（FCC） 制定的运营商（紧急救援）服务 标准
内容提要
1. WSN定位概述 2. 基于测距（range-based）的定位技术 3. 无需测距（range-free）的定位技术 4. 定位相关的其它技术 5. 典型定位系统 6. 展望 7. 主要参考文献
2. 基于测距（range-based） 的定位技术
《无线传感器网络技术》讲义
第七章、定位技术
内容提要
1. WSN定位概述 2. 基于测距（range-based）的定位技术 3. 无需测距（range-free）的定位技术 4. 定位相关的其它技术 5. 典型定位系统 6. 展望
1. WSN定位概述
① 什么是定位？ ② 定位的应用领域 ③ 定位的技术指标 ④ 定位系统的设计要点 ⑤ 定位服务的标准化
利用角度关系定位
N
α1 A1
α2 A2
x y
( y2 (x2
x2 y2
tan 2 ) ( y1 x1
tan 2 tan1 cot 2 ) (x1 y1
tan 1 ) c ot1 )
cot 2 cot1
A1
α Nβ γ
A2
A3
( (
x1 x2
xC1 )2 xC1 )2
( y1 (y2
① 1.定W位就SN是定确定位位置概。述-什么是定位？
② 定位的两种意义：
✓ 一种是确定自己的在系统中的位置； ✓ 一种是确定目标在系统中的位置。
③ 位置信息的类型：
✓ 物理位置指目标在特定坐标系下的位置数值， 表示目标的相对或者绝对位置。
✓ 符号位置指在目标与一个基站或者多个基站接 近程度的信息，表示目标与基站之间的连通关 系，提供目标大致的所在范围。
1. WSN定位概述-定位的应用 领域
① 导航：了解移动物体在坐标系中的位置， 指导移动物体成功到达目的地的工作
② 跟踪：系统实时地了解物体所处位置和移 动的轨迹
③ 虚拟现实：定位物体的位置和方向
④ 基于地理位置的路由：优化的路由可以提 高系统性能、安全性，节省宝贵的电能
⑤ 基于位置的服务（LBS, Location Based Service） ：新的增值服务
A3
A4
r4
r3
r2
A2
② 估计方法：
N r5
r1 A5
① 最小二乘（LS，Least Square）
A1
② 极大似然（MLE, Maximum Likelihood Estimation）
③ 最小均方差（MMSE, Minimum Mean Square Error）
2. 基于测距的定位技术-三边定 位和多边定位
1. WSN定位概述-定位系统的 设计要点
① 两个主要因素：
① 定位机制的物理特性 ② 相应的算法
② 其他设计要求：
① 节点密度 ② 扩展性 ③ 鲁棒性的要求
1. WSN定位概述-定位服务的 标准化
① 定位系统往往是订制系统，没有统一 的标准
① GPS系统，事实标准 ② E-911，1996年美国联邦通信委员会
发射机 T0
接收机 T1
发射机 T0 T2
接收机 T1 T3
发射机 T0
T3
接收机
T1 T2
TOA
到达时间
d (T1 T0 ) *V
TDOA
到达时间差
d
[(T3
T1)
(T2
T0
)]*
VRF VRF
VUS *VUS
RTOF
往返传播时间
d [(T3 T0 ) (T2 T1)]*V 2
2. 基于测距的定位技术-三边定 位和多边定位
近场电磁测距（NFER）
利用了在近场电场与磁场的相位差来测量距离。射频信 号包括电场和磁场2部分。
相位(度) 90
75
60
45
30
15
0
范围（波长）
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
近场电磁测距方法的测距范围0.05 λ ~ 0.5 λ 之间，最佳测量范围0.08 λ ~ 0.3 λ之间。
2. 基于测距的定位技术-接收信 号角度定位
yC1 )2 yC1 )2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
rC12 rC12
(x3 xc ) 2 ( y3 yc ) 2 2rC12 (1 cos )
接收信号相位（PDOA）
通过测相位差，求出信号往返的传播时间，计算出往返 距离
d c c 2 fc fc 2 2
其中，fc是信号频率，λ是信号的波长，φ是发送信号和 反射信号的相位差。由上式可知d的范围是[0, λ]。 不同的距离如果相差λ倍，则测量获得的相位相同。
2. 基于测距的定位技术-三边定 位和多边定位
② 根据信道模型求解距离：
PL(d )
PL(d0
)
10n
log
d d0
X
③ 信道的时变特性：
① 信道由于受到多径衰减（Multi-path Fading） ② 非视距阻挡（Non-of-Sight Blockage）的影响
2. 基于测距的定位技术-三边定 位和多边定位
信号传播时间/时间差（TOA/TDOA/RTOF）
① 三边定位和多边定位
测距的方法有： ① 信号强度（RSS） ② 信号传播时间/时间差（TOA/TDOA/RTOF） ③ 接收信号相位（PDOA） ④ 近场电磁测距（NFER）
② 接收信号角度定位
2. 基于测距的定位技术-三边定 位和多边定位
多边定位Multilateration
① 多次测量方程的个数大于变量的个数
三边定位Trilateration（多边定位特例） 多次测量方程的个数等于变量的个数 需要考虑无解的情况，求最优近似解
A3
r3
r2
A2
N
r1
A1
(a)
r3 A3
r2 A2 N
A1 r1
(b)
2. 基于测距的定位技术-三边定 位和多边定位
信号强度（RSS ）
① 通过信号在传播中的衰减来估计节点之间的 距离
覆盖范围 十多米 100米 公里级
1. WSN定位概述-定位的技术 指标(2)
① 刷新速度是提供位置信息的频率。比 如GPS每秒钟刷新1次
② WSN相关的指标
✓ 功耗，WSN是功耗受限制的 ✓ 带宽，协议栈开销+数据的有效载荷 ✓ 节点密度，节点密度要求越高，单次定
位的通信开销越大，消耗的电能越多。
1. WSN定位概述-定位的技术 指标(1)
① 精度--最重要的指标，指定位系统提供的位 置信息的精确程度。
✓ 绝对精度指以长度为单位度量的精度。 ✓ 相对精度，通常以节点之间距离的百分比来定义。
② 覆盖范围是另一个重要指标，它和精度是一 对矛盾。
超声波 Wi-Fi和蓝牙 GSM系统
精度 分米级 3米 100米