【正文】 27 iLocate 系統(tǒng)總體設(shè)計 ........................................ 28 iLocateEngine 模塊 .......................................... 29 總體設(shè)計 .............................................. 29 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 .............................................. 30 功能模塊 .............................................. 33 iLocateServer 模塊 .......................................... 36 Logic 模塊 ............................................ 37 iLocate 通信協(xié)議 ...................................... 38 iLocateClient 模塊 .......................................... 42 Net 模塊 .............................................. 43 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 V MOGRE 與 MogreNewt 模塊 ................................ 44 碰撞檢測插件 .......................................... 44 GUI 模塊 .............................................. 45 第五章 iLocate 無線定位系統(tǒng)實現(xiàn) .................................... 47 iLocateEngine 模塊 .......................................... 47 對外接口模塊（ Middleware for Location System） ........ 47 位置服務(wù)模塊（ Location Fusion System） ................ 48 iLocateServer 模塊 .......................................... 51 網(wǎng)絡(luò)連接的處理 ........................................ 51 其它功能 .............................................. 53 iLocateClient 模塊 .......................................... 54 Net 模塊 .............................................. 54 MOGRE 與 Kernel 模塊 ................................... 57 GUI 模塊 .............................................. 58 第六章 總結(jié)與展望 .................................................. 60 論文小結(jié) ................................................... 60 本文背景 .............................................. 60 本文工作 .............................................. 61 工作展望 ................................................... 62 參 考 文 獻 ........................................................ 63 致 謝 ............................................................ 67 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 1 第一章 緒 論 無線定位技術(shù) 無線定位技術(shù) 無線定位技術(shù)通常指人們通過無線設(shè)備獲取設(shè)備所處的地理坐標(biāo)，以及對其在一定的地圖范圍內(nèi)進行精確定位的技術(shù) 。 它 又被 稱 為 移 動 定 位(MobileLocation)，無線電定位 (RadioLocation)，或是地理定位 (GeoLocation) [周武旸等 , 2020]。 無線定位里有兩個重要的概念：基站 (Base Station)與移動站 (Mobile Station) [Ali et al, 2020]?；?(Base Station)是指，位于固定位置的專門用戶收發(fā)移動設(shè)備信號的通信站，它是進行無線定位的核心組成部分，多個基站組合即構(gòu)成一個能夠?qū)σ苿釉O(shè)備進行準(zhǔn)確定位的系統(tǒng)。移動站 (Mobile Station)是指被定位對象，它可以是一個 GPS 定位設(shè)備、一部手機或是一個專用定位裝置等。 在進行無線定位時，我們可以有幾種不同的選擇，即無線定位工作可以是以下定位方式中的任意一種：基于方向的定位、基于距離的定位、基于指紋的定位等。 基于方向的定位： 基于方向的無線定位也稱作 Angle of Arrival (AOA)定位技術(shù)。該技術(shù)通過至少兩個位于不同位置的基站 (Base Station)對移動設(shè)備進行測量。測量開始時，以基站為原點，把經(jīng)過基站的某一固定方向作為角的一邊，將基站與移動設(shè)備相連形成的射線作為角的另 外一邊，由此可以確定出移動設(shè)備相對于基站的偏移角，當(dāng)有兩個基站時，兩條偏移射線相交將會形成一個交點，該交點即為移動設(shè)備的準(zhǔn)確位置。但如果移動設(shè)備恰好位于兩個基站之間的直線上，兩個基站將無法準(zhǔn)確測出設(shè)備的位置，因此需要在第三個位置引入一個基站。因此，實際上，3 個不在同一直線上的基站可以準(zhǔn)確的獲取在移動設(shè)備在任何位置上的實時信息。 圖 顯示了基于方向的無線定位 (AOA)的工作原理 [Ali et al, 2020]： 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 2 基于距離的定位： 因為電子波在空氣中的傳播速度即光速，因此我們可以通過無線信號從移動設(shè)備發(fā)出的時刻與無線信號被基站接收的時刻推算出移動設(shè)備與基站之間的距離，由該距離我們可以知道移動設(shè)備存在于距離基站一定距離的圓周上。當(dāng)有 2至 3 個基站存在時，我們可以確定出移動設(shè)備對應(yīng)于每個基站的圓周，而這些圓周的交點即是移動設(shè)備的具體位置，因此完成對設(shè)備的準(zhǔn)確定位。 這種基于距離的無線定位方法又被稱作 Time of Arrival (TOA)方法，其工作原理類似于下圖所示 [Ali et al, 2020]： 半 徑 1半 徑 3半 徑 2ABC 圖 TOA 工作原理 基于指紋的定位： 基于指紋的定位方法，又稱作射頻指紋 (Radio Frequency Fingerprinting)技術(shù)，相較于之前兩種定位技術(shù)，射頻指紋 (RF Fingerprinting)是一種能夠高精度圖 AOA 工作原理 角度 1 角度 2 已知距離 D BS1 BS2 被測物體 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 3 進行無線設(shè)備定位的技術(shù) [Kaveh, 2020]。 在進行設(shè)備定位之前，先建立起基于特定建筑物場所的 WLAN 覆蓋區(qū)域信號熱圖，由于無線信號會因為距離遠(yuǎn)近以及墻壁等障礙物而出現(xiàn)信 號衰減，因此在特定建筑物內(nèi)的每一個特定區(qū)域都將有其特定的無線請好強度數(shù)據(jù)，無線定位系統(tǒng)首先根據(jù)這些不同的信號強度建立該區(qū)域的信號數(shù)據(jù)庫，并為每一個位置標(biāo)志上唯一性的指紋。當(dāng)有無線設(shè)備進入該檢測局域時，系統(tǒng)便能快速精確的確定出該設(shè)備的坐標(biāo)信息 [RF 指紋識別 ]。 射頻指紋技術(shù)已經(jīng)在一些領(lǐng)域得到了成熟的應(yīng)用，比如跟蹤無線電話語音的E911 系統(tǒng)（參見 無線定位技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r）和無線資產(chǎn)管理系統(tǒng)等。 無線定位技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 在美國，自 911 事件后，政府主導(dǎo)推廣了增強型 911 (E911)系統(tǒng)，旨在讓 系統(tǒng)通過呼叫中的移動電話對呼叫者進行準(zhǔn)確定位，以便及時提供救助。該服務(wù)適用于所有蜂窩系統(tǒng)和寬帶個人通信業(yè)務(wù)，同時還適用于專用移動無線電 (SMR)執(zhí)照持有者。于此同時，在 E911 中擔(dān)任核心角色的 Spring PCS 在獲得批準(zhǔn)后開始推行商用移動定位服務(wù)。同時在美國， UWB 技術(shù)于 21 世紀(jì)初得到了美國軍方開放的認(rèn)可，基于 UWB的短距離精確無線定位商用系統(tǒng)由此進入民間市場，并且得到了很好的應(yīng)用，是國際上較早開發(fā)短距離精確無線定位商用系統(tǒng)的國家之一 [周武旸等 , 2020]。 歐洲方面，自 2020 年 1 月 1 日起，政府便開始 推行增強型 112 (E112)。與E911 類似，政府希望能夠及時的為呼叫者提供準(zhǔn)確定位，以便展開救助，歐洲政府還在 E112 中實現(xiàn)了對個人隱私和信息安全性的保證 [Kaveh, 2020]。但是，無線定位的商業(yè)應(yīng)用在歐洲卻沒有得到很有效的推廣。 處在亞洲的日本與韓國也屬于無線定位的先驅(qū)國家之列。日本移動運營商NTT DoCoMo 先后推出了基于 GPSOne 技術(shù)的 DoCoNavi 業(yè)務(wù)與 i Area 定位服務(wù)；韓國方面，移動運營商 KTF 繼美國的 Spring PCS 與日本的 KDDI 之后，全球第三家提供了 GPSOne 業(yè)務(wù)， 而 KTF 推出的 Geleye 手機在開闊的地方進行定位的精確度可以達到 50m，并為手機用戶提供了諸如 “移動保鏢 (Mobile Bodyguard)”的個人安全服務(wù) [方旭明等 , 2020]。 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 4 在中國，移動運營商中國移動與中國聯(lián)通比較早的開始了對移動定位業(yè)務(wù)市場的探索。中國移動在 2020 年展開了基于 CellID 技術(shù)的移動定位業(yè)務(wù)試驗，并于 2020 年初在 “移動夢網(wǎng) ”的 GPRS 業(yè)務(wù)中捆綁了定位功能。中國聯(lián)通則通過在 CDMA 1x 網(wǎng)絡(luò)中使用 GPSOne 技術(shù)為用戶提供 “定位之星 ”業(yè)務(wù)。 “定位之星 ”業(yè)務(wù)基于移動終端的定位， 結(jié)合地理信息系統(tǒng) (GIS)所提供的地圖數(shù)據(jù)信息，向用戶提供位置信息服務(wù)。它將 GPSOne內(nèi)置于 CDMA手機芯片中實現(xiàn)定位功能，具有精度高（最高可達 5m），定位時間段，耗電少等顯著優(yōu)點 [吳偉陵等 , 2020]。 選題意義 關(guān)于移動定位技術(shù)，除了中國移動與中國聯(lián)通在精確無線定位上做出過 較大范圍的嘗試以外，便 少有其它產(chǎn)商針對該領(lǐng)域研制開發(fā)精確無線定位系統(tǒng)，對于國外比較成熟的市場來說，國內(nèi)在短距離精確無線定位領(lǐng)域還處于相對落后甚至相對空白的地位。 本文正是基于這樣的背景，對無線定位技術(shù)進行了分析，并接著介紹 了國內(nèi)比較領(lǐng)先的移動定位系統(tǒng) iLocate 無線定位系統(tǒng)。旨在通過對無線技術(shù)以及具體無線定位系統(tǒng)的介紹，來達到普及無線定位技術(shù)以及無線定位系統(tǒng)的目的。本文通過對 iLocate 無線定位系統(tǒng)的介紹，為國內(nèi)在無線定位技術(shù)上相對落后的狀況提出了一個發(fā)展的參考 [DONE 公眾定位系統(tǒng) , 2020]。 iLocate 無線定位系統(tǒng)具有這樣的功能：通過底層的 UWB 傳感器獲取移動物體的實時數(shù)據(jù)，并將該實時傳送至 iLocateEngine 層；在 iLocateEngine 層中，實時數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的坐標(biāo)格式，并傳送至上層的 iLocateServer；在iLocateServer 中物體數(shù)據(jù)與模型被存儲于數(shù)據(jù)庫之中， iLocateServer 通過與客戶端建立連接進行模型與實時物體數(shù)據(jù)的傳輸；在 iLocateClient 層，模型與物體數(shù)據(jù)被實時渲染并顯示出來，最終以 3D 或 2D 圖像的形式呈現(xiàn)在客戶端的 PC機中 [DONE, 2020]。 無線定位技術(shù)應(yīng)用前景廣闊，而 iLocate 無線定位系統(tǒng)很好的彌補了國內(nèi)在短距離精確無線定位上相對落后的狀態(tài)，通過低成本與一體化的自主研發(fā)，形成了完善的無線定位系統(tǒng)，并較好地應(yīng)用于實際項目之中，得到了較好的評價。 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 5 本文的工作 本文在分析了國內(nèi)外移動定位技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r后，首先對無線通信及無線定位技術(shù)進行了介紹。描述了目前主流的無線通信技術(shù)，如 GPS、 UWB 等，并簡要介紹了它們各自的特點及應(yīng)用場合。 另外，在無線定位系統(tǒng)中，通常會使用到各種圖像渲染與圖像處理技術(shù)，為實時的圖像顯示提供支撐。本文還就 Google Sketchup、 OGRE、碰撞檢測等技術(shù)的介紹與應(yīng)用進行了闡述。 接著本文提出了 iLocate 無線定位項目。 iLocate 無線定位系統(tǒng)是一個從硬件到軟件的一體化解決方案，能夠在戶外及室內(nèi)進行精確的移動物 體定位。在設(shè)計中， iLocate 系統(tǒng)被分為了 iLocateEngine， iLocateServer， iLocateClient 三個層次，本文闡述了每個層次的設(shè)計與概要實現(xiàn)。在 iLocateClient 中，闡述了 N