面向城市环境的低功耗、高精度GPS定位技术

发布时间：2018-02-28 17:38

本文关键词： GPS定位能耗模型室内外判别城市峡谷协同定位　出处：《中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：GPS定位逐渐渗透到人们日常生活的各种应用场景,如交通运输行业、室外定位导航、野生动物跟踪、运动健康记录等领域,并诞生了很多基于位置的服务。目前,基于GPS的定位技术已经被广泛应用到车辆、手机等终端设备上,提供便捷易用的定位服务。然而,国内外的研究工作表明,GPS定位在实际应用场景仍然有两个重大缺陷。首先,GPS定位过程涉及到大量的浮点运算,算法复杂度很高,导致GPS功耗极大。受到终端续航能力的限制,功耗问题仍然是GPS模块长期连续运行的一个重要约束。其次,在城市峡谷等复杂环境下,GPS信号受到多径干扰等影响,无法获取正确的卫星信息,产生了几十米甚至上百米的定位误差,不能满足各种应用的定位需求。针对当前GPS定位技术存在的问题,本文主要做了三个方面的工作:·GPS定位能耗模型与低功耗设计:这一项工作首先研究了GPS模块的通用综合能耗机理,通过对主流芯片的黑盒子解剖,针对射频前端、并行计算硬件、CPU能耗表征、关键任务分解和能耗因子分拆,建立了以核心计算单元为变量的能耗模型。这个模型涵盖了科研和商用系统的基本架构,为定位算法理论研究和能耗优化的系统实现提供桥梁。其次,在开源GPS接收机上,我们设计了各个软件过程的测试用例,运行真实轨迹数据,来确定能耗参数的取值。最后,在能耗模型的基础上,找到对定位功耗贡献最大的单元,提出了一种选择性跟踪算法。它通过定位上下文选择少数的优质卫星组合,减少同步卫星数,并降低定位能耗。实际道路实验表明,在牺牲少量定位精度时,定位功耗至少降低23.4%。·低功耗室内外情境感知:室内外检测为移动设备的环境感知提供了非常有用的提示。本文提出了一种新的室内外判别方法Sat Probe,建立了可见卫星数目与室内外状态的联系。Sat Probe设计了轻量级的卫星存在性判断算法,不需要通过大量的计算来获得最终的GPS位置,就可以快速判定可见卫星数目,实现超低功耗的室内外情境感知。实验表明,Sat Probe的检测精度高于前人的方法,在检测能效和检测时间上有超过一个数量级的性能提升。·城市峡谷中的高精度GPS定位:城市峡谷效应导致GPS定位精度受到严重影响。本文以共享单车为例,探讨如何用多个节点的协同工作,来克服城市峡谷效应。具体地说,本文设计了一个共享单车网络Bike Net,它将一些单车组织成一个单车网络,让路过的用户参与众包任务,打开手机上的无线电扫描器、加速度计和磁传感器,机会式地测量单车节点之间的距离和方向,得到单车网络的几何图形。然后,Bike Net将所有单车节点的卫星观测量都映射到一个种子节点。借助于高质量的、几何多样性的卫星观测量,种子节点能计算出精确位置,从而推算出网络其他节点的位置。我们在居民区和商业区分别展开实验测试。实验表明,与传统GPS和节点级协同定位相比,Bike Net的定位精度、适用范围和抗干扰能力都有了显著提高。
[Abstract]:GPS positioning technology has been widely used in many fields such as transportation industry , outdoor positioning navigation , wildlife tracking , sports health record and so on . In this paper , we have designed a shared single - car network , a single - car network , which can be used to measure the distance and direction between the single - car nodes . The experiment shows that the positioning accuracy , application range and anti - interference ability of the mobile phone are improved significantly compared with the traditional GPS and node - level cooperative positioning .

【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P228.4

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