【正文】 ................ 33 . 總結(jié) ...................................................................................................... 33 致謝 ...................................................................................................................... 34 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................. 35 第 6 頁 共 40 頁 第一章 緒 論 關(guān)于 位置信息確定的意義及方法 位置信息確定的意義及方法 位置信息在人們的日常生活中扮演著重要的作用。在郊外、展覽館、公園等陌生環(huán)境 中，使用定位導(dǎo)航信息可為觀眾游覽提供更便 捷的服務(wù)；在倉(cāng)儲(chǔ)物流過程中，對(duì)物品進(jìn)行實(shí)時(shí)定位跟蹤將大大提高工作效率；在監(jiān)獄環(huán)境中，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握相關(guān)人員的位置信息，有助于提高安全管理水平，簡(jiǎn)化監(jiān)獄管理工作。 目前全球定位系統(tǒng)（ GPS ， Global Positioning System）是獲取室外環(huán)境位置信息 1 的最常用方式。近年來，隨著無線移動(dòng)通信技術(shù)的快速發(fā)展， GPS 和蜂窩網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的 AGPS（ Assisted Global Positioning System）定 [1] 位方式在緊急救援和各種基于位置服務(wù) （ LBS， LocationBased Services）中逐漸得到了應(yīng)用。但由于衛(wèi)星信號(hào)容易受到各種障礙物遮擋， GPS/APGS 等衛(wèi)星定位技術(shù)并不適用于室內(nèi)或高樓林立的場(chǎng)合，目前無線室內(nèi)定位 術(shù)迅速發(fā)展，已成為 GPS 的有力補(bǔ)充。 一般來講， 使用無線信號(hào)強(qiáng)度獲取目標(biāo)位置信息的過程，就是建立 無線信號(hào)強(qiáng)度和位置信息穩(wěn)定映射關(guān)系的過程。 現(xiàn)有室內(nèi)無線定位系統(tǒng)主要采用紅外、超聲波 [2] 、藍(lán)牙、 WiFi （ Wireless Fidelity） 、 RFID（ Radio Frequency Identification）等短距離無線技術(shù)。其中基 WiFi 網(wǎng)絡(luò)的無線定位技術(shù)由于部署廣泛且低成本較低，因此備受關(guān)注 [3,4]。其中由微軟開發(fā)的 RADAR 系統(tǒng)是最早的基于 WiFi 網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)。它采用射頻指紋匹配方法，從指紋庫中查找最接近的 K 個(gè)鄰居，取它們坐標(biāo)的平 [5] 均作為坐標(biāo)估計(jì)。而文獻(xiàn)介紹的室內(nèi) 定位系統(tǒng)則基于 RSSI 信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，采用貝葉斯公式，通過計(jì)算目標(biāo)位置的后驗(yàn)概率分布，來進(jìn)行定位。 1基金資助 ： 國(guó) 家自然基金 (6087324 609733 60772070)、北 京自然基金 (4102059) 聯(lián)系作者 ： 雷地球，Email： 第 7 頁 共 40 頁 本文 主要 介紹的定位 系統(tǒng) 本文同樣基于 WiFi 網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了 一種無線室內(nèi)定位系統(tǒng)， 但與上述定位方法不同，本文采用了基于權(quán)值選擇的定位算法，在一定程度上減少了 ，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可獲得較好的定位精度（ 4 米）。 本文的主要研究?jī)?nèi)容以及各章安排 主要內(nèi)容 本文研究?jī)?nèi)容為將具有 wifi 模塊是 android 手機(jī)作為客戶端、服務(wù)端、定位算 法進(jìn)行定位確定。 本文安排 第一章 緒 論 第二章 目前主要定位方式及各種測(cè)量方法 第三章 無線定位系統(tǒng)和物聯(lián)定位系統(tǒng)的介紹 第四章 基于 WiFi 的室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第二章 目前主要定位方式及各種測(cè)量方法 第 8 頁 共 40 頁 GPS 定位系統(tǒng)介紹 的發(fā)展 隨著 GPS 定位技術(shù)的發(fā)展， GPS 技術(shù)已經(jīng)超越了初始的設(shè)計(jì)目標(biāo)。最主要的突破是人們提出了差分 GPS 定位技術(shù)。差分 GPS 定位技術(shù)分為局域差分 GPS 定位技術(shù)和廣域差分 GPS 定位技術(shù)。局域差分 GPS 實(shí)時(shí)定位技術(shù) 是由基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)通訊鏈路和用戶站組成?；鶞?zhǔn)站和用戶站間隔在一定范圍內(nèi) (一般不超過 150km)并同步觀測(cè)相同的 GPS 衛(wèi)星。對(duì)于同一衛(wèi)星同一歷元的觀測(cè)值，基準(zhǔn)站和用戶站包含幾乎相同的誤差。因此，在基準(zhǔn)站計(jì)算出每一顆 GPS 衛(wèi)星的誤差改正信息后，通過數(shù)據(jù)通訊鏈路傳輸至用戶站，用戶站對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行改正，即可提高定位精度。一般用戶站定位精度約為 1 5m。由于基準(zhǔn)站和用戶站的誤差相關(guān)性與它們之間的距離有關(guān)，因而用戶站定位精度的改善在很大程度上受到基準(zhǔn)站和用戶站之間的距離限制（葉世榕， 2021）。廣域差分 GPS 技術(shù)的基本思想是對(duì) GPS 的衛(wèi)星軌道誤差、衛(wèi)星鐘差及電離層延遲等主要誤差源加以區(qū)分，并單獨(dú)對(duì)每一個(gè)誤差源分別加以“模型化”，計(jì)算其誤差修正值，然后將計(jì)算出的每 一誤差源的數(shù)值通過數(shù)據(jù)通訊鏈傳輸給用戶，以對(duì)用戶 GPS 接收機(jī)的觀測(cè)值誤差加以改正，達(dá)到削弱這些誤差源改善用戶定位精度的目的。因而在廣域差分 GPS 系統(tǒng)中，只要數(shù)據(jù)鏈路有足夠能力，基準(zhǔn)站和用戶站間的距離原則上是沒有限制的 。在一般情況下，廣域差分 GPS 的定位精度在 1000 1500km 的范圍內(nèi)約為 1 5m。局域差分和廣域差分 GPS 定位技術(shù)顯然還無法滿足高精度測(cè)量的要求。長(zhǎng)期以來，人們?cè)诶幂d波相位觀測(cè)值進(jìn)行定位方面做了大量的卓有成效的研究工作，其中載波相位相對(duì)定位技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。類似于碼差分定位技術(shù)，載波相位相對(duì)定位采用兩臺(tái)及以上的接收機(jī)進(jìn)行同步觀測(cè)。靜態(tài)相對(duì)定位的精度一般可以達(dá)到厘米級(jí)或毫米級(jí)。在動(dòng)態(tài)定位方面，人們又提出了 RTK 技術(shù)。它是一種實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測(cè)站載波相位觀測(cè)量的差分方法。 載波相位差分可分為兩類：一類是修正法，另一類是差分法。所謂修正法，即將基準(zhǔn)站的載波相位修正值發(fā)送給用戶，以改正用戶接收到的載波相位，再 求解坐標(biāo)。所謂差分法即是將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)（徐紹銓， 2021）。對(duì)于單基準(zhǔn)站動(dòng)態(tài)定位，一般要求基準(zhǔn)站和用戶站之間的 第 9 頁 共 40 頁 距離為 10 15km，定位的精度為厘米級(jí)。為了不受距離的限制，人們又提出了多基準(zhǔn)站 RTK，虛擬參考站（ VRS）等技術(shù)，利用這些技術(shù)在 50~70 公里內(nèi)可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位（葉世榕 ,2021）。載波相位相對(duì)定位雖然可以達(dá)到很高的精度，但通常要受到測(cè)站間距離的限制。對(duì)于有些應(yīng)用如精密的海洋劃界，精密海洋工程等，原有的定位手段無法滿足需求，需要尋求新的定位方式 或技術(shù)（劉焱雄， 2021）。 精密單點(diǎn)定位（ Precise Point Positioning,PPP）這一概念首先由美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 (JPL)的 Zumberge 等人于 1997 年提出 (Zumberge， 1997) 在他們開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件 GIPSY 上給予實(shí)現(xiàn)。精密單點(diǎn)定位是一種利 ，用衛(wèi)星精密星歷和衛(wèi)星鐘鐘差數(shù)據(jù)，以及雙頻碼和載波相位觀測(cè)值，采用非差模型進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的方法。非差定位模式和其它差分模式相比具有很多優(yōu)點(diǎn)：可用觀測(cè)值多；保留了所有觀測(cè)信息；能直接得到測(cè)站坐標(biāo)；測(cè)站和測(cè)站之間沒有 距離限制；各接收機(jī)不需同步觀測(cè)。精密單點(diǎn)定位由于只需要一臺(tái)接收機(jī)就能工作，還具有數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單，效率高，費(fèi)用省等優(yōu)點(diǎn)。而且可以得到全球一致的厘米級(jí)的定位精度。精密單點(diǎn)定位的精度在很大程度上依賴于精密星歷和衛(wèi)星鐘鐘差的精 度。 IGS 所提供的優(yōu)于 5cm 的 GPS 衛(wèi)星精密軌道和優(yōu)于 的精密衛(wèi)星鐘鐘差數(shù)據(jù)為精密單點(diǎn)定位技術(shù)的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)前的精密單點(diǎn)定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要是基于 GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)。但 GPS 作為一種基于衛(wèi)星的定位技術(shù)，系統(tǒng)的可用性、定位結(jié)果的可靠性和精度在很大程度上取決于觀測(cè)到的衛(wèi) 星的數(shù)量。在有些場(chǎng)合，如城市峽谷、露天礦區(qū)域和山區(qū)，可見衛(wèi)星的數(shù)量往往是不夠的。增加系統(tǒng)的可用性和可靠性的一個(gè)可行的辦法是組合 GPS 和 GLONASS。目前，GLONASS 系統(tǒng)正在改變以前衛(wèi)星數(shù)量嚴(yán)重不足的局面，已經(jīng)有 16 顆衛(wèi)星在軌運(yùn)行而且根據(jù) GLONASS 系統(tǒng)的現(xiàn)代化計(jì)劃， GLONASS 衛(wèi)星星座很快將擁有 24 顆工作衛(wèi)星，這就為 GPS 和 GLONASS 兩種系統(tǒng)的組合提供了基礎(chǔ)。由于更多的衛(wèi)星資源能被使用以及由此改善的系統(tǒng)可用性，可靠性和定位精度，組合的 GPS/GLONASS 精密 單點(diǎn)定位將具有更廣闊的應(yīng)用前景。 第 10 頁 共 40 頁 GPS 國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài) 精密單點(diǎn)定位這一概念最初是由 JPL 的 Zumberge 等人于 1997 年提出并在他們開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件 GIPSY 上給予實(shí)現(xiàn)。它是一種利用高精度的 GPS 衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘鐘差數(shù)據(jù)以及雙頻碼和載波相位觀測(cè)值采用非差模型進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的方法，其單天解的精度為：水平方向177。 1cm，高程方向?yàn)?77。2cm(Zumberge， 1997)。還有人提出了全球?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)精密單點(diǎn)定位技術(shù)。利用非差雙頻載波相位觀測(cè)值，在經(jīng)過一段時(shí)間初始化后進(jìn)行單歷元實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài) 精密單點(diǎn)定位。試驗(yàn)結(jié)果表明平面位置的定位精度為177。（ 10～ 20） cm. 加拿大卡爾加里大學(xué)提出了精密單點(diǎn)定位 P1 P2 CP 模型，該模型不像傳統(tǒng)模型那樣在碼和碼之間形成消電離層組合，而是在相位和碼之間形成消電離層組合，試驗(yàn)結(jié)果證明，該模型比傳統(tǒng)模型具有更好的性能。 Gao 等也研究了在各種動(dòng)態(tài)環(huán)境下，使用實(shí)時(shí)精密星歷和衛(wèi)星鐘產(chǎn)品精密單點(diǎn)定位的性能。試驗(yàn)結(jié)果表明厘米級(jí)的定位精度是可以獲得的。 Gao 科研小組還研究開發(fā)了商業(yè)化的精密單點(diǎn)定位軟件 (p3)。除此之外，由 CODE 研制的著名的 GPS 數(shù)據(jù)處理軟 件 Bernese 在 版本中增加了用非差載波相位觀測(cè)值進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的功能。國(guó)際上從事非差 GPS 數(shù)據(jù)處理研究的機(jī)構(gòu)除了 CODE，還有 JPL、 GFZ、 NRCan 等。 JPL 研制了基于平方根濾波方法，采用非差觀測(cè)值的定軌、定位軟件 GIPSY。德國(guó)的 GFZ 則研制了 基于最小二乘估計(jì)的非差相位定軌和定位軟件 EPOS。 NRCan 的 Heroux 等人也研究了采用非差相位進(jìn)行精密單點(diǎn)定位的方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)精密單點(diǎn)定位技術(shù)進(jìn)行了深入研究。武漢大學(xué)葉世榕在博士論文中利用自行研制的定位軟件進(jìn)行了試算 。單天解的精度為：緯度方向優(yōu)于 1cm，經(jīng)度方向優(yōu)于 2cm，高程方向優(yōu)于 3cm。動(dòng)態(tài)定位時(shí)初始化時(shí)間約為 15min，初始化后單歷元解的精度在緯度經(jīng)度和高程方向的精度均優(yōu)于 20cm,大部分解的精度優(yōu)于 10cm。利用 GPS 的精密預(yù)報(bào)星歷和實(shí)時(shí)衛(wèi)星鐘差計(jì)算得到的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位的精度為 40cm（葉世榕 ,2021）。武漢大學(xué)張小紅教授也對(duì)精密單點(diǎn)定位進(jìn)行了深入研究。張獨(dú)立研發(fā)了后處理精密單點(diǎn)定位軟件 TriP，并成功的將其應(yīng)用于航空測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果表明采用精密單點(diǎn)定位技術(shù)可以獲得幾個(gè)厘米的動(dòng)態(tài)定位精度。香港 理工大學(xué)比較了非差，衛(wèi)星間單差，歷元間單差，歷元衛(wèi)星間差，四種不同單點(diǎn)定位差分模型的定位精度和其他指標(biāo)。宋偉偉等研究了精密單點(diǎn)定位中周跳探測(cè)與修復(fù)的方 第 11 頁 共 40 頁 法（宋偉偉， 2021）。 目前對(duì)于 GPSS 單點(diǎn)定位的研究主要還是采用測(cè)碼偽距觀測(cè)值，因而定位精度在米級(jí)。要想達(dá)到厘米級(jí)的定位精度，必須進(jìn)行基于載波相位觀測(cè)數(shù)據(jù)的精密單點(diǎn)定位。 wifi 定位技術(shù) 做這項(xiàng)技術(shù)是由一家成立于 2021 年叫 Skyhook Wireless( SkyHook 主頁上可以下載一個(gè)叫 Loki 的軟件，是 PC 上用的，也支持 wifi 定位，不過好像只能在 xp用。還沒升到 的 iphone 用戶可以先試試 Loki。 wifi 的利用原理 1）， wifi 熱點(diǎn)（也就是 AP，或者無線路由器）越來越多，在城市中更趨向于空間任何一點(diǎn)都能接收到至少一個(gè) AP 的信號(hào)。（在美國(guó)，每個(gè)點(diǎn)收到 5個(gè) AP 信號(hào)的情況相當(dāng)多見。中國(guó)也會(huì)越來越多的） 2），熱點(diǎn)只要通電，不管它怎么加密的，都一 定會(huì)向周圍發(fā)射信號(hào)。信號(hào)中包含此熱點(diǎn)的唯一全球 ID。即使距離此熱點(diǎn)比較遠(yuǎn)，無法建立連接，但還是可以偵聽到它的存在。 3），熱點(diǎn)一般都是很少變位置的，比較固定。 這樣，定位端只要偵聽一下附近都有哪些熱點(diǎn)，檢測(cè)一下每個(gè)熱點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)弱，然后把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)上的 Skyhook 的服務(wù)器。服務(wù)器根據(jù)這些信息，查詢每個(gè)熱點(diǎn)在數(shù)據(jù)庫里記錄的坐標(biāo)，然后進(jìn)行運(yùn)算，就能知道客戶端的具體位置了，最后坐標(biāo)告訴客戶端。容易理解的是，收到的 AP 信號(hào)越多，定位就會(huì)越準(zhǔn) 第 12 頁 共 40 頁 定位需要兩個(gè)先決條件 1），客戶端能上網(wǎng) 2），偵聽到的熱點(diǎn)的坐標(biāo)在 Skyhook 的數(shù)據(jù)庫里有 第一條不消說了