基于基站的移動(dòng)臺定位

西安郵電學(xué)院 董安亮



　　摘要：



　　基于gpsOne技術(shù)的移動(dòng)臺定位技術(shù)已經(jīng)在C網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，而GSM手機(jī)定位方式通�？煞譃榛�于網(wǎng)絡(luò)方式和基于終端方式兩種。這里介紹的是一種基于基站的移動(dòng)臺定位技術(shù)。



　　關(guān)鍵詞：GPSgpsOne JVM J2ME 基于基站的定位



　　一、GPS系統(tǒng)簡介



　　1、GPS系統(tǒng)組成



　　GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系統(tǒng)，是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。系統(tǒng)由三部分組成：



　　空間部分——GPS衛(wèi)星星座



　　地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)



　　用戶設(shè)備部分——GPS信號接收機(jī)



　　空間部分——GPS衛(wèi)星星座



　　由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作（21+3）GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個(gè)軌道平面之間相距60度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度，軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)�恒星來說自轉(zhuǎn)一周時(shí)，它們繞地球運(yùn)行二周。對于地面觀測者來說，每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到11顆。在使用GPS信號導(dǎo)航定位時(shí)，為了計(jì)算待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須觀測4顆GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。



　　地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)



　　對于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一個(gè)動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。而衛(wèi)星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷（描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù)）計(jì)算得到的。每顆衛(wèi)星播發(fā)的星歷由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供，衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。其次，地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，即GPS時(shí)間系統(tǒng)。



　　設(shè)備部分——GPS信號接收機(jī)



　　GPS信號接收機(jī)能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，甚至三維速度和時(shí)間。



　　2、GPS系統(tǒng)定位原理



　　GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點(diǎn)的位置。







　　如圖所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測點(diǎn)上放置GPS接收機(jī)，可以測定GPS信號到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式：







　　四個(gè)方程式中各個(gè)參數(shù)意義如下：



　　x、y、z為待測點(diǎn)坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。



　　Vto為接收機(jī)的鐘差。



　　c為GPS信號的傳播速度，即光速。



　　di(i=1、2、3、4)為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機(jī)之間的距離。



　　△ti(i=1、2、3、4)為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到達(dá)接收機(jī)所經(jīng)歷的時(shí)間。



　　di=c△ti(i=1、2、3、4)



　　xi、yi、zi(i=1、2、3、4)為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)，由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。



　　Vti(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。



　　以上四個(gè)方程即可計(jì)算得到待測點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z和接收機(jī)的鐘差Vto。



　　二、手持設(shè)備中GPS應(yīng)用與發(fā)展趨勢



　　1、手持GPS專用定位系統(tǒng)



　　手持GPS定位系統(tǒng)，是專門為GPS定位設(shè)計(jì)的手持設(shè)備，滿足特殊需要的用戶在特定環(huán)境中使用。一般來說，精度較高，功能較強(qiáng)。不僅具備了GPS的功能，而且有向PDA方面的集成與發(fā)展。



　　2、基于gpsOne技術(shù)的GPS定位系統(tǒng)



　　聯(lián)通引入基于SnapTrack技術(shù)的gpsOne方案來解決移動(dòng)臺定位問題，它利用C網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢，借助MSC的計(jì)算能力，使用基站輔助定位的方式，將GPS定位時(shí)的一部分計(jì)算工作從移動(dòng)臺轉(zhuǎn)換到了MSC，再通過網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果（即移動(dòng)臺所處的經(jīng)緯度）傳遞給用戶。聯(lián)通gpsOne和A-GPS系統(tǒng)（GPS輔助系統(tǒng)）在眾多定位技術(shù)中獨(dú)樹一幟，它將GPS衛(wèi)星信號和來自基站的范圍信息結(jié)合起來確定手機(jī)或其它設(shè)備的位置，既使在建筑物內(nèi)部和高密度的城市樓群這樣的環(huán)境中也能大顯身手。如圖所示





　　基于此技術(shù)，中國聯(lián)通國脈通信大力發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈的第二環(huán)節(jié)，不斷完善GIS系統(tǒng)(地理信息系統(tǒng))，并推出基于BREW（無線二進(jìn)制運(yùn)行時(shí)環(huán)境）的“IGoGo”gpsOne定位應(yīng)用能提供“找我自己”、“路線查詢”、“地圖指向”、“城市信息”（例如查找餐館、商場等）“公交信息”等服務(wù)。



　　三、基于基站的移動(dòng)臺定位系統(tǒng)



　　GSM手機(jī)定位方式通常可以分為基于網(wǎng)絡(luò)方式和基于終端方式兩種。從技術(shù)方面又可分為到達(dá)時(shí)間（TOA）、增強(qiáng)測量時(shí)間差（E－OTD）和GPS輔助（A－GPS）三種方式。而這里介紹的是另一種不同于上述方式的基于基站的移動(dòng)臺定位技術(shù)。



　　1、手機(jī)工程模式



　　手機(jī)工程模式，顧名思義是指手機(jī)在工程測試狀態(tài)下的模式，它是為移動(dòng)基站負(fù)責(zé)維護(hù)系統(tǒng)的工程人員或手機(jī)工程師判斷各種通訊參數(shù)而設(shè)計(jì)的。依據(jù)在工程模式中的相關(guān)數(shù)值，工程師們就無須借助大型維護(hù)和控測設(shè)備，從而較為準(zhǔn)確地掌握基站情況。



　　通常狀態(tài)下，手機(jī)工程模式是隱藏的，對一般用戶來說是“透明”的。但是，有些手機(jī)用戶喜歡像手機(jī)工程師一樣，借助手機(jī)工程模式來研究手機(jī)基站位置、信號強(qiáng)弱、電池電壓等一些內(nèi)容。其實(shí)開啟工程模式不會對手機(jī)的使用有任何影響，但在工程模式中不當(dāng)?shù)牟僮鲃t會造成手機(jī)損壞。因此在工程模式開啟后，手機(jī)使用上同以前沒有什么太大區(qū)別，只是會出現(xiàn)許多以前沒有的菜單、選項(xiàng)而已。開啟手機(jī)工程模式的方法多種多樣，在這里就不具體介紹了。



　　下面以NOKIA手機(jī)工程模式為例，介紹幾項(xiàng)與本文相關(guān)的參數(shù)。



　　LAC-本地區(qū)域碼(LocationArea Code)



　　CID-基站編號（CellID）,與扇區(qū)編號(sector ID)一并列出



　　CH-頻道編號（Channel），GSM900的范圍是1-124，BC GSM1800的范圍是512～885



　　TA-時(shí)間前置量(Time Advance)，顯示手機(jī)和基站間距離。該數(shù)值乘以500可換算為米，不過因受電波反射吸收等影響，TA值僅供參考用，TA值范圍0～63



　　RxL-信號接收強(qiáng)度，單位：-dBm，范圍從-110～0



　　TxPwr-顯示通話中手機(jī)的功率發(fā)射強(qiáng)度(PowerLevel),顯示范圍0～19



　　2、基于基站的定位



　　基于基站的定位的原理：由于每個(gè)基站都有其唯一的CID，在手機(jī)每次開機(jī)入網(wǎng)時(shí)，工程模式中的信息被儲存在手機(jī)內(nèi)存的特定區(qū)域。通過基站定位，就是通過特定的程序得到工程模式中的CID等一些參數(shù)，并將CID與基站所在的地區(qū)相對應(yīng)最終實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺定位的目的。



　　這里所說的特定的程序，是在手機(jī)上運(yùn)行的JAVA程序，由于Java語言的重要特點(diǎn)是可以在任何操作系統(tǒng)中運(yùn)行。近些年來，出現(xiàn)了許多支持JAVA的手機(jī)，使得手機(jī)成為了一臺JVM（Java虛擬機(jī)）。通過J2ME（Java2PlatformMicro Edition（Java 2 平臺微型版））程序來得到手機(jī)內(nèi)存中的CID、LAC、CH、TA、RxL以及TxPwr。得到這些數(shù)據(jù)以后，還需要一個(gè)數(shù)據(jù)庫的支持。這個(gè)數(shù)據(jù)庫是CID、LAC與具體的基站位置間的對應(yīng)，通過CID、LAC可以在這個(gè)數(shù)據(jù)庫中查處相應(yīng)的基站位置。



　　此時(shí)，基站位置就確定了，但距離實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺的定位還有一定的差距。此時(shí)，需要使用CH、TA、RxL、TxPwr這些值作為參數(shù)。通過TA可以換算得到移動(dòng)臺距離基站的距離；對于使用定向天線的基站來說，可以通過CH來確定移動(dòng)臺目前所處的扇區(qū)；而RxL、TxPwr作為輔助數(shù)據(jù)，對具體位置做修訂。具體見下圖。







　　距離L=TA*500+RxL*A+TxPwr*B



　　（其中A為射頻信號衰減系數(shù)；B為發(fā)射功率衰減系數(shù)）



　　這樣一來，就將移動(dòng)臺定位在某一基站某一扇區(qū)，而且移動(dòng)臺與基站的距離也粗略的計(jì)算出來了。由此，就可得到移動(dòng)臺所處的軌跡，即圖中藍(lán)線所示。如果將上圖在城市地圖上標(biāo)明，很容易得到移動(dòng)臺所處的位置。如下圖所示







　　目前，類似這樣定位思路的java程序已經(jīng)出現(xiàn)，并在手機(jī)使用中得到實(shí)際應(yīng)用。下面以Siemens6688i手機(jī)為例作簡單介紹。







　　左圖，是名為konGPS的java程序，能讀出CID和LAC（即Cell）,并將其和內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行比較如果有當(dāng)前基站信息，則顯示基站位置；右圖，是名為GPS6688的java程序，它在konGPS的基礎(chǔ)上引入了地圖，可以將基站位置在地圖的相應(yīng)像素點(diǎn)上標(biāo)出。雖然這兩個(gè)程序與上述思想還有稍許差距，但可以明確的看出，這種定位思路是完全可取的，而且以此定位思路的java程序的編制也并不困難。目前，由于沒有運(yùn)營商的支持，類似這樣的java程序在位置數(shù)據(jù)采集上都是采用手動(dòng)添加方式，沒有與CID、LAC對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)庫的支持，但一旦數(shù)據(jù)庫建立，它們將發(fā)揮更大的作用。



　　四、幾種GPS定位形式的比較



　　從定位精度上而言，手持GPS專用定位系統(tǒng)精度最高，基于gpsOne技術(shù)的GPS定位系統(tǒng)次之，而本文介紹的基于基站的移動(dòng)臺定位系統(tǒng)最差。前兩者均可得到待測點(diǎn)的具體經(jīng)緯度坐標(biāo)，而基于基站的移動(dòng)臺定位系統(tǒng)僅能得到待測點(diǎn)的大體位置，與前兩者根本不在一個(gè)檔次。但考慮到目前我國GSM網(wǎng)絡(luò)基站密度較高，在成都等省會城市或廈門等沿海城市的主城區(qū)，平均每250米就有一個(gè)GSM基站；在廣州和上海等大城市的主城區(qū)，GSM基站密度甚至到達(dá)150~200米左右，所以基于基站的移動(dòng)臺定位系統(tǒng)的精度在大部分城區(qū)可以達(dá)到100米至150米左右。這樣級別的精度，對部分商業(yè)定位應(yīng)用來說是足夠了。



　　目前最重要的不是定位的精度，而是GIS(地理信息系統(tǒng))的建立，這是產(chǎn)業(yè)鏈的第二環(huán)節(jié)，即移動(dòng)臺附近的餐館、影院、商場等設(shè)施的信息。而且一般用戶所關(guān)心也只是定位系統(tǒng)能給自己帶來那些生活、學(xué)習(xí)、工作中的便捷，完全是處在使用者的角度來看待這一事物。所以，從性價(jià)比方面而言，基于基站的移動(dòng)臺定位系統(tǒng)在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上基本不需要增加額外的投入就可比較滿意的達(dá)到定位的效果。



　　五、結(jié)束語



　　移動(dòng)臺的定位技術(shù)，在實(shí)際使用中是較為底層的技術(shù)支持。而為手機(jī)用戶與運(yùn)營商看中的，是建立在移動(dòng)臺定位技術(shù)上的新的服務(wù)，即產(chǎn)業(yè)鏈的形成。它不僅方便了手機(jī)用戶的使用，對運(yùn)營商在市場戰(zhàn)中的表現(xiàn)也提供了強(qiáng)有力的支持。





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