移动定位的基本原理及技术研究

zhai05011

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。