（光学专业论文）小范围无线三维定位紧急呼叫系统.pdf

摘要 随着无线技术的发展，无线定位系统研究不断的深入，无线定位的应用和服 务将越来越深入到生活中的每个细节，极大的方便和改善人们的生活质量。然而， 目前的无线定位系统大多都要依赖于现有网络，受网络覆盖率的影响，且在实践 中真正实现三维定位还存在一定困难。因此设计一套独立网络支持下的无线三维 定位系统将很有意义 本课题的内容为设计一套独立网络支持下的无线三维定位紧急呼救系统。该 系统采用信息广播机制的无线三维定位方法，实现独立网络支持下的具有分层结 构的建筑区域中的移动人员的无线三维定位。该系统包括：广播基站、用户终端、 信息转发基站、中心基站和中心监控计算机。使用者携带用户终端，在应用场所 各个入口位置安装带有与其所在分层的z 坐标相应的z 坐标信息的广播基站，来 获得z 坐标信息。利用至少三个信息转发基站，将用户终端发送的信息经中心基 站发送给中心监控计算机，从而由信息转发基站的i d 号以及由其接收的来自用 户终端的信号的强度信息来确定用户终端的x 、y 坐标。该系统可应用于大型、 中型、小型等各类系统中。 该系统的主要特点包括：不依赖于任何现有网络，是一个完全独立的小范围 内的无线三维定位网络系统：使用4 3 3 m h z 的工业、科学、医疗频段，无需缴 费即可使用；通过编解码、握手协议等方法保证了数据传输的准确性；系统具有 自动重发、自动退出功能，防止因为某一次通信故障而造成系统瘫痪；数据库用 户界面人性化，且具有自动报警功能。 本系统成本低，通信准确可靠，安装使用方便，扩展性强，具有很好的发展 前景，对国内相关领域的发展起到了积极的作用。 关键词：无线三维定位；基站；紧急呼救 a b s t r a c t 脚t h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g ya n di t t e u b r a t i o no ft h ew i r e l e s s p o s i t i o n i n gs y s t e m ，t h ea p p l i c a t i o na n ds a v i c eo f w i r e l e s sl o c a l i z a t i o np e n e t r a t ei n t o e v e r yd e t a i lo fp e o p l e sl i v e sw h o s ec o n v e n i e n c ei m p r o v e sp e o p l e sl i f eq u a l i t y c j l 3 0 1 3 1 1 1 0 i l s l y ，h o w e v e r , m o s to f t h ep r e s e n tw i r e l e s sp o s i t i o l l i n gs y s t e m sm u s tr e l yo i l t l a ee x i s t i n gn e t w o r k , t h u st h c ya t ei n f l u e n c e db yt h ec o v e r a g eo ft h en e t w o r k , a n d d i 伍e u l t ye x i s t si n a 删阻o ft h r e e - d i m e n s i o n a ll o c a l i z a t i o n t h e r e f o r ei t i s s i g n i f i c a n tt od e s i g naw i r e l e s st h r e e - d i m e n s i o n a lp o s i t i o n i n gs y s t e mu n d e rt h e s u p f l o r to f as e o f i a d e p e n d e a tn e t w o r l 四 t m st h e s i si n t e n d st od e s i g naw i r e l e s st h r e e - d i m e n s i o n a li o c a l i z a t i o ns o s s y s t e mw i t ht h es u p p o r to fas e to fi n d e r 脚d e a tn e t w o r k s t h i ss y s t e ma d o p t st h e w i r e l e s st h r e e - d i m e n s i o n a ll o e a l i z a t i o nm e t h o di nt h ei n f o r m a t i o nb r o a d c a s t m e c h a n i s mt or e a l i z er n o b i l ep e r s o n n e l sw i r e l e s st h r e e - d i m e n s i o n a ll o c a l i z a t i o ni n t h es t r a t i f i e dc o n s t r u c t i o nr e g i 0 1 1w i t ht h es u p p o r to fi n d e p e n d e n tn e t w o r k t h i 8 s y s t e mi n c l u d e s ：t h eb r o a d c a s tb a s e t h eu s 盯t e r m i n a l ，t h ei n f o r m a t i o nr e l r a n s m i tb a , 船9 t h ec e n t e rb a s ea n dt h ec e n t r a lm o n i t o r i n gc o m p u t e r t h eu s 盯c a r r i e st h eu s c t t e r m i n a l ，i i k q t a l l $ zc o o r d i n a t e si n f o r m a t i o nb r o a d c a s tb a s ec o r r e s p o n d i n gt ot h ez c o o r d i n a t e so fi t ss l a a t i f i e a t i o ni ne v e r ye n t r a n c eo fa p p l i c a t i o np l a c e st oo b t a i nt h ez c o o r d i n a t e si n f o r m a t i o n u s i n ga t l e a s tt h r e ei n f o r m a t i o nr e t r a n s m i tb a s e s ，t h e i n f o m a a t i o ns e n tb yt h eu s e rt e r m i n a li ss e n tt ot h ec e n t r a lm o n i t o r i n gc o m p u t e r t h r o u g ht h ec e n t r a lb a s e t h u st h exa n dyc o o r d i n a t e so ft h eu 鲥t e r m i n a lc 缸b e d e t e r m i n e db yt h ei dn u m b e ro ft h ei n f o r m a t i o nr e t r a n s m i tb a s ea n dt h ei a t 黜i t y i n f o r m a t i o no ft h eu s e rt e r m i n a ls i 鲫li ti _ e f f , c i v c $ 1 1 1 i ss y s t e mm a ya p p l yi nl a r g e ， m e d i t m aa n ds m a l ls c a l es y s t e m s t h em a i ne h a r a c t e r i s t i e so ft h i ss y s t e mi n c l u d e ：i td o e sn o tr e l yo i la n ye x i s t i n g n e t w o r k sa n di sae o m p l e t e yi n d e p e n d e n ts m a l ls e v o p ew i r e l e s st h r e ed i m e n s i o n a l l o c a l i z a t i o nn e t w o r ks y s t e m ；i ta d o p t s4 3 3 m i - i zf r e q u e n c yb a n di nt h ei n d u s t r y ，t h e s c i e n c e ，t h em e d i c a l ，t h u si td o e sn o tn e e dt op a y ；t h ed a t au a m m i s s i 0 1 1a c c u r a c yi s g u a r a n t e e db yt h em e t h o d so fd e c o d i n ga n dh a n d s h a k ep r o t o c o l ；1 1 把f i m e t i o n so f a u t o m a t i c a l l yr e t r a m m i s s i o na n dt e r m i n a t i n gm e c h a n i s ma v o i dt h ep a r a l y s i so ft h i s s y s t e mc a u s e db ys o r t l ec o r r e s p o n d e n c ef a i l u r e ；t h ed a t a b a s eu s e ri n t e r f a c ei sh u m a n e a n dh a st h ea u t o - - a l a 加f u n c t i o n ； 弛s y s t e mc o s t sc h e a p l ya n dc o r r e s p o n d sa c c u r a t e l y i ti se a s yt ob ei n s t a l l e d a n do p e r a t e d b e s i d e s ，i th a sh i g he x p a n s i b i l i t y ，t h u si th a sav e r yg o o dd e v e l o p m e n t p r o s p e c ta n de x e l t si ，o s i t i v ef u n c t i o nt oz t l a t e dd o m e s t i cd o m a i n s 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 的学位或证书而使用过的材料。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。 签名：2 盈盔，隰2 淄2 臼 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：王莲。籀导师签名；夔垫坠 日期： 第1 章绪论 1 1 设计背景及意义 众所周知，全球己进入人口老龄化时代。尤其是因为人口老龄化的加快、 社会意识的急剧变化、家庭结构小型化和老人与子女分居现象的普遍化，给各 国都带来了十分严竣的社会问题。老年人在身体机能上衰退，使得其在生活非 常需要帮助。在医院住院处、监护中心、疗养院，老年公寓等老年人高居区， 许多老年人都会出现突发性疾病，需要进行紧急的医疗救助。然而在某些情况 下，他们的发病地点并非是病床等固定地方，很可能是洗手间、楼道等场所。 这就需要利用无线定位技术对这些移动人员所处位置进行定位，以获得及时的 抢救和治疗。 无线三维定位系统还可用于煤矿井下人员的三维定位。我国是世界上最大 的煤矿生产国，而煤矿井下开采作业相对来说是比较危险的行业，安全生产事 故不仅对经济建设和社会发展造成直接的损失，对广大群众、事故的受害者及 其家属的巨大心理创伤更是难以估量，煤矿安全是一个十分重要的社会问题。 然而我国煤炭安全生产现状与世界一些发达和发展中国家相比差距很大，目前 还存在井下人员管理困难，井上管理人员难以及时准确掌握井下人员的分布及 作业情况，一旦发生事故，抢险救灾、安全救护的效率低，特别是事故发生后 对矿井人员的抢救缺乏可靠的位置信息。因此设计一套无线三维定位紧急呼叫 系统非常必要，一旦发生矿井坍塌、瓦斯爆炸等矿难事故，这些确切的位置信 息会给救援工作带来极大的帮助“1 。 随着社会的发展，人们的活动范围越来越大，移动用户的流动性使得很多 情况下用户对周围环境并不熟悉，紧急呼叫时很难准确描述其所处的地理位置， 因此危险情况下的紧急救援就显得尤为重要。 所以，设计和实现一个高技术，低价位，性能可靠的可定位的紧急呼叫系统 十分必要，具有一定的社会意义。 1 2 无线三维定位紧急呼叫系统的发展现状 随着社会的发展，人们的活动范围越来越大，而且越来越不确定。这种移 动性和不确定性给移动通信带来市场和挑战的同时，也为位置服务的开展和扩 大带来了无限商机作为移动通信网提供的增值业务，基于用户位置的移动定 位业务( l b s ) 服务已经受到了世人的瞩目“。 从全球的移动定位业务的应用来看，韩国和日本的移动定位业务应用最广 泛，业务也比较成熟，产业基本形成规模，以k d d i 和s k t 的运营最为成功 在美国，尽管联邦通讯管理委员会f c c 在1 9 9 6 年就通过发布e 9 1l ( e m e r g e n c y c a l l 9 1 1 ) 定制要求，强制要求在2 0 0 1 年l o 月1 日前，建立公众安全无线网络， 用于公共救援服务，但是移动定位业务市场的发展仍比较缓慢。欧洲作为全球 3 g 商用步伐最快的地区，包括和黄3 ，沃达丰、o r a n g e 、0 2 、t - m o b i l e 在内的 各大运营商已经或者准备推出移动定位业务服务。 在中国，移动定位业务服务尚未普及，但是蕴藏了巨大的商机，中国移动 和中国联通两大移动运营商都在积极推进移动定位业务服务。目前，中国移动 和中国联通的移动定位业务服务主要面向行业用户，例如城市交通管理、医疗 紧急救援、公安执法等，同时也在逐步拓展个人用户市场。 美国g p s 全球卫星定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) ：全球卫星定位系 统是随着现代科学技术的发展建立起来的一个高精度，全天侯和全球性的无线电 导航定位，授时的多功能系统。它利用距离地球两万多公里高的，分布在地球6 个轨道上的2 4 颗人造卫星组成的卫星网，向地球不断发射定位信号，地球上的任 意一个g p s 接收机，只要接收到四颗以上的卫星发出的信号，就可以算出被测载 体的运动状态。如：经度，纬度，高度，时间，速度，航向等。一般用于车辆导 航系统和手持设备。如：g p s 手机，( 手机中集成了g p s 接收机芯片) 在天气晴朗 时，能达到5 4 0 m 的精度。缺点是首次定位约需要1 0 分钟左右的时间，定位精度 会受到卫星间隔以及定位目标所处的纬度和经度的影响，这对于紧急救援情况和 报警业务是不允许的此外，在恶劣天气、在室内或卫星信号无法覆盖的地方， 定位效果很差m ”。 中国的北斗卫星导航系统：“北斗一号”采用双星有源定位体制，由两颗工 作卫星和一颗备份卫星组成，可以全天候、全天时提供区域卫星导航信息。只 覆盖中国本土及周边的区域导航系统，覆盖范围约东经7 0 。一1 4 0 。，北纬5 。5 5 。该系统是在地球赤道平面上设置2 颗地球同步卫星，两颗卫星的赤 道角距约6 0 ，需要申请定位时，用户先应发射需要定位的信号，通过卫星转发 至地面控制中心，地面控制中心解算出位置后再通过卫星转发给用户，其间要 经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间 延长就更长了，因此，对于高速运动体，就加大了定位误差。由于“北斗一号” 本身是两维导航系统，仅靠2 颗星的观测量尚不能定位，观测量的取得及定位 解算均在地面中心站进行，卫星和用户机需具有转发或收发信号功能，这实际 上也就具有了一定的通信功能。此功能是g p s 所不具有的。 蜂窝网无线电定位技术的汽车。无线位置指示器”：其只有b p 机的大小， 俗称汽车“b p 机”，完全可以藏在汽年的某一个角落里。一旦汽年失窃，车主 可以通过全球通手机实时跟踪汽车行踪，使偷车贼无处遁形。其简单工作原理 就是无论手机移动到哪里，都会处于某个基站的覆盖下。而。位置指示器”能 够及时将所对应的基站反馈回车主的手机上。因此也就能知道它的大致位置“” 嘲 第1 苹绪论 车辆实时定位监控系统：工作原理是首先由车载终端设备上的g p s 卫星接收 模块采集g p s 卫星数据，经过计算得到车辆的位置信息，该信息通过a 蹦嵌入 式系统的处理之后，由g p r s 无线通信模块向上发送到g p r s 无线通信网。6 p r s 网络根据相应的协议在车载终端和接入i n t e r n e t 网的监控中心之间建立一条支 持t c p i p 的数据通道。监控中心把通过这条数据通道传送来的车辆位置数据通 过数据库和w e b g i s 技术显示在电子地图上“”n 1 1 。如图卜1 所示： 无线通信链路 监控中心 图1 1g p r s 车载卫星定位系统结构示意图 f i 9 1 1g p r sv e l i d ec a r t i n gs e c o n d a r yp l a n e tl o c a l i z a t i o ns t s t c m 北京移动梦网：它是通过移动互联网，获取各类移动的位置信息，然后提 供给移动用户的一种增值业务。普通手机中插的是s i m 卡，而具有“移动梦网” 服务的手机中插的是一种s i x 卡( 也称为移动梦网卡) 。s i t 卡的功能主要是 存储数据和在安全条件下完成用户身份鉴权和用户信息加密算法的全过程，而 s t k 是s i l 4 卡的开发工具包，使用它可以对s i m 卡进行软件开发，从而使其具 备特殊的功能。装有此卡的手机比普通手机多了一个菜单移动梦网，它可 以向用户提供八大类的移动梦网业务，包括：个人助理、电子邮件、移动聊天、 位置服务、电子商务、娱乐服务、信息服务、客户服务。就目前来看，移动聊 天、位置服务、股票信息查询这三项具体业务最受用户欢迎。如果遇到交通事 故或者野外事故，又不知道自己所处的位置，使用中国移动的位置紧急救援服 务，就可以使移动通信公司通过移动电话呼叫救援中心明确自己的位置，从而 实施快速、有效的救援工作“。 文本信息定位服务：在s a i l s 病毒肆虐中国香港特别行政区之际，一家移动 电话公司推出了文本信息服务，可以让手机订户知道他们正在接近s a r s 患者居 住或工作的建筑物。该公司提供的这项收费服务代表了基于位置服务的一种最 新的应用方式。无线运营商依赖的是政府每天公布的数据，该数据指出住院的 s a r s 患者在前十天逗留过的建筑物。该公司在此基础上为其订户提供了量身定 制的信息。订户只需在他们的手机键盘上按动几下按钮，就可以收到一条文本 咎胁 信息，上面列举出在呼叫位置周围一公里内，所有可能受s a p s 感染的建筑物的 名单n 3 1 小灵通用户定位系统：山东青岛“关爱精灵”小灵通定位，它是通过小灵 通网络，为用户提供文字和语音方式的位置服务，用户使用该业务，可以方便 的查询自己目前所处的位置( 或者授权查询他人所处位置) 。通过小灵通基站间 的精确的三点定位，能够将定位精度控制在1 0 0 米范围内能够实现对小灵通 用户所处地点的报警、定位和追踪功能。这种用户定位系统特别适合那些需要 照顾的老人和小孩使用，它可以让用户随时随地保持联络。也就是说，一旦小 灵通用户使用本机拨打了报警电话，用户所处的位置将精确地被定位系统标识 在电子地图上，离本地点最近的、接到报警的紧急服务人员可据此迅速到达。 这种定位系统对于其他需要紧急服务的公安、金融、保险、交通、物流等行业 用户十分适用，因而有着很好的应用前景l 。生活百事通”医疗紧急呼救系统：该系统是天津1 2 0 “生命新干线”部门 在“生命新干线”紧急呼叫器的基础上研发出的第2 代“百事通”医疗紧急呼救系 统。该呼救系统分为客户端和求救服务器两部分。客户端由呼救伺服器和呼救 器组成，呼救伺服器除涵盖普通电话功能外，分为遥控装置和普通装置两种， 该伺服器内含智能化芯片组，可以在接到由呼救器发出的紧急求救信号后迅速 与1 2 0 生命新干线紧急呼叫系统联系。当用户在需要急救时按下生活百事通上 的呼救键或是遥控器上的呼救键( 有效距离3 0 0 米以内) ，1 2 0 生命新干线紧急 呼叫系统会在1 5 秒内弹开该用户的相关信息( 既往病史、用药剂量、家庭住址、 亲属联系方式等) ，与用户现场保持免提扬声的通话状态，同时监听现场所发出 的任何细小声音( 监听与扬声免提功能5 0 平米内有效) ，急救中心的工作人员 会根据g p s 定位通知与呼救用户现场最近的急救车辆前往抢救。如果用户开通 了医院心脑血管绿色通道的话，用户发出的呼救信息不仅反应在1 2 0 系统平台， 随后也会反应到绿色通道对口医院的平台上，使其提前做好抢救准备。用户只 需拥有固定电话线路即可使用本系统，而且整个过程除收取固定电话费外无需 其它服务费用吲。 w i - f i 无线人员定位：日本芯片制造商最近开发出一种芯片可用于在无线局 域网中定位人员。该芯片可与采用e e8 0 2 1 1w i f i 协议的无线局域网通讯。 大厦管理员可在特定位置安装碱- f i 接收器，读取标签d ，从而实现对被贴标 人员在某特定区域的进出进行跟踪。标签还附有一个紧急按钮，工作人员可按 该按钮呼求援助：一旦按下按钮，标签会发送紧急信息至指定的呼叫中心，呼 叫中心自动将呼叫人的位置转发到紧急处理中心【1 6 1 。 1 3 无线三维定位紧急呼叫系统目前存在的问题和不足 国内外基于g p s 技术的位置信息服务已经展开，但由于g p s 是一个接收型 第1 章绪论 的定位系统只能用作导航，无法实现通信功能，且应用主要集中在汽车导航调 度方面，因而不能满足日益增长的用户需求。而且g p s 由美国军方主导，目前 虽然可以免费使用，但并不能保证永远不交费，所以存在较大的安全隐患。我 国的。北斗一号”导航定位系统是收发型定位系统，具有定位和通信功能，较 之g p s ，在定位通信综合领域将具有更大的潜力。但他们都是规模太大，终端 价格高，还需要专门的接收设备，且用户需要交付使用费，对大多数用户来说 并不是很方便，不利于定位业务的民用化，所以目前还没有得到广泛应用。 地面无线定位系统很多，近年来发展也很快，如小灵通定位系统，北京移 动梦网定位服务等，但在中国的发展过程中仍有技术限制、隐私权的困惑、产 业链限制以及终端限制、资费过高等因素，且它们大多依托于现有网络，会受 网络覆盖率的影响，还须对网络基站的软件，硬件设备进行改造，且使用时仍 需交费。所以设计一套实用性强，价格合适，不依赖于现有网络的独立的地面 无线三维定位系统是很有意义的。 1 4 课题来源及主要研究内容 小区紧急呼救定位技术的研究是本研究室承担的企业委托的科研项目，本 课题是小区紧急呼救定位技术研究的子课题之一 本课题的内容为设计和实现一个小范围内的全无线定位紧急呼救系统。此 系统在一定范围内达到三维定位效果。该系统的主要设备是用户终端，信息转 发基站，广播基站，中心基站。它们都是有一定差异的无线收发器。中心基站附 近有一台p c 机作为服务器。小区内，每个呼救人员需随身携带一个移动用户终 端呼救器。当按下呼救器按纽时将发出含个人i d 码和最新z 坐标信息的无线呼 救信号；被其附近的转发基站收到后，转发基站则向中心控制室发出含转发基 站i d 码( 每个转发基站的i d 码各不相同) 及呼救者的( 每个呼救人员的i d 码 各不相同) i d 码和z 坐标信息的无线信号；中心控制室收到信号后，就会打开 一张含有呼救人姓名，性别，年龄，家庭详细地址，电话、病人主要疾病，药 物过敏史，以及呼救人员所处位置等信息的表单，并可打开一张本小区的电子 地图，可警醒直观的看到呼救人员发出呼救时所处位置。同时中心会给呼救人 员返回一个应答信号，告知呼救人员中心已收到呼救信号，并进行相应的紧急 救助。 。，。，。丝窒坠型垂鍪塑些墼些箜墼。，一 第2 章无线三维定位紧急呼叫系统的相关理论 2 1 无线定位系统分类 普遍认为，无线定位可分为基于卫星的定位系统、基于专用无线局域网络 的定位系统、基于特定网络的专用定位系统和基于公共无线通信系统的四种定 位系统。美国的全球定位系统( o p s ，g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是基于卫星定位 的典型系统，卫星定位系统还有俄罗斯的g l o n a s s ，欧洲的e u t e l t r a c s 定位系统。g p s 定位技术在定位原理上就是利用检测三个卫星和定位终端之间 无线信号的精确传输时间来计算出卫星和定位终端的三个不同距离，可以组成 三个方程式，解出定位终端的位置。由于卫星本身的运动速度很快，这样会给 信号时间检测带来各种各样的检测误差，由此带来定位终端的位置、速度和时 间检测误差。所以在实际使用时利用第四颗卫星提供一个四维的计算公式，其 中时间误差作为第四维。目前有很多方法来提高定位精度，普遍采用差分 g p s ( d g p s ) 技术，建立基准站( 差分台) 进行g p s 观测，利用己知的基准站精确 坐标，与观测值进行比较，从而得出一组修正数，并对外发布。 无线局域网不是为定位而设计的，但是其被成功应用于室内定位，如医院 的某些特殊病人的跟踪，或者是在展览馆内便携式语音装置为参观者提供合适 的解说词。我们按照无线局域网类型的不同有多种定位技术可以使用，有使用 检测信号的传输功率损耗，也有通过划分小区覆盖的方法来定位的系统。无线 局域网的定位主要用于小范围特定区域的移动定位需要。 基于特定网络的专用定位系统在车辆的定位导航系统中最先应用，系统沿 交通道路按照一定间隔设置检测器，检测交通对象，通过专用通信系统把移动 目标的标识、位置等信息传送到交通信息处理中心实现移动定位。现在很多高 速公路用各种无线定位技术来代替检测器，有效的提高定位的精度和速度。 基于公共无线通信系统的定位系统是目前是无线定位系统的热点，主要是因 为公共无线通信系统的广泛应用，在其基础上实现无线定位可以提供最大范围的 网络覆盖。c d m a 、g s m 为代表的第二代( 2 g ) 系统是目前国内外覆盖面积最广、 规模容量最大的数字移动通信系统。无论是g s m 系统还是c d m a 系统，以及 正在发展中的3 g 系统，均由一个网状基站群及一个网络系统构成。网状基站群 的存在，使得2 g3 g 系统可以提供一些基于基站定位的商用无线定位增值服务。 由于2 g 系统已经发展得相当成熟，基于现有网络提供的定位服务具有覆盖范围 广、使用价格低、终端设备成熟、系统支持丰富等突出的优点。然而，其缺点也 是明显的：其所能提供的定位服务精度较低、定位时间很长、容量亦有限，无法 满足一些特定的定位需求，如需要快速响应的公路行驶车辆的实时定位等【埘。 2 2 无线定位技术 无线定位技术通过检测基站、信标台、卫星或者专用的无线信号发送设备与 移动终端之间传输信号的特征来确定终端位跫不论具体系统如何实现，定位技 术最终都要归结为对传输信号的信号特征估计。 基于蜂窝网的陆地无线定位技术是由移动端发射信号，由地面网络接收的新 的定位方式。其中绝大部分的测量和计算工作都在一个定位服务中心( l s c ) 完成， 即测量信号来自移动终端。目前研究中的陆地无线定位系统可分为两种基本方 式：方向定位( d i 嗽m 确1 d i n g ) 和范围定位( r 锄g e b 丛e d ) i b - - 嘲 2 2 1 方向定位系统 方向定位系统通过移动终端所发信号到达多个接收端的角度，估计发出信 号的移动端位置。测得移动源点信号到达某接收端的角度( d o a ) 后，移动源点应 位于以此接收端为起点，由所测得d o a 作出的一条直线上，此直线称为方位线 ( l o b ) 。若同时有多个接收端估测出移动源点信号的d o a ，则源点的位置可由据 此作出的多条方位线( l o b ) 的交点得到。图2 1 显示出二维情况下方向定位系统对 移动源点的定位。 理论上，方向定位系统只需两个接收端即可确定源点的位置。由于噪声和多 径干扰等影响，实际上用于移动源点定位的接收端往往超过两个。方向定位系统 要求有精确的d o a 估计。在城市或山区环境中，由于多径传播的干扰，d o a 很 难精确估测。存在多径时，定位系统一般把接收端能分离出的功率最强的( 无法 估测传输时延时) 或传输时延最短的多径支路的d o a ，作为信号在接收端上的 d o a 。然而，这并不能保证该支路为信号的视线路径( l o s ) ，在复杂的环境下， 很多时候有可能并不存在信号的视线路径。因而把信号非视线路径u c l o s ) 的 d o a ，当作信号直接到达接收端的来波方向，会导致很大的误差。 图2 - 1 二维方向定位系统 f 9 2 1t w o _ d i m e m i o a a lo r i e n t a t i o ni 司c a u z 面o ns y s t e m 。，。，：鳖耋耄呈墼些墼型星墼型些垒，。， 2 2 2 范围定位系统 范围定位系统可分为范围、范围和以及范围差系统，根据它们采用的不同定 位算法，又可分为球体定位、椭圆体定位和双曲面定位系统。 l 、球体定位系统 在球体定位系统中，使用n ( n 3 ) ，个基站接收端，同时记录或估测信号从移 动源点到这些固定接收端的传播时延( t o a ) ，范围是传播时延和信号传播速度的 乘积 置= c t , ( 2 - 1 ) ( 2 1 ) 式中，c 是信号传播速度，t 为第i 个接收端所测得的t o a 。对n 个接收端均有 胄；= o l 一r ) 2 + ( 巧一y ) 2 + ( z ，一z ) 2f = 1 ，2 ，3 ，n ( 2 - 2 ) ( 2 - 2 ) 式中，z ，z ，) 是第i 个接收端的坐标，口，y ，z ) 是移动源点 的位置( 见图2 - 2 ) 。( 2 - 2 ) 式定义了一个n x 3 的方程组，方程组的解即源点的位置。 在二维的情况下，( 2 - 2 ) 式实际上定义了n 个以接收端坐标为圆心，范围r 为半 径的圆，所有圆的交点即为源点的位置，如图2 所示。同样，理论上只需3 _ 4 个 方程即可估计出源点的位置，但实际上由于各种误差源的存在，需要对超过4 个 方程进行最小方差或最大似然处理，才能得到源点的位置。 由于球体定位系统需要估测出信号的t o a 信息，整个系统要求严格的时间同 步，即移动源点与接收端以及接收端之间的时间同步。因此系统需要使用标准时 钟或通过基站接收g p s 卫星信号，以校准移动端和各接收机的时钟。 图2 - 2 二维圆定位系统 f i 9 2 2t w o - - d i m e n s i o n a lc i i l a r i l yl o c a l i z a t i o ns y s t e m 北京工业大学理学硕士学位论文 2 、椭圆体定位系统 椭圆体定位系统通过多次测量到的范围和所决定的椭圆交点，确定移动端的 位置。范围和是指信号从移动端到两个接收端的t o a 之和所决定的范围。假设信 号从移动端到第i 个和第j 个接收端的t o a 分别为正和l ；则它们的范围和 曷= q = c 坯+ 乃j = 置+ 弓 ( 2 - 3 ) ( 2 3 ) 式中，c 是信号传播速度，是信号从移动端到第i 个和第j 个接收端 的t o a 之和，将( 2 - 2 ) 式代人( 2 3 ) 式，得出 毛= 瓜i 矿雨了陌历f + 瓜i 万而j f 盱f ( 2 - 4 ) ( 2 - 4 ) 式中，e ，z j ) 、，巧，z j ) 分别是第i 个和第j 个接收端的坐 标，r ，z ) 是移动端的位置。( 2 - 4 ) 式实际上定义了一个以第i 个和第j 个接 收端的坐标五，z j 、，巧，乙j 为焦点的椭圆体。而移动端位于这个椭 圆体的球面上。移动端的位置可由3 个以上这样的椭圆体的交点确定，冗余的范 围和信息( 对应于3 个以上的椭圆体) 可提高定位精度和消除位置模糊性。在二维 情况下，椭圆体退化为椭圆，其定位过程如图2 3 所示。 椭圆定位系统的优点在于需定位的移动端不需要有精确的系统时钟信息。在 实际操作中，可令一基站发送一测试信号到移动端，移动端接到信号后，立即将 其发送给另一基站。若己知移动端从接收到发送测试信号之间所需的时间，且两 个基站都与g p s 时闻严格同步，则可估出两基站的范围和。同时得到3 个以上的范 围和后，即可用椭圆定位系统估计出移动端的位置。 r l + ( r 2 + d 1 2 ) 图2 - 3 椭圆二维定位系统 f i 9 2 - 3t w o - d i m e n s i o n a le l l i p s el o c a l i z a t i o ns y s t e m 第2 章无线三维定位紧急呼叫系统的相关理论 3 、双曲面定位系统 双曲面定位系统通过找出由一系列范围差决定的多个双曲面的交点，确定移动 端的位置。范围差是指信号从移动端到两个接收端的t o a 的差值( t d o a ， t t m e , - d i f e r e n c , e - - - - o f - a r d v a l ) 决定的范围。假使移动端信号在第i 个和莉个接收端 的t o a 分别为z 和l ；，则它们的范围差为 岛= = c 亿一乃j = 墨一q ( 2 - 5 ) ( 2 - 5 ) 式中，c 为信号传播速度，t 为第i 个和莉个接收端的t d o a ，将( 2 - 2 ) 式代人( 2 5 ) 式，得出 毛= 抠i 矿而j f 百可一瓶i 下雨j f 盱f ( 2 - 6 ) ( 2 - 6 ) 式q e ，z ，z ，j 、l 以，巧，z j ) 分别是第i 个和鳓个接收端的坐标， ，y ，z ) 是移动端的位置。( 2 - 6 ) 式实际上定义了一个以第i 个和莉个接收端 的坐标，z ，z ，) 、，巧，z j ) 为焦点的双曲面，移动端位于这个双曲面上。 移动端的位置可由3 个以上这种双曲面的交点确定，对应于3 个以上的双曲面，冗 余的范围差信息可通过用l s 或m l 方法来提高定精度和消除位置模糊性。在二维 情况下，双曲面退化为双曲线，其定位过程如图2 4 所示。 双曲面定位系统的优点在于它不需要知道信号从移动源点到接收端的传输 时间o o a 信息) ，因而它不要求移动端与接收端之间严格同步。它的实现不需要 在移动端( 如手机) 中增加额外的硬件或软件设施，只要求接收端时间同步，非常 适用于实际通信系统。 r 2 - r l 移 动 源 点 鼍 图2 4 双曲线二维定位系统 f i 9 2 - 4t w o - - d i m e m i o n a lh y p e r b o l a1 删0 1 1s y 咖* m 2 2 3 范围定位系统的主要误差源 影响范围定位系统估测的误差源主要有3 个：电波多径传播、非视线( n l o s ) 传播和多址干扰。 在城市和山区等环境中，多径传播普遍存在。接收端收到的信号经过反射、 散射和漫射等，形成多径支路会造成多径干扰。严重的多径干扰会使传统接收 机难以甚至无法将信号的各支路分离，从而无法对信号的t o a 或t o o a 进行估 测，或严重影响t o a 或t d o a 的估测精度，进而使定位系统的精度降低。 在城市和山区等环境中，n l o s 传播同样普遍存在。在大城市中，高楼大厦 林立，移动终端用户的收发信号很可能无法直接到达基站，即移动端与基站之间 很可能是n l o s 路程若移动终端与基站之间不是视线路径( l o s ) ，其路径距离 必然比直接路径长，则( 2 - 2 ) 、( 2 4 ) 、( 2 妨式的等号不成立，或者说n io s 传播给 这些等式引人了一个不可忽略的正误差。因此，当n l o s 传播严重时，它所引起 的定位误差可能是不可容忍的。 2 3 如巳e e 8 0 2 3 以太网帧结构 本系统数据帧结构参考1 e e e8 0 2 3 以太网帧结构组建，以太网的基本帧结 构如表2 1 所示俐。 表2 - 1 也e b8 0 2 3 以太网帧结构 t a b l e 2 - 1i e e e8 0 2 3e t h e m e tf r a m ec a n 妇釜础出 5 6 b i t s8 b i t s4 8 b i t s4 8b i t s1 6 b i t s 4 6 t o1 5 0 0 b y t e 3 2 b i b 前同起始帧个体，全局，目的源地址长度l l c ，数据帧校 步信定界符组地局部管地址或验序 号 ( s f d )址位 理地址类型列 位 l 、前同步信号 前同步信号一般分为两个部分，由7 个字节的前同步信号和1 个字节的“起 始帧定界符( s f d ) 7 构成。前同步信号由交替的0 和l 组成；起始帧定界符的 最后两位是。l ，l ” 2 、目的地址 帧的第二个字段是目的地址字段每个以太网接口都分配了一个唯一的4 8 位地址，即接口的物理地址或者说是硬件地址。目的地址字段所包含的铝位以 太网地址对应着帧的目的站点的接口地址。连在网络上的各个以太网接口在读入 被传送的帧时至少要读到目的地址字段。如果目的地址和接口本身的以太网地址 不匹配，或者与接口设置的标准多播或广播地址不匹配，则接口就可以忽略帧的 其余内容。 地址的第一位用来区别物理地址和多播地址。如果第一位为0 ，则地址是某 个接口的物理地址，又叫单播地址，因为发给这个地址的帧只会到达一个目的地。 如果地址的第一位为1 ，则帧被送往一个多播地址。 地址的第二位用来区别局部或全局管理的地址。如果地址的第二位为0 ，则 表示是全局管理的地址；为l 表示是局部管理的地址。 3 、源地址 帧中的第三个字段是源地址，这是发出帧的接口的物理地址。 4 、类型字段和长度字段 以太网帧中的第四个字段是类型字段和长度字段。字段中的十六进制值表示 的是字段使用的方式。如果这个字段中的值小于或等于最大帧尺寸1 5 1 8 ( 十进 制) ，则字段作为长度字段使用，从而字段中的值表示的是帧的数据字段中逻辑 链路控制l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 数据的个数。 如果这个字段中的值大于或等于十进制数1 5 3 6 ( 十六进制为o x 6 0 0 ) ，则字 段被作为类型字段，字段中的十六进制标识符用来标识数据字段所携带的数据的 协议类型。 5 、数据字段 i e e e8 0 2 3 帧对数据字段长度的要求是：最少为4 6 字节，最多1 5 0 0 字节。 6 、帧校验序列f s c 字段 帧中最后一个字段是帧校验序列f c s ( f r a m ec h e c ks e q u e n c e ) 字段。这个 3 2 位字段包含的值用来检验帧字段中数据位的完整性( 不包括前同步信号 s f d ) 。这个值是通过循环冗余检验( c r c ) 方法计算出来的。 接收站点中的接口在读入帧时再计算一次c r c 值，然后将计算的结果和发 送站点发送的f c s 字段中的值比较，如果两个值相同，则接收站点认为在以太 网信道传递过程中没有发生错误。 2 4 0 s i 参考模型 开放系统互连参考模型是一个描述网络层次结构的模型；其标准保证了各种 类型网络技术的兼容性、互操作性。开放系统互连参考模型说明了信息在网络中 是如何传输的。它还说明各层在网络中的功能及它们的概念框架。 在o s i 参考模型中，计算机之间传送信息的问题被分成7 个较小的、更易 于管理的问题。把这七个更小的更易于管理的问题映射为不同的网络功能叫分 层。模型中的每一层都解决一个不同的问题。o s i 参考模型采用了如图2 - 5 所示 的7 个层次的体系结构，从底层向高层分别为： 1 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) ：这一层标准化了连接在物理介质上的数据链路 的电子、机械部件标准和功能控制。 北京工业大学理学硕士学位论文 2 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) ：通过单个链路建立站点之间的通信这 一层的工作包括发送和接收帧，识别链路地址等 3 周络层( n e t w o r kl a y e r ) ：在一个由多个数据链路组成的网络互连中建立 站到站的通信。建立计算机之间由多个链路交换数据的更高层的功能和 过程。本层提供了对其下面两层的一定程度的独立操作。模型在这一层 上的标准描述的是以太网上传送的