移动定位的基本原理及技术研究

mousebill

广州金鹏集团有限公司 唐毅
中国地震局地震研究所 杨博雄

摘 要

　　移动定位是指通过移动终端和移动网络的配合来确定用户的实际位置信息，并通过相关的短信及语音信号来完成一系列位置信息服务。获取移动定位信息的定位方法及技术已经成为当前的研究热点。本文详细介绍移动定位的基本原理，并对移动定位的相关技术进行深入的研究与探讨。

　　关键词：移动定位；移动终端；gps；gsm；lsb

前言

　　利用移动终端（如手机、pda等）进行地理位置定位是近年来移动通信应用发展的新方向。移动定位服务是利用移动通信特有的定位功能，配合短消息等服务确定移动终端用户所在的地理位置(经纬度坐标数据)，从而提供用户所需的位置信息，并可根据用户的位置提供相关地理信息服务。如对当时道路车站、酒店、银行、商场等项目的位置进行查询。同时，可根据对所需对象的地点的条件选择，可实现从现有位置到目的地之间的最佳自驾路线及公交换乘方案。这给出门人及时准确把握方位，提高办事效率起到良好的向导作用。

　　随着移动定位服务的广泛应用，用户数量的不断增多，人们对于位置信息的需求不断扩大，获取移动定位信息的定位技术及其定位系统已经成为当前的研究热点。这些研究主要包括移动定位的基本原理和方法、移动定位的主要技术以及移动定位的支撑平台等方面。

移动定位的基本原理

　　移动定位的方法大致可以分为三种类型：基于三角关系和运算的定位、基于场景分析的定位和基于临近关系的定位。

1、基于三角关系和运算的定位

　　这种定位方法根据测量得出的数据，利用几何三角关系计算被测物体的位置，它是最主要的、也是应用最为广泛的一种定位技术。基于三角关系的定位技术可以细分为两种：基于距离测量的定位技术和基于角度测量的定位技术。

基于距离测量的定位

　　这种定位技术先要测量已知位置的参考点（ａ，ｂ，ｃ三点）与被测物体（ｏｂｊｅｃｔ）之间的距离（ｒａｄｉｕｓ１，ｒａｄｉｕｓ２，ｒａｄｉｕｓ３），然后利用三角知识计算被测物体的位置。一般来说，如果要计算被测物体的平面位置（即二维位置），那么需要测量三个非线性的距离数据；同理，如果要计算被测物体的立体位置（即三维位置），那么需要测量四个非线性的距离数据。在具体的应用环境下，需要测量的距离数据数目可能要少一些。例如，在ａｃｔｉｖｅ ｂａｔ ２定位系统中，参考点总是位于被测物体之上，所以只需要测量三个距离数据就可以确定ｂａｔ（被测物体）的三维位置。具体说来，距离测量的方法有三种：

①直接测量方法

　　这种方法通过物理动作和移动来测量参考点与被测物体之间的距离。例如，机器人移动自己的探针，直到触到障碍物，并把探针移动的距离作为自己与障碍物之间的一个距离参数。

②传播时间测量方法

　　在已知传播速度的情况下，无线电波传播的距离与它传播的时间成正比。这种测量方法需要注意的问题有如下几个：

·无线电波的传播特性

　　因为无线电波在传播的过程中可能会发生反射，而测量端无法区分直接到达的无线电波和经过反射到达的无线电波，所以容易造成测量的误差。一般的解决方法是多测几次，求出统计意义上的测量值。

·时钟精度

　　因为无线电波的传播速度很快，所以为了减小测量误差必须使用高精度的时钟。

·时钟同步

　　参与同一个定位过程的参考点之间必须保证时钟的同步，这样才能保证测量结果的正确性和精度。如果由被测物体自己进行测量，那么被测物体和参与同一个定位过程的参考点必须保证时钟的同步；如果采用测量往返时间的方法，那么只要测量端保证足够的时钟精度即可。

③无线电波能量衰减测量方法

　　已知发射电波的强度，在接收方测量收到的电波强度，以此估计出发射电波物体距离接收方之间的距离。例如，在理想的传播环境下，无线电波的衰减与１／ｒ２成正比（其中ｒ为传播距离）。实际上，无线电波在空间传播时能量的衰减是多种因素共同作用的结果，而不单单与传播距离有关。具体说来，在一个地形地物较为复杂的环境中，无线电波信号传播时的衰减会受到反射、折射、多径效应等多种因素的影响，所以这种利用能量衰减测量距离的方法不如传播时间测量方法精度高。

基于角度测量的定位

　　基于角度的定位方法与基于距离测量的定位方法在原理上是相似的，两者主要的不同在于前者测量的主要是角度，而后者测量的是距离。

一般来说，如果要计算被测物体的平面位置（即二维位置），那么需要测量两个角度和一个距离（虚线表示）。同理，如果要计算被测物体的立体位置（即三维位置），那么需要测量三个角度和一个距离。基于角度测量的定位技术需要使用方向性天线，如智能天线阵列。

２、基于场景分析的定位

　　这种定位方法对定位的特定环境进行抽象和形式化，用一些具体的、量化的参数描述定位环境中的各个位置，并用一个数据库把这些信息集成在一起。观察者根据待定位物体所在位置的特征查询数据库，并根据特定的匹配规则确定物体的位置。

　　由此可以看出，这种定位技术的核心是位置特征数据库和匹配规则，它本质上是一种模式识别方法。ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ的ｒａｄａｒ?３?定位系统就是一个典型的基于场景分析的定位系统。

３、基于临近关系的定位

　　基于临近关系进行定位的原理是：根据待定位物体与一个或多个已知位置的临近关系来定位。这种定位方法通常需要标识系统（ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ）的辅助，以唯一的标识来确定已知的各个位置。　　基于临近关系定位技术的应用非常广泛，除了ｃｅｌｌｉｄ以外，其他的例子还有ａｃｔｉｖｅ ｂａｄｇｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ４、ｘｅｒｏｘ ｐａｒｃｔａｂ ｓｙｓｔｅｍ ５、ｃａｒｎｅｇｉｅ ｍｅｌｌｏｎ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ａｎｄｒｅｗ等。
移动定位的主要方案

　　根据移动定位的基本原理，目前技术上实现移动定位的方案可以划分为三大类：基于移动网络的技术方案、基于移动终端的技术方案以及两者的结合方案。

1．基于网络的定位技术

　　起源蜂窝小区coo(cell of origin)定位技术

　　起源蜂窝小区定位技术是根据移动台所处的小区标识号id来确定用户的位置。移动台在当前小区注册后，在系统的数据库中就会有相对应的小区id号。只要系统能够把该小区基站设置的中心位置(在当地地图中的位置)和小区的覆盖半径广播给小区范围内的所有移动台，这些移动台就能知道自己处在什么地方，查询数据库即可获取位置信息。该定位方案的优点是无需对网络和手机进行修改，响应时间短。但它的定位精度取决于小区的半径。

　　抵达时间toa(time of arrival)定位技术

　　它是基于测量信号从移动台发送出去并到达消息测量单元(3个或更多基站)的时间来定位。移动台位于以基站为圆心、移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。通过多个基站进行计算，移动台的二维位置坐标可由3个圆的交点确定。但是，与下面要介绍的增强型观测时间差定位技术e-otd不同的是，它没有使用位置测量单元，因此，必须通过与在基站上安装了全球卫星定位系统(gps)或原子钟的无线网络之间的同步来实现。

　　角度到达aoa(arrival of angle)定位技术

　　该技术根据信号到达的角度，确定移动台相对于基站的角度关系，只要测量一个移动台距两个基站的信号到达角度，就可以确定出移动台的位置。信号到达角度测量需要定向天线，虽然理论上这种测量在基站和移动台都可以进行，但为了保证轻便性，并不适宜在移动终端上使用。角度到达定位技术是基于网络的定位方案，优点是可以在话音信道上工作，不需要高精度的系统定时。但缺点是需要复杂的天线，易出现定位盲点，实施成本较高。

　　抵达时间差异tdoa(time difference of arrival)定位技术

　　该定位技术是通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动台位置的，降低了对时间的同步要求。移动台定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上。确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，两条双曲线即为移动台的二维位置坐标。由于这种定位技术不要求移动台和基站之间的同步。因此在误差环境下性能相对优越，在蜂窝通信系统的定位技术中备受关注。它也是基于网络的定位方案，优点是精度较高，实现容易。缺点是为了保证定时精度，需要改造基站设备。

　　增强型观测时间差e-otd(enhanced-observed time difference)定位技术

　　该技术的实现原理是：手机对服务小区基站和周围几个基站进行测量，算出测量数据之间的时间差，并用此计算用户相对于基站的位置。增强型观测时间差定位技术是基于网络的定位方案，是目前使用最多的技术，也是欧洲电信标准化组织(etsi)建议使用的主要技术。

2．基于移动终端的定位技术

　　基于终端的定位技术主要指移动终端计算出自己所处的位置。这种技术主要有gps、a－gps（assisted gps）和e－otd（enhanced observed time difference）等几种。

gps

　　全球卫星定位系统gps是70年代初美国出于军事目的开发的卫星导航定位系统，该系统于80年代初投入使用。出于军事目的考虑，美国政府人为降低了民用gps的定位精度，称为sa（selective availability）政策，但此政策已于2000年5月取消，这样gps在天空晴朗时，可以获得5～40米的精度。

　　gps主要是利用几颗卫星的测量数据计算一个移动用户的位置，即经度、纬度和高度。原始数据可以由终端处理，也可以送到网络侧处理。gps可用于车辆导航和手持设备。

　　ps定位一般可采用四颗定位卫星，gps定位是基于到达时间（toa）机理。四个卫星定位，接收机的位置和时钟偏差表达式如下：

　　其中x1y1z1、x2y2z2、x3y3z3、x4y4z4为已知卫星p1、p2、p3、p4测量出的伪距，c为光速，dti为已知卫星时钟与gps时间偏差，dt为未知接收机与gps时间偏差。卫星的时钟偏差由接收机从卫星导频信息中取得。平方根项代表卫星与接收机之间距【2】。

　　对于gps接收机有四种主要功能：用伪距决定卫星与接收机之间距离；从卫星发出的信息中提取toa；求出卫星的星历数据（信号到达时），计算卫星的位置；确定接收机位置和接收机时钟偏差。

　　gps芯片生产厂家不断提高gps芯片的集成度，目前芯片已做到成本低、功率效率较高，只需一片就可以实现所有功能。

a-gps

　　采用gps直接对ms定位，首次定位可能需要10分钟左右的时间，因此对于像e911（110）这类业务，是不允许的。利用辅助gps作定位，传输一些辅助数据，这样可以大大缩小代码搜索窗口和频率搜索窗口，使得定位时间降至几秒钟。

　　a－gps是网络辅助gps，它使用固定位置gps接收机获得移动终端的补充信息数据，辅助数据使移动用户接收机不必译码实际消息就可以进行定时测量，固定gps接收机一般距离间隔为200公里～400公里，形成一个网络。

　　a－gps大大减少了移动用户gps接收机计算位置所需的时间。未利用辅助信息时，首次俘获目标（ttff：time－to－first－fix）需要20－45秒，采用辅助信息时，ttff降至1－8秒。

　　辅助数据可以每小时广播1次，因此，提供辅助数据对网络造成的影响很小。

e-tod

　　增强型观察时间差e－otd在终端上实现定位，仅需要使用软件计算。为了在idle模式（终端不处理呼叫）和专用模式（终端处理呼叫）下运行e－otd算法，终端必须有足够的处理能力和存储容量。

　　e－otd定位方法是手机根据服务小区基站和周围几个基站的测量数据，算出它们之间的时间差，时间差被用于计算用户相对于基站的位置。

　　与e－otd相关的基本量有三个：观察时间差otd、真实时间差rtd和地理位置时间差gtd。otd是ms观察到的两个不同位置bts信号的接收时间差；rtd是两个bts之间的系统时间差；gtd是两个bts到ms由于距离差而引起的传输时间差。

设d1为bts1与ms之间的距离，d2为bts2与ms之间的距离，则：

gtd=| d2－d1 | / v ，式中v为无线电波速度。

上述三个量之间关系为：otd=rtd+gtd

当基站都同步时，则rtd＝0。

　　在e－otd方法中，要取得正确结果，bts数目至少为三个，位于不同的地理位置，并且重要的一条是基站同步。同步基站最常用的方法是基站安装固定gps接收机。

　　e－otd的精度可达125米。与应用gps定位方法的区别是，e－otd定位不依赖于天气，而gps定位在天气晴朗时，效果良好。

3．混合定位技术

　　混合定位技术即利用移动终端定位功能与网络定位功能的结合。联合定位的典型代表是，辅助全球卫星定位系统a-gps(assistant global positioning system)定位技术。

　　a-gps与gps方案也需要在手机内增加gps接收机模块，并改造手机天线，但手机本身并不对位置信息进行计算，而是将gps的位置信息数据传给移动通信网络，由网络的定位服务器进行位置计算，同时移动网络按照gps的参考网络所产生的辅助数据，如差分校正数据、卫星运行状态等传递给手机，并从数据库中查出手机的近似位置传给手机。这时手机可以很快捕捉到gps信号，这样的首次捕获时间将大大减小，一般仅需几秒的时间。不需像gps的首次捕获时间可能要2～3分钟。而精度也仅为几米，高于gps的精度【3】。

结束语

　　目前移动定位技术还在不断的发展，在移动定位系统的定位精度和准确度、移动定位信息的获取和处理、移动定位应用等方面还在进行着研究和探索。我们相信，伴随着移动定位理论的成熟以及相关技术的不断完善，移动定位服务将越来越受到人们的青睐，越来越能满足人们的各种要求。[br]<p align=right><font color=red>+3 RD币</font></p>

wang1985

不错看了很有用啊