【正文】 雷達(dá)系統(tǒng)方面 ， 具體 包括穿地雷達(dá)系統(tǒng) 等 。 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）、時域（ Time Domain）或無載波（ Carrier Free）通信。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]。 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)。這時，就需要有其它無線定位技術(shù)進(jìn)行精確定位。 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。 4) 接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差 在進(jìn)行 GPS 定位時，定位結(jié)果還收受到諸如處理與控制軟件和硬件的影響。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。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。 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。實施 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。 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，會受到多種因素的影響，這使得 GPS 定位存在誤差。然后采用和偽距法類似的原理，求出觀測站的位置和時鐘誤差等。偽距發(fā)的測量精度相對較低。 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，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，測出的本機(jī)信號延遲量即為衛(wèi)星信號的傳輸時間，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。 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。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。 動態(tài)定位 ：車、船、飛機(jī)、航天器等物體在運(yùn)動時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 實時位置。 以上這三個部分共同組成了一個完整的 GPS 系統(tǒng)。 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（如計算機(jī)氣象儀器等所組成）。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)。 地面控制部分： GPS 地面監(jiān)控系統(tǒng)分布于全球范圍，由 1 個主控站、 5 個監(jiān)控站和 3 個注入站組成。這樣布局從理論上可以保證 GPS 在地球上任何時間、任何地點(diǎn)對物體進(jìn)行定位。衛(wèi)星運(yùn)行周期約 為 11 小時 58分鐘。利用該系統(tǒng)，用戶可以在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)全天候、連續(xù)、實時的三維導(dǎo)航定位和測速；另外，利 用該系統(tǒng)，用戶還能夠進(jìn)行高精度的時間傳遞和精密定位 [GPS, 2020]。 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)。并給出了簡要的系統(tǒng)運(yùn)行效果。 第四章 iLocate 無線定位系統(tǒng) 本章首先介紹了 iLocate 系統(tǒng)的項目背景、應(yīng)用場景；然后對 iLocate 系統(tǒng)的整體框架及三個層次的具體設(shè)計進(jìn)行了分別闡述。 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)。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。 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)。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)。 接著本文提出了 iLocate 無線定位項目。 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。 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(jìn)行了介紹。 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(jìn)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(jī)中 [DONE, 2020]。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(dá)到普及無線定位技術(shù)以及無線定位系統(tǒng)的目的。 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。 “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)。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。日本移動運(yùn)營商N(yùn)TT 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(yùn)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(jī)在開闊的地方進(jìn)行定位的精確度可以達(dá)到 50m，并為手機(jī)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]。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。 歐洲方面，自 2020 年 1 月 1 日起，政府便開始 推行增強(qiáng)型 112 (E112)。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)。 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(qiáng)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(jìn)行準(zhǔn)確定位，以便及時提供救助。當(dāng)有無線設(shè)備進(jìn)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 ]。 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(jìn)行無線設(shè)備定位的技術(shù) [Kaveh, 2020]。 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。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。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(jìn)行測量。 在進(jìn)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。基站 (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(jìn)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(jìn)行準(zhǔn)確定位的系統(tǒng)。 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]。同時， iLocate 在實際使用中擁有較好的易用性與可擴(kuò)展性。 iLocate 無線定位系統(tǒng)是一套從硬件到軟件的一體化解決方案，旨在通過 自主研發(fā)實現(xiàn)完整的短距離無線精確定位系統(tǒng)。在設(shè)計中， iLocate 系統(tǒng)被分為了 iLocateEngine、 iLocateServer 及iLocateClient 三個層 次，本文對這三個層次的設(shè)計及實現(xiàn)進(jìn)行了闡述，進(jìn)行了實現(xiàn)，并 簡要 展示了系統(tǒng)的運(yùn)行效果。 本文設(shè)計了一個具體的無線定位系統(tǒng)： iLocate 無線定位系統(tǒng)。另一方面，無線定位系統(tǒng)通常伴隨實時圖像渲染與圖像顯示，為此本文闡述了無線定位系統(tǒng)中會使用到的相關(guān) 3D圖形技術(shù)。然而國內(nèi)在無線定位技術(shù)的應(yīng)用方面卻處于相對落后的地位，尤其是針對短距離室內(nèi)移動物體的精確定位，一直沒有開發(fā)出完整的成熟應(yīng)用。 研 究 生 畢 業(yè) 論 文 （申請工程碩士學(xué)位） 論文題目 iLocate無線定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 作者姓名 學(xué)科、專業(yè)名稱 工程碩士（軟件工程領(lǐng)域） 研究方向 軟件工程 指導(dǎo)老師 2020 年 3 月 30 日 學(xué) 號： MG0732054 論文答辯日期： 2020年 5月 15日 指 導(dǎo) 教 師： （簽字） The Design and Implementation of iLocate Wireless Location System WANG, Jun Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering supervised by Associate Professor Software Institute NANJING UNIVERSITY Nanjing, China March, 2020 南京大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 I 摘 要 無線定位是一種通過無線設(shè)備對物體或人進(jìn)行定位并將信息實時呈現(xiàn)給使用者的技術(shù)，旨 在為人們提供精確的定位信息。無線定位的應(yīng)用在國外已經(jīng)得到了很好 應(yīng)用，有諸如 E911 或者增強(qiáng)型 112 等成熟的系統(tǒng)。 在這樣的背景下，本文首先對無線技術(shù)及無線定位技術(shù)進(jìn)行了闡述，分析了當(dāng)今被廣泛接受的 GPS， UWB 等無線 技術(shù) 。在介紹 3D 圖形處理工作時，本文重點(diǎn)分析了 Google Sketchup，OGRE，碰撞檢測等技術(shù)的概念與應(yīng)用。 iLocate 是一個主要用于室內(nèi)短距離精確定位的無線定位系統(tǒng)，能夠為使用者提供準(zhǔn)確實時的定位信息。定位引擎 (iLocateEngine)主要功能是為上層應(yīng)用提供統(tǒng)一的位置信息；應(yīng)用服務(wù)端 (iLocateServer)主要負(fù)責(zé)與