ilocate无线定位系统的设计与实现毕业论文(编辑修改稿)

ilocate无线定位系统的设计与实现毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

et模块、 MOGRE 模块、 GUI 模块的设计与实现；在 iLocateServer 中，阐述了 Logic模块、 Data 模块、 Utility 模块、 GUI 模块等内容；在 iLocateEngine 中，要阐述了 Transform 模块、 PlugIn 模块、数据融合模块等内容。 本文的组织结构如下： 第一章 绪论 介绍 了无线定位技术的概念，描述了当今无线定位技术在国内外的应用状况，并引出问题，说明了目前国内在短距离精确无线定位系统的应用中还不够成熟，缺乏完整的商用系统。 第二章 无线定位相关技术 介绍了 GPS、 WLAN 与 UWB 三种目前流行的无线标准，并说明了各自的特点与使用场合。 说明了 GPS 在户内或高精度要求下无法准确定位的问题。 解释了 UWB 的工作原理，并说明了 UWB 能够完成室内高精度的定位工作。 第三章 3D 模型处理技术 阐述了 iLocate 系统中使用到的 Google Sketchup、 OGRE图像渲染引擎、碰撞检测引 擎等技术。 阐述了 Google Sketchup建模工具；对 OGRE 的设计与应用做了分析；并介绍了碰撞检测引擎的概念。 第四章 iLocate 无线定位系统 本章首先介绍了 iLocate 系统的项目背景、应用场景；然后对 iLocate 系统的整体框架及三个层次的具体设计进行了分别阐述。 第五章 iLocate无线定位系统的实现 阐述了 iLocate系统中 iLocateEngine、iLocateServer、 iLocateClient 的具体实现。 并给出了简要的系统运行效果。 南京大学硕士学位论文 第一章 绪论 6 第六章 总结与展望 对论文期间所作工作进 行了总结，分析了下一步的工作，并对无线定位系统的未来作了一个展望。 南京大学硕士学位论文 第二章 无线定位相关技术 7 第二章 无线定位相关技术 GPS 无线定位 GPS（ Global Positioning System）全球定位系统，又称作导航卫星定时与测距（ Navigation Satellite Timing and Ranging），是由美国建立的基于卫星导航的精密定位系统。 从 1973 年开始， GPS 系统由美国国防部组织三军共同研制，并与 1993 年基本完成。 利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利 用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和精密定位 [GPS, 2020]。 图 GPS 系统卫星图 GPS 的组成 整个 GPS 系统主要由空间部分、地面控制部分与用户接收机三部分组成[GPS , 2020]： 空间部分： GPS 的空间部分由 24 颗 GPS 工作卫星组成，早先这些卫星被分成 8 颗一南京大学硕士学位论文 第二章 无线定位相关技术 8 组，分布在 3 个不同的绕地轨道上，之后人们对这样的安排做了调整，最终将24 颗卫星划分为 6 组，每组四颗，分布在 6 个不同的绕地轨道上，轨道平均高度为 20200 公里，不同轨道之间的倾角为 55176。 卫星运行周期约 为 11 小时 58分钟。 GPS 卫星轨道经过调整之后，能够保证在世界上几乎所有的地方都能够至少有 6 颗卫星处于地平线以上，即可见范围，最多时能达到 12 颗。 这样布局从理论上可以保证 GPS 在地球上任何时间、任何地点对物体进行定位。 加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此， GPS 是一个全球性、全天候的连续 实时 的导航和定位系统。 地面控制部分： GPS 地面监控系统分布于全球范围，由 1 个主控站、 5 个监控站和 3 个注入站组成。 主控站位于美国科罗拉多（ Colorado）的法尔孔（ Falcon）空军基地，主控站根据各监控站对 GPS 的观测计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去，以调整偏离轨道的卫星至预订轨道，或启用备用卫星替代失效卫星等。 监控站的作用负责接收卫星信号，监控卫星工作状态。 注入站负责将主控站计算出的卫星星历和卫星改正数据注入到卫星中去。 用户设备部分： GPS 的用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备（如计算机气象仪器等所组成）。 它的作用是接受 GPS 卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的 GPS 系统。 GPS 的定位方 法 GPS 的定位方法有多种分类，大致可以有以下几种 [GPS , 2020]： 1) 静态定位与动态定位 静态定位 ：如果待定点相对于周围的固定点没有可以察觉的运动，或者运动十分缓慢以至于数月甚至数年才能反映出来，即认为这种待定点相对于地球坐标系是固定不动的，这种待定点的坐标确定方法称为静态定位。 动态定位 ：车、船、飞机、航天器等物体在运动时通常需要知道他们的南京大学硕士学位论文 第二章 无线定位相关技术 9 实时位置。 通常在这些运动载体上安装 GPS 接收机，实时测得 GPS 接受信号天线所在的位置。 这种对快速移动物体进行定位的方式就叫做动态定位，也是最常见并且应用广 泛的定位方式。 2) 绝对定位与相对定位 绝对定位 ：绝对定位是确定独立待定点在地球坐标系中的位置的定位方式。 相对定位 ：相对定位是确定同步跟踪相同 GPS 信号的若干台接收机之间的相对位置的一种方法。 由于采用同步观测，各个同步站获得信号的许多误差是相同的或大致相同的（如卫星时钟误差、星历误差、信号的大气传播误差等），可以消除或减弱这些误差，获得精确度相对高的相对位置。 3) 伪距法与载波相位法 伪距法 [Daly P. , 1993]：在使用伪距法定位时，接收机本机振荡产生于卫星发射信号相同的一组测距码（ P 码或 C/A 码），通过 延迟器与接收机收到的信号进行比较，当两组信号彼此完全重合（相关）时，测出的本机信号延迟量即为卫星信号的传输时间，加上一系列的改正后乘以光速，得出卫星与天线相位中心的斜距。 如果同时观测了四颗（或以上）卫星，即可以按距离交会法算出测站的位置和始终误差四个未知数。 伪距发的测量精度相对较低。 载波相位法 ：该方法是把载波作为测量信号，对载波进行量测，确定卫星 信号和接受机参考信号的相位差，推算出相位观测值。 然后采用和伪距法类似的原理，求出观测站的位置和时钟误差等。 相对于伪距法，载波相位 法拥有较高的测量精度。 GPS 的误差 由于 GPS 自身的特点，我们在使用 GPS 进行定位时，会受到多种因素的影响，这使得 GPS 定位存在误差。 关于 GPS 定位系统的误差，网络上已经存在详尽的分类与相关文献，本文此处不全部列出 [GPS 误差 , 2020]，以下列出的是一些 GPS 定位中相对难以解决的 部分 ： 1) SA 干扰误差 南京大学硕士学位论文 第二章 无线定位相关技术 10 SA 误差是美国军方为了限制非特许用户利用 GPS 进行高精度定位而采用的江都系统精度的政策，简称 SA 政策，它包括降低广播星历精度的 ε 技术和在卫星基本频率上附件随机抖动的 δ 技术。 实施 SA 技术后， SA 误差已经成为影响 GPS 定位误差的最 主要因素。 虽然美国在 2020 年 5 月 1 日取消了 SA， 但是战时如果必要 ，美国可能恢复或采用类似的干扰技术。 2) 电离层折射 在地球上空距地面 50 至 100Km 之间的电离层中，气体分子受到太阳等天体各种射线辐射产生强烈电离，形成大量的自由电子和正离子。 当 GPS信号通过电离层时，与其他电磁波一样，信号的路径要发生弯曲，传播速度也会发生变化，从而使测量的距离发生偏差。 在改正电离层折射方面已经拥有比较有效的方式，如利用同步观测值求方差等方法，但是完全消除误差还拥有较大困难。 3) 对流层折射 对流层的高度为 40Km 以下的大气底层， 其大气密度比电离层更大，大气状态也更复杂。 对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度随高度的增加而降低。 GPS 信号通过对流层时，传播路径也会发生弯曲，从而使测量距离产生偏差。 4) 接收机软件和硬件造成的误差 在进行 GPS 定位时，定位结果还收受到诸如处理与控制软件和硬件的影响。 改误差的大小取决于接收设备软硬件的具体实现，如果接收设备的软硬件平台不够理想，数据的误差将会对最终结果产生较大影响。 5) 无法进行室内定位 尽管 GPS 定位通过各种误差处理方式能够在很大程度上减小误差，但是由于 GPS 定位是基于太空中的卫星进行的 ，所有的定位均需要在卫星可见的视野中完成。 因此，假如物体处在室内等卫星不可见的区域中时， GPS 定位将无法发挥作用。 这时，就需要有其它无线定位技术进行精确定位。 本文将在 小节介绍可用于室内短距离精确定位的 UWB 无线定位技术。 南京大学硕士学位论文 第二章 无线定位相关技术 11 GPS 定位技术小结 GPS 技术现今已经得到了广泛的认可与应用，但是 GPS 技术并不是万能的，相反， GPS 定位拥有一些先天的盲区。 在进行定位时， GPS 系统完全依赖太空中的卫星提供信息，这就使得处于室内环境或者隐蔽环境下的物体难以得到准确定位。 另外，如前面小节中所说，GPS 系 统存在固有的测量误差，并且有一些是难以彻底解决的误差，这也使得GPS 定位技术在进一步提高自身定位精度的问题上存在较大的障碍，尤其是在室内的短距离精确定位系统的开发上， GPS 显得更加无法满足需求 [Tom, 1998]。 作为 GPS 技术的补充，本文将在以下小节介绍适用于室内的短距离精确定位的 UWB 无线技术。 UWB 无线定位 UWB 无线技术 UWB（ Ultra Wideband） 超带宽 无线通信 ，又称作超带宽无线技术， 是一种不用载波，而采用时间间隔极短 （ 小于 1ns） 的脉冲进行通信的通信技术，也称作脉冲无线电（ Impulse Radio）、时域（ Time Domain）或无载波（ Carrier Free）通信。 UWB 的历史 开始自 20 世纪 60 年代， 当时主要 研究 为 微波网络在面对时域脉冲所产生的瞬间行为。 在 Harmuth、 Ross、以及 Robbins 等 研究者 的努力下，UWB 技术在 70 年代有重大的发展， 主要集中在雷达系统方面 ， 具体 包括穿地雷达系统 等。 到了 1989 年， 美国国防部 首次将脉冲无线电（ Impulse Radio）更名为超带宽（ Ultra Wideband）。 自从 1994 年开始，美国 关于 UWB 的研发 工作 开始 在没有分类限制的状况下进行 ，这大幅增加了 UWB 的研发速度，同时也吸引了商业界对 UWB 应用的兴趣 [赛迪网 , 2020]。 2020 年 2 月，美国 联邦通信委员会（ FCC） 批准了 UWB 技术用于民用， UWB 的发展 由此进入了民用与商用阶段。 UWB 不使用载波，而是使用短的能量脉冲序列，并通过正交频分调制或直南京大学硕士学位论文 第二章 无线定位相关技术 12 接排序将脉冲扩展到一个频率范围内。 UWB 使用的电波带宽为数 GHz，与带宽20MHz 左右的无线 LAN 相比， UWB 利用的带宽高出数百倍。 与普通二进制移相键控 （ BPSK） 信号波形相比， UWB 方式占用带宽非常宽，且由于 频谱的功率密度极小，它具有通常扩频通信的特点。 功率谱密度比之扩频信号 （ 无线 LAN 低于 10mW/MHz） ， UWB 信号也低得多 （ 低于 10nW/MHz）。 在与其它系统共存时，不仅难产生干扰，而且还有抗其它系统干扰的优点。 而且由于脉冲的时间宽度极小，能把多路径分得更小，能实现 RAKE 接收 （ 汇集接收许多方向的电波 ）。 通信速度为数百 Mbit/s～ 1Gbit/s，与高速有线 LAN 旗鼓相当。 总得说来， UWB 具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势。 与普通二进制移相键控（ BPSK）信号波形相比， UWB 通信时并不利用余弦波进行载波调制 [UWB, 2020]，而是发送许多小于 1ns 的脉冲，由此带来的好处是 UWB 可占用带宽非常宽。 还由于 UWB 脉冲宽度在 ns 级别，脉冲覆盖的频谱可以从直流至 GHz，不需常规窄带调制所需的 RF 频率变换，脉冲成型后可直接送至天线发射。 因为 UWB 信号在时间轴上是稀疏分布的，其功率谱密度相当低， RF 因此可以同时发射多个 UWB 信号。 [王金龙等 , 2020]。 为进一步提高数据速率， UWB 应用超短基带丰富的 GHz 级频谱，采用安全信令方法 （ Intriguing Signaling Method）。 基于 UWB 的宽广频谱， FCC 在 2020年宣布 UWB 可用于精确测距，金属探测，新一代 WLAN 和无线通信。 为保护GPS，导航和军事通信频段， UWB 限制在 GHz 和低于 41dB 发射功率 [ENET, 2020]。 UWB 特点与 发展状况 UWB 的特点 具体来说， UWB 拥有以下 7 个特点： 1) 拥有宽带宽（系统容量大） [UWB, 2020] 从香农公式 C=Blog2(1+S/N。