【文章內(nèi)容簡介】 模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；在 iLocateServer 中，闡述了 Logic模塊、 Data 模塊、 Utility 模塊、 GUI 模塊等內(nèi)容；在 iLocateEngine 中，要闡述了 Transform 模塊、 PlugIn 模塊、數(shù)據(jù)融合模塊等內(nèi)容。 本文的組織結(jié)構(gòu)如下： 第一章 緒論 介紹 了無線定位技術(shù)的概念，描述了當(dāng)今無線定位技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用狀況，并引出問題，說明了目前國內(nèi)在短距離精確無線定位系統(tǒng)的應(yīng)用中還不夠成熟，缺乏完整的商用系統(tǒng)。 第二章 無線定位相關(guān)技術(shù) 介紹了 GPS、 WLAN 與 UWB 三種目前流行的無線標(biāo)準(zhǔn)，并說明了各自的特點(diǎn)與使用場合。說明了 GPS 在戶內(nèi)或高精度要求下無法準(zhǔn)確定位的問題。解釋了 UWB 的工作原理，并說明了 UWB 能夠完成室內(nèi)高精度的定位工作。 第三章 3D 模型處理技術(shù) 闡述了 iLocate 系統(tǒng)中使用到的 Google Sketchup、 OGRE圖像渲染引擎、碰撞檢測引 擎等技術(shù)。闡述了 Google Sketchup建模工具；對 OGRE 的設(shè)計(jì)與應(yīng)用做了分析；并介紹了碰撞檢測引擎的概念。 第四章 iLocate 無線定位系統(tǒng) 本章首先介紹了 iLocate 系統(tǒng)的項(xiàng)目背景、應(yīng)用場景；然后對 iLocate 系統(tǒng)的整體框架及三個(gè)層次的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行了分別闡述。 第五章 iLocate無線定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 闡述了 iLocate系統(tǒng)中 iLocateEngine、iLocateServer、 iLocateClient 的具體實(shí)現(xiàn)。并給出了簡要的系統(tǒng)運(yùn)行效果。 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 緒論 6 第六章 總結(jié)與展望 對論文期間所作工作進(jìn) 行了總結(jié)，分析了下一步的工作，并對無線定位系統(tǒng)的未來作了一個(gè)展望。 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 無線定位相關(guān)技術(shù) 7 第二章 無線定位相關(guān)技術(shù) GPS 無線定位 GPS（ Global Positioning System）全球定位系統(tǒng)，又稱作導(dǎo)航衛(wèi)星定時(shí)與測距（ Navigation Satellite Timing and Ranging），是由美國建立的基于衛(wèi)星導(dǎo)航的精密定位系統(tǒng)。從 1973 年開始， GPS 系統(tǒng)由美國國防部組織三軍共同研制，并與 1993 年基本完成。利用該系統(tǒng)，用戶可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、連續(xù)、實(shí)時(shí)的三維導(dǎo)航定位和測速；另外，利 用該系統(tǒng)，用戶還能夠進(jìn)行高精度的時(shí)間傳遞和精密定位 [GPS, 2020]。 圖 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 , 2020]： 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 顆一南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 無線定位相關(guān)技術(shù) 8 組，分布在 3 個(gè)不同的繞地軌道上，之后人們對這樣的安排做了調(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。衛(wèi)星運(yùn)行周期約 為 11 小時(shí) 58分鐘。 GPS 衛(wèi)星軌道經(jīng)過調(diào)整之后，能夠保證在世界上幾乎所有的地方都能夠至少有 6 顆衛(wèi)星處于地平線以上，即可見范圍，最多時(shí)能達(dá)到 12 顆。這樣布局從理論上可以保證 GPS 在地球上任何時(shí)間、任何地點(diǎn)對物體進(jìn)行定位。加之衛(wèi)星信號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)。 地面控制部分： GPS 地面監(jiān)控系統(tǒng)分布于全球范圍，由 1 個(gè)主控站、 5 個(gè)監(jiān)控站和 3 個(gè)注入站組成。主控站位于美國科羅拉多（ Colorado）的法爾孔（ Falcon）空軍基地，主控站根據(jù)各監(jiān)控站對 GPS 的觀測計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去，以調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星至預(yù)訂軌道，或啟用備用衛(wèi)星替代失效衛(wèi)星等。監(jiān)控站的作用負(fù)責(zé)接收衛(wèi)星信號，監(jiān)控衛(wèi)星工作狀態(tài)。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。 用戶設(shè)備部分： GPS 的用戶部分由 GPS 接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備（如計(jì)算機(jī)氣象儀器等所組成）。它的作用是接受 GPS 衛(wèi)星所發(fā)出的信號，利用這些信號進(jìn)行導(dǎo)航定位等工作。 以上這三個(gè)部分共同組成了一個(gè)完整的 GPS 系統(tǒng)。 GPS 的定位方 法 GPS 的定位方法有多種分類，大致可以有以下幾種 [GPS , 2020]： 1) 靜態(tài)定位與動態(tài)定位 靜態(tài)定位 ：如果待定點(diǎn)相對于周圍的固定點(diǎn)沒有可以察覺的運(yùn)動，或者運(yùn)動十分緩慢以至于數(shù)月甚至數(shù)年才能反映出來，即認(rèn)為這種待定點(diǎn)相對于地球坐標(biāo)系是固定不動的，這種待定點(diǎn)的坐標(biāo)確定方法稱為靜態(tài)定位。 動態(tài)定位 ：車、船、飛機(jī)、航天器等物體在運(yùn)動時(shí)通常需要知道他們的南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 無線定位相關(guān)技術(shù) 9 實(shí)時(shí)位置。通常在這些運(yùn)動載體上安裝 GPS 接收機(jī)，實(shí)時(shí)測得 GPS 接受信號天線所在的位置。這種對快速移動物體進(jìn)行定位的方式就叫做動態(tài)定位，也是最常見并且應(yīng)用廣 泛的定位方式。 2) 絕對定位與相對定位 絕對定位 ：絕對定位是確定獨(dú)立待定點(diǎn)在地球坐標(biāo)系中的位置的定位方式。 相對定位 ：相對定位是確定同步跟蹤相同 GPS 信號的若干臺接收機(jī)之間的相對位置的一種方法。由于采用同步觀測，各個(gè)同步站獲得信號的許多誤差是相同的或大致相同的（如衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、星歷誤差、信號的大氣傳播誤差等），可以消除或減弱這些誤差，獲得精確度相對高的相對位置。 3) 偽距法與載波相位法 偽距法 [Daly P. , 1993]：在使用偽距法定位時(shí)，接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生于衛(wèi)星發(fā)射信號相同的一組測距碼（ P 碼或 C/A 碼），通過 延遲器與接收機(jī)收到的信號進(jìn)行比較，當(dāng)兩組信號彼此完全重合（相關(guān)）時(shí)，測出的本機(jī)信號延遲量即為衛(wèi)星信號的傳輸時(shí)間，加上一系列的改正后乘以光速，得出衛(wèi)星與天線相位中心的斜距。如果同時(shí)觀測了四顆（或以上）衛(wèi)星，即可以按距離交會法算出測站的位置和始終誤差四個(gè)未知數(shù)。偽距發(fā)的測量精度相對較低。 載波相位法 ：該方法是把載波作為測量信號，對載波進(jìn)行量測，確定衛(wèi)星 信號和接受機(jī)參考信號的相位差，推算出相位觀測值。然后采用和偽距法類似的原理，求出觀測站的位置和時(shí)鐘誤差等。相對于偽距法，載波相位 法擁有較高的測量精度。 GPS 的誤差 由于 GPS 自身的特點(diǎn)，我們在使用 GPS 進(jìn)行定位時(shí)，會受到多種因素的影響，這使得 GPS 定位存在誤差。關(guān)于 GPS 定位系統(tǒng)的誤差，網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)存在詳盡的分類與相關(guān)文獻(xiàn)，本文此處不全部列出 [GPS 誤差 , 2020]，以下列出的是一些 GPS 定位中相對難以解決的 部分 ： 1) SA 干擾誤差 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 無線定位相關(guān)技術(shù) 10 SA 誤差是美國軍方為了限制非特許用戶利用 GPS 進(jìn)行高精度定位而采用的江都系統(tǒng)精度的政策，簡稱 SA 政策，它包括降低廣播星歷精度的 ε 技術(shù)和在衛(wèi)星基本頻率上附件隨機(jī)抖動的 δ 技術(shù)。實(shí)施 SA 技術(shù)后， SA 誤差已經(jīng)成為影響 GPS 定位誤差的最 主要因素。雖然美國在 2020 年 5 月 1 日取消了 SA， 但是戰(zhàn)時(shí)如果必要 ，美國可能恢復(fù)或采用類似的干擾技術(shù)。 2) 電離層折射 在地球上空距地面 50 至 100Km 之間的電離層中，氣體分子受到太陽等天體各種射線輻射產(chǎn)生強(qiáng)烈電離，形成大量的自由電子和正離子。當(dāng) GPS信號通過電離層時(shí)，與其他電磁波一樣，信號的路徑要發(fā)生彎曲，傳播速度也會發(fā)生變化，從而使測量的距離發(fā)生偏差。在改正電離層折射方面已經(jīng)擁有比較有效的方式，如利用同步觀測值求方差等方法，但是完全消除誤差還擁有較大困難。 3) 對流層折射 對流層的高度為 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。對流層與地面接觸并從地面得到輻射熱能，其溫度隨高度的增加而降低。 GPS 信號通過對流層時(shí)，傳播路徑也會發(fā)生彎曲，從而使測量距離產(chǎn)生偏差。 4) 接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差 在進(jìn)行 GPS 定位時(shí)，定位結(jié)果還收受到諸如處理與控制軟件和硬件的影響。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)備的軟硬件平臺不夠理想，數(shù)據(jù)的誤差將會對最終結(jié)果產(chǎn)生較大影響。 5) 無法進(jìn)行室內(nèi)定位 盡管 GPS 定位通過各種誤差處理方式能夠在很大程度上減小誤差，但是由于 GPS 定位是基于太空中的衛(wèi)星進(jìn)行的 ，所有的定位均需要在衛(wèi)星可見的視野中完成。因此，假如物體處在室內(nèi)等衛(wèi)星不可見的區(qū)域中時(shí)， GPS 定位將無法發(fā)揮作用。這時(shí)，就需要有其它無線定位技術(shù)進(jìn)行精確定位。本文將在 小節(jié)介紹可用于室內(nèi)短距離精確定位的 UWB 無線定位技術(shù)。 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 無線定位相關(guān)技術(shù) 11 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)并不是萬能的，相反， GPS 定位擁有一些先天的盲區(qū)。 在進(jìn)行定位時(shí)， GPS 系統(tǒng)完全依賴太空中的衛(wèi)星提供信息，這就使得處于室內(nèi)環(huán)境或者隱蔽環(huán)境下的物體難以得到準(zhǔn)確定位。另外，如前面小節(jié)中所說，GPS 系 統(tǒng)存在固有的測量誤差，并且有一些是難以徹底解決的誤差，這也使得GPS 定位技術(shù)在進(jìn)一步提高自身定位精度的問題上存在較大的障礙，尤其是在室內(nèi)的短距離精確定位系統(tǒng)的開發(fā)上， GPS 顯得更加無法滿足需求 [Tom, 1998]。 作為 GPS 技術(shù)的補(bǔ)充，本文將在以下小節(jié)介紹適用于室內(nèi)的短距離精確定位的 UWB 無線技術(shù)。 UWB 無線定位 UWB 無線技術(shù) UWB（ Ultra Wideband） 超帶寬 無線通信 ，又稱作超帶寬無線技術(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)，也稱作脈沖無線電（ Impulse Radio）、時(shí)域（ Time Domain）或無載波（ Carrier Free）通信。 UWB 的歷史 開始自 20 世紀(jì) 60 年代， 當(dāng)時(shí)主要 研究 為 微波網(wǎng)絡(luò)在面對時(shí)域脈沖所產(chǎn)生的瞬間行為。在 Harmuth、 Ross、以及 Robbins 等 研究者 的努力下，UWB 技術(shù)在 70 年代有重大的發(fā)展， 主要集中在雷達(dá)系統(tǒng)方面 ， 具體 包括穿地雷達(dá)系統(tǒng) 等 。 到了 1989 年， 美國國防部 首次將脈沖無線電（ Impulse Radio）更名為超帶寬（ Ultra Wideband） 。自從 1994 年開始，美國 關(guān)于 UWB 的研發(fā) 工作 開始 在沒有分類限制的狀況下進(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 UWB 應(yīng)用的興趣 [賽迪網(wǎng) , 2020]。 2020 年 2 月，美國 聯(lián)邦通信委員會（ FCC） 批準(zhǔn)了 UWB 技術(shù)用于民用， UWB 的發(fā)展 由此進(jìn)入了民用與商用階段 。 UWB 不使用載波，而是使用短的能量脈沖序列，并通過正交頻分調(diào)制或直南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 無線定位相關(guān)技術(shù) 12 接排序?qū)⒚}沖擴(kuò)展到一個(gè)頻率范圍內(nèi)。 UWB 使用的電波帶寬為數(shù) GHz，與帶寬20MHz 左右的無線 LAN 相比， UWB 利用的帶寬高出數(shù)百倍。與普通二進(jìn)制移相鍵控 （ BPSK） 信號波形相比， 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)。功率譜密度比之?dāng)U頻信號 （ 無線 LAN 低于 10mW/MHz） ， UWB 信號也低得多 （ 低于 10nW/MHz） 。在與其它系統(tǒng)共存時(shí)，不僅難產(chǎn)生干擾，而且還有抗其它系統(tǒng)干擾的優(yōu)點(diǎn)。而且由于脈沖的時(shí)間寬度極小，能把多路徑分得更小，能實(shí)現(xiàn) RAKE 接收 （ 匯集接收許多方向的電波 ） 。通信速度為數(shù)百 Mbit/s～ 1Gbit/s，與高速有線 LAN 旗鼓相當(dāng)。 總得說來， UWB 具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢。 與普通二進(jìn)制移相鍵控（ BPSK）信號波形相比， UWB 通信時(shí)并不利用余弦波進(jìn)行載波調(diào)制 [UWB, 2020]，而是發(fā)送許多小于 1ns 的脈沖，由此帶來的好處是 UWB 可占用帶寬非常寬。還由于 UWB 脈沖寬度在 ns 級別，脈沖覆蓋的頻譜可以從直流至 GHz，不需常規(guī)窄帶調(diào)制所需的 RF 頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發(fā)射。因?yàn)?UWB 信號在時(shí)間軸上是稀疏分布的，其功率譜密度相當(dāng)?shù)停?RF 因此可以同時(shí)發(fā)射多個(gè) UWB 信號。 [王金龍等 , 2020]。 為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)速率， UWB 應(yīng)用超短基帶豐富的 GHz 級頻譜，采用安全信令方法 （ Intriguing Signaling Method） ?；?UWB 的寬廣頻譜， FCC 在 2020年宣布 UWB 可用于精確測距，金屬探測，新一代 WLAN 和無線通信。為保護(hù)GPS，導(dǎo)航和軍事通信頻段， UWB 限制在 GHz 和低于 41dB 發(fā)射功率 [ENET, 2020]。 UWB 特點(diǎn)與 發(fā)展?fàn)顩r UWB 的特點(diǎn) 具體來說， UWB 擁有以下 7 個(gè)特點(diǎn)： 1) 擁有寬帶寬（系統(tǒng)容量大） [UWB, 2020] 從香農(nóng)公式 C=Blog2(1+S/N)可以看出，帶寬增加使信道容量的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大