移動定位的基本原理及技術(shù)研究(下)

廣州金鵬集團(tuán)有限公司 唐毅

中國地震局地震研究所 楊博雄



移動定位的主要方案



　　根據(jù)移動定位的基本原理，目前技術(shù)上實現(xiàn)移動定位的方案可以劃分為三大類：基于移動網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)方案、基于移動終端的技術(shù)方案以及兩者的結(jié)合方案。



1．基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)



　　起源蜂窩小區(qū)COO(Cell Of Origin)定位技術(shù)



　　起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)是根據(jù)移動臺所處的小區(qū)標(biāo)識號ID來確定用戶的位置。移動臺在當(dāng)前小區(qū)注冊后，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中就會有相對應(yīng)的小區(qū)ID號。只要系統(tǒng)能夠把該小區(qū)基站設(shè)置的中心位置(在當(dāng)?shù)氐貓D中的位置)和小區(qū)的覆蓋半徑廣播給小區(qū)范圍內(nèi)的所有移動臺，這些移動臺就能知道自己處在什么地方，查詢數(shù)據(jù)庫即可獲取位置信息。該定位方案的優(yōu)點是無需對網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)進(jìn)行修改，響應(yīng)時間短。但它的定位精度取決于小區(qū)的半徑。



　　抵達(dá)時間TOA(Time Of Arrival)定位技術(shù)



　　它是基于測量信號從移動臺發(fā)送出去并到達(dá)消息測量單元(3個或更多基站)的時間來定位。移動臺位于以基站為圓心、移動臺到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。通過多個基站進(jìn)行計算，移動臺的二維位置坐標(biāo)可由3個圓的交點確定。但是，與下面要介紹的增強(qiáng)型觀測時間差定位技術(shù)E-OTD不同的是，它沒有使用位置測量單元，因此，必須通過與在基站上安裝了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)或原子鐘的無線網(wǎng)絡(luò)之間的同步來實現(xiàn)。



　　角度到達(dá)AOA(Arrival Of Angle)定位技術(shù)



　　該技術(shù)根據(jù)信號到達(dá)的角度，確定移動臺相對于基站的角度關(guān)系，只要測量一個移動臺距兩個基站的信號到達(dá)角度，就可以確定出移動臺的位置。信號到達(dá)角度測量需要定向天線，雖然理論上這種測量在基站和移動臺都可以進(jìn)行，但為了保證輕便性，并不適宜在移動終端上使用。角度到達(dá)定位技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，優(yōu)點是可以在話音信道上工作，不需要高精度的系統(tǒng)定時。但缺點是需要復(fù)雜的天線，易出現(xiàn)定位盲點，實施成本較高。



　　抵達(dá)時間差異TDOA(Time Difference Of Arrival)定位技術(shù)



　　該定位技術(shù)是通過檢測信號到達(dá)兩個基站的時間差，而不是到達(dá)的絕對時間來確定移動臺位置的，降低了對時間的同步要求。移動臺定位于以兩個基站為焦點的雙曲線方程上。確定移動臺的二維位置坐標(biāo)需要建立兩個以上雙曲線方程，兩條雙曲線即為移動臺的二維位置坐標(biāo)。由于這種定位技術(shù)不要求移動臺和基站之間的同步。因此在誤差環(huán)境下性能相對優(yōu)越，在蜂窩通信系統(tǒng)的定位技術(shù)中備受關(guān)注。它也是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，優(yōu)點是精度較高，實現(xiàn)容易。缺點是為了保證定時精度，需要改造基站設(shè)備。


　　增強(qiáng)型觀測時間差E-OTD(Enhanced-Observed Time Difference)定位技術(shù)



　　該技術(shù)的實現(xiàn)原理是：手機(jī)對服務(wù)小區(qū)基站和周圍幾個基站進(jìn)行測量，算出測量數(shù)據(jù)之間的時間差，并用此計算用戶相對于基站的位置。增強(qiáng)型觀測時間差定位技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，是目前使用最多的技術(shù)，也是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織(ETSI)建議使用的主要技術(shù)。



2．基于移動終端的定位技術(shù)



　　基于終端的定位技術(shù)主要指移動終端計算出自己所處的位置。這種技術(shù)主要有GPS、A－GPS（Assisted GPS）和E－OTD（Enhanced Observed Time Difference）等幾種。



GPS



　　全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是70年代初美國出于軍事目的開發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)于80年代初投入使用。出于軍事目的考慮，美國政府人為降低了民用GPS的定位精度，稱為SA（Selective Availability）政策，但此政策已于2000年5月取消，這樣GPS在天空晴朗時，可以獲得5～40米的精度。


　　GPS主要是利用幾顆衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)計算一個移動用戶的位置，即經(jīng)度、緯度和高度。原始數(shù)據(jù)可以由終端處理，也可以送到網(wǎng)絡(luò)側(cè)處理。GPS可用于車輛導(dǎo)航和手持設(shè)備。


　　PS定位一般可采用四顆定位衛(wèi)星，GPS定位是基于到達(dá)時間（TOA）機(jī)理。四個衛(wèi)星定位，接收機(jī)的位置和時鐘偏差表達(dá)式如下：



　　其中X1Y1Z1、X2Y2Z2、X3Y3Z3、X4Y4Z4為已知衛(wèi)星P1、P2、P3、P4測量出的偽距，C為光速，dti為已知衛(wèi)星時鐘與GPS時間偏差，dt為未知接收機(jī)與GPS時間偏差。衛(wèi)星的時鐘偏差由接收機(jī)從衛(wèi)星導(dǎo)頻信息中取得。平方根項代表衛(wèi)星與接收機(jī)之間距【2】。



　　對于GPS接收機(jī)有四種主要功能：用偽距決定衛(wèi)星與接收機(jī)之間距離；從衛(wèi)星發(fā)出的信息中提取TOA；求出衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)（信號到達(dá)時），計算衛(wèi)星的位置；確定接收機(jī)位置和接收機(jī)時鐘偏差。



　　GPS芯片生產(chǎn)廠家不斷提高GPS芯片的集成度，目前芯片已做到成本低、功率效率較高，只需一片就可以實現(xiàn)所有功能。



A-GPS



　　采用GPS直接對MS定位，首次定位可能需要10分鐘左右的時間，因此對于像E911（110）這類業(yè)務(wù)，是不允許的。利用輔助GPS作定位，傳輸一些輔助數(shù)據(jù)，這樣可以大大縮小代碼搜索窗口和頻率搜索窗口，使得定位時間降至幾秒鐘。



　　A－GPS是網(wǎng)絡(luò)輔助GPS，它使用固定位置GPS接收機(jī)獲得移動終端的補充信息數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)使移動用戶接收機(jī)不必譯碼實際消息就可以進(jìn)行定時測量，固定GPS接收機(jī)一般距離間隔為200公里～400公里，形成一個網(wǎng)絡(luò)。


　　A－GPS大大減少了移動用戶GPS接收機(jī)計算位置所需的時間。未利用輔助信息時，首次俘獲目標(biāo)（TTFF：Time－to－First－Fix）需要20－45秒，采用輔助信息時，TTFF降至1－8秒。



　　輔助數(shù)據(jù)可以每小時廣播1次，因此，提供輔助數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)造成的影響很小。



E-TOD



　　增強(qiáng)型觀察時間差E－OTD在終端上實現(xiàn)定位，僅需要使用軟件計算。為了在IDLE模式（終端不處理呼叫）和專用模式（終端處理呼叫）下運行E－OTD算法，終端必須有足夠的處理能力和存儲容量。



　　E－OTD定位方法是手機(jī)根據(jù)服務(wù)小區(qū)基站和周圍幾個基站的測量數(shù)據(jù)，算出它們之間的時間差，時間差被用于計算用戶相對于基站的位置。



　　與E－OTD相關(guān)的基本量有三個：觀察時間差OTD、真實時間差RTD和地理位置時間差GTD。OTD是MS觀察到的兩個不同位置BTS信號的接收時間差；RTD是兩個BTS之間的系統(tǒng)時間差；GTD是兩個BTS到MS由于距離差而引起的傳輸時間差。



設(shè)d1為BTS1與MS之間的距離，d2為BTS2與MS之間的距離，則：



GTD=| d2－d1 | / v ，式中v為無線電波速度。



上述三個量之間關(guān)系為：OTD=RTD+GTD



當(dāng)基站都同步時，則RTD＝0。



　　在E－OTD方法中，要取得正確結(jié)果，BTS數(shù)目至少為三個，位于不同的地理位置，并且重要的一條是基站同步。同步基站最常用的方法是基站安裝固定GPS接收機(jī)。



　　E－OTD的精度可達(dá)125米。與應(yīng)用GPS定位方法的區(qū)別是，E－OTD定位不依賴于天氣，而GPS定位在天氣晴朗時，效果良好。



3．混合定位技術(shù)



　　混合定位技術(shù)即利用移動終端定位功能與網(wǎng)絡(luò)定位功能的結(jié)合。聯(lián)合定位的典型代表是，輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)A-GPS(Assistant Global Positioning System)定位技術(shù)。



　　A-GPS與GPS方案也需要在手機(jī)內(nèi)增加GPS接收機(jī)模塊，并改造手機(jī)天線，但手機(jī)本身并不對位置信息進(jìn)行計算，而是將GPS的位置信息數(shù)據(jù)傳給移動通信網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)的定位服務(wù)器進(jìn)行位置計算，同時移動網(wǎng)絡(luò)按照GPS的參考網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的輔助數(shù)據(jù)，如差分校正數(shù)據(jù)、衛(wèi)星運行狀態(tài)等傳遞給手機(jī)，并從數(shù)據(jù)庫中查出手機(jī)的近似位置傳給手機(jī)。這時手機(jī)可以很快捕捉到GPS信號，這樣的首次捕獲時間將大大減小，一般僅需幾秒的時間。不需像GPS的首次捕獲時間可能要2～3分鐘。而精度也僅為幾米，高于GPS的精度【3】。



結(jié)束語



　　目前移動定位技術(shù)還在不斷的發(fā)展，在移動定位系統(tǒng)的定位精度和準(zhǔn)確度、移動定位信息的獲取和處理、移動定位應(yīng)用等方面還在進(jìn)行著研究和探索。我們相信，伴隨著移動定位理論的成熟以及相關(guān)技術(shù)的不斷完善，移動定位服務(wù)將越來越受到人們的青睞，越來越能滿足人們的各種要求。




摘自　通信市場