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北京工业大学 硕士学位论文 一种基于移动GIS和LBS技术的警用定位系统设计 姓名：殷倩倩 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：贾瑞新;焦建民 20061201 捕婴 摘要 地理信息系统( G e o g r a p h i cI n f o r m a t i o nS y s t e ) 经过四十多年的发展，无 论是在理论研究上还是具体的工程应用上，都取得了巨大的进步，并随着社会 应用的需要不断深入到各个行业领域中。随着地理信息系统在掌上电脑、智能 手机、笔记本等移动终端上的应用，基于位置服务( L o c a t i o nB a s e dS e r v i c e 。 L B S ) 以及无线网络的蓬勃发展，推动了地理信息系统向移动应用方向发展， H o b i l eG I S 随之诞生，这使得任何人随时、随地的获得地理信息服务成为现实。 本论文的研究目的是通过地理信息系统、全球定位技术、嵌入式技术的结合， 研究开发基于移动G I S 的警用定位系统，该系统除了具有传统的电子地图显示、 查询、分析等功能外，还利用现在迅速兴起的L B S 定位技术，实现对目标的实 时定位。 论文从移动G I S 和L B S 技术在国内外研究和发展的状况出发，阐述了利用 这两种技术相结合搭建的系统的发展前景，分析了构建在移动G I S 系统上的L B S 平台的发展状况、关键技术及其应用，探讨了进行基于L B S 技术的移动G I S 定 位系统的开发研究的意义，其研究对开发警用定位系统在理论与方法上具有一 定的借鉴价值。论文对原型系统在总体结构、功能模块等方面进行了设计，采 用J 2 E E 技术开发系统的主要功能模块，对开发过程中所遇到的问题进行了研 究，提出了相应算法和解决方案，最终实现了集电子地图、G P S 移动定位、路 径规划、智能导航等多项功能于一身的警用移动G I S 定位系统。 关键词地理信息系统；表现；基于位置服务( L B S ) ；x 礼 北( Jq p 人学，t 硕l j 中仲| 文 A B S T R A C T T h r o u g hm o r et h a n4 0y e a r s d e v e l o p m e n t ，G I S ( G e o g r a p h i cI n f o r m a t i o n S y s t e m ) h a sm a d et h eh u g ep r o g r e s s ，r e g a r d l e s so fi nt h ef u n d a m e n t a l r e s e a r c ho ri nt h ec o n c r e t ep r o j e c t a p p l i c a t i o n ，a n du t i l i z e du n c e a s i n g l y i ne a c hp r o f e s s i o n a lf i e l d sa l o n gw i t ht h es o c i a la p p l i c a t i o nn e e d s A l o n gw i t hG I Sa p p l yo nm o b i l et e r m i n a l ，s m a r t p h o n ea n dn o t e b o o k 。a sw e l l a sL B S ( L o c a t i o nB a s e dS e r v i c e ) a n dt h ew i r e l e s sn e t w o r k Sv i g o r o u s d e v e l o p m e n t ，i m p e l l e dG I St od e v e l o pt ot h em o b i l ea p p l i c a t i o n ，M o b i l e G I Si sb o r n T h i sc a u s e sa n y b o d ya ta n y t i m e ，a n y w h e r et oo b t a i nt h e g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns e r v i c eb e c o m et h er e a l i t y T h ep a p e r sg o a li s t od e v e l o paV e h i c l e sN a v i g a t i o nS y s t e mb a s e do nM o b i l eG I St h r o u g ht h e i n t e g r a t i o no fG I S ，G P Sa n dE m b e d d e dT e c h n o l o g y T h i ss y s t e mh a sf u n c t i o n o ft r a d i t i o n a lE l e c t r o n i cM a pd i s p l a y ，i n q u i r ya n da n a l y s i S ，a l s o r e a l i z e st h ev e h i c l e sr e a l t i m el o c a t i n ga n dt h ei n t e l l i g e n tn a v i g a t i o n f u n c t i o nr e l y i n go nt h eG P Sl o c a l i z a t i o nt e c h n o l o g y T h i sp a p e r ，f r o mt h ec u r r e n ts i t u a t i o ni nr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t o fm o b i l eG I Sa n dL B St e c h n o l o g i e s ，d e s c r i b e st h eu s eo ft h e s et w o t e c h n o l o g i e sc o m b i n e ds t r u c t u r eo ft h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t so fb u i l d i n g am o b i l eG I Ss y s t e mL B Sp l a t f o r m d e v e l o p m e n t ，k e yt e c h n o l o g i e sa n d a p p l i c a t i o n s ，a n de x p l o r e db a s e dL B St e c h n o l o g y o f m o b i l eG I S a n d p o s i t i o n i n gs y s t e m sd e v e l o p m e n ta n dt h es i g n i f i c a n c eo ft h e i rr e s e a r c h t od e v e l o pt h eu s eo fG P Si nt h e o r ya n dm e t h o dh a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e P a p e r so nt h ep r o t o t y p es y s t e mi nt h ea r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o nm o d u l e sa n d o t h e ra s p e c t so ft h ed e s i g nt h r o u g hJ 2 E Ed e v e l o p m e n ts y s t e mi nt h em a i n m o d u l eo ft h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sp r o b l e m se n c o u n t e r e db yt h es t u d y ，t h e c o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h m sa n ds o l u t i o n s ，a n dt h ee v e n t u a lr e a l i z a t i o no f as e to fe l e c t r o n i cm a p s ，G P Sm o b i l ep o s i t i o n i n ga n dp a t hp l a n n i n g ， 1 I i n t e I l i g e n tn a v i g e , t i O f fa n do t h e rf u n c t i o n so no r l eh a n d t h eu s eo l m o b i 】e G I Ss y s t e m s K e yW o r d s ( ；I S ：R e p r e s e n t a t i o mL o c a t i o nB a s e dS e r v i c e ( L B S ) ：X M L 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：垒堕垡导师签名：日期二y ! 竺，t 第1 章绍沧 第1 章绪论 地理信息系统技术在我国许多行业已经得到了成功应用，而且初见成效， 尤其是空间数据库技术与W e b G I S 技术的出现m 1 ，一方面使地理信息系统管理海量 数据成为可能。另一方面使地理信息系统走向大众化。这样，不仅使系统建设的 技术风险大大下降，同时也使地理信息系统的应用领域和应用水平不断扩大和提 高。 目前，我国许多城市公安部门的一些警种已采用了地理信息系统。虽然在 一定程度上发挥着重要作用，但大都由于欠缺全面考虑，难以形成各系统的联动， 致使系统无法发挥其应有的巨大潜力和威力，并且常常由于进行数据重复建设， 造成人力和财力的浪费。 鉴于此，我省公安技侦认为：必须以共享、关联警务信息作为建立警用地 理信息系统的前提，突出地理信息系统作为警务信息的桥梁作用，加强发挥警用 地理信息系统的作用。 1 1 课题的来源和意义 基于位置信息的服务( L B S ，L o c a t i o nB a s e dS e r v i c e ) 是近两年来非常吸引 人们关注的一个课题m 巾”“劬m 1 。它是数据库技术和地理信息系统( G I s ， G e o g r a p h i cI n f o r m a t i o nS y s t e m ) 伽旧啪、无线定位技术m 嘲嘲、I n t e r n e t 技术、 无线通讯技术等相关领域交叉融合的结果。 L B S 服务通过获取用户的经纬度信息，结合G I S 数据库，可以为用户提供 包括交通引导、地点查询、朋友位置查询、车辆跟踪、商务网点查询、小孩看 护、紧急呼叫等众多服务。在此平台基础上，结合特定的数据库，可以进一步 衍生出餐馆指南、火车时刻表、天气预报和广告发布等特色信息服务。 随着近几年来商用G I S 软件的日趋成熟，特别是伴随着个人移动网络和 I n t e r n e t 的蓬勃发展，L B S 应用出现了一个新的突破口，那就是移动 G I S “儿”m ”嗍。美国权威机构预测：2 0 0 4 年“移动定位业务”的产值在美国 将达到4 0 亿美元，而全世界为3 0 0 亿美元1 。欧洲研究报告指出：2 0 0 5 年定 北京上q k 人J r I 。硕l ：中f , k 论文 I I I 一 位业务市场将为4 3 8 亿欧元。按照日本N T TD O C O M O 无线增值业务的发展曲 线，数据业务的5 将与定位业务有关。预计在未来几年内，我国的移动定位 业务市场规模很快会达到1 0 亿元人民币以上，而且还会加速度的持续增长。 利用目前逐渐流行的移动G I S 技术，结合L B S 技术，将回传信息直接显示 在精细的地图上面，可以极大的提高系统的可视性和可操作性，同时也可以结 合系统提供的工具制定预案，提高了我公安部门应对突发性事件、群体性事件 以及暴力恐怖事件的能力。本系统完成后，可以实现多目标监控、跟踪隐蔽、 跟踪时间长和安装简便的特点。同时根据G S M 网络的基站分布特点，结合市区 街道等地形参数，可以获得准确的车辆移动信息，从而满足第一线侦察干警的 跟踪定位要求。 移动定位定义了未来空间信息服务和移动定位服务的蓝图。实现移动定位 技术的一个关键问题是要对移动中的手机或P D A 进行实时高精度定位。利用广 域差分G P S 技术可以提供实时米级精度的定位与导航。在闹市区或在室内，考 虑到G P S 天线无法获得G P S 卫星讯号，可以利用移动通讯基站直接解求手机的 位置，目前可达到1 0 0 米左右精度，未来有提高到米级的可能性呻汹1 。G I S 技术经历了从单机上的G I S 工程、基于区域网的企业级G I S 和基于I n t e r n e t 网 的社会化G I S 的三个发展阶段，现正在与移动互联网结合，将G I S 更进一步的 推向社会。G I S 技术、移动通讯技术、再加上定位技术( 基于基站定位和基于G P S 定位) ，很自然地形成了L B S 技术。移动I n t e r n e t 与G I S 的有机结合，为用户 基于位置的信息交换、信息获取、共享和发布提供了便捷、经济的技术途径， 从而形成面向手机等便携式信息终端的G I S 应用方案。 无线移动服务与空问信息服务的有机结合，充分利用了无线移动的方便性、 灵活性，也体现了大部分信息与位置有关的客观事实。空间信息移动服务将成 为公安业务工作中的重要辅助工具，并成为未来公安安全保卫工作的重要组成 部分。它所具有的应用价值，将日益在各行各业中显现出来。 1 2 背景：城市的数字化进程 自从美国前副总统h lG o r e 提出“数字地球”“”概念以来，各国政府纷纷 把国家的数字化进程看作是国家发展战略的重中之重，是增强国力不可或缺的 第l 单蹋论 I i n 一 一个环节。而“城市数字化”又是“国家数字化”的重要组成部分。在数字城 市中，每一个组织或个人是一个数字节点。 “数字城市”是一个由多种高新技术支持的计算机网络信息系统，它不仅 能在计算机上建立虚拟城市，再现城市的各种资源分布状态，更为主要的是， 数字城市能促进城市不同部门、不同层次之问的信息共享、交流和综合，减少 城市资源浪费和功能重叠，进而可以宏观、全局地制定城市规划和发展的整体 战略。 在最近的4 、5 年中，中国政府对信息基础设施建设的大力投入使得移动 通信网络在中国得到了高速发展嘲：G S M ( G l o b a lS y s t e mf o rM o b i l e C o n n u n i c a t i o n ) 在中国已经拥有8 0 0 0 余万用户，它主要能够提供低速的话音 和短信服务；G P R S ( G e n e r a lP a c k e tR a d i oS e r v i c e ) 在国内某些省( 市) 已经 开通运行，它能够为用户提供6 4 k b s 的数据通信速率；3 G 移动通信系统和3 G 终端在国内正处于研发期问，它能够为用户提供宽带的多媒体通信。可以预想， 在未来的1 0 年内，中国将进入全新的移动计算时代。 高速发展的移动通信技术带给我们的不仅仅是日益完善的无线信息基础设 施和功能越来越强大的移动通信和计算设备，更重要的是它正在改变我们的生 活和工作方式，这其中包括全新的空间信息服务和应用模式一一移动G I S 服务 ( M o b i l eG e o g r a p h i cI n f o r m a t i o nS e r v i c e ) ，它是移动通信技术与传统的空 间信息技术相结合的产物，后者为广大移动用户提供丰富的基于位置的空间信 息服务，前者则为移动空间信息服务提供良好的承载平台。但是，两者的结合 并不是简单的1 + 1 = 2 求和，移动通信技术将在空问信息服务领域找到新的发展 空间和应用模式，空间信息服务也将在无线平台上衍生出新的服务，而不仅仅 是简单地转换运行平台。世界上8 0 的信息都与空间位置有关，移动用户对空 间位置尤其敏感，而移动G I S 服务正是以空间位置为核心的信息服务，这预示 着两者的结合是应用发展的必然趋势，并且两者都将在这一结合中找到自己全 新的发展空间。 I 3 移动G I S 的特点 移动G I S 系统与传统的W e bG I s 系统相比具有其自身的特点： 北京上业大宁一L 韩硕上学忙沦文 运行平台的延伸 与W e bG I S 系统相比，移动G I S 系统的运行平台从传统的I n t e r n e t 延伸到 无线网络，使得移动G I S 系统的实现更为复杂：同时无线定位技术与传统G I S 的结合也产生了全新的G I S 应用模式，使得空阃地理信息在移动G I S 系统的核 心地位更加突出。 分布式数据源 G I S 系统向无线平台的转移引发了了很多新的G I S 应用，它们要求分布式数 据源的支持。例如，基于位置的服务( L o c a t i o nB a s e dS e r v i c e ，即L B S ) 需 要G I S 系统实时提供最新的位置相关信息，由于移动用户的位置是不断变化的， 需要的信息也是多种多样，任何单一数据源都无法保证、也没有必要能满足所 有的数据请求。 有限的带宽和计算能力 与I n t e r n e t 相比，同时期无线网络的带宽总是相对较小，为了确保服务质 量，移动G I S 系统必须通过尽可能少的数据量来提供满足用户要求的服务；同 时，移动终端的计算能力相对较弱：功率有限，显示屏小，内存有限。因此移 动G I S 对数据的质量提出了很高的要求。 终端的多样性 移动G I S 系统的终端可以是传统的桌面P c ，但更多的是各类移动计算终端， 比如移动电话，P D A ，P o c k e tP C ，甚至可能是专用的G I S 嵌入式设备。终端的 多样就意味着移动G I S 服务需要有更加灵活的定制能力和扩展能力，以及开放 的体系结构，以适应终端的多样性，并充分利用终端的信息表示能力。 信息载体的多样性 与传统I n t e r n e t 相比，移动终端用户与服务器及其他用户的交互手段更加 丰富，包括定位服务、视频、音频、语音、文本、图像、图形等，这意味着计 算能力有限的移动终端需要处理更多类型的数据，如何合理地表现这些数据成 为一个亟待解决的问题。 鉴于上述特点，移动G I S 需要高质量的数据来保证系统高效率地运行，因 此“数据融合”技术和“数据表现”技术将在移动G I S 系统中扮演越来越重要 的角色。 第l 章绪沦 1 4 移动G I S 的系统结构 移动G I S 系统事实上是一个无线网络应用系统，因此它的结构可以用层状 协议栈来描述。图1 1 是移动G I S 系统的体系结构示意图： 图卜1 移动G I S 系统的体系结构 F i g l lM o b i l eG I SS y s t e mA r c h i t e c t u r e 这是一个以功能模块为单位的结构图，服务器与移动终端、无线平台及定 位追踪服务器通过适配层进行交互。图中服务器端的G I S 服务器模块中的第一 层应用服务和位置应用服务实现相当于应用功能层面；位置数据服务则相当于 元服务功能层面。 “数据融合”主要存在于位置数据服务层。位于该层的数据融合模块将对 来自多个数据源的数据进行融合，然后将融合后的数据供上一层的应用服务层 调用。而“数据表现”则涉及到多个层次的功能模块。 1 5 主流厂商的移动G I s 解决方案 虽然移动6 I S 的出现只是近两三年的事情，但是由于用户需求增长很快， 各大G I S 厂商均提供了自己的解决方案。主要有： 北Z i1 业人中J 甲，颂l ：0 ，f 论文 1 E S R I 的A r c P a d 幽】 A r c P a d 是运行于P D A 上的一款移动客户端软件，是移动G I S 的一个轻量级、 低成本解决方案。通过A r c P a d 用户能够快速、轻松地采集现场数据，并提供即 时的数据校正。A r c P a d 还能够通过无需网络下载影像或矢量图层数据，同时还 提供了与笔记本电脑和G P S 接收机的集成接口。最重要的是，A r c P a d 还能够充 当E S R I 的W e b G I S 软件一- - A r c I M S 的客户端，因此A r c P a d 与E S R I 原有的G I S 产品有相当好的兼容性。 2 A u t o d e s k 的l a p G u i d eO n s i t e A u t o d e s k 公司致力于为不同层次的移动用户提供解决方案，分别推出了 O n s i t e 套件的普通版本和企业版本，但它们的核心模块是一样的，主要由两部 分组成：运行在W i n C E 上的客户端程序O n s i t eV i e w ；为O n s i t eV i e w 处理2 DD W G 和D X F 数据文件的桌面应用程序。 3 M a p I n f o 的m i A w a r e M a p I n f o 为基于位置的服务( 即L B s ) 推出了自己的产品：m i A w a r e 。这是 一个可以用来创建L B S 服务的平台，提供了简洁、一致、灵活并且可扩展的X M L 环境，由b l a p I n f o 核心技术、X M LA P I ，以及一系列与位置服务相关的功能模块 组成。 m i A w a r e 利用了l f l a p I n f o 在桌面W e b6 I S 产品上的核心技术( 即b l a p I n f o 核心技术) ，同时也推出了专门针对移动G I S 的新技术。l a p I n f o 的一系列移动 G I S 产品主要以L B S 应用为重点，而L B S 是移动G I S 特有的应用服务，可以说 1 4 a p I n f o 的移动G I S 解决方案相比其原有的W e bG I S 产品有较大的创新和突破。 上述三个解决方案体现了主流G I S 厂商对移动G I S 系统的两种看法；W e b G I S 系统向无线网络的延伸；一种应用模式较W e bG I S 有较大创新和突破的G I S 系统。很难说哪中看法更有道理，但有两点是明确的： 移动G I S 是在W e bG I S 的基础上发展起来的，在特定的环境下，移动G I S 可以被当做W e bG I S 的一个特例 移动G I S 有自己特有的应用模式 1 6 现有方案的优点和不足 不管G I S 厂商们如何看待移动G I S 与W e bG I S 的关系，他们的移动G I S 解 决方案都是最大程度地使用各自G I S 产品中已有的技术和标准，这样做的好处 在于： 对于熟悉原有G I S 产品的用户丽言，学习使用同一厂商的移动G I S 产品的 门槛将会很低，同一公司的W e bG I S 系统和移动G I S 系统将会有很好的兼 容性，这将大大方便用户在系统之间共享数据 保护了用户对原有W e bG I S 系统的投资 但是在现有方案中，各厂家仍然没有解决异构数据源的透明访问问题( 原 因可能是技术上的，但更多可能是市场策略上的) 。虽然用户可以使用格式转换 工具将其它系统的数据转换为本系统支持的数据格式，但这对用户是不透明的。 因此，仅仅依靠各厂家提供的方案是无法彻底解决对现有资源加以利用的问题。 必须尝试寻找其他的途径，能够彻底解决整合系统过程中所遇到的目前移动G I S 产品无法解决的几个问题： 无法透明地访问其它异构的空间数据源 无法透明地进行异构空间数据间的合并与协同处理 无法协同表示和表现G I S 数据和其它类型的数据 只支持有限种类的移动客户端 采用太多的专有技术，对普通用户和二次开发者而言，系统缺乏开放性 以上这些问题的产生，表明上看来是系统实现引起的问题。但是究其根本， 原因在于系统的体系结构和后台数据组织。本文的第二和第三章将提出和讨论 基于X M L 的数据融合和数据表现模型，为解决上述问题进行一些探索。 1 7 论文内容安排和所做的工作 本文的内容是这样安排的： 本文第一章介绍了课题的产生背景以及移动G I S 技术的发展。第二章主要 介绍各种定位技术之间的差别以及系统所选用的g p s O n e 方式下的移动定位技 术的优势。第三章主要介绍了L B S 无线定位系统中的关键技术。第四章重点介 北柬上q k 人宁竹。坝上宁1 中| 艾 绍了基于L B S 技术的移动G I S 系统的设计和建设方案。第五章则介绍了该系统 如何实现。第六章是系统的应用举例。 论文完成的工作主要有： l 、对定位系统中的定位技术进行了深入的分析，通过对各种技术和系统 的比较，为移动G I S 系统警用化提供了设计思路和技术支持： 2 、 设计了基于L B S 技术的移动G I S 系统的整体构架和关键部分I ，B S 平台的内部模块：定位适配器、地图适配器和内容信息服务； 3 、 参与了L B S 平台的实现工作，主要负责各模块的功能实现定义和接口 设计。 由于论文所做工作是在一个完整系统之中，所以论文的系统设计和实现部 分还简单介绍了系统中其他部分，比如应用服务模块等，以及基于该系统的应 用实例设计。 1 8 本章小结 本章主要简单介绍了“移动G I S ”概念产生的背景，并提出了必须以共享、 关联警务信息作为建立警用地理信息系统的前提，突出地理信息系统作为警务 信息的桥梁作用，加强发挥警用地理信息系统的作用这一理念。同时介绍了移动 G I S 技术不受空间限制的特点，阐述了移动G I S 特点决定了其需要高质量的数 据来保证系统高效率地运行，说明“数据融合”技术和“数据表现”技术将在 移动G I S 系统中扮演越来越重要的角色。同时，本章还阐明，移动G I S 系统事 实上是一个无线网络应用系统，而“数据融合”技术主要存在于位置数据服务 层，“数据表现”则涉及到多个层次的功能模块。最后，本章简单介绍了目前存 在的一些移动G I S 技术解决方案，并分析了现有的解决方案的优缺点。 第2 啦L B S 定 声系统J ，的定位技术比较 第2 章L B S 定位系统中的定位技术比较 2 1 传统的G P S 定位 全球卫星定位系统( G P s ，G l o b a lP o s i t i o n i n gS y s t e m ) 由美国政府从上世 纪7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有 全方位实时三维导航与定位能力的卫星导航与定位系统“舢钉D ”。整个系统由三 个部分组成。 2 1 1G P S 卫星星座 G P S 工作卫星及其星座由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成G P S 卫星 星座，记作( 2 1 + 3 ) G P S 星座。2 4 颗卫星均匀分布在6 个轨道平面内，各个轨道 平面之间相距6 0 度。 在两万公里高空的G P S 卫星，当地球对恒星来说白转一周时，它们绕地球 运行一周，即绕地球一周的时间为1 2 恒星时。对于地面观测者来说，位于地平 线以上的卫星颗数随着时问和地点的不同而不同，最少可见到4 颗，最多可见 到1 1 颖。在用G P S 信号导航定位时，必须观测4 颗G P S 卫星，称为定位星座。 这4 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有定的影响。对于某地 某时，不能测得精确的点位坐标，这种时问段叫做”间隙段”。但这种时间闻隙 段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的定 位工作。 2 1 2 地面监控系统 对于导航定位来说，G P S 卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发 射的星历描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗G P S 卫星所播发的星 历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是 否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另 一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准G P S 时间系统。这就需要地 北片il ，、f k 大中L ，- 舰j 中竹沦文 面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由 导航电文发给用户设备。G P S 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个 注入站和五个监测站。 2 1 3G P S 信号接收机 能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些 卫星的运行，对所接收到的G P S 信号进行变换、放大和处理，以便测量出G P S 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出6 P S 卫星所发送的导航电文，实 时地计算出三维位置，甚至三维速度和时间。 2 1 4G P S 定位原理 在地面上，只要用一部G P S 接收机测出3 - 4 颗卫星信号到达本接收机的时 间，就可准确推算出接收机所在地( 可以是地面或天上任何位置) 的经纬度、海 拔高度、时间、运动速度等数据。G P S 定位的基本原理是根据高速运动的卫星 瞬闻位置作为已知的起算数据，确定待测点的位置。 2 1 5 定位精度 G P S 定位在不同的设备和技术条件下可达到从l O O m N 4 , 于l c m 的定位精度。 按定位方式，G P S 定位分为单点定位和相对定位( 差分定位) 。单点定位就是根 据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量， 精度可以达到几十至一百米，可用于车船等的导航定位。相对定位是根据两台 以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距 观测量也可采用相位观测量，精度可以达到几米甚至几毫米，通常应用于大地 测量或工程测量。 2 1 6 局限性 由于卫星是处在相当高的运行轨道上，其传送的信号是相当微弱的，因此 它不像一般手机等可在室内、车内收到信号，必须在室外及天空开阔度较佳的 第2 睾_ L B S 定仲系统- l - 的定位妓术L 匕较 地方才能使用。 另一方面，G P S 系统是由美国政府投资开发、维护的，出于国家安全的考 虑，美国政府在非常时期( 如海湾战争、反恐战争等) 会关闭民用G P S 服务。 2 2 传统的移动定位 随着无线通讯技术的发展，我们又获得了另一种更加经济、更加可行的定 位方法移动通信网络定位。目前，全球范围内普遍使用的移动定位技术主 要有四种：分别是基于网络的c E L L I D ，T O A T D O A 技术：基于终端的E O T D 技术： 网络与终端混合的A - ( ；P S 技术“”。帅o 。定位的精度，根据采用的不同技术， 从几十米到二百米，基本可以满足普通用户的要求。在这方面，移动设备生产 商已经做了大量的工作，通过在现有的移动通信网络中增加一个网络节点 移动定位中心( 比，M o b i l eL o c a t i o nC e n t e r ) ，就可以实现基于手机的定位 业务。 2 2 1C E L L l O 这是最简单的一种定位技术，无需对手机和网络进行修改，就可以向当前 的移动用户提供自动定位业务。该技术是根据移动台所处的蜂窝小区I O 号来确 定用户的位置，因此它的定位精度取决于蜂窝小区的半径。与其它技术相比， 其精度是最低的，当需要精度较高的紧急定位服务时，C E L L - I D 就无法满足要 求了。但是由于该技术投资较低，因此可以让移动运营商迅速进入定位市场。 2 2 2T Q A T D O A 该技术是采用信号到达时间测量或信号到达时问差铡量的定位方式。它是 通过测量从发射机传到多个接收机的信号传播时阃或时间差来确定移动用户的 位置，是一种基于电波传输时间的定位技术。在A M P S 、G S M 、W C D M A 、窄带C D M A 和C I ) M A 2 0 0 0 网络中均可采用这种技术。它的定位精度较高，但对时间基准的依 赖性也较高。T D O A 受多径干扰的影响也较大，在c D 姒网络中使用的精度较高， 因为C D M A 网络本身具有抗多径干扰能力，实测结果可达5 5 米，有望进一步提 E 柬l _ 业大学上甲，碘i - 叫一论文 囊曩_ 一I I I I 曾一 高到1 0 2 0 米左右。如果G S M 网络采用T D O A 方法定位，关键在于良好的参数设 计和技术保证。T O A T D O A 确定位置信息的响应时间比C E L L - I O 技术略长，大约 要l O 秒。同步G S M 网络所需要的代价也要比通过C E L L I D 提高网络性能高得多。 但是该技术也无需对手机进行修改。因此可以直接向现存用户提供服务。 2 2 3E O T D 定位技术 E O T D 定位方式是从测量时间差( 0 1 D ) 发展而来的，O T D 指测量所得的时间 量，E O T D 指测量的方式。手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。对予同步 网，手机测量几个B T $ 信号的相对到达时间；对于非同步网，信号同时还需要 被一个位置已知的位测量单元( L 州) 接收。确定了B T S 到手机的信号传输时间， 则可确定B T s 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。 2 2 4A - G P S A - f , P S 技术是一种结合了网络基站信息和G P S 信息对移动台进行定位的技 术，可l ；之在G S I G P R S ，W C i ) t d A 和C B l , t A 2 0 0 0 网络中使用。该技术需要在手机内增 加G P S 接收机模块，并改造手机天线，同时要在移动网络上加建位置服务器、 差分G P S 基准蛄等设备。如果要提高该方案在室内等G P S 信号屏蔽地区的定位 有效性，该方案还提出需要增添类似于E O T O 方案中的L M I J 。 A G P S 的具体工作原理如下：A G P $ 手机首先将本身的基站地址通过网络传输 至q 位置服务器。位置服务器根据该手机的大概位置传输与该位置相关的G P S 辅 助信息( 包含G P S 的星历和方位俯仰角等) 到手机。该手机的A G P S 模块根据辅助 信息( 以提升G P S 信号的第一锁定时闻T 豫F 能力) 接牧G P S 原始信号。手机在接 收到G P S 原始信号后解调信号，计算手机到卫星的伪距( 伪距为受各种G P S 误差 影响的距离) ，并将有关信息通过网络传输到位置服务器。位置服务器根据传来 的G P s 伪距信息和来自其他定位设备( 如差分G P S 基准站等) 的辅助信息完成对 G P S 信息的处理，并估算该手机的位置。位置服务器将该手机的位置通过网络 传输到定位网关或应用平台。 A G P S 解决方案的优势主要在其定位精度上。在室外等空旷地区，其精度在 第2 荜L B S 定位系统，；- 蚴定f 审妓本L 匕较 I 量墨置皇曼量I 正常的G P S 工作环境下，可达1 0 米左右，堪称目前定位精度最高的种定位技 术。该技术的另一优点为：首次捕获G P S 信号的时间一般仅需几秒，不像G P S 的首次捕获时问可能要2 3 分钟。虽然A G P S 技术的定位精度很高、首次捕获 G P S 信号时间短，但是该技术也存在着一些缺点。首先，室内定位的问题目前 仍然无法圆满解决。另外，A G P S 的定位实现必须通过多次网络传输( 最多可达 六次单向传输) ，这对运营商来说是被认为大量的占用了空中资源。目前，A G P S 的方案提供商主要是美国高通公司和其子公司S n a p t r a c k 公司，现在还只能用 于C D M A 和i D E N 网络的市场，在不久的将来该定位技术还会用于G S M 网络( 参见 离通公司2 0 0 2 年3 月出版的G S MA G P S 手机测试移动定位业务报告) 。 2 3g p s O n e 定位技术 g p s O n e 是高通公司基于辅助G P S ( A G P S ) 技术开发的一种全新的混合定位技 术魄1 ，它能够使基于手机的卫星定位技术达到更高的精准度。由于g p s O n e 技术 有效的集成了G P S 定位和C D M A 网络定位，所以无论在室内还是室外都能提供高 精度的位置信息。相对于常规的定位技术g p s o n e 技术具有以下优点： 定位精度高：大部分情况下室外定位精度可达5 5 0 米； 定位灵敏度高：在有C D M A 信号覆盖的地方均可定位； 终端成本低( 高度集成，大批量) 、耗电少、尺寸小( 与正常手机一样) ； 冷启动速度快：约3 0 秒左右。 2 3 1 室外一无线网络辅助G P S ( A G P S ) 无线网络辅助G P S 显著的提高G P S 定位精度、灵敏度和冷启动速度，降低 终端耗电，由广域G P S 卫星参考网络解决G P S 终端需连续扫描G P S 卫星的闯题， 而由定位平台的强大运算能力提高定位精度和灵敏度。 2 3 2 室内一C D M A 三角运算定位 为了解决室内定位问题g p s o n e 集成C D M A 三角运算定位。C I ) M A 三角运算定 位是蜂窝电话网络自身定位技术的一种，它是利用C I ) M A 手机接收到不同基站发 北求I 业人中- L 甲，顺L 学 口| 仑义 出的信号到达该手机的时蚓差，通过算法软件计算经纬度。 2 3 3 改善室内定位效果 G P S 与C D M A 三角运算的有机结合使两种定位技术在不同的定位环境中优劣 势得到互补，在农村或郊外C D M A 三角定位因无线基站稀少精度较差，而无线网 络辅助G P S 定位在这些环境中正好充分发挥优势：在地下停车场，高架桥下及高 楼大厦林立等区域，无线网络辅助G P S 定位较为困难，而在这些区域由于C D M A 基站往往分布较密，因此C D M A 三角定位技术的优势得以充分发挥。 图2 - Ig p s O n e 定位技术示意图 F i g2 1g p s O n ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g ym a t r i x 2 0 0 0 年，g p s O n e 解决方案实现首次部署，目前，全球使用g p s O n e 技术的 手机销量超过了1 5 亿部，市场上销售机型超过了2 5 0 种，生产厂家超过了4 0 多家。来自美国、加拿大、韩国、日本、中国、巴西等9 个国家的4 5 个运营商 己经部署了基于g p s O n e 手机的个人和行业位置服务“。 2 4 各种定位技术比较 以上各种定位技术与前面介绍的g p s O n e 技术相比较，如下表所示： 表2 - 1 各种定位技术的比较 T a b l e2 - Io ft h e r i O U Sp o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y 定位技术室雏定位室内定位冷寤动功耗同步定位 霹闻异步计算 G P S5 - 8 0 m无法定位3 0 1 5 m i n大 同步终端 基于计算 G P SA G P S5 - 5 0 m无法定位1 0 - 3 0 s 小同步网络 计算 C E L L - I D 小l O O m 一3 0 k m 1 5 0 m 一3 0 k m3 sf基站 区定位计算 基于 ( G S M c D 驵 ) E 一0 T D 5 0 一1 5 0 m5 0 - 5 0 0 m 3 - 6 s |异步网络 网络 ( G S M G P R S )计算 A F L T5 0 一1 5 0 m5 0 5 0 0 m3 6 s 同步 网络 ( C D M A )计算 g p s O n e 5 - 5 0 ml O O m - 2 0 0 m1 0 - 3 0 s小同步网络 ( c D M A 手机计算 混合辅助) 定位 g p s O n e 5 - 5 0 m1 0 0 一2 0 0 m3 - 3 0 s较小同步终端 ( C O M A 手机计算 定位) 基于对上述各种定位技术的分析比较，并参考其他类似定位系统的建设情 况，同时考虑到目前的警用定位服务应用主要是对车辆或警力部署的定位监控， 定位精度要求较高，我们选择了g p s O n c 方式下的移动定位技术。这种定位方案 的优点是定位精确度较高，受周围环境影响较小；缺点是实现较为困难，而且 投资相对于其它几种方案相对较大。 2 5 本章小结 本章通过几种定位技术的比较，可以分析得出，本系统中选用的基于L B S 技术和移动( 3 I S 技术相结合的g p s O n c 方式下的移动定位技术，更加符合需求， 更加适应公安工作中民警工作环境复杂、工作时间不定的特点。 ：；3 章L B S 无线定位系统的其他父键技术 第3 章L B S 的无线定位系统的其他关键技术 在我们所设计的基于L B S 和移动G I S 技术