【正文】 OA)定位技術(shù)。因此，實(shí)際上，3個(gè)不在同一直線上的基站可以準(zhǔn)確的獲取在移動(dòng)設(shè)備在任何位置上的實(shí)時(shí)信息。在進(jìn)行設(shè)備定位之前，先建立起基于特定建筑物場(chǎng)所的WLAN覆蓋區(qū)域信號(hào)熱圖，由于無(wú)線信號(hào)會(huì)因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)近以及墻壁等障礙物而出現(xiàn)信號(hào)衰減，因此在特定建筑物內(nèi)的每一個(gè)特定區(qū)域都將有其特定的無(wú)線請(qǐng)好強(qiáng)度數(shù)據(jù)，無(wú)線定位系統(tǒng)首先根據(jù)這些不同的信號(hào)強(qiáng)度建立該區(qū)域的信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，并為每一個(gè)位置標(biāo)志上唯一性的指紋。該服務(wù)適用于所有蜂窩系統(tǒng)和寬帶個(gè)人通信業(yè)務(wù)，同時(shí)還適用于專用移動(dòng)無(wú)線電(SMR)執(zhí)照持有者。與E911類(lèi)似，政府希望能夠及時(shí)的為呼叫者提供準(zhǔn)確定位，以便展開(kāi)救助，歐洲政府還在E112中實(shí)現(xiàn)了對(duì)個(gè)人隱私和信息安全性的保證[Kaveh, 2002]。在中國(guó)，移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商中國(guó)移動(dòng)與中國(guó)聯(lián)通比較早的開(kāi)始了對(duì)移動(dòng)定位業(yè)務(wù)市場(chǎng)的探索。它將GPSOne內(nèi)置于CDMA手機(jī)芯片中實(shí)現(xiàn)定位功能，具有精度高（最高可達(dá)5m），定位時(shí)間段，耗電少等顯著優(yōu)點(diǎn)[吳偉陵等, 2005]。本文通過(guò)對(duì)iLocate無(wú)線定位系統(tǒng)的介紹，為國(guó)內(nèi)在無(wú)線定位技術(shù)上相對(duì)落后的狀況提出了一個(gè)發(fā)展的參考[DONE公眾定位系統(tǒng), 2008]。描述了目前主流的無(wú)線通信技術(shù)，如GPS、UWB等，并簡(jiǎn)要介紹了它們各自的特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合。iLocate無(wú)線定位系統(tǒng)是一個(gè)從硬件到軟件的一體化解決方案，能夠在戶外及室內(nèi)進(jìn)行精確的移動(dòng)物體定位。第二章 無(wú)線定位相關(guān)技術(shù) 介紹了GPS、WLAN與UWB三種目前流行的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，并說(shuō)明了各自的特點(diǎn)與使用場(chǎng)合。闡述了Google Sketchup建模工具；對(duì)OGRE的設(shè)計(jì)與應(yīng)用做了分析；并介紹了碰撞檢測(cè)引擎的概念。第六章 總結(jié)與展望 對(duì)論文期間所作工作進(jìn)行了總結(jié)，分析了下一步的工作，并對(duì)無(wú)線定位系統(tǒng)的未來(lái)作了一個(gè)展望。 GPS系統(tǒng)衛(wèi)星圖 GPS的組成整個(gè)GPS系統(tǒng)主要由空間部分、地面控制部分與用戶接收機(jī)三部分組成[GPS org, 2009]：空間部分：GPS的空間部分由24顆GPS工作衛(wèi)星組成，早先這些衛(wèi)星被分成8顆一組，分布在3個(gè)不同的繞地軌道上，之后人們對(duì)這樣的安排做了調(diào)整，最終將24顆衛(wèi)星劃分為6組，每組四顆，分布在6個(gè)不同的繞地軌道上，軌道平均高度為20200公里，不同軌道之間的傾角為55176。加之衛(wèi)星信號(hào)的傳播和接收不受天氣的影響，因此，GPS是一個(gè)全球性、全天候的連續(xù)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航和定位系統(tǒng)。注入站負(fù)責(zé)將主控站計(jì)算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星改正數(shù)據(jù)注入到衛(wèi)星中去。 GPS的定位方法GPS的定位方法有多種分類(lèi)，大致可以有以下幾種[GPS org, 2009]：1) 靜態(tài)定位與動(dòng)態(tài)定位靜態(tài)定位：如果待定點(diǎn)相對(duì)于周?chē)墓潭c(diǎn)沒(méi)有可以察覺(jué)的運(yùn)動(dòng)，或者運(yùn)動(dòng)十分緩慢以至于數(shù)月甚至數(shù)年才能反映出來(lái)，即認(rèn)為這種待定點(diǎn)相對(duì)于地球坐標(biāo)系是固定不動(dòng)的，這種待定點(diǎn)的坐標(biāo)確定方法稱為靜態(tài)定位。2) 絕對(duì)定位與相對(duì)定位絕對(duì)定位：絕對(duì)定位是確定獨(dú)立待定點(diǎn)在地球坐標(biāo)系中的位置的定位方式。如果同時(shí)觀測(cè)了四顆（或以上）衛(wèi)星，即可以按距離交會(huì)法算出測(cè)站的位置和始終誤差四個(gè)未知數(shù)。相對(duì)于偽距法，載波相位法擁有較高的測(cè)量精度。雖然美國(guó)在2000年5月1日取消了SA，但是戰(zhàn)時(shí)如果必要，美國(guó)可能恢復(fù)或采用類(lèi)似的干擾技術(shù)。3) 對(duì)流層折射對(duì)流層的高度為40Km以下的大氣底層，其大氣密度比電離層更大，大氣狀態(tài)也更復(fù)雜。改誤差的大小取決于接收設(shè)備軟硬件的具體實(shí)現(xiàn)，如果接收設(shè)備的軟硬件平臺(tái)不夠理想，數(shù)據(jù)的誤差將會(huì)對(duì)最終結(jié)果產(chǎn)生較大影響。 GPS定位技術(shù)小結(jié)GPS技術(shù)現(xiàn)今已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可與應(yīng)用，但是GPS技術(shù)并不是萬(wàn)能的，相反，GPS定位擁有一些先天的盲區(qū)。 UWB無(wú)線定位 UWB無(wú)線技術(shù)UWB（Ultra Wideband）超帶寬無(wú)線通信，又稱作超帶寬無(wú)線技術(shù)，是一種不用載波，而采用時(shí)間間隔極短（小于1ns）的脈沖進(jìn)行通信的通信技術(shù)，也稱作脈沖無(wú)線電（Impulse Radio）、時(shí)域（Time Domain）或無(wú)載波（Carrier Free）通信。自從1994年開(kāi)始，美國(guó)關(guān)于UWB的研發(fā)工作開(kāi)始在沒(méi)有分類(lèi)限制的狀況下進(jìn)行，這大幅增加了UWB的研發(fā)速度，同時(shí)也吸引了商業(yè)界對(duì)UWB應(yīng)用的興趣[賽迪網(wǎng), 2007]。與普通二進(jìn)制移相鍵控（BPSK）信號(hào)波形相比，UWB方式占用帶寬非常寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)。通信速度為數(shù)百M(fèi)bit/s～1Gbit/s，與高速有線LAN旗鼓相當(dāng)。因?yàn)閁WB信號(hào)在時(shí)間軸上是稀疏分布的，其功率譜密度相當(dāng)?shù)?，RF因此可以同時(shí)發(fā)射多個(gè)UWB信號(hào)。為保護(hù)GPS，導(dǎo)航和軍事通信頻段， GHz和低于41dB發(fā)射功率[ENET, 2007]。在頻率資源日益緊張的今天，UWB可以說(shuō)是一個(gè)擁有良好使用前景的無(wú)線通信技術(shù)。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)常規(guī)無(wú)線電信號(hào)多徑衰落深達(dá)10～30dB的多徑環(huán)境，UWB信號(hào)的衰落最多不到5dB。與GPS提供絕對(duì)地理位置不同，超短脈沖定位器可以給出相對(duì)位置，其定位精度可達(dá)厘米級(jí)[王金龍等, 2005]。一般來(lái)說(shuō)，UWB抗干擾處理增益在50dB以上。由于UWB具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率優(yōu)勢(shì)，同時(shí)受發(fā)射功率的限制，因此，短距離范圍內(nèi)的高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸將是UWB的重要應(yīng)用領(lǐng)域，如當(dāng)前WLAN和WPAN的各種應(yīng)用。以上公司的努力都為UWB在國(guó)際上的發(fā)展提供了良好的環(huán)境。在室內(nèi)環(huán)境1～10m范圍內(nèi)，UWB的數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到100～500Mb/s，可以將其應(yīng)用于高清視頻傳輸，音頻傳輸?shù)燃彝蕵?lè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由無(wú)線UWB塔標(biāo)和無(wú)線UWB移動(dòng)漫游器組成。UWB在該方面的應(yīng)用也正好是對(duì)GPS定位的一個(gè)補(bǔ)充，本文將要介紹的iLocate無(wú)線定位系統(tǒng)也正是基于UWB在這方面的應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的。表格 定位技術(shù)精度比照表定位技術(shù)Proximity CardsGPSBluetoothUnidirectional UWBUBisense UWB定位精度30m5~20m3m3m30cm15cm2) 實(shí)時(shí)性好。在單位時(shí)間里的數(shù)據(jù)傳輸量上，UWB擁有相對(duì)明顯的優(yōu)勢(shì)。另一方面，同先進(jìn)國(guó)家相比較，我國(guó)在無(wú)線通信領(lǐng)域仍處于待開(kāi)發(fā)狀態(tài)，目前國(guó)內(nèi)還缺乏成熟的UWB應(yīng)用系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)的商用UWB市場(chǎng)還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。因?yàn)镾ketchup提供了對(duì)Google Earth很好的插件支持，Google在2006年三月收購(gòu)了Last Software軟件公司，并將Sketchup更名為Google Sketchup。 Google Sketchup的特點(diǎn)易用性：在最初Sketchup被設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)之時(shí)，它就被定義為需要具備良好使用性的軟件。Google Sketchup使用的是基于表面的建模技術(shù)，： 基于表面的建模與實(shí)心建模基于多邊形的建模：另外一種建模的劃分方式為：基于多邊形（Polygonal）的建模，與基于弧線（Curvebased）的建模。Google Sketchup使用的是基于多邊形的建模，很好的體現(xiàn)了使用的簡(jiǎn)單性與程序運(yùn)行的高效性。它采用了Wavefront Explorer與Alias PowerAnimator的技術(shù)，演變?yōu)橐豢畋粡V泛接受的3D模型軟件。Maya的一個(gè)重要特點(diǎn)是它對(duì)第三方軟件產(chǎn)商的開(kāi)放性，其它軟件產(chǎn)商可以通過(guò)高度個(gè)性化的定制實(shí)現(xiàn)Maya的封裝版本。Google Sketchup因?yàn)槭褂昧讼鄬?duì)簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方式來(lái)完成復(fù)雜的圖形繪制功能，因此在在性能上擁有良好的表現(xiàn)。 OGRE技術(shù) OGREOGRE(Objectoriented Graphics Rendering Engine)是在Sourceforge上注冊(cè)的一個(gè)開(kāi)源圖像渲染引擎。Mesh支持：提供對(duì)Mesh的靈活支持，將定點(diǎn)緩沖，索引緩沖，定點(diǎn)申明，緩沖映射等概念進(jìn)行分別處理。OGRE還提供了場(chǎng)景詢問(wèn)特性（Scene Querying Features）。OGRE使用C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，能夠在Windows，Linux與Mac OS等操作系統(tǒng)上運(yùn)行。 OGRE渲染效果圖，可以看到OGRE很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜圖形的渲染。Resource Management：Resource Management模塊負(fù)責(zé)維護(hù)對(duì)象的渲染資源，例如對(duì)象的地理位置信息、質(zhì)地、字體等信息。 OGRE頂層類(lèi)設(shè)計(jì)圖OGRE的基本工作由以下幾個(gè)類(lèi)完成：SceneManager類(lèi)：SceneManager類(lèi)維護(hù)了對(duì)屏幕上所有對(duì)象的跟蹤信息。SceneNode類(lèi)：SceneNode類(lèi)負(fù)責(zé)跟蹤附著于其上的對(duì)象的位置與行動(dòng)信息。本文將要介紹的iLocate無(wú)線定位系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)中就是使用了MOGRE進(jìn)行開(kāi)發(fā)。碰撞檢測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)物體間的碰撞及相互作用進(jìn)行模擬，使物體之間的碰撞更加逼真；動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)模擬影響物體的各種作用力，使物體的移動(dòng)更加逼真。碰撞檢測(cè)是計(jì)算機(jī)圖形處理中的一個(gè)重要概念。碰撞檢測(cè)(Collision Detection)技術(shù)一直以來(lái)都是圖像處理及游戲開(kāi)發(fā)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，它旨在通過(guò)圖像處理的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同物體間碰撞時(shí)的感知與響應(yīng)。本文將要介紹的iLocate無(wú)線定位系統(tǒng)中，就是采用Newton Game Dynamics作為物理碰撞檢測(cè)庫(kù)，因?yàn)樵趇Locate系統(tǒng)中使用了MOGRE進(jìn)行圖像渲染，所以在使用Newton物理引擎庫(kù)時(shí)，本文采用了MogreNewt包作為包裝，將Newton物理引擎庫(kù)與MOGRE連接起來(lái)。正是基于這樣的條件，本文提出了基于UWB實(shí)現(xiàn)的iLocate無(wú)線定位系統(tǒng)。 iLocate系統(tǒng)功能在邏輯設(shè)計(jì)上，iLocate系統(tǒng)被分為iLocateEngine，iLocateServer，iLocateClient三層，本文將在后續(xù)章節(jié)詳細(xì)闡述此三層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。由于UWB在室外大范圍的情況下定位精度不是很高，而GPS在室外卻有很好的信號(hào)覆蓋，因此UWB與GPS定位信息進(jìn)行融合，來(lái)達(dá)到室內(nèi)室外無(wú)縫高精度定 位。： iLocate在博物院的應(yīng)用iLocate碼頭定位系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)識(shí)碼頭車(chē)輛以及集裝箱，iLocate可以很好的對(duì)相應(yīng)物體進(jìn)行監(jiān)控，以實(shí)現(xiàn)碼頭的自動(dòng)化操作。iLocateEngine采用了UWB結(jié)合GPS的方式對(duì)物體進(jìn)行定位，通過(guò)數(shù)據(jù)融合層（Fusion Layer），很好的發(fā)揮了GPS在戶外定位與UWB在室內(nèi)定位上各自的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镚PS的定位及相關(guān)應(yīng)用文檔已經(jīng)廣泛存在于網(wǎng)絡(luò)中，本文將著重介紹基于UWB的室內(nèi)定位部分。本文的第四章及第五章將對(duì)iLocateClient的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳實(shí)的介紹。： iLocateEngine內(nèi)部模塊設(shè)計(jì)圖中各個(gè)部分的功能為：UWB/GPS/RFID：是不同種類(lèi)的硬件定位平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)都能在其監(jiān)管的子區(qū)域范圍內(nèi)確定目標(biāo)的位置和運(yùn)動(dòng)情況。2) GPS定位信息從GPS接收器中讀取。同時(shí)為了方便用戶使用，Transform還提供了能夠配置坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的參數(shù)。這一部分是整個(gè)引擎的重點(diǎn)，因?yàn)橛脩羲x擇不同的定位技術(shù)（UWB，GPS……）都要在此層得到處理；同時(shí)，LFS還需要用一定的算法提高目標(biāo)的位置坐標(biāo)準(zhǔn)確度。 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換在iLocateEngine中，很重要的一個(gè)工作是將UWB定位設(shè)備獲取的物體坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)中定義的統(tǒng)一坐標(biāo)進(jìn)行管理。1. WGS84坐標(biāo)系WGS84是目前GPS所采用的坐標(biāo)系統(tǒng)，GPS所發(fā)布的星歷參數(shù)就是基于此坐標(biāo)系統(tǒng)的。采用橢球參數(shù)為：長(zhǎng)半軸a=，扁率f=1/，短半軸b=。所以，先求出全局空間直角坐標(biāo)系下的點(diǎn)O（0，0，0）在UWB坐標(biāo)系下的坐標(biāo)（X0，Y0，Z0），然后對(duì)所有從UWB硬件中獲得的數(shù)據(jù)減去相應(yīng)的平移量X0，Y0，Z0，就可以得到全局坐標(biāo)系下的物體位置。 Zo當(dāng)然，如果考慮坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)變換，以及不同坐標(biāo)軸之間的刻度變換，轉(zhuǎn)換關(guān)系就會(huì)變得比較復(fù)雜。T 功能模塊iLocateEngine在設(shè)計(jì)上被劃分為三個(gè)主要功能模塊：對(duì)外接口模塊、位置服務(wù)模塊、對(duì)象映射模塊，如圖*.*所示：對(duì)外接口模塊位置服務(wù)模塊對(duì)象映射模塊 iLocateEngine功能模塊設(shè)計(jì)位置服務(wù)模塊本層模塊包括構(gòu)架圖中的橙色區(qū)域的所有組件，它的任務(wù)是從底層硬件平臺(tái)提取對(duì)象的位置數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列的處理后，輸出物體在全局坐標(biāo)系中的位置。2. 系統(tǒng)的初始化：根據(jù)從配置文件中讀取的配置信息，進(jìn)行服務(wù)初始化。另建立一條到上層服務(wù)端的連接，應(yīng)該由引擎不斷的根據(jù)已經(jīng)存在的映射向上層應(yīng)用服務(wù)端發(fā)送所有物體的位置信息，上層的服務(wù)應(yīng)用服務(wù)端去負(fù)責(zé)將位置信息轉(zhuǎn)發(fā)給所有的應(yīng)用客戶端。iLocateServer與Database：iLocateServer需要將接收的實(shí)時(shí)定位數(shù)據(jù)、用戶設(shè)置的對(duì)象信息、場(chǎng)景信息、模型信息、帳號(hào)信息等存入數(shù)據(jù)庫(kù)；同時(shí)還接收客戶端(iLocateClient)的請(qǐng)求并查詢數(shù)據(jù)庫(kù)，返回相應(yīng)信息給客戶端。LogicGUIMessageEventCenterLogicalEngineContextDataFacadeDataServiceListenerConnectionListenerMessageProcessoriLocateClientiLocateEngine iLocateServer Logic模塊設(shè)計(jì)在上圖中，綠色方框表示擁有一個(gè)獨(dú)立線程的模塊。DataServiceListener：該類(lèi)封裝了一個(gè)獨(dú)立的線程，負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)客戶端請(qǐng)求實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的連接請(qǐng)求。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，每個(gè)事件偵聽(tīng)者都會(huì)得到相應(yīng)的通知。根據(jù)iLocate的項(xiàng)目需求，會(huì)話的具體內(nèi)容由iLocate通信協(xié)議定義。iLocation Link：當(dāng)客戶端請(qǐng)求服務(wù)器發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，客戶端與服務(wù)器間會(huì)新建一條發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的連接iLocation Link。當(dāng)然為了傳輸大文件的需要，在實(shí)現(xiàn)時(shí)，程序會(huì)根據(jù)下載文件的大小，自動(dòng)權(quán)衡所要用的連接數(shù)。Data Service Request Message消息定義為：Length（4 Bytes）Type（4 Byte）Address（8 Bytes）Port(4