, UOWC)系統在清澈的水中可以實現幾Gbit/s的通信速率,而且幾乎沒有散射,但其傳輸距離較短,只能在發送端和接收端之間實現精確定位。

3.定位系統傳輸介質

根據傳輸介質的不同,可將LPS分為基于無線電信號的LPS和基于非無線電信號的LPS兩大類。

1)基于無線電信號的LPS

采用無線電信號進行通信的技術有很多,如WiFi、藍牙、ZigBee、RFID、UWB、LoRaWAN[4,5]。考慮室內環境情況,采用的無線電信號的頻率通常為2~5 GHz。基于無線電信號的LPS主要分為基于蜂窩網絡、無線局域網和射頻識別的LPS。在基于蜂窩網絡的LPS中,移動臺的位置是由基站通過單元幾何圖形來確定的。基于無線局域網的LPS具有成熟的基礎設施,可以使用最近鄰居技術來定位和跟蹤用戶。基于無線局域網的LPS的定位精度是2~3m。基于射頻識別的LPS主要應用于復雜的室內環境,如辦公室、醫院、地鐵等。

(1)WiFi。WiFi采用IEEE 802.11標準,現已成為最常用的無線通信技術之一,因此IEEE 802.11標準也通常稱為WiFi。WiFi工作在工業、科學和醫學(ISM)頻段,主要功能是提供網絡連接,如在私有、公共和商業環境中為不同的設備提供網絡連接。最初,WiFi的通信范圍約為100m,現在已擴展到了1km左右。目前,大多數智能手機、筆記本電腦等都支持WiFi,這使得WiFi成為室內定位的理想選擇,基于WiFi的定位技術也成為應用最為廣泛的定位技術之一。由于現有的WiFi接入點可以作為信號采集的錨節點,因此可以建立基本的定位系統(可以達到合理的定位精度),而不需要額外的基礎設施。

WiFi的主要目的是網絡連接,因此連接速度和數據傳輸速率是優先考慮的,定位不是其主要的關注點。另外,WiFi的廣泛可用性也會帶來一些挑戰,隨著接入設備的增加,可能會出現干擾現象。

(2)藍牙。藍牙采用IEEE 802.15.1標準的物理層規范和MAC層規范,用于在特定的個人空間內連接固定或移動的無線設備。藍牙特別興趣組(SIG)于2010年推出了低功耗藍牙(BLE),BLE是針對不需要進行大量數據傳輸的應用設計的,可降低設備的功耗和成本。與經典藍牙相比,BLE可以提供24 Mbit/s的數據傳輸速率和70~100m的通信范圍,具有更高的能量效率。雖然BLE可以與不同的定位技術一起使用,但是大多數基于BLE的定位系統都依賴于RSS,限制了定位系統的定位精度。基于BLE開發的定位系統,如iBeacons(蘋果公司)和Eddystone(谷歌公司)等,主要用于提供基于上下文感知的鄰近服務。

(3)ZigBee。ZigBee采用IEEE 802.15.4標準,該標準關注的是低成本、低數據傳輸速率和節能,主要用于WSN。ZigBee的網絡層負責多跳路由和網絡組織,應用層負責分布式通信和應用開發。由于ZigBee不易在大多數用戶設備上實現,因此不利于用戶攜帶移動設備進行室內定位[6]

高效的定位技術是WSN的主要研究領域之一,包括網絡路由、拓撲控制、查詢、覆蓋、邊界檢測等網絡服務和目標應用。在WSN中,定位可以通過兩種不同的方式實現:第一種方式是分布式定位,每個節點都可以對自己進行定位;第二種方式是集中式定位,節點將自己的數據發送到一個集中式的單元中,對數據進行處理后提取位置信息。在集中式定位方式中,所有的計算都在一個集中式的單元中完成,解決了節點計算能力受限的問題;但節點必須與集中式的單元進行通信,通信的功耗較大。在分布式定位方式中,計算是在每個節點中進行的,與集中式定位方式相比,功耗相對較低。

(4)RFID。RFID包括有源RFID和無源RFID兩種基本類型,因此采用RFID的定位也分為兩種類型。

基于有源RFID的定位:有源RFID工作在超高頻和微波頻段,有源RFID會把它們的ID周期性地發送給數百米外的閱讀器,具有通信范圍大、成本低、可嵌入被跟蹤對象等優點,常用于目標的定位和跟蹤。

基于無源RFID的定位:無源RFID的通信范圍為1~2m,無須電池,具有體積更小、質量更輕、成本更低等優點,可工作在低頻、高頻、超高頻和微波頻段。基于無源RFID的定位的通信范圍有限,不適合用于室內定位。

(5)UWB。在超寬帶(Ultra Wideband, UWB)中,時間周期小于1ns的超短脈沖可在3.1~10.6 GHz的頻率上傳輸,帶寬大(通常大于500 MHz),占空比非常低,從而降低了功耗。UWB主要用于室內的短距離通信,也可用于室內定位技術。UWB信號可以免受其他信號的干擾(原因是UWB采用了截然不同的信號類型和無線電頻譜),可穿透多種材料(盡管金屬和液體可能會干擾UWB信號)。此外,UWB信號的持續時間非常短,使得它對多徑效應不敏感,能夠在存在多徑信號的環境中識別主路徑,并提供準確的ToF,可達到10cm的定位精度。

(6)LoRaWAN。LoRaWAN是一種低功耗、廣域網絡協議,針對物聯網的關鍵要求,具有雙向通信、端到端安全性、移動性和本地化服務的特點。LoRaWAN工作頻率為915 MHz,在犧牲數據傳輸速率的前提下,使通信范圍達到了15km。LoRaWAN使用三邊測量技術進行定位,使用RSS確定發送節點和接收節點的近似距離。使用頻率低于2.4 GHz的好處是,可以使信號穿過墻壁和障礙物,從而傳輸更遠的距離。由于915 MHz的頻率是相對空閑的,因此不會干擾其他傳輸設備,使得LoRaWAN對噪聲不那么敏感。對于室內定位而言,數據傳輸速率的大小不是關鍵,因此LoRaWAN可用于室內定位。

2)基于非無線電信號的LPS

基于非無線電信號的LPS通常使用光、聲和磁等信號,使用不同的信號,對應產生了不同的定位系統。

(1)基于光信號的LPS。基于光信號的LPS可進一步分為基于可見光的LPS和基于紅外線的LPS,這里重點介紹基于可見光的LPS。

由于可見光技術的進步,導致了基于可見光通信的迅速發展。可見光通信(Visible Light based Communication, VLC)是一種高速通信技術,使用400~800 THz的可見光信號(主要由發光二極管產生)。基于可見光的LPS使用光傳感器來測量發射可見光信號的LED的位置和方向。也就是說,LED發射可見光信號,當接收端(光傳感器)接收到可見光信號后,就可以進行定位。對于可見光信號,AoA是最精確的定位技術。基于可見光的LPS的優勢在于其定位范圍大(甚至可能超過WiFi),但其限制是LED和光傳感器之間的視距需要精確定位,理論精度為厘米級。

基于可見光的LPS的主要問題有多路反射、同步、覆蓋和隱私等。例如,基于可見光的LPS需要視距(LoS)鏈路來估計距離,但由于多路反射造成的多徑效應,可能會無法使用視距鏈路。如果采用ToA來測距,則同步問題也是基于可見光的LPS的一個重要問題,同步所有的LED和光傳感器是一個挑戰。

(2)基于聲信號(Acoustic Signal)的LPS。在定位系統中,可以使用聲信號來定位節點或用戶的位置。在基于聲信號的LPS中,可以利用移動設備(如智能手機)中的麥克風來捕捉聲源發出的聲信號,并根據錨節點的位置來估計用戶的位置。基于聲信號的LPS采用的定位算法是先發送調制后的聲信號(其中包含時間戳或其他與時間相關的信息),然后通過麥克風計算To F,也可以利用接收到的聲信號中多普勒效應的敏感相位和頻移來估計相對的位置與速度。

雖然基于聲信號的LPS具有較高的定位精度,但由于移動設備麥克風的限制(采樣頻率/抗混疊濾波器),只能對小于20kHz的聲信號進行準確的估計,因此要求傳輸功率足夠低,以免造成聲音污染。也就是說,采用的聲信號頻率應該是人耳難以察覺的,因此需要采用先進的信號處理算法來提高接收端對低功率信號的檢測能力。此外,由于基于聲信號的LPS需要額外的基礎設施和較高的更新頻率,使得基于聲信號的LPS并不是一個非常主流的定位系統。眾所周知,蝙蝠就是利用聲信號來進行定位和導航的,受此啟發,業界開發了基于聲信號的蝙蝠主動定位系統,該系統可提供三維定位功能。蝙蝠主動定位系統由聲學系統和三角定位算法組成,發送端(如聲源)和接收端之間的距離是通過ToA來測量的。

(3)基于超聲波(Ultrasound)信號的LPS。基于超聲波信號的LPS主要通過超聲波信號(頻率大于20kHz)的ToF和聲速來估計發送端和接收端之間的距離。已有研究表明,基于超聲波(Ultrasound)信號的LPS在室內定位時可達到厘米級的定位精度,并同時跟蹤多個移動目標,具有能量效率高、零泄漏等優點。與射頻信號不同的是,當濕度和溫度發生變化時,聲信號的傳輸速率會發生顯著的變化,因此在基于超聲波信號的LPS中通常會使用溫濕度傳感器來檢測環境的溫度和濕度。

(4)基于磁傳感器的LPS。基于磁傳感器的LPS不需要捕獲GPS信號,可通過磁場的變化來繪制需要定位的位置圖。很多材料都會留下磁場的變化痕跡,因此信鴿等動物可通過這些磁場的變化找到它們的回路。每個建筑、每層樓、每條走廊、每個電梯等,都會產生自己的擾動,使磁場發生變化,根據磁場的變化可生成位置圖。基于磁傳感器的LPS的定位精度可達10cm,而且不需要外部設備。

(5)基于攝像機的LPS。通過圖像處理的方法,可以從圖像中提取關于位置的信息,從而實現定位的目的。

(6)基于慣性傳感器的LPS。利用運動學方法可以從慣性傳感器采集的數據中獲取位置信息,從而得到物體的移動方向和移動速度。基于慣性傳感器的LPS中的誤差會隨時間的增長而變大,需要定時校準定位系統。

表2-1從定位的角度總結了不同的無線通信技術特點,包括定位技術的最大距離、最大吞吐量、功耗、優缺點。

表2-1 不同的無線定位技術特點

續表

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