（信号与信息处理专业论文）蜂窝网络中移动台定位算法研究.pdf

南京邮电火学博i ：研究生学位论文摘要 摘要 随着美国联邦通信委员会于1 9 9 6 年提出要求各种无线蜂窝网络对发出e 9 1 l 紧急呼 叫的移动台提供满足一定精度要求的定位服务以来，无线网络定位技术一直弓i 起广泛的关 注。利用无线定位技术除了可以为移动用户提供安全保障外，还可用于通信网络的资源管 理，系统优化设计，实行灵活收费，提供与位置有关的信息服务，以及快速破获利用移动 电话进行经济欺诈。对犯罪分子进行追踪等领域。本文针对蜂窝网络中的无线定位这热 点，以非视距( n l o s ) 环境下的基于信号到达时间差( t d o a ) 的定位算法，基于信号到达时 间( t o a ) 的定位算法、基于信号到达时间差到达角度( t d o a j a o a ) $ 1 基于信号到达时间 到达角( t o a a o a ) 的混合定位算法为重点，进行了深入地研究。 在对t d o a 定位算法的研究中，以往的算法只考虑l o s 环境下的系统测量误差，而 在n l o s 环境下定位精度将大大下降，本文对一种现有的t d o a 定位算法进行了改进，改 进算法考虑了n l o s 误差的统计特性，对n l o s 误差进行了抑制，提高了算法的定位精度。 并在此基础上，提出了一种基于t a y l o r 级数展开法的t d o a 定位算法，使定位精度得到进 一步提高。 在对t o a 定位算法的研究中，针对一种现有的t o a 定位算法在计算过程中需要进行 大量矩阵相乘和求逆运算的缺点，利用递推最小二乘法( r l s ) 对其行改进，改进后的算法 具有和原算法相同的性能，但克服了原算法计算量大的缺点，提高了定位效率和实时性。 本文通过对k a l m a n 滤波算法的分析，得至i j 在不知道n l o s 噪声方差准确值的条件下，可 以通过增加滤波长度来保证算法的准确性的结论在此基础上根据n l o s 误差的统计模型 提出了两种新的n l o s 误差消除和定位算法。第一种误差消除方法利用n l o s 误差均值与 t o a 距离真实值的关系，得到一个以t o a 距离为变量的一元二次方程，解方程可以得到 t o a 距离的估计：第二种n l o s 误差消除方法将t o a 距离的k a l m a n 滤波值与对应误差 的关系曲线作为先验信息，在得到t o a 距离的k a l m a n 滤波值后，根据先验信息可以求得 对应的误差，对t o a 距离进行修正，消除了n l o s 误差的影响。在此基础上，分别提出 了一种基于最小二乘( l s ) 和最优化方法的定位算法，取得了较好的结果。 在对混合定位算法的研究中。利用对t d o a 测量值中的n l o s 误差消除方法，对一 种t d o a a o a 定位算法进行了改进，有效提高了算法的性能。但是这一改进算法的定位 误差对a o a 系统测量误差方差较敏感，需要两步加权最小二乘( w l s ) 运算，且结果具有模 糊性的缺点。因此，本文提出了一种新的t d o a o a 定位算法，算法利用k a l m a n 滤波算 i 南京邮电人学博l ：研究生学位论文摘要 法对a o a 的值进行估计，并将非线性方程转化为线性方程，减少了未知变量的个数，减 少厂汁钟：硅j i = lj - ( j 唯解。本文还将此算法推广至几何结构的单次反射圆模型下，推导了 该模型卜7 f d o a 测量值中n l o s 误差均值与方差的表达式，验证了算法的性能。某些算法 采用两步w l s 运算是由于在第一次w l s 运算中没有考虑到未知变量之间的相关性，故而 需要进行第二次w l s 运算，本文将未知变量之间的相关性作为约束条件，提出了一种基 于带约束条件最小二乘的t o a a o a 定位算法，并与两步w l s 的t o a a o a 算法进行了 性能对比，在不同条件下该算法的定位精度相近或优于两步w l s 的t o 刖a o a 算法，并 具有更高的可靠性。 关键词定化，剑达时i 、i i j ，到达时i 日j 差，到达角，非视距，几何结构的单次反射圆模型 i l a b s t r a c t w i r e l e s sl o c a t i o nh a sr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o no v e rt h ep a s ty e a r sd u et ot h eu n i t e d s t a t e sf e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n s ( f c c ) 19 9 6r e p o r ta n do r d e r t h ef c cm a n d a t e r e q u i r e st h a ta l lw i r e l e s ss e r v i c ep r o v i d e r sb a s e do nc e l l u l a rs y s t e m sm u s tp r o v i d el o c a t i o n i n f o r m a t i o nf o re n c h a n t e d 911 ( e - 911 ) s a f e t ys e r v i c e s 诫也c e r t a i na c c u r a c y i na d d i t i o nt o s e c u r i t ys e r v i c et h ew i r e l e s sl o c a t i o nc a l lb ea l s oa p p l i e dt on e t w o r kr e s o u r c em a n a g e m e n t ， s y s t e m d e s i g no p t i m i z a t i o n ，l o c a t i o n s e n s i t i v eb i l l i n g ，l o c a t i o n c o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o ns e r v i c e ， c e l l u l a rp h o n ef r a u da n dc r i m i n a ld e t e c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er e s e a r c he m p h a s e sa r ep u to n t h el o c a t i o na l g o r i t h m su n d e rn o n l i n e - o f - s i g h tf n l o s ) e n v i r o n m e n ti n c l u d i n gt h ea l g o r i t h m s b a s e do nt h et i m e d i f f e r e n c e o f - a r r i v a l ( t d o a ) ，t h et i m e o f - a r r i v a l ( t o a ) ，t h et i m e d i f f e r e n c eo fa r r i v a l a n g l eo fa r r i v a l ( t d o a a o a ) a n dt h et i m eo fa r r i v a l a n g l eo fa r r i v a l ( t o a a o a ) m a n ye x i s t i n gt d o al o c a t i o na l g o r i t h m st a k eo n l ys y s t e mm e a s u r e m e n te r r o ri n t o c o n s i d e r a t i o ni nl o se n v i r o n m e n t b u ti nn l o se n v i r o n m e n t ，t h e i rl o c a t i o na c c u r a c yd e g r a d e s g r e a t l y t h i sd i s s e r t a t i o nm o d i f i e sa l le x i s t i n gt d o al o c a t i o na l g o r i t h m i nt h em o d i f i e d a l g o r i t h m ，t h es t a t i s t i c a lp r o p e r t yo f n l o se r r o ri st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o na n dr e s t r a i n e da n d t h el o c a t i o na c c u r a c yi si m p r o v e d o nt h i sb a s i s ，t h et d o al o c a t i o na l g o r i t h m sp e r f o r m a n c ei s f u r t h e ri m p r o v e db yu s i n gt a y l o rs e r i e se x p a n s i o nm e t h o d i nt h er e s e a r c ho nt o al o c a t i o na l g o r i t h m ，a l le x i s t i n go n en e e d sm u c ho p e r a t i o no fm a t r i x m u l t i p l i c a t i o na n di n v e r s e t h i sd i s s e r t a t i o nm o d i f i e st h i sa l g o r i t h mb yu s i n gr e c u r s i v el e a s t s q u a r e ( r l s ) m e t h o d t h em o d i f i e da l g o r i t h mh a st h es a m ep e r f o r m a n c e ，l e s sc o m p u t i n g a m o u n t ，m o r ee f f i c i e n c ya n dr e a lt i m ee f f e c tc o m p a r e dw i t ht h eu n m o d i f i e d b ya n a l y z i n gt h e k a l m a nf i l t e r i n ga l g o r i t h m ，t h ec o n c l u s i o nh a sb e e no b t a i n e dt h a ti ft h ee x a c tv a r i a n c eo ft h e n l o se r r o ri su n k n o w n ，t h ea l g o r i t h mc o u l dh a v et h es a m er e s u l tb yi n c r e a s i n gt h el e n g t ho ft h e f i l t e r e dd a t a 。a c c o r d i n gt ot h i sc o n c l u s i o na n dt h es t a t i s t i c a lm o d e lo fn l o se r r o r , t w on e w n l o se r r o re l i m i n a t i o na n dl o c a t i o na l g o r i t h m sa r ep r o p o s e d t h ef i r s tn l o se r r o re l i m i n a t i o n a l g o r i t h md e d u c e saq u a d r a t i ce q u a t i o nw i t ht h eu n k n o w nv a r i a b l et o ad i s t a n c ei nt h el i g h to f t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e a no fn l o se r r o ra n dt h ee x a c tv a l u eo ft h et o a t h er o o to f t h ee q u a t i o ni st h ee s t i m a t i o no ft o ad i s t a n c e t h es e c o n dn l o se r r o re l i m i n a t i o na l g o r i t h m 1 i i 南京邮电大学博i ? 研究生学位论文 摘要 r e g a r d st h ec u r v et h a tr e p r e s e n t st h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef i l t e r e dt o a d i s t a n c e a n dt h ec o r r e s p o n d i n ge r r o ra st h eap r i o di n f o r m a t i o n t h ec o r r e s p o n d i n ge r r o rc o u l db e o b t a i n e da n db eu s e dt oc o r r e c tt h em e a s u r e m e n t so ft o ad i s t a n c ei nt h el i g h to ft h ea p d o d i n f o r m a t i o na n dt h ef i l t e r e dt o ad i s t a n c e a f t e rd i m i n a t i n gt h en l o se r r o r , t w ol o c a t i o n a l g o r i t h m sb a s e do nl sa n do p t i m i z a t i o na r ep r o p o s e dw i t hb e t t e rp e r f o r m a n c e i nt h er e s e a r c ho nt h eh y b r i dl o c a t i o na l g o r i t h m ，a ne x i s t i n gt d o a a o al o c a t i o na l g o r i t h r ni s m o d i f i e du s i n gt h em e t h o dc o r r e c t st d o aa n di m p r o v e si t s p e r f o r m a n c e b u tt h em o d i f i e d a l g o r i t h mi s s e n s i t i v et ot h ev a r i a n c eo fa o aa n dn e e d st w o s t e pw l sa n dt h er e s u l ti s a m b i g u o u s 。t oo v e r c o m et h e s es h o r t c o m i n g s ，an e wt d o a a o a l o c a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e d i te s t i m a t e st h ea o a b yu s i n gk a l m a nf i l t e ra n dc o n v e r t st h eu n l i n e a re q u a t i o n si n t ol i n e a ro n e s t h ea l g o r i t h mr e d u c e st h en u m b e ro ft h eu n k n o w nv a r i a b l e sa n do b t a i n st h eo n l yr e s u l tn e e d i n g o n e s t e pw l s t h i sa l g o r i t h mi sa p p l i e dt og e o m e t r i c a l l yb a s e ds i n g l eb o u n c ec i r c u l a rm o d e l ( g b s b c m ) a n dt h ef o r m u l a eo ft h em e a na n dt h ev a r i a n c eo fn l o se r r o ra r ed e d u c e d t h e a l g o r i t h m sp e r f o r m a n c ei st e s t i f i e du n d e rg b s b c m s o m ea l g o r i t h m so p e r a t et w o - s t e pw l s b e c a u s et h e ya r er e g a r d l e s so ft h ec o e l a t i o na m o n gt h eu n k n o w nv a r i a b l e si nt h ef i r s ts t e pw l s s ot h e ym u s tt oo p e r a t ew l st w i c e t h i sd i s s e r t a t i o np r o p o s e sat o a a o al o c m i o n a l g o r i t h m b a s e do nr e s t r i c t e dl sa n dt r e a t st h ec o r r e l a t i o na sr e s t r i c t e dc o n d i t i o n t h ep e r f o r m a n c eo ft h e p r o p o s e dt o a a o aa l g o r i t h mi sc o m p a r e d “mt h a to ft h ea l g o r i t h mb a s e do nt w o - s t e pw l s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h ea c c u r a c yo ft h ep r o p o s e da l g o r i t h mi sa p p r o x i m a t eo fs u p e r i o r t ot h a to ft h et w o s t e pw l sa l g o r i t h ma n dh a sh i g h e rr e l i a b i l i t yu n d e rd i f f e r e n te n v i r o n m e n t k e yw o r d s l o c a t i o n ，t i m eo f a r r i v a l ( t o a ) ，t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l ( t d o a ) ，a n g l eo fa r r i v a l ( a o a ) , n o n l i n eo f s i g h t ( n l o s ) g e o m e t r i c a l l y b a s e ds i n g l eb o u n c ec i r c u l a rm o d e l ( g b s b c m ) i v 南京邮电火学博一i ：研究生学位论文 缩略语表 缩略语 a o a a m p s a v l b s c d f c d m a c e p c n c r l b e o t d f c c g b s b c m g d o p g p s g s m i t s l s l c f l m u l o s l s c f l s o f m 乙c m s m s e n l o s 缩略语表 英文含义 a n g l eo fa r r i v a l a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m a u t o m a t i cv e h i c l el o c a t i o n b a s es t a t i o n c u m u l a t ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c i r c u l a re r r o rp r o b a b i l i t y c o r en e t w o r k c r a m e r - r a ol o w e rb o u n d e n h a n c e do b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c e f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n 中文含义 到达角 先进移动电话系统 自动车辆定位 基站 累积分布函数 码分多址 圆概率误差 核心网 克拉美一罗下界 增强观测时间差 联邦通信委员会 g e o m e t r i c a l l yb a s e ds i n g l eb o u n c ec i r c u l a rm o d e l几何结构的单次反射圆模型 g e o m e t r i cd i l u t i o no fp r e c i s i o n g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l e i n t e lli g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m l e a s ts q u a r e l o c a t i o nc l i e n tf u n c t i o n l o c a t i o nm e a s u r e m e n tu n i t l i n eo f s i g h t l o c a t i o ns y s t e mc o n t r o lf u n c t i o n l o c a t i o ns y s t e mo p e r a t i o nf u n c t i o n m o b i l el o c a t i o nc e n t r e m o b i l es t a t i o n m e a ns q u a r ee r r o r n o nl i n eo fs i g h t 1 0 2 几何精度因子 全球定位系统 全球移动通信系统 智能运输系统 最d , - 乘法 定位客户功能 定位测量单元 视距 定位系统控制功能 定位系统操作功能 移动定位中心 移动台 均方误差 非视距 南京邮电人学博+ ：研究生学位论文 缩略语表 o t do b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c e 观测时间差 o t d o a i p d lo b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l - i d l ep e r i o d下行链路空闲周期到达时间差 d o w n l i n k p c f p c s p s m f p 刚【洲 r l s r m s e r n c s r n c s s o a 弼 t d o a t o a u e u m t s u t r a n w l s w c d m a 3 g p p p o s i t i o nc a l c u l a t i o nf u n c t i o n p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s p o s i t i o n i n gs i g n a lm e 丛u m m e mf u n c t i o n p o s i t i o n i n gr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t r e c u r s i v el e a s ts q u a r e r o o tm e a ns q u a r ee r r o r r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r s e r v i n gr a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r s i g n a ls t r e n g t ho f a r r i v a l t i m ea d v a n c e t i m ed i f r e r e n c eo f a r r i v a l t i m eo f a r r i v a l u s e re q u i p m e n t u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k w e i g b t e dl e a s ts q u a r e w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 3 啊g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 1 0 3 位置计算功能 个入通信服务 定位信号测量功能 定位无线资源管理 递归最小二乘法 均方根误差 无线网络控制器 服务无线网络控制器 信号到达强度 时闻提前量 到达时间差 到达时间 用户设备 全球移动电信系统 全球大陆无线接入网 加权最小二乘法 宽带码分多址 第三代合作计划 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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i i i l i 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 含为获得南京邮电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。 研究生橼熟益坠至蹶 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：瞰导师签名：；迄兰至日期： 南京邮电大学博士研究生学位论文 第一章绪论 第一章绪论 无线定位技术起源于无线电导航技术，在其发展的过程中由专门服务于飞机、船舶这 样的少数特殊用户逐渐进入城市交通和运输领域，应用范围的不断扩大反过来又对无线定 位提出了新的技术要求。随着蜂窝网络移动通信技术的迅速发展，为无线定位技术注入了 新的活力，移动通信与定位技术的结合，为移动用户提供了一种新的服务，并且显示出了 巨大的市场潜力和应用前景，但是蜂窝移动通信系统并不是专为定位服务而设计的，利用 移动通信技术进行无线定位有很多难点和限制，因此研究蜂窝网络无线定位技术，既具有 理论意义也具有实用价值。 1 1 移动台定位技术的发展概况 无线定位是指用户利用无线接收机根据接收到的无线电发射台发射信号的频率、相 位、时闻等参数的变化，通过特定的方法来计算自身在某一参考坐标系下所处平面或空间 的位置。人们对无线定位应用的兴趣可以追溯到二战前期，这以后几十年，开发了若干种 定位系统并投入了使用，这些系统包括，罗兰( l o r a n ) ，即脉冲双曲线导航系统，目前已 有罗兰a ，b ，c ，d 四种；后来又有台卡( d e c c a ) ，即一种中近程、低频、相位双曲线导 航系统；以及欧米伽( o m e g a ) 导航系统f 1 h 7 j 。这些定位系统为了保证有足够的使用距离和 覆盖范围，将发射台要设置于空旷的地区、高山或海岸的高处。这几个系统主要应用于航 海和航空。给航行中的飞机和船舶提供位置信息，他们给航海定位和航空定位带来许多方 便，并且目前仍在使用。定位系统必须同时考虑作用距离和定位精度两个因素，因此多数 情况下只能进行某种程度的折衷，微波系统能够提供最高达l 米的定位精度，但其只能工 作在视距条件下( 1 i n e o f - s i g h t 即l o s ) ；超高频( u h f ) 至中频( m f ) 系统拥有较高的定位精度， 般在数十米左右，其作用范围约为4 0 0 千米：低频( l f ) 系统的作用范围要略大一些，但 其定位精度下降至5 0 米以上：甚低频系统的作用范围达数千千米，其定位精度也最差， 约在数千米左右。具体来说，罗兰a 为中远程系统，定位精度为0 9 5 4 千米；罗兰c 为 远程系统，工作距离超过1 8 5 0 千米，定位精度在几十至几百米；台卡为中近程的无线电 导航系统，定位精度较高，为几十米；奥米伽全球系统，定位精度较低，为3 6 7 2 千米。 二十世纪六十年代后，无线定位的应用逐渐由主要为飞机和船舶导航扩展到其他领域，如 自动车辆定位( a v l ) 、智能运输系统( i t s ) t 8 】等方面。它在公共交通管理、货物运输以及出 南京邮i 乜人学博i ? 研究生学位论文第一章结论 租车管理中等到广泛应用。但是这些系统的发射台在很多情况下会受到地形和地球曲面的 影响，无法满足一些特定用户对高定位精度的要求，并且在很多地方存在覆盖盲区，例如 两极以及内陆的山区和沙漠，在此区域内无法接收到定位信号。随着人造卫星技术的快速 发展，卫星导航系统应运而生。卫星导航系统由导航卫星、地面站和卫星导航定位设备三 部分组成。卫星导航按定位方法可分为：测距离、测距离差、测多普勒频移等类型。在定 位原理上，这种系统与其它无线电导航系统一样，导航卫星相当于地面上的导航台的作用， 同时增设一套用来观测、预报和控制卫星的地面设施。通过用户和卫星之间的电波测定， 求出用户相对卫星的位置，再根据已知的由地面站测得的卫星相对于地面的位置加以计 算，从而求得用户的地理坐标。目前，世界上投入使用的卫星导航系统，有美国海军导航 卫星系统f n n s s ) 、全球定位系统( g p s ) 以及前苏联的全球导航卫星系统( g l o n a s s ) 、予午 仪卫星甘航系统( t r a n s i t ) ，中国的北斗一代双星定位实验系统，欧洲的伽利略( g a l i l e o ) 定位系统也进入试验阶段。卫星导航的优点是：全球、全天候导航，基本不存在上述导航 系统的覆盖盲区，并且在不同的区域可获相同精度的定位服务：定位精确度高，g p s 系统 的民用定位服务人为的加入了误差。根据不同的服务等级可以提供几十米至一百米的精 度，军用服务则能够提供米一级的定位精度；而将来投入使用的伽利略系统更是能为民用 服务提供米一级的定位精度。同时卫星定位系统便于综合利用，把通信、交通管制、气象 服务、海难救助等综合于一个卫星来完成。 尽管上述定位系统有的已使用多年，技术成熟，有的技术先进，定位精度高，系统理 论上可以容纳无限多的用户等等，但也有着其自身无法克服的缺点。比如这些系统都需要 配备专用的接收设备，对于一些用户来说接收设备的费用过于昂贵。并且某些系统主要是 服务于飞机和船舶，对某些用户的定位需求并不合适：卫星定位系统虽然定位精度高，可 以满足绝大多数用户对定位精度的要求，但是也有其局限性，以目前应用最广的g p s 系统 为例：第一，在首次定位时可能要求多达几分钟的时间才能定位，这对于某些紧急情况是 难以容忍的；第二，完成一次定位过程需要同时接收到四颗卫星的信号，这在高楼密集的 市区及室内，森林及山谷内多数情况下难以做到；第三，用户只能对自身进行定位，系统 无法得知用户的位置，如有需要只能利用额外的无线或有线通信方式将位置信息传送到控 制中心，定位的主动权掌握在用户手中，除非用户同意，否则无法利用无线定位系统对用 户进行追踪。 ， 由于以上的原因，以及人们对智能运输系统的需要，对无线定位技术有了新的要求， 人们希望有这样一种定位系统，它可以利用现有的商用无线电发射台( 非定位专用) ，便宜 的接收终端和服务价格。并且已经开发出这样的技术，它利用商用调频( f m ) 广播电台的信 2 南京邮电人学博i ：l i j d f 生学位论文第一章绪论 号，在其中插入导频信号，设置一个类似于差分g p s 系统那样的参考位置，根据三角定位 原理对移动台进行定位【9 】。上世纪八十年代以来；随着蜂窝移动通信的发展利用移动通信 网络为用户提供一种廉价而有效的定位服务则成为一种可能。早在1 9 7 7 年，s r i t e r t 和j m c c o y 就研究了通过测量信号在若干基站和移动台之间的往返传播时间来估计移动台和 几个基站之间的距离【l0 1 ，或者通过测量信号到达基站的角度来估计移动台的位置。随后 w w s m i t h 研究了在先进移动电话系统( a m p s ) 中如何通过测量信号的强度，载波相位以 及通过安放在基站阵列天线上的干涉仪测量出的移动台发射信号到达基站的角度来估计 移动台的位置【l 。美国在1 9 9 1 年开始实施的智能运输系统通信标准中提出了利用移动通 信网络提供定位服务的要求，为了改善针对移动用户的公共安全服务质量，1 9 9 6 年，美联 邦通信委员( f c c ) f 式将提供用户的位置信息正式列为9 l l 急救业务的必备要求【1 2 】。【1 4 】，并 要求在2 0 0 1 年1 0 月前各种无线蜂窝网络必须能对发出的e 9 1 l 紧急呼叫的移动台提供定 位服务，且精度在1 2 5 米以内的概率不低于6 7 ，在2 0 0 1 年以后提供更高的定位精度与 三维位置信息。该委员会于1 9 9 8 年1 9 9 9 年两次对标准进行了修改与补充，在1 9 9 8 年提 出了定位精度在4 0 0 米以内的概率不低于9 0 的要求，在1 9 9 9 年1 2 月f c c 9 9 2 4 5 将e 一9 l l 的需求作了进一步的修改和细化，它不仅为网络设备和手机生产商、网络运营商等对定位 技术在网络设备和手机中的实施和支持提出了明确要求和目标安排【i 引，而且定位的类型不 同，对定位的精度做出了更为明确的规定：要求基于蜂窝网络的定位服务( 不改动终端) ， 定位精度在1 0 0 米以内的概率不低于6 7 ，在3 0 0 米以内的概率不低于9 5 ；基于移动台 的定位服务( 可以对终端进行改动) ，要求定位精度在5 0 米以内的概率不低于6 7 ，在1 5 0 米以内的概率不低于9 5 t 1 6 】。利用蜂窝网络对移动台定位除了满足e 一9 l1 的紧急呼叫要求， 还可以提供多种增值业务，呈现出诱人的市场前景【17 j 。【2 n ，主要应用有： ( 1 ) 提供公共安全与紧急报警服务。在处于危险环境或车祸等情况下，求助者使用移动电 话拨打紧急求助电话，及时准确地确定求助者的位置，可以更为迅速的提供有效的救 援服务。也可为野外迷路者提供路径指引以及提供走失儿童的确切位置。 ( 2 ) 利用移动台的位置信息来增加系统性能、改进系统设计、对网络资源和q o s 进行更为 合理的调配与管理、调节系统容量、实行灵活收费。在小范围内对移动台进行位置跟 踪可以使得移动通信网络充分掌握区域内移动台的分布和状态，可以实施智能化的网 络资源分配，实现智能功率传输及智能化的越区切换【2 2 】- 【2 8 】；在大范围长时间内对移动 台进行位置跟踪可以对移动通信网络的部署提供非常有参考价值的数据。运营商根据 用户拨打移动电话时的位置距离电话的远近而实行不同的资费标准，可以鼓励用户更 多的使用移动电话，从而提高自身的竞争力。 3 南京邮l u 人学博i ：研究生学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 根据位置信息进行车辆和交通管理、提供旅游信息服务。利用移动终端提供的位置信 息实现合理的车辆调度、避免交通堵塞以及降低交通事故；运输公司通过对车辆位置 信息的掌握可以提高生产效率，节约运输成本；结合电子地图为外出旅行的人们提供 餐饮、住宿及交通方面的信息服务。 ( 4 ) 对犯罪嫌疑入及被盗车辆进行跟踪以及为快速破获利用移动电话进行的经济欺诈提供 可能。通过对犯罪嫌疑人的移动电话进行跟踪，及时掌握其位置，以利于对其进行随 时监控和及时抓捕，提高办案效率和节省经费，如果没有蜂窝网络定位系统，将很难 对其进行跟踪与抓捕。 自e 9 11 要求颁布以来，由于政府的强制性要求和市场利益的驱动，移动定位服务成 为了现代移动通信系统必须具备的一个基本功能【2 9 j 【3 l 】，3 g p p 和3 g p p 2 对定位要求的更加 具体化，促使国际上出现了对移动定位技术的研究热潮，并取得了丰硕的研究成果【3 2 】。【7 0 1 ， 许多通信公司、大学和研究机构均开始了此项技术的研究，特别是国外的主要大公司均就 g s m 、i s 9 5 和第三代移动通信系统等网络开始制定各自的实施方案。 1 2 移动台定位方案与技术概述 移动台的空间坐标是三维的，但在实际的应用中，绝大多数情况下，移动台的位置高 度与其到各基站的水平距离相比可忽略不计，因而现有的各种移动定位算法都是基于二维 平面坐标的，并且算法可以由二维坐标直接推广到三维坐标。在目前对移动台定位的需求 主要是在保证具有一定的精度和可靠性的条件下提供移动台的位置坐标，对于移动台的运 动速度和方向等信息还没有明确的要求。由于用户需要得到定位服务的场合主要集中在市 区，移动台多数处于低速运动状态，在短时间内位置坐标的改变不会太大，因此，只提供 移动台的位置信息是可以基本满足用户需求的。 定位功能的实施应充分利用蜂窝网络和g p s 等可以利用的资源，并尽可能少地影响网 络的原有功能和减少用户的支出成本。在蜂窝网络中，根据进行定位估计的主体的不同， 对移动台的无线定位方案分为以下三类：基于移动台的定位方案，基于蜂窝网络的定位方 案及g p s 辅助定位方案，与之对应的有以下几类定位系统： 1 2 1 基于网络的定位系统 基于网络的定位系统也称为反向链路定位系统，主要依靠移动通信系统中的基站( s s ) 检测移动台( m s ) 发射的信号，提取出与移动台位置相关的信息特征信息，并将此信息传送 4 南京邮电火学博一 二研究生学位论文 第一章绪论 到移动定位中心( m l c ) 进行处理，由位置计算功能 ( p c f ) 计算出移动台的估计位置，如图1 - 1 所示。 基于网络的定位方案主要有：蜂窝小区标识 ( c e l l i d ) 定位法，时间提前量( t a ) 定位法，到达时 间( t o a ) ，到达时制差( t d o a ) ，到达角度( a o a ) ， 及混合定位法等。 c e l l i d 定位法是最简单的一种它能被现有 蜂窝网络支持，并且终端和网络都无需作任何改 动。但是这种技术只能将移动台的位置确定在服务 小区的覆盖范围内，其定位精度由小区半径的大小 图1 - 1 基于网络的定位系统 决定，对于半径很小的微蜂窝，其定位误差尚能接受，若小区半径较大则此定位方法没有 实用价值。 在g s m 系统中，为了使移动台与服务基站在时间上同步，需要计算移动台到服务基 站之间的电波传播时间时间提前量( t a ) ，因此也可以利用t a 对移动台与基站之间的 距离进行估计，如果能测得移动台与相邻三个基站之间的t a ，则可以对移动台的位置进 行估计。 利用基站测量移动台信号的t o a 或信号到达一对基站的t d o a ，可以得到一组圆或 双曲线方程，方程的解即为移动台位置的估计值；如能够测得移动台信号到达基站的a o a ， 则可以确定移动台与基站连线的方程，只要有两个以上基站能够测得移动台信号的a o a 值，就可以对移动台的位置进行估计。 在基于网络的定位系统中，也可采用移动台辅助定位的方案，即在定位过程中由移动 台测量多个基站的发射信号并提取信号中与位置相关的信息，但对移动台本身并不具有位 置计算功能，而是将与位置相关的参数由空中接口传送回网络，由集成在网络中的m l c 中的p c f 模块计算移动台的位置。 1 2 2 基于移动台的定位系统 基于移动台的定位系统也称为自定位系统或前向链路系统，其定位过程是由移动台接 收到多个基站的发射信号，并提取出与位置相关的信息，再由移动台中集成