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基于嵌入式l i n u x 的手机定位系统的研究 摘要 随着第三代移动通信技术的1 s 速发展，基于蜂窝网络的移动端定位技术成 为了目前研究和应用的热点。同时，降低智能手机的生产成本这一需求使得采 用嵌入式l i n u x 成为当前研究的重要课题。本文对3 g 系统下的定位技术进行 了较为详尽的分析，对嵌入式l i n u x 平台进行了探讨，提出了一种基于m i n i g u i 的电子地图的设计方法，同时利用已有的定位方案，模拟实现了基于嵌入式 l i n u x 的手机定位系统。 本文的主要工作如下： 1 ) 介绍了3 g 的新技术，较为详尽地对摹本的定位技术和误差减小算法进行了 比较研究，同时对3 g 不同协议标准卜的定位技术进行了较为详细的分析比 较： 2 ) 结合手机定位系统的应用要求，采用g p s o n e 方案，选择适合的c d m a 定 位模块，在嵌入式l i n u x 系统平台下，搭建了手机定位系统的模拟平台， 同时实现了嵌入式l i n u x 下的串口通信； 3 ) 提出了一种基于m i n i g u l 的电子地图的设计方法，在研究地理坐标、位图 举标和屏幕坐标之间的对应关系的纂础上，实现地理坐标到位图坐标的转 换，位图屯标到屏幕坐标的转换，并在m i n i g u l 的基础七开发了手机定位 终端界面，实现了电子地图的显示，终端位置信息的获取以及路径规划导 航。 关键词：3 g无线定位嵌入式l i n u x电子地图栅格地图 r e s e a r c ho nm o b i l ep o s i t i o ns y s t e mb a s e do nl i n u x a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e3 r dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ， e s p e c i a l l y t h ec e l l u l a rc o m m u n i c a t i o n ，t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n a b o u t r a d i o l o c a t i o nb a s e do nn e t w o r kb e c o m eh i g h l i g h t e di nr e c e n ty e a r s a tt h es a m e t i m e ，d u et ot h ed e m a n do fr e d u c i n gt h ec o s to fs m a r tp h o n e ，e m b e d d e dl i n u x b e c o m e saf o c u su n d e rt h ec o m p l e xw i r e l e s se n v i r o n m e n t i nt h i s t h e s i s ，w e a n a l y s e dt h et h e o r ya n dm e t h o d si nt h i sf i e l di nd e t a i l s w ei n t r o d u c e dt h ed e s i g no f t h ed i g i t a lm a pb a s e do nm i n i g u l a n dap o s i t i o ns c h e m ew a sa l s or e a l i z e di no u r m o b i l ep o s i t i o ns y s t e mb a s e do ne m b e d d e dl i n u x t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i st h e s i sa r et h ef o l l o w i n g s ： f i r s t l y ，w e i n t r o d u c e dt h en e w t e c h n o l o g y o ft h e3 r d g e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o n ，a n dt h e na n a l y s e dp o s i t i o nl o c a t i o nt e c h n o l o g ya n da l g o r i t h m so f r e d u c i n ge r r o ra n dt h em e t h o d si nt h ed i f f e r e n tp r o t o c o l so ft h e3 r dg e n e r a t i o n c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nd e t a i l s s e c o n d l y ，c o m b i n e dw i t h t h ea p p l i c a t i o n so ft h em o b i l ep h o n ep o s i t i o n i n g s y s t e m ，w ea d o p t e dt h ef a m o u ss c h e m eo fg p s o n e ，s e l e c t i n gac d m am o d u l ew i t h t h ec a p a b i l i t yo fr a d i o l o c a t i o n ，c o r r e s p o n d i n g l y w ea l s ob u i l tam o b i l e p o s i t i o n s y s t e mw i t ht h ep o s i t i o n i n ga n dm o n i t o r i n gc a p a c i t y ，a n dp r o p o s e dt h ed e s i n go f l i n u xs e r i a lc o m m u n i c a t i o n t h i r d l y ，w ei n t r o d u c e dt h ed e s i g no fd i g i t a lm a pb a s e do nm i n i g u l ，a n dt h e n a n a l y s e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ng e o g r a p h i cc o o r d i n a t e b i t m a pc o o r d i n a t ea n d s c r e e nc o o r d i n a t ea n dr e a l i z e dt h et r a n s f o r m a t i o na m o n gt h e m t h e nw ed e v e l o p e d t h em o b i l et e r m i n a li n t e r f a c eb a s e do nm i n i g u l ，r e a l i z i n gt h ed i s p l a yo nl c do f d i g i t a lm a p a n da c c e s s i n gt e r m i n a lp o s i t i o ni n f o r m a t i o na n dp a t hp l a n n i n g k e y w o r d s ：3 gr a d i o l o c a t i o ne m b e d d e dl i n u x d i g i t a lm a p r a s t e rm a p 图2 1 图2 2 图2 3 表2 一l 图3 一l 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图4 一l 图4 2 表4 1 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 一1 0 图4 一l i 图4 一1 2 图4 一1 3 图4 1 4 图4 15 图4 一1 6 图4 一1 7 图表目录 t o a 圆周定位示意图1 2 t d o a 双曲线定位示意图1 3 a o a 定位图一14 3 g 不同标准下的定位比较2 2 手机定位系统结构2 4 d t g s - - 8 0 0 硬件结构2 6 终端系统结构框图2 6 软件流程图2 7 v m w a r e 虚拟机2 8 串口操作流程图3 2 m i n i g u l 的分层结构3 5 图形用户界面系统3 6 m i n i g u l t h r e a d s 和m i n i g u l l i t e 的比较3 9 位图坐标和地理坐标映射原理图4 l 屏幕坐标图4 2 屏幕坐标转换图4 3 子菜单的设计截图4 6 m i n i g u l 界面开发流程4 7 系统终端实物图4 8 基于m i n i g u i 实现的电子地图4 8 移动后的地图显示一4 9 显示子菜单的电子地图4 9 2 级地图显示5 0 3 级地图显示5 0 道路网络图5 2 最短路径选择计算简化图( 单位：公罩) 5 2 本系统实现的位置定位5 3 本系统实现的路径导航5 3 独创性声明 本人声明所节交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知。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 金鲤些厶堂 或其他教育机构的学位或 证f 5 而使圳过的材料。与我一同1 ：作的同占对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明j t 表示谢意。 学 i ) = 论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学f 苛论文作者完全了解盒壁：些厶堂有关保留、使朋学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部fj 或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒壁l 些厶翌可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 j j 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学侍论文住解密后适用本授权忙) 学位论文作者签名 签字日期：厮i 6 月沪日 学位论文竹者毕业后去向： ，j 作单俺： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 光l 硼往苒，岁月如梭，近三年的研究生生涯行将结束，衷心地感c 射我的导 师鲁吕# 教授。硕士在读期日j ，无论是学习上、思想上，导师给予了我无微不 至的关怀和学术上的指导与传授。这一段历程将成为我人生走向成熟的e 要阶 段。鲁老师以渊博的知识、丰富的实践经验、严谨的治学和开朗的生活态度深 深地感染了我，激励着我克服困难、永远向前，使我在学业上受益匪浅。朝夕 相处中，耳濡目染间，从导师的身上明白了许多待人接物与为人处世的道理， 这将会对我今后的人生之旅产生深远的影响。本篇论文也是在导师的精心指导 和亲切天怀f 完成的。 i 可时我要特别感谢智能测试实验室的李艳红，蔡磊，汪济洲，张军，冯晓 童所给卜的帮助，我从他们身上学到了很多优秀的东西。 最后我要感谢我的父母和家人，多年来他们含辛茹苦，一直默默地支持、 鼓励和关汴着我的学业，并对我的人生道路加以指引，他们是我坚实的后盾! 作者：禁蕾 2 0 0 7 年6 月 1 1 研究背景 第一章引言 移动电话作为 1 前移动社会的核心，具有小巧，便携以及闩益增长的需求 等特点【l i 。而无线定位技术是指在蜂窝小区内获得移动用户的位置信息，它是 未来蜂窝系统的一个重要公共安全特征i l i 。无线电定位主要用于导航定位系统 中，主要有罗兰一c ( l o r a n c ) ，奥米自l ( o m e g a ) ，雷达( r a d a r ) ，全球卫星导航定位系 统等。近年来，移动通信系统的蜂窝网技术屯速发展，而利用蜂窝网络中的定 位技术显得f i 益霉要。如今大部分e 9 1 l 的紧急呼叫都是来自移动电话【1 , 2 】，然 而，这些无线e 9 1 l 呼叫并没有像固定网络e 一9 l l 呼叫那样得到同样的紧急援 助，主要是因为无线e 9 l l 呼叫位置的不确定性。为了解决这个问题，美国联 邦通信委员会( f c c ) i1 9 9 6 年公布了e 9 1 l 的定位需求，要求无线服务商能够 准确地向e 9 l l 提供移动台的位置信息，在2 0 0 1 年1 0 月前定位服务精度在1 0 0 米之内的概率达到至少6 7 ，在3 0 0 米之内的概率至少达到9 5 t “。美国f c c 的这一规定明确了提供e 9 l l 定位服务是今后各种蜂窝网络，特别是3 g 网络 必备的基本功能1 1 2 3 , 4 1 。除此之外，欧洲和f 1 本等国也对定位技术作出了相应的 要求。 目前公共安伞成为了无线定位的主要动力，其他的应用需求还包括交通报 告，航海服务，自动跟踪，欺诈检测，公路救援，和物流监测等。介于这些需 求，公共安全应答点将会增强无线紧急呼叫的定位信息1 3 , 5 l 。 i i 1移动通信技术概述1 4 , 3 3 1 移动通信技术是当今通信领域内最为活跃和发展最为迅速的领域之一，也 是2 1 世纪对人类的，e 活和社会发挥将有重大影响的科学技术领域之一1 33 1 。 1 9 4 6 年a t & t 采用f m 调制方式推出了第一个移动电话系统：6 0 年代末 7 0 年代初出现了第一个蜂窝电话系统；7 0 年代未的a m p s 、t a c s 模拟系统到 9 0 年代初的被称为第二代移动通信系统的d a m p s 、g s m 、i s 9 5c d m a 系统， 到目前各国都在研究的第三代移动通信系统，移动通信技术飞速发展并开趋成 熟。 1 9 7 7 年r g c o o p e r 和n e t t l e t o n 提出利用扩频技术实现c d m a ，是的蜂窝 移动通信系统的频谱效率提高2 5 倍。高通公司采用直接序列扩频技术实现了 c d m a 。 c d m a 是一种基于扩展频谱通信技术的多址接入方式。c d m a 通信是利用 相互正交( 或准正交) 的不同编码分配给f ：用户调制信号，实现用户同时使用 频率接入系统和网络的通信，即码分多址通信。由于利用相互正交( 或准正交) 的编码去调制信号，会将原信号的信号频潜带宽扩展，因此，对于这种调制方 式的通信，又称为扩展频谱通信。扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编 码调制，实现频谱扩展后再传输，接收端蝌采用同样的编码进行解调及相关处 理，恢复原始信息数据。从利用电磁波束看，扩频通信是与一般常见的窄带通 信方式相反。因此它具有伪随机编码调制和信号处理两大特点。通信过程中， 不同通信用户可在同一频段、同。一时删工作，互不影响或影响极小，常规的 f d m a 与t d m a 通信分别是在频段j ：细分与时间上细分给用户，彼此互不干扰 地分别使用一j 。 3 g 网络能够提供符合q o s 要求的更高速数据业务，优越于现有的2 g 数据 业务，具有大容量与高传输速率l s + 9 i ，能够支持大容量的语音业务和数据业务。 1 ) 基础语音业务，也是目i i 得应用核心所在； 2 ) 移动多媒体业务，用户甚至能够以2 m b i t s 的速率尽情点播所喜欢的歌曲 和电影，点播体育新闻和查看体育赛事。其语音和画面质量是2 5 g 网络所 不能及的。与互联网更好的融合，爿能够方便地接入互联网，手机用户 就可以享用互联网上无穷无尽的信息资源： 3 ) 定位业务，包括呼叫请求支援，物流运输管理，货物跟踪等，它的最大特 点就是能够在手机屏幕上显示数字化地图。 3 g 网络与移动定位业务之i b j 存在蕾种相辅相成的关系，3 g 网络的最大 特点是可以提供高速的无线数掘f 载功能，这就为移动定位业务提供了更加广 泛的发挥空间。而在3 g 高速无线网络的支持下，又可以利用高精度的定位技 术开发出更加丰富多彩的、能为用户生活带来便利的移动定位业务，从而丰富 了3 g 网络中的增值业务，帮助移动运营商提高在移动数据业务上的收入。 1 1 2 无线定位的发展及现状 1 ) 国内无线定位发展现状： 国家电子信息产业发展基会和重庆i 仃信息产业发展专项资金资助的 “c d m a 移动定位技术”，采用信号到达时差定位技术，不需要对c d m a 基站 和手机作修改，也不用增加用户费用，即可完成对c d m a 移动电话位黄进行追 踪。c d m a 移动定位系统由定位基站、主机和数据传输系统、后台服务软件系 统组成。当c d m a 移动电话处于开机状态时，可通过c d m a 移动电话与定位 基站的联络信号，完成移动电话的初级定位；利用c d m a 基站周围的定位基站， 2 对传输来的数掘进行分析计算，获得 机的经度和纬度信息，然后将这些信息 传递给定位服务应用系统，完成移动电话的高级定位。重庆赛洛克无线定位有 限公司也是全球少数几家掌握c d m a 移动定位技术的公司，c d m a 移动定位 技术能进行信息实时采集和处理，一般存3 至4 秒内就能获得手机的位置信息， 最小定位误差为l5 米，达到国外同类技术水平。 中国联通公司也推出了基于g p s o n e 的位置服务一一定位之星。方正数码 ( e c - - f o u n d e r ) 与m a p l n f o 公司联合推出了地理信息系统产品一一随身电子地图 开发新工具m a p x m o b i l e ，集成了对g p s 设备的支持，使地图数据的移动采集、 处理和随身携带变为可能，满足了用户在移动环境中的应用需求。 2 ) 国外无线定位发展及现状： 国外n o k i a ，m o t o r o l a ，s o n y e r i s s i o n 。q u a l c o m m ，s a m s u n g 等著名通信公司 和研究机构积极开展无线定位技术的研究和应用j f 发，第三代移动通信系统的 标准化组织3 g p p 也将其作为一项重要的内容纳入标准制定范围内，其中包括 a t & t 、c i n g u l a r 和t - m o b i l e 等。这蝗荚幽运营商认为在f c c 规定的时间内， 采用针对g s m 研发的e o t 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 ) 技术无法满足 e 9 1 1 第二阶段的定位精度要求，并且认为该技术需要对用户手机进行软件上的 修改，实现较为困难，而t d o a ( t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ) 技术只需对其网络 进行修改即可。 在美国，s p r i n tp c s 和v e r i z o n 公司分别在2 0 0 1 年1 0 月和2 0 0 1 年1 2 月推 出了基于g p s o n e 技术的定位业务，并且通过该技术柬满足f c c 对e 9 1 l 第二阶 段的要求，其它些美国移动运营商也计划在近期提供基于g p s o n e 技术的定 位业务；在日本，k d d i 于2 0 0 2 年1 2 门率先推出了全幽范围的基于g p s o n e 技 术的定位业务轻松导航( e z n a v i g a t i o n ) ，在k d d i 服务推出之前，日本知名的保 安公司s e c o m 在2 0 0 1 年4 月成功推出了第一个其备g p s o n e 技术，能实现追 踪功能的设备，该设备也运行在k d d i 的网络中。这高精度安全和保卫服务 能在任何情况下准确定位呼叫个人、物体或车辆的位置：在韩国，k t f 于2 0 0 2 年2 月利用g p s o n e 技术成为韩国酋家在全国范围内通过移动通信网络向用户 提供商用移动定位业务的公司。韩国第一犬移动运营商s k 电讯也在2 0 0 2 年推 出了定位业务品牌n a t e d r i v e 。目静，美国、f 1 本和韩国提供移动终端的主要 制造商已推出5 0 多款支持g p s o n e 技术的手机和终端。运营商也推出了多种基 于定位的服务，其中包括儿蕈保护、个人导航应用、寻友服务、销售人员管理、 资产跟踪服务等。高通公司的g p s o n e 技术将会成为末来各个3 g 网络运营商的 首选定位技术1 5j 。 1 i 3 嵌入式系统的发展及现状1 3 7 ，4 7 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的 具体应用相结合后的产物。嵌入式系统中的系统程序( 包括操作系统1 和应用程 序是湃然一体的，这些程序被编译连接成一个可以执行的二进制映像文件 ( i m a g e ) ，这个二迸制映像文件被固化在系统中，在系统复位后自动执行1 4 4 4 7 4 甜。 嵌入式系统通常由嵌入式处理器，外围设备，嵌入式操作系统和应用软件 等几大部分组成 4 “。具有软硬件一体化，需要操作系统支持、代码小、执行速 度快，专用紧凑、用途固定，可靠性要求高，多样性、应用范围广，种类繁多 等特点。与传统的通用计算机系统不同。嵌入式系统是面向特定应用领域的， 根据应用需求来定制开发。 2 0 世纪9 0 年代后期，以a r m 系列3 2 位嵌入式处理器为代表的嵌入式技 术，在移动消费类领域得到了广泛的应用。3 g 智能手机，数字电视，多媒体等 行业的需求促进了多核嵌入式处理器技术的发展。 如今嵌入式系统已经普遍应用于国防，家庭，工业，汽车电子，医学科技， 消费电子，无线通信，电力系统等国民经济的主要行业。随着嵌入式技术的发 展，嵌入式系统将会更加广泛的应用于人类生活的各个方面。 目前嵌入式l i n u x 已经有多个版本，包括强实时的嵌入式l i n u x ( r t “n u x ) 和般嵌入式l i n u x ( pc l i n u x 和p o c k e tl i n u x 等) 。 嵌入式l i n u x 的特点如下： 1 ) 具有精简的内核，性能高，稳定，良好的多任务支持： 2 ) 适用于不同的c p u ，支持多种结构体系，如x 8 6 ，a r m 等； 3 ) 支持嵌入式g u i ，能够提供完善的嵌入式g u ! 以及嵌入式x w i n d o w s ： 4 ) 支持多种嵌入式应用，提供嵌入式浏览器，邮件程序等； 5 ) 由于l i n u x 本身就是用c 语言编写而成，在l i n u x 系统下，对c 和c + + 的支持十分完善； 6 ) 用户可定制，裁减，可提供图形化的定制和配置【具，支持大量的周边 硬件设备，驱动设备。强大的技术支持，完整的文档； 7 ) 开放源码，丰富的软件资源，广泛的软件开发者的支持，价格低廉，结 构灵活，适用面广。 l i n u x 系统的不同版本： r e d h a tl i n u x ，支持i n t e l ，a l p h a 和s p a r c 平台，具有丰富的软件包。r e d h a t l i n u x 是l i n u x 系统中非常容易使用的版本，它操作简单，配置快捷，独有的 r p m 模块功能使得软件的安装非常方便，同时也缺省提供了p a m ( p l u g g a b l e a u t h e n t i c a t i o nm o d u l e s ) 来加强系统的安全性和系统管理的可扩充性。r e d h a t 也是在国内使用人群最多的l i n u x 版本。系列的包管理方式采用的是基于r p m 4 包的y u m 包管理方式，包分发方式是编译好的二进制文件。稳定性方面r h e l 和c e n t o s 的稳定性非常好，适合于服务器使用，但是f e d o r ac o r e 的稳定性较 差，适用于桌面应用。 d e b i a nl i n u x 基于标准l i n u x 内核，包含了数百个软件包，如g n u 软件， t e x ，xw i n d o w s 系统等。每个软件包均为独立的模块单元，不依赖于任何 特定的系统版本，每个人都能根据自己的需求创建自己的软件包。 u b u n t u 是基于d e b i a n 的u n s t a b l e 版本加强而来，有自己的发行版可以这 么说，u b u n t u 就是一个拥有d e b i a n 所有的优点，以及自己所加强的优点的近 乎完美的l i n u x 桌面系统。特点是界面非常友好，容易上手，对硬件的支持非 常全面，是最适合做桌面系统的l i n u x 发行版本。 g e n t o o ，l i n u x 世界最年轻的发行版本，吸取在它之前的所有发行版本的 优点，这也是g e n t o o 被称为最完美的l i n u x 发行版本的原因之一。g e n t o o 拥 有媲美f r e e b s d 的广受荚誉的p o r t s 系统一p o r t a g e 包管理系统。不同于a p t 和y u m 等二进制文件分发的包管理系统，p o r t a g e 是基于源代码分发的，必须 编译后才能运行，对于大型软件而占比较慢，不过正因为所有软件都是在本地 机器编译的，在经过各种定制的编译参数优化后，能将机器的硬件性能发挥到 极致。g e n t o o 是所有l i n u x 发行版本里安装最复杂的，但是又是安装完成后最 便于管理的版本，也是在相同硬件环境下运行最快的版本。 r e d f l a gl i n u x ( 红旗l i n u x ) 是l i n u x 的个发展产品，由第一个国产的操作 系统版本。它标志着我国在发展围产操作系统的道路上迈出了颦实的一步。相 对于w i n d o w s 操作系统及u n i x 操作系统来讲，l i n u x 凭借其开放性及低成本， 已经在服务器操作系统市场获得了巨大发展。但由于其操作界面复杂，一时难 以让普通p c 用户接受。 1 ) 国外嵌入式定位发展现状： 目前国外众多机构和公司都致力于嵌入式定位软件的开发研究，美国e s r i 公司和英国p o c k e ts y s t e ml t d 公司已经开发出嵌入式g i s 软件，m a p i n f o 公司 也开发出了基于嵌入式的g i s 控件。 2 ) 国内嵌入式定位发展现状： 北京灵图公司的s m a r ti nh a n df o rw i n d o w sc e ，北京超图地理信息技术有 限公司推出的e s u p e r m a p 等都足自主研制丌发的嵌入式g 1 s 开发平台，用户可 以根据自己的需要进行扩充和定制。中国移动和北京冠图公司进行了技术合作， 开发移动g i s 技术，面向用户提供手机地图和手机导航的业务。 基于嵌入式系统的图形用户界面系统m i n i g u l 发展迅速。大唐移动在2 0 0 5 年年初推出的t d s c d m a3 g 手机终端软件杯准平台a r e n a ，a r e n a 采用嵌入式 操作系统t h r e a d x 作为实时操作系统，飞漫软件的m i n i g u l 作为图形显示系 统，和f h a s 应用开发平台( 智能手机版本) 作为终端应用开发平台。该平台是大 5 唐移动在3 g 手机方案中最重要的软件平台方案。清华大学精密仪器系制造工 程研究所采用了r t - l i n u x 作为实时操作系统，并基于m i n i g u i 开发数控系统 的人机交互界面，开发了国内第台商品化虚拟轴机床设计的计算机数字控制 系统。机项盒以及多媒体播放器。利用m i n i g u l 开发嵌入式地理信息系统，结 合飞漫公司开发的m g i s ，可实现通用地图操作的支持，如漫游、放大、缩小、 测距、g p s 集成等。 1 1 4 定位技术的应用及现状 无线定位业务又称为位置业务( l o c a t i o n b a s e ds e r v i c e s ，l b s ) ，l b s 业务 是通过无线通信网络获取无线用户的位置信息，在地理信息系统平台的支持下 提供相应服务的一种无线增值业务1 3 j 1 8 j 。随着通信技术快速发展和用户数量的 不断增长，人们对通信业务的需求远远超过了语音的要求，各种增值业务也应 运而生，移动端定位业务也呈现出非常诱人的市场i j i 景l s l 。 随着人们提出了随时随地获取位置信息等更高的要求，信息系统的客户端 从传统的p c ，工作站等桌面型设备扩展到了p d a ，w a p s m s k j a v a b r e w 手机 等移动终端上。由于移动终端首先强调的是易于携带的特征，从而在硬件设计 上受到体积、重量、功耗等方面的限制，需要采用完全不同于p c 的操作系统， 因此嵌入式操作系统成为了目前研究的热点。 无线定位业务主要应用在一下几个方面1 6 i ： 1 ) 公共部门 智能交通系统( i t s )一这个系统町以及时显示交通事故发生地点，对 肇事车辆开出罚单，并进行事故记录；列出。，f ；i 交通路况；显示某个车辆当前 的行驶轨迹，并对该轨迹信息进行记录。类似的还有公共交通管理系统等。 城建布线管理系统一该系统可以使得城市各个线路( 如电线、电话线、 有线电视等) 的服务人员能够辨别出某地点的线路所在位置，然后根据该信息 采取行动。有了该系统，现场技术人员可以通过手持设备的地图信息对电缆进 行定位，让他们可以更加有效的标记出问题地点。 犯罪信息系统一公安部门可以利用这个系统把某一地区的犯罪信息记 录下来，包括贩卖毒品团伙及活动频繁的罪犯，对他们的犯罪模式和经常活动 的场所进行记录。因而当一个罪犯从事犯罪行为时，可以对其所在地点进行快 速排查，实施及时追捕。消防指挥系统、安防指挥管理系统、l l o 指挥管理系 统等。 2 ) 商业活动 物资配送系统一对客户所在地点和公司的各配送地点进行记录，标记。 对客服人员当前所在位置进行定位，显示配送路径。从而加快物资送递的快捷 度，提高客户对服务的满意程度。 销售信息系统一对公司产品在各个区域的销售情况进行统计汇总。列出 各个区域对商品的浏览人数。 3 ) 优化移动通信系统和网络的规划与设计 由于移动终端位置的不确定性，对移动通信的管理一直是网络的难点问题， 通过得到移动终端的位黄信息，实现网络资源的动态智能分配，增强网络性能， 提高网络服务质量。 l b s 业务涉及的领域很多，需要移动通信领域与g i s 领域相结合来共同实 现。目前3 g p p 组织也将移动台定位技术作为一项重要内容纳入到其标准制定 范围之中，制定了3 g 移动台定位的一系列协议，包括移动终端定位方法，接 口信令，功能实体等完整的技术规范。 采用l i n u x 操作系统的理由是降低智能手机的生产成本。开发l i n u x 最大 的特点是从根本上开放源代码，与其他系统相比，采用开放源代码的l i n u x 手 机操作系统能够大大降低成本。而且开放源代码还有一个好处是允许手机制造 商根据实际情况，有针对性地开发适合自己手机的l i n u x 操作系统，这样既能 让自己的产品有特色，又能避免受制于人，还能够满足用户多方面的应用。 在j a 、，a 在手机上应用越来越广的时候，l i n u x 操作系统与j a 、，a 的相互融 合，是任何一个操作系统所不能比拟的，l i n u x + j a 、，a 的应用方式，能够给用 户极大的拓展空间。l i n u x 操作系统缺点也不少。由于l i n u x 操作系统介入智 能手机领域较晚影响了l i n u x 操作系统在智能手机领域内的发展。 三肇在2 0 0 3 年9 月份推出了首款基于l i n u x 系统平台的c d m a 智能手机， 2 0 0 3 年1 月，n e c 宣布将在其手机中使用l i n u x 操作系统，摩托罗拉也进入了 手机市场研制基于l i n u x 的自辛操作系统。列入国家8 6 3 计划的l i n u x 智能手 机中兴智能手机e 3 也已推出。嵌入式l i n u x 在手机中的应用将会越来越广泛。 1 2 本课题的意义 随着社会的进步，人们的生活需求不断提高，越来越需要基于位置信息的 定位业务，嵌入式手机定位可以满足人们的这种需求。为了提高竞争力，进一 步降低成本，目前有很多厂家正不断丌发研究将基fw i n d o w sc e 等平台的应 用移植到嵌入式l i n u x 上面来。 出于c d m a 即将成为新一代移动通信系统的事流技术，因此关于c d m a 网络的定位研究与应用得到了广泛的关注，成为目前无线通信系统研究的热点 问题。目前，基于g s m 和c d m a 技术的蜂窝网络定位系统已有一定程度的发 展，虽然定位精度仍有待提高，但是蜂窝无线定位市场潜力仍然巨大。 本课题是充分利用现有的c d m a 网络公共平台，通过移动端定位技术来获 7 取移动端的位置信息，结合当前嵌入式系统和定位技术的最新发展，设计了一套 基于嵌入式l i n u x 系统和g p s o n e 混合定位方案结合的定位系统，并对相关技术 进行了研究。 1 3 本文的主要内容 本文e 要包括理论研究和系统实现两部分，首先是对3 g 系统下的定位技 术以及误差减小算法进行了些理论分析和探讨：在系统实现部分，主要涉及 了利用l i n u x 嵌入式系统和a r m 开发板，在基于m i n i g u i 基础上模拟开发了 手机定位系统的界面，采用嵌入式l i n u x 系统搭建了手机定位平台。 本文对3 g 标准下定位技术进行了比较研究，并在基于c d m a 网络和嵌入 式l i n u x 系统平台上，利用m i n i g u l 开发终端界面，模拟实现了手机定位系统； 第二章主要介绍了3 g 的新技术，较为详尽地对基本的定位技术和误差减小算 法进行了比较研究，并将定位技术在3 g 不同协议标准中的进行了详细的比较； 第三章设计了手机定位系统的结构，结合手机定位系统的应用要求，采用 g p s o n e 方案，选择适合的c d m a 定位模块，在嵌入式l i n u x 系统平台下，搭 建了手机定位系统的模拟平台，同时实现了嵌入式l i n u x 下的串口通信：第四 章详细介绍了图形用户界面支持系统m i n i g u l ，在m i n i g u l 的基础上开发了手 机定位终端界面分析研究了地理坐标，位图坐标和屏幕坐标之自j 的关系，实现 对栅格地图的显示以及相应的操作，终端位置信息的获取和路径规划导航：最 后，埘全文进行总结，并进行展望。 8 2 13 g 概述 第二章第三代移动通信技术( 3 g ) 3 g 一第三代移动通信系统，相对第一代模拟制式系统( i g ) 和第二代 g s m 、t d m a 等数字系统( 2 g ) ，它是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结 合的新一代移动通信系统。该系统在传输声音和数据的速度上相比前两者大大 提高，在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2 m b p s ( ，e 字节每秒1 、 3 8 4 k b p s ( 千字节每秒) 以及1 4 4 k b p s 的传输速度1 7 i 。 3 g 系统的数据传输能力比2 g 系统有很大提高，在传统的电路交换基础上， 又引入了包交换技术，采用了更先进的无线信道编码机制，大大优化了网络的 利用率，可以说是3 g 系统在技术上的突破，为向用户提供更丰富的信息提供 了网络带宽的保证，使得一些信息量较大的定位业务通过无线网络实现成为可 能，比如地图显示、实时导航，甚至3 d 地图服务等 5 , 6 1 。 为了统一移动通信系统的标准，国际电信联盟( i t u ，i n t e r n a t i o n a l t e l e c o m m u n i t i o nu n i o n ) 提出i m t - 2 0 0 0 的概念，指在2 0 0 0 m h z 频段并在2 0 0 0 年左右投入商用的国际移动通信系统( i n t e r n a t i o n a l m o b i l et e l e c o ms y s t e m ) ，3 g 也是基于此的宽带移动通信系统1 8 j 。 主流技术为以下三种c d m a 技术1 5 0 l ： i ) 1 m t 一2 0 0 0 c d m a d s ( 1 m t 一2 0 0 0 直接扩频c d m a ) ，即w c d m a ，由欧 洲提出的技术，它是在个宽达5 m 的频带内直接对信号进行扩频： 2 ) i m t 一2 0 0 0c d m a m c ( i m t 一2 0 0 0 多载波c d m a ) ，即c d m a 2 0 0 0 。这是 美国提出的技术，由多个1 2 5 m 的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统； 3 ) i m t 一2 0 0 0c d m at d d ( i m t 一2 0 0 0 时分双工c d m a ) ，目前包括t d s c d m a 和u t r a t d d ，其中t d s c d m a 是我国提出的技术。 2 23 g 新技术i 。l 2 2 1智能天线 安装在基站现场的智能天线，通过一系列带有可编程电子相位关系的固定 天线单元来获得方向性，同时也可以获得基站和移动台之间各个链路的方向特 性。智能天线分为多波束天线与自适应天线阵列两大类。多波束天线的波束指 向和波束宽度是固定的，基站根据最强的接收信号来选择波束，当移动台位于 9 波束边缘以及干扰信号位于波束中问时，接收效果最差，所以多波束天线无法 实现最佳的信号接收。自适应天线阵列则可以自适应的调整方向来跟踪信号变 化，完成对移动台信号的接收和发送。 无线覆盖范围，系统容量，业务质量，阻摩艉i 掉话等问题一直困扰着蜂窝 移动通信系统，在第三代移动通信系统中采用智能天线可以提高系统容量，服 务质量，有效抑制多址干扰和抗远近效应，增大覆盖范围以及提高安全性1 3 1 。 由于采用智能天线的基站可以获得接收信号的空f b j 特征矩阵，从而得到信号的 功率估值以及到达方向。因此，用两个基站就町将移动台定位到一个较小范围 来实现对移动台的定位。 2 2 2 多用户检测 1 9 7 9 年k s c h n e i d e r 提出多用户检测( m u l t i p l eu s e rd e t e c t i o n ，m u d ) 的概 念，其基本思想是把所有移动台的信号都做为有用信号，对多个移动台信号进 行联合检测并消除多址干扰i l 。1 9 8 6 年v e r d u 提f l 了最佳多用户检测算法，由 匹配滤波器和v i t e r b i 译码算法组成，实质上是序列检测问题，即首先处理接收 信号序列的整体，然后采用最大似然序列准则找f 一个接收信号序列，使得给 定输出序列的似然函数最大。但随着移动台数目的增加，该检测方法设备复杂 度呈指数增长，目前是难以实现的，所以次最佳多用户检测成为一种理想选择， 并己成为近年来的一个研究热点。基站设备中使f h 多用户检测具有以下优点： 1 ) 减小射频辐射对用户的生理及心理影响； 2 ) 提高基站的覆盖区容量。容量的增加，以为着射频效率的提高，同时增加 最大可能的用户数； 3 ) 降低用户设备( 如手机等) 的发射功率。手机发射功率的降低，意味着更 长的通话时间或待机时间，减少对人体的微波辐射，减小对环境的影响， 从而使设备更绿色化； 4 ) 干扰抑制或多用户检测技术经过二十年的发展，已面l 瓶实用方面的突破； 5 ) 增加通信距离，增大基站的覆盖范围，降低基站综合成本。 2 2 3 软件无线电 软件无线电( s d r ) ) 是近几年来提出的种实现无线通信的新概念和体制 【12 1 ，软件无线电的基本思想是将高速的模数转换器( a ，d ) 和数模转换器( a d ) i g 可能的靠近天线，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件技术来进行基带 信号的处理。软件无线电通信技术最大的优点是基于同样的硬件环境，针对不 同的功能采用不同的软件来实施，其系统升级，多种模式的运行可以自适应地 0 完成，能够实现多模式通信系统的无缝连接1 1 3 - 1 。第三代移动通信系统具有多 模，多频段，多用户地特点，面对多种移动通信标准，在第三代移动通信发展 中引入软件无线电，充分利用软件无线电技术带来的系统灵活性和通用性，实 现第i 代移动通信中多种空中接口的并存，以及第三代与g s m 系统的兼容，并 对将来新的通信标准的引入和升级带来非常大的便