英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

高效节能GPS遥感与云卸载

抽象-Location是用于移动计算的基本服务。典型的GPS接收机，尽管广泛使用的用于导航目的，可能会消耗过多的能量被用于许多应用。观察到在许多感测方案中，该位置信息可以被后处理时的数据被上传到服务器中，我们设计了一个云卸载的GPS（CO-GPS）解决方案，允许一个感测装置，以积极占空比它的GPS接收机和日志刚好够原始的GPS信号进行后处理。利用公开的信息，如GNSS卫星星历和地球海拔数据库，云服务，还可以根据原始数据的几毫秒好品质的GPS位置。使用我们称为CLEON便携式检测装置平台的设计，我们评估解决方案的准确性和效率。相比于在独立GPS接收器称重信号处理超过30秒，就可以达到每个位置标注幅度降低能耗三个数量级。

关键词-Location，辅助GPS，云卸载，粗时间导航

✦

1个I导论

本地化是在流动性的基本服务。在户外应用如野生动物跟踪[22]，[20]，参与环境感测[15]，以及个人健康和保健应用中，GPS是最COM的周一位置传感器。GPS接收，虽然成为成本越来越普遍和下部，是处理 - 密集和耗能。

采取的ZebraNet传感器节点[22]，例如，平均而言，一个GPS位置定位需要在462mW的功耗，其中占主导地位的能源预算打开GPS芯片上的时间超过25秒。其结果是，该单元装备有一个540克的太阳能电池阵列和287克2A-h的锂离子电池，以支持一个GPS位置读取每3分钟。发电和存储占所述传感器单元的1151克的总重量的70％以上。类似地，在可佩戴消费设备如健身跟踪器，从GPS接收器的高能耗意味着笨重设备以及低电池寿命。

正如我们将在第2部分详细描述，有GPS接收器的高能耗后面两个主要的原因：1）的时间和卫星的轨道信息（星历表称为）在数据从卫星发送

吉·利，博地·普里亚莎，特德·哈特和尤茨·吉与微软研究院，一个Microsoft方式雷德蒙，WA 98052。

电子邮件：liuj，bodhip，tedhar，yuzjin @ microsoft.com

bull;

{ }

伍瑟克·李和维贾伊·拉纳森与普渡大学。电子邮件：lee992，VR @ purdue.edu

{ }

bull;

海特·S·拉莫斯与联邦大学阿拉戈斯，巴西。电子邮件：ramosh@outlook.com

bull;

坎·沃是技术，中国的哈尔滨工业大学。电子邮件：wangqiang@hit.edu.cn

bull;

利率低50个基点。一个独立的GPS接收器必须接通达30秒，以接收来自卫星的完整的数据包，用于计算其位置。即使在辅助GPS，其中星历通过单独的信道发送到设备，接收器需要大约6秒钟以解码时间戳。2）信号处理的捕获和跟踪卫星，所需的量相当大，由于弱信号强度的和未知的多普勒频率偏移。例如，在国家的最先进的GPS接收机如U Blox的最大-7，采集状态消耗60mW的和可以取平均5秒，得到所述第一定位。为了节省花费在卫星捕捉的能量，一些GPS接收器具有低功耗跟踪方式来跟踪的卫星信息。在MAX-7的情况下，低功率跟踪模式消耗比12MW更多个连续。

1. 卫星移动高速。当GPS芯片完全关闭超过几分钟，前面的代码相位和多普勒信息不再有用，并且设备必须花费大量的精力去重新获取卫星。4）后处理和最小二乘计算需要强大的CPU。

在本文中，我们解决能源CON组sumption的问题在GPS通过拆分GPS位置感测到设备部分和云部分接收。我们采取的一些主要意见的优势。

• • 许多移动传感应用是对延迟宽容。代替确定在每个数据样本被收集时的位置，我们就可以的COM普特离线的位置的数据被上传到服务器之后。这是大多数独立的GPS设备是专为分路段导航的情况完全不同。好处是更

显著如果数据上传能量分摊在许多数据样本。

• • • 大部分来计算GPS接收机的位置所需要的信息，请在线。对于前充足，美国航空航天局通过其网站公布服务卫星星历，所以设备没有留在足够长的时间给他们从当地的卫星信号进行解码。该设备必须提供的信息仅仅是时间的粗略概念，该组可见卫星，并且从每个可见卫星的“码相”信息，如我们在第2节说明。
    • 码相位可以从卫星信号的任何毫秒来导出。如果我们可以得到的位置与 - 出从卫星解码的任何数据，也就是占空比显著机会接收器。
    • 相比于在处理功率和能量消耗的限制，存储相对便宜穿上传感器设备，所以我们可以自由地存储原始GPS中频（IF）带传感器的数据信号一起。例如，在4MHz的IF，采样在4KB原始数据2位的分辨率和16MHz的速率结果的一毫秒的信号。由于本地和云处理之间的分裂，该设备只需要在一个时间几毫秒运行，以收集足够的GPS IF信号，并用粗糙的时间戳标记它们。然后，云服务可以处理的信号脱线，利用其更大的处理能力，在线星历，和地理信息的歧义的信号，并确定所述接收器的位置。我们把这种方法称为云卸载的GPS

（CO-GPS）。

该CO-GPS思想是建立在[21]称为粗粒时间导航（CTN）GPS接收方法的顶部。虽然用于快速估计第一卤味阳离子锁（如测量时间首次定位，或TTFF）CTN，我们是第一个阐明和量化的节能减排效益。此外，我们想方设法放宽知道一个参考位置是接近真实的位置，并保持同步于卫星时钟实时时钟的条件。其结果是，CO- GPS接收机可以具有用于长期运行的跟踪应用的极短的工作周期。

本文扩展[10]通过研究由于弱信号强度和短的信号长度的方法来重新移动卫星检测离群值，这是更可能是假阳性。其结果是，经过我们实际1500个GPS踪迹经验EVAL-uation，中间位置误差降到由30mu;m至12m，和样品的85％以上具有小于30m错误。此外，我们取出在相对耗能基于WWVB-时间同步的依赖，并利用时间标记分辨从GPS信号本身到在数据轨迹逐渐时间戳样品。一个节点只需要时间在其部署的开始同步一次。

我们建立了一个传感器节点，称为CLEON，基于使用GPS接收前端芯片MAX2769和MSP430微控制器CO-GPS原理。我们也

构建和部署在Windows Azure上CO-GPS定位解决网络丝氨酸副。通过绩效measure-发言：，我们表明，它可能只需0.4mJ收集足够的数据来计算GPS位置，相对于1J的基于GPS手机或300mJ对了u-blox马克斯 - 7 GPS模块检测的顺序换句话说，有一对AA电池（2AH），CLEON可以西奥retically维持连续GPS日志记录（以1秒/样品的粒度）。5年。

至 使本文自成体系，如下文的其余部分安排。在第2节，我们首先给出了一个典型的GPS接收器进程如何satel-精简版信号的概述，为了激励我们的解决方案。第三节描述CO-GPS的原理。在第4节，我们解散坏话的云端服务的实施。我们评估CO-GPS和使用真实GPS迹线部分5最后，第6呈现的CLEON传感器节点的设计和评估其能源消耗的GPS接收其参数的性能。

1. COARSE-T我 ntilde;AVIGATION

GPS接收器通过测量到多个GNSS卫星（也称为空间飞行器，或简称SV）上从所述接收器的距离来计算其位置。最终，它需要推断出三条信息：

• • 一组可视状态变量及其当前轨迹。目前的轨迹参数，称为星历表，从每30秒的卫星发送。
  • 精确的时间T，当GPS信号离开卫星。
  • 从接收器到每个SV在时间的距离

Ť ，通常被称为伪距。

通常情况下， 这些都是通过处理从卫星发送的信号和数据包获得的。有了它们，一重ceiver可以使用最小二乘（LS）最小化来估计其位置。由于篇幅限制，我们不会给GPS或辅助GPS（A-GPS）接收的细节。有兴趣的读者可以参考[8]。我们将直接描述粗时间导航原理底层CO-GPS。像独立的GPS接收机，与CTN采集过程，其中所接收的卫星信号与已知的1023位相关启动GPS Gold码（又名粗/捕获码，一个用于每个卫星）。AC / A码重复每毫秒。因为卫星和接收器之间的相对运动的，所接收的信号将具有从所述发送频率的多普勒频移（L1 = 1.575GHZ）。因此，接收器具有两个多普勒和码相位维度进行搜索，找到相关峰值。码相位是接收机开始处理的样品的时间之间的持续时间

一个C的开始/那个样品中的代码。

在光的速度，它需要约50至80毫秒对于GPS信号从卫星到接收机传播。让T0是一个C的第一比特/ A码离开卫星，和Tr是所述接收器接收相同的位的时间的时间。然后，传播延迟Tr的T0有两个部分，充分毫秒（NMS）的数量，并且

-

亚毫秒部分，这正是码相位。传播延迟的全部毫秒部分通常由从卫星数据包1.由于卫星中的时间标记被同步到纳秒级解码的时间戳计算出的，计算GPS位置的这种方法也被称为精确时精确时刻的导航。精确的时间标记也精确地定义，其中卫星是当信号离开他们。

CTN不需要设备以获得准确的卫星时间标记，从而节省了卫星解码分组的时间和精力。取而代之的是，该方法使用的估计时间标记，例如从设备的本地时钟。该估计时间标记，并在检测到的信号的码相位是唯一输入来估计方法。这导致了两个挑战：1）确定的传播延迟的全部毫秒部分，和2）计算在该信号离开卫星的时间的精确卫星位置。

第一个挑战可以通过了解附近的位置（称为参考位置），这是接收器附近来克服。由于光速在约300公里/ MS，假设在0o仰角的一个极端的情况下，从接收器位置150公里距离内的点具有相同的完整毫秒的延迟（与可以通过捕捉到最接近的整数来解决可能的整数侧翻[21]）。这可能是容易实现与移动电话，它是天然的和方便的使用蜂窝塔位置作为地标[18]。小区塔通常包括大于10km以下的半径。然而，对于EM-层状传感器没有蜂窝连接，确定初始位置的猜测是不明显。

至 解决第二个挑战，粗时间差错（e）可以被添加到位置计算等式（称为导航方程或观测方程）。假设粗时间误差小，附近采集时间的卫星轨迹可以线性如果我们知道卫星速度近似。更正式地，让Tr的是粗时间戳，S是一个获取的卫星，（XS，YS，ZS）是在Tr的卫星位置，（US，VS，WS）是卫星速度在Tr的对应方向，（ⅹ ，Y，Z）是要计算的未知接收器位置，b 是共同的时间偏置，PS是伪范围（估计的传播延迟），和c是光的，那么我们可以写为每个采集关系的一个方程的速度：

radic;

（X小号 uuml;小号Euml; - X）2 （yuml;小号 v小号Euml; - yuml;）2 （ž小号 w ^小号Euml; - ž）2

=（p小号 b）C （1）

其中x，y，Z，B，E是未知数，其余通过测量或解码公知的。因此，要应用CTN，至少5颗卫星必须获得，而相比之下，普通GPS，它只有4个未知数X，Y，Z，B，因此需要4颗取得卫星。

一个主要的原因是CTN是设计高能效的GPS解决方案的吸引力是，卫星

1. 时间 邮票从每6秒的卫星发送。

星历是由GPS监控organiza-蒸发散出版。例如，NASA JPL以15个分钟的间隔发布卫星失水和灰，速度和时钟校正数据。通过内插这些数据点，可以非常接近公式1所有的常量的精度高，所以接收机不需要任何数据从卫星信号进行解码。

1. CO-GPSeth;ESIGN

云卸载的GPS（CO-GPS）的设计利用CTN原则，但消除了对附近的地标依赖。对于没有被预期具有高流动性在其一生cellu- LAR连接嵌入式传感器，它并不总是能够提供附近的地标。我们的核心思想是利用COM的puting资源在云中生成多个候选地标，然后用其他地域的限制，以过滤掉错误的解决方案。

在本节中，我们假设该设备合理地与全球时钟同步。稍后我们将放宽这个条件。当设备需要感知它的位置，它只是打开接收前端的GPS并记录GPS信号的几毫秒2.我们的目标是使接收机的位置离线从短期信号和粗时间戳仅仅获得。

影位置

没有参考 - erence里程碑推导接收器位置的挑战是可能的异常值，我们称之为阴影的位置。图1显示了利用两颗卫星的这种担忧。在这里，我们除了每个SV伪距模型化为一组的波，各1光毫秒。显然，这些波相交于多个位置。因为我们不知道的传播延迟，所有的路口，A，B，C，D，确切的毫秒部分......是可行的solu-蒸发散，即使其中只有一个是正确的失水重刑。当更多的卫星是可见的，更多的约束被添加到三角测量，这有助于解决歧义。然而，卫星的数量较多是不够的。

至 经验说明这一点，我们需要1ms的原始GPS跟踪，并与全球各地的地标数组适用CTN。有鉴于6颗卫星。地标是通过将经度和纬度与世界各地的一1O的分辨率生成。换句话说，我们挑选180 360

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[141335]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word