长距离移动定位技术与室内定位技术

长距离移动定位技术与室内定位技术美国联邦通信委员会(FCC)于1996年下达指示要求移动运营商为移动电话用户提供E-911(紧急救援)服务，这就要求对所有移动电话用户实现定位功能，同时，FCC又于1999年对定位精度做出新的要求。 FCC的这些举措大大促进了关于定位技术及其服务业务研究的发展，很多国家开始致力于研究商用定位技术并推出了各具特色的商用定位服务。近几年，全球移动用户的数量迅猛发展，为商用位置服务提供了极其诱人的市场前景。相关的位置服务业务可包括：紧急求救电话服务、物流管理、商业求助电话服务、个人问询服务、车辆导航服务、特定跟踪服务等等。 1、移动定位技术 移动定位技术是利用无线移动通信网络，通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量，根据特定的算法对某一移动终端或个人在某一时间所处的地理位置进行精确测定，以便为移动终端用户提供相关的位置信息服务，或进行实时的监测和跟踪。根据移动定位的基本原理，移动定位大致可分为两类：基于移动网络的定位技术和基于移动终端的定位技术，还有的把这两者的混合定位作为第三种定位技术。 1.1 基于移动网络的定位技术 基于Cell-ID的定位技术：该技术又称起源蜂窝小区(CellOfOrigin)定位技术。每个小区都有自己特定的小区标识号(Cell-ID)，当进入某一小区时，移动终端要在当前小区进行注册，系统的数据中就会有相应的小区ID标识。系统根据采集到的移动终端所处小区的标识号来确定移动终端用户的位置。这种定位技术在小区密集的地区精度较高且易于实现，无需对现有网络和手机做较大的改动，得到广泛的应用。 到达时间TOA(TimeOfArrival)定位技术：移动终端发射测量信号到达3个以上的基站，通过测量到达所用的时间(须保证时间同步)，并施以特定算法的计算，实现对移动终端的定位。在该算法中，移动终端位于以基站为圆心，移动终端和基站之间的电波传输距离为半径的圆上，三个圆的交点即为移动终端所在的位置。 到达时间差TDOA(TimeDifference0fArrival)定位技术：移动终端对基站进行监听并测量出信号到达两个基站的时间差，每两个基站得到一个测量值，形成一个双曲线定位区，这样，三个基站得到2个双曲线定位区，求解出它们的交结点并施以附加条件就可以得到移动终端的确切位置。由于所测量为时间差而非绝对时间，不必满足时间同步的要求，所以TDOA备受关注。 增强型观测时间差E-OTD(Enhanced-ObservedTimeDifference)定位技术：在无线网络中放置若干位置接收器或参考点作为位置测量单元LMU，参考点都有一个精确的定时源，当具有E-OTD功能的手机和LMU接收到3个以上的基站信号时，每个基站信号到达两者的时间差将被算出来，从而估算出手机所处的位置。这项定位技术定位精度较高但硬件实现也复杂。 角度达到AOA(ArrivalofAngle)定位技术：这种定位技术的首要条件是基站需装设阵列智能天线。通过这种天线测出基站与发送信号的移动终端之间的角度，进一步确定两者之间的连线，这样移动终端与两个基站可得到两条连线，其交点即为待测移动终端的位置。该定位技术的缺点是所需智能天线要求较高，且有定位盲点。 1.2 基于移动终端的定位技术 该定位技术的原理是：多个已知位置的基站发射信号，所发射信号携带有与基站位置有关的特征信息，当移动终端接收到这些信号后，确定其与各基站之间的几何位置关系，并根据相关算法对其自身位置进行定位估算，从而得到自身的位置信息。具有较高的定位精度。但其致命的缺陷是需要手机参与定位参数的测量并进行坐标位置的计算，必须对手机和网络的软硬件加以改造或升级，目前倾向的做法是在手机内集成GPS接收机，加大了手机的能耗，而且从商用角度来看很难做到大面积的推广和使用。 目前已提出的基于移动终端的定位技术主要包括：下行链路观测到达时间差(OTDOA)方法、基于GPS的定位技术，如差分GPS(DGPS)、辅助GPS(A-GPS)等。根据技术发展动态，我们把重点集中于DGPS和A-GPS上：(1)GPS定位技术经过多年的发展，由于其定位精度高、覆盖范围广的优点，在军事用途中发挥着巨大的作用，近几年开始向各个领域渗透并得到广泛的应用。差分GPS技术可以提高GPS系统的定位精度。原理是：基准接收机对自己实施定位，得到的定位结果与自己的确知的地理位置相比较得到差值，该差值被用作公共误差修正值，对与基准接收处于同一区域且共用四颗卫星进行定位的移动接收机来说，它们显然具有相同的公共误差。因此借助于公共误差修正值可以修正移动接收机的定位结果，从而提高定位精度。(2)采用GPS对移动台直接定位时，首次定位需要较长的时间，这对于紧急救援的业务是不允许的。A-GPS可以有效地解决这个问题。利用辅助GPS进行定位时，GPS参考网络可将辅助的定位信息通过无线通信网络传送给移动台，可减小搜索时间，使定位时间降至几秒钟，而且辅助的定位信息也为在信号严重衰落的市区或室内应用GPS定位技术提供了可能。另外，由于在两次定位间歇期间GPS接收机可处于休眠状态，所以可以降低手机的能耗。综上所述，AGPS弥补传统的GPS定位技术的缺陷，使得GPS突破定位界限实现室内GPS定位。 2、室内定位技术 2.1 光跟踪定位系统 该系统种类繁多，但都要求所跟踪目标和探测器之间线性可视，这就把它的应用局限到了仅室内的范围且须保证所监测的目标是不透明的。在视频监视系统中，往往采用在被监控的环境中安装多台摄像设备，这些摄像设备可连接到一台或几台视频监控器上，通过视频监控器，对观察对象进行实时动态地监控，有的甚至可以进行必要的数据存储。光定位技术也被应用于机器人系统，通过固定的红外线摄像机和很多红外线发光二极管的一系列协同配合，达到定位的目的。由于其本身的特点，要实现高精度的光定位技术，其配备要求比较复杂。 2.2 室内GPS定位技术 当GPS接收机在室内工作时，由于信号受建筑物的影响而大大衰减到十分微弱的地步，要想达到室外一样直接从卫星广播中提取导航数据和时间信息是不可能的。为了得到较高的信号灵敏度，就需要延长在每个码延迟上的停留时间，A-GPS技术为这个问题的解决提供了可能性。室内GPS技术采用大量的相关器并行地搜索可能的延迟码，同时，也有助于实现快速定位。这种室内GPS定位技术由于需要在手机内集成GPS接收器，决定了它的应用受限性，为此，把具有该功能的手机价格降到人们可以承受的范围内成了室内GPS技术追求的目标之一。普通GPS接收机正朝着单片机的方向发展，并努力实现把GPS的RF电路和多相关器电路集成人手机现存的RF芯片和综合数字芯片中。 2.3 超声波定位技术(UltrasonicPositioningTechnologies) 该技术由于其成本低、结构简单易于实现而被人们广泛采用。目前，市场上的超声波收、发器技术成熟且价格低廉，因此应用较为广泛。超声波测距大都采用反射式测距法，即发射超声波并接收由被测物产生回波，根据回波与发射波的时间差计算出待测距离，有的则采用单向测距法。超声波定位系统可由若干个应答器和一个主测距器组成，主测距器放置在被测物体上，在微机指令信号的作用下向位置固定的应答器发射同频率的无线电信号，应答器在收到无线电信号后同时向主测距器发射超声波信号，得到主测距器与各个应答器之间的距离。当同时有三个或三个以上不在同一直线上的应答器做出回应时，我们可以根据相关计算确定出被测物体所在的二维坐标系下的位置。我们在无线传感器网络下基于超声波技术的3D定位系统的研制中采用超声波定位技术，为了克服超声波声吸收严重而影响其传输距离的缺陷，我们决定不采用反射测距法而是用单向测距法。 2.4 蓝牙技术(Bluetooth) 该技术是一种短距离低功耗的无线传输技术，支持点到点、点到多点的话音和数据业务。可以实现不同设备之间的短距离无线互联。在室内安装适当的蓝牙局域网接入点，把网络配置成基于多用户的基础网络连接模式，并保证蓝牙局域网接入点始终是这个微微网(piconet)的主设备(master)，就可以获得用户的位置信息，实现利用蓝牙技术定位的目的。采用该技术作室内短距离定位其优点是容易发现设备且信号传输不受视距的影响，缺点是目前蓝牙器件和设备价格昂贵。 3、结束语 移动定位技术在近几年取得了很大的发展，尤其是各种技术的混合研究和应用，我们可以扬长避短，加速技术突破的进程。但就其商业应用的开发来说，目前不过是刚刚起步，除了某些特定的跟踪或监测用途，作为民用的巨大商业潜力尚待进一步的开发，在未来的手机业务中，位置业务服务很可能带来巨大的商机，并给人们带来极大的便利。另外，室内定位技术有待于进一步研究完善，一旦突破的屏障，定位技术将会出呈现珠联璧合之势，相关的位置服务业务也必将深人人们的生活。目前基于GSM网获取用户位置信息（亦称LBS）的技术主要有以下3种:1 COO（Cell of Origin） COO定位技术即基于Cell-ID的定位技术，是美国E911无线定位呼叫的第一阶段采用的技术，也是定业务平台首先采用的定位方式。这种技术不需要更改手机或者网络，因此能够在现存的手机的基础上构造位置查找系统。它通过采集移动台所处的小区识别号（Cell-ID号）来确定用户的位置。只要系统能够采集到移动台所在小区基站在地图上的地理位置，以及小区的覆盖半径，则当移动台在所处小区注册后，系统就会知道移动台处于哪一小区，当然小区的定位精度取决于其半径。在城市商业区，COO定位完全能够满足要求。COO技术具体实现又分为两种： （1）基于网络的实现方法：服务器从网元（如MSC/VLR和SGSN）获得Cell-ID，再由服务器把Cell-ID翻译成可以直接应用的经纬度数据。这种方法的好处是手机不需任何改变，只需对现网稍做改动（仅升级交换机软件）就可支持定位服务。 （2）基于手机的实现方法：手机把它的Cell-ID通过WAP或SMS发给服务器；服务器把Cell-ID翻译成可以直接应用的经纬度数据。这种方法的好处是不需对现网做任何改动，只需手机增加相应功能（如使用STK卡）就可支持定位功能。2. E-OTD 增强观测时差技术 E-OTD定位技术是从测量时间差（OTD）发展而来的，OTD指测量时间差，E-OTD指测量的方式。具体实现方式如下： 手机需要测量至少三个基站的到达测量时间量（OTD值）； 然后手机把上述OTD测量值上传到SMLC（SERVING MOBILE LOCATION CENTER），SMLC一般放置在BSC内完成位置计算； 同时放置在BTS侧的LMU（LOCATION MEASUREMENT UNIT）测量基站的参考时间量(RTD)并上传到SMLC； SMLC根据得到的测量时间差（OTD）和参考时间差（RTD）算出几何时间量（GTD）,GTD=OTD-RTD，由GTD可以计算出手机的位置（通过测量三个 BTS到手机的信号传输时间，则可分别确定 三个BTS与手机之间的几何距离，然后再根据此距离进行计算，最终确定手机的位置）完成定位服务。 上述第三步之所以要考虑测量参考时间量，是因为GSM网基站并不严格同步，因此需增加测量基站参考时间量这一环节。3. AGPS 直接采用GPS接收机定位实现简单但面临一个问题，由于在市区内或建筑物内一般很难收到卫星发回的GPS信号，无法实现定位，因此引入了A-GPS定位方法。 它的基本思想是通过在卫星信号接收效果较好的位置上设置若干参考GPS接收机，并利用GSM网把接收到的辅助GPS信号发给手机；同时配有GPS计算晶片的手机根据GSM网传来的GPS数据计算手机位置，这种方法将GPS与GSM网结合，实现一种精度高、定位快的方式-辅助GPS定位。 综合考虑投入成本、对现网的改变、对手机的要求等因素，目前世界上基于GSM网实现无线定位的技术方案主要采用基于Cell-ID的定位技术，因为这种技术实现简单灵活，虽然存在精度不太高的缺点，但考虑到大多数服务定位精度要求并不需要太高的背景下，已经可以利用这种技术来实现许多位置服务。 目前基于CDMA网络的定位技术主要有以下几种：1. Cell-ID 根据CDMA蜂窝小区概念，由网络侧获取用户当前所在的Cell信息，然后根据用户上报的自身所处小区号等参数，获取用户当前位置。一般采用的方法是将用户所处小区的中心点位置估算为用户当前位置。此法与GSM网的同类方法类似。 2. AGPS 获取GPS卫星信号作为定位算法计算参数，确定用户位置的定位技术。用户将GPS卫星作为地理位置已知点，把获得的GPS伪距作为已知点到达未知点的距离来计算自身地理位置。此法同样在GSM网中也有应用，特点相同，在此不再复述。 3. AFLT 本法是采用用户接收到的CDMA基站信号来作为参数计算用户位置的定位技术。CDMA网络中，用户的导频集中有多个基站导频信号，只要用户可以接