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北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 手机a 6 p s 辅助定位技术的研究与优化 摘要 随着全球定位系统( g p s ) 的不断改进和普及，其应用领域也随 着技术的成熟而不断的拓展，并开始逐步进入老百姓的日常生活， 伴随着卫星导航定位设备的小型化甚至芯片化以及3 g 业务在中 国的即将开展，各种嵌入式电子产品种类繁多，与人们的生活结 合得越来越紧密。因此各大手机生产厂商纷纷推出带有g p s 导航 功能的智能手机。 本文的研究以m o t o r o l a 的l i n u x - j a v a 平台带有g p s 功能的3 g 智能手机( 工作在w c d m a 网络下) 为研究对象，首先介绍了g p s 的基础知识、基本术语及工作原理，在此基础之上针对现有g p s 的优缺点做出详细的阐述，进而引入定位时间更短、定位精度更 高的a g p s 技术。 本课题结合手机硬件配置低、工作稳定性要求高、能量消耗小 等特性，在对手机原有a g p s 系统进行研究和分析的基础上，给 出一种a g p s 优化方案，最大限度地利用现有a g p s 数据，减少 对底层原始数据的更新及采集频率从而提高该手机的综合表现性 能、提高手机对用户程序的响应速度、降低手机能耗、提高系统 的运行效率。 关键字：g p sa g p s3 g l i n u x j a v a智能手机 r e s a r c ha n do p t i m i z a t i o no f a s s i s t e dg l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e mi ns m a r t - p h o n e a b s t r a c t a sg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mi s d e v e l o p i n gf a s t e ra n dm a t u r i n gr e c e n t l y , t h i s g p s t e c h n i q u ei sn o wb e i n ga p p l i e dt om o r ea r e a s b e s i d e s ，e q u i p m e n t so fg p sa le b e c o m i n gs m a l l e r , e v e nc h i p s ，a n d3 gm o b i l en e t w o r kw i l lb ea p p l i e dt oc h i n a m o b i l ei n d u s t r y , s ot h e r ea l en o wv a r i e t i e so fe m b e d d e de l e c t r o n i ce q u i p m e n t s ，a n d t h e ya l en o w h a v i n gaq u i t ed o s er e l a t i o n s h i pw i t hp e o p l e se v e r y d a yl i f e , t h e r e f o r e , m o r ea n dm o r ec e l lp h o n em a n u f a c t o f i c sa r en o w r e l e a s i n gt h e i rs m a r tp h o n e sw i t h g p sm o d u l e i nt h i sp a p e r , a3 gs m a r tp h o n ew i t hl i n u x - j a v a p l a t f o r mo fm o t o r o l ai st o k e nf o r e x a m p l e f i r s t l y , b a s i ct e c h n o l o g y , b a s i ct e r m i n o l o g ya n dw o r k i n gp r o c e s so fg p si s i n t r o d u c e ( ：l , b o t ha d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fg p si s r e p r e s e n t e d a n dt h e n a g p s ( a s s i s t e dg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) w i t hs h o r t e rp o s i t i o n i n gt i m ea n d h i g h e r p o s i t i o n i n ga e e u r a c yi si n t r o d u c e d an e wa s s i s t e dg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e mo p t i m i z a t i o na r c h i t e c t u r ef o r 圈i n a r t p h o n ei sd e s i g n e da n dr e a l i z e di no r d e rt oi m p r o v ec e l l p h o n e sw h o l es y s t e m p e r f o r m a n c e , c o m b i n e dw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fs m a r tp h o n ei t s e l f ：l o w e rc p u h a r d w a r e , h i g h e rs t a b l eo fr u n n i n gt i m ea n dl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n s s os e r i e so f o p t i m i z i n gf u n c t i o n sf o re a c hm o d u l ea r ei m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r , s o l u t i o n sc a l l i m p r o v ec e l lp h o n e sp e r f o r m a n c ea sw ee x p e c t k e yw o r d s ：g p s ，a g p s ， 3 g ，l i n u x - j a v a ，s m a r tp h o n e 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 马日习 日期：弋担理! 童旦星： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存、汇编学位论文。 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名：日期： 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 1 1 课题背景及研究内容 1 1 1 课题背景 第一章绪论 n 幻从上世纪7 0 年底开始，美国军方为了满足对海上、陆地和空中设施进行高 精度导航和定位的需求，由国防部提出建立全球定位系统g p s ( g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ) 的计划根据设计方案，该系统将向配备有接收设备的用户 提供精确、连续的三维位置和速度信息，具有全球、全天候、连续的精密三维导 航与定位能力，同时具备良好的抗干扰性和保密性。1 9 9 4 年7 月，全球定位系 统全部建成并投入使用，自建成使用至今的十几年时间，这一技术发展极为迅速， 其应用已经进入国防、科技和经济建设的很多领域，在航空航天、海事、陆上运 载体的引导等各方面都得到了广泛运用。 g p s 定位技术，一般以码伪距或者载波相位为观测量。根据用户定位方式不 同，采用单点定位或相对定位，为用户提供信息。利用码相位( c a 码) 得到伪距 的方法应用最早，但定位精度差，目前定位误差在无选择可用性( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y s a ) 的情况下为5 米左右加密的p 码( y 码) 定位精度虽高，但 只有美国核准的军方和选定的政府部门用户才能使用，一般用户难以使用。利用 载波相位定位，因其波长较短，测量精度较高，因此目前精密定位多采用这种方 式但无论是采用伪距定位还是载波相位定位，都因其在信号传播过程中不可避 免的会受到电离层、大气层、多路经误差的影响，以及由于接收机或卫星本身误 差的存在，都使定位精度大受影响。多数情况下，人们关心的并不是某个载体的 绝对位置，而是该载体相对于另外一个载体的距离和方向。在一定的范围内，当 所有的载体均安装了g p s 接收机之后，可选定任意一个载体作为中心，通过载波 相位测量确定其它载体相对于选定的载体的位置关系，这就是所谓的g p s 载波相 位相对( 差分) 定位技术。利用g p s 载波相位差分定位技术可以在厘米量级精度上 确定空间任意两点之间的距离，而且没有累积误差，即使在使用单频接收机的情 况下，作用范围也可以达到l o g a n 左右，如果使用双频接收机，作用距离更可达 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 到1 0 0 0 k m 以上，通过这一精确的位置信息可以修正惯性导航系统随时间积累的 误差，这样可以极大的降低对惯性导航器件的精度要求。根据相对定位过程中接 收机的运动状况，可以将g p s 载波相位定位分为静态定位及动态定位。静态定位 以其高精度( 毫米级精度) 获得一定应用，但其前提就是需要较长的观测时间，一 般需要观测1 个小时左右，甚至更长，极大的限制其应用g p s 动态定位测量虽 然在精度( 厘米级精度) 上略逊于静态侧量，但其观测时间短，基本可以达到动态 实时定位，有着广阔的应用前景。 随着全球定位系统( g p s ) 的不断改进和普及，软、硬件技术的不断完善，其 应用领域也随着技术的成熟而不断的拓展，目前已经遍及国民经济的各个部门， 并开始逐步进入老百姓的日常生活，伴随着卫星导航定位设备的小型化甚至芯片 化。各种嵌入式电子产品种类极大丰富，并于人们的生活结合的越来越紧密。 伴随着3 g 业务在中国的即将开展，利用未来的3 g 网络高速的传输g p s 数据的优 势必将明显的显现出来，相对于传统的2 5 g 网络，3 g 的优势在于频谱利用更高， 用户可以以更高的传输速率获得数据业务，目前h s p d a 技术理论速率可以达到 3 6 m b s ，而且，未来的传输速率还会更高。同时，相对于与传统的g p s 技术， a g p s ( 全球定位辅助系统( a g p s ) 是利用全球经维度坐标来定位移动台移动站( m s ) 方位的辅助定位技术) 技术的优势也非常的明显：1 ) 定位精度在室外等空旷地 区，其精度在正常的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 的一种定位技术；2 ) 定位时间短一首次捕获g p s 信号的时间一般仅需几秒，不 像g p s 的首次捕获时间可能要2 3 分钟。 目前，集成了卫星定位设备与移动通信组件的移动监控终端产品是一类特殊 的应用产品，是移动目标监控系统的关键部分。 1 1 2 课题研究内容 本课题的研究内容以m o t o r o l a 的l i n u x j a v a 平台带有g p s 功能的3 g 手机 ( 工作在w c d m a 网络下) 为研究对象并结合手机自身的特点：硬件配置低、工作稳 定性要求高、能量消耗小等特性，对该手机的原有a g p s 系统进行研究和分析， 在此基础上提出一种优化功能，最大限度的利用现有a g p s 数据，减少对底层原 2 北京邮电大学硕士毕业论文 手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 始数据的更新及采集频率从而提高该手机的综合表现性能、提高手机对用户程序 的响应速度、降低手机能耗、提高系统都运行效率。 1 ) 详细分析了定位的关键技术g p s 定位技术及a g p s ( a s s i s t e dg p s ) 辅助 定位技术。 2 ) 对当今使用的a g p s 辅助定位技术的工作流程、工作原理做出详细的研究 和分析。 3 ) 在对现有基于手机的a g p s 辅助定位技术进行研究和分析后，找出其中存 在的不足，并在此研究的基础上，设计并实现一种优化方案。 1 2 课题任务 本文以m o t o r o l a 的基于l i n u x j a v a 平台带有g p s 功能的3 g 手机为研究对象， 首先研究该手机原有的a g p s 系统，通过研究和分析，找出其中可以优化的部分， 在此基础上提出一种基于该手机的a g p s 技术的优化方案。 1 3 论文结构 本论文结构安排如下： 第一章：绪论，主要介绍了课题研究背景、课题的任务、g p s 相关定位技术的概 述及课题研究内容； 第二章：g p s 及a g p s 技术介绍，本章主要介绍g p s 定位技术的相关术语、工作 流程及工作原理；引入a g p s 辅助定位技术，并且对该技术做出详细的介绍。 第三章：手机a g p s 辅助定位技术的研究，通过对手机原有a g p s 辅助定位系统的 设计及其相关实现细节的研究，分析；找出其中存在的问题。并提出优化的概念。 第四章：手机a g p s 辅助定位的优化方案的研究与设计，本章首先介绍了该优化 方案的总体设计思路以及总体的架构设计方案，接下来详细的介绍了每个功能模 块的设计及实现细节。 第五章：总结本次论文的工作，本章总结了项目成果，并对移动通信的发展进行 了展望。 3 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 第二章g p s 及a g p s 技术概述 2 1g p s 定位技术 2 1 1g p s 定位相关术语 1 ) 定位时间：定位时间是指多长时间g p s 设备会自动开始确定自己的位置，一 般以秒为单位。当达到这个时间时，g p s 设备会发出信号给g p s 定位卫星， 开始确定自己的位置。并且包括初次启动，冷启动，热( 温) 启动的定位时 间。 2 ) 速度精度：在动态的测定中，如车载g p s 设备，在车的运行过程中利用动态 的g p s 定位，能测出在两个时间点之间的一段时间内汽车的速度，速度精度 也就是所测出数据与实际速度的误差。因为g p s 设备刷新信息都差不多是以 1 秒为单位的，所以所测出的速度其本上也就是运动物体的速度。 3 ) 差分模式：差分g p s ( d g p s ) 是在正常的g p s 外附加( 差分) 改正信号，此 改正信号改善了g p s 的精度。差分定位( d i f f e r e n t i a lp o s i t i o n i n g ) ，也 叫相对定位，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，大地测量或工程测 量均应采用相位观测值进行相对定位，又可分为：动态差分g p s ( d y n a m i c d i f f e r e n t i a lg p s ) 是由一个或多个控制站( 或参考站) 传送讯号改正值， 以提供使用者进行实时改正之技术；静态差分g p s ( s t a t i cd i f f e r e n t i a l g p s ) 是由两个( 含) 以上接收仪，进行较长时间( 通常为半小时以上) 的 测量，其包含了一组接收仪间基线向量的决定。 4 ) 坐标基准：w g s - 8 4 坐标系( w g s - 8 4c o o r d i n a t es y s t e m ) ：一种国际上采用 的地心坐标系。坐标原点为地球质心，其地心空间直角坐标系的之轴指向b i h ( 国际时间) 1 9 8 4 0 定义的协议地球极( c t p ) 方向，调轴指向b i h1 9 8 4 0 的零子午面和c t p 赤道的交点，y 轴与z 轴、x 轴垂直构成右手坐标系，称 为1 9 8 4 年世界大地坐标系统。 5 ) w a a s 跟踪性能：w a a s 跟踪性能也就是广域增强差分g p s 的精确度，关于广 域增强差分g p s 解释如下：广域增强差分g p s ( w 从s ) 是w a g p s 发展而来。 4 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 在功能上，为用户提供完善性广播，差分校正信号和附加的测距信号。在该 系统中，地面基准站用g p s 接收机监测g p s 信号。并将监测数据发到主控站。 主控站计算位置校正值及其有效性。然后将数据通过卫星发给g p s 接收用户。 6 ) 地图功能：地图功能对于手持机或是g p s 终端机，主要是指机器内部可以存 储的航路点，航线，航迹，坐标系等信息。针对车载g p s 是指内置的地图信 息，并且可以进行语音导航及模拟路线等指导操作。 7 ) 动态性能：接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位。如用于车船等概 略导航定位的精度为3 0 1 0 0 米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位 的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级的相位差分定位 ( r t k ) ，实时差分定位需要数据链将两个或多个站的观测数据实时传输到一 起计算。 8 ) 方位角：如果您选定了一个路旁标志或者航路点，想知道从您现在所处位置 到它的方向，您就需要知道方位角的值它是从北方向算起沿顺时针方向分 布的值，如果到您的目的地的方位角是2 7 0 度，而您移动的方向是2 4 0 度， 那么你的航线就和目的地有3 0 度的偏差。如果您是在坐火车，这可能没有 关系，但是如果这个偏差值很大，那么您就需要查看一下地图，说不定是您 的路线错了。 9 ) 坐标：描述您位置的一组值，一般有纬度( 北或南) 和经度( 东或西) 。u t m 坐 标系以米为单位测量你距离赤道( 北或南) 和本初子午线( 东或西) 的距离；另 一个坐标系m g p s ( m i l i t a r yg r i dr e f e r e n c es y s t e m ) 也基于u t m ，但是把u t m 坐标分隔得更细，它只用在军用的g p s 接收器上。 1 0 ) 二维坐标和三维坐标：你的平面位置，例如经度和纬度，称为二维坐标，至 少需要3 颗g p s 卫星的数据来定位二维坐标：如果因为树木、山峰或建筑物 挡住了卫星，你可能只能得到二维坐标；纬度、经度和速度称为三维坐标， 确定它至少需要4 颗星，几乎所有g p s 接收器都以提供三维坐标作为标准。 1 1 ) 高度：如果有足够的g p s 卫星可见，一些g p s 设备可提供高度信息( 海拔) ； 但由于g p s 系统本身的特点，高度值的精确度要低于平面坐标值。 1 2 ) 航向：这是反映沿水平方向g p s 接收器移动的方向，并不需要你把g p s 接收 器确切的指向这个方向，在你移动的时候可以看到这个值，航向的值是按照 5 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 0 - 3 6 0 度顺时针方向分布的，和指南针的值相对应。 2 1 2g p $ 定位的系统组成 嘲g p s 系统包括三大部分：空间部分- g p s 卫星；地面控制部分一地面 监控系统；用户设备部分- g p s 信号接收机。 1 ) 6 p s 卫星：共有2 7 颗卫星组成，距离地面2 0 2 0 0 公里。2 7 颗卫星有2 4 颗运 行，3 颗备用。这些卫星已经更新了三代五种型号。卫星发射两种信号：l 1 和l 2 。l 1 ：1 5 7 5 4 2 m h z ，l 2 ：1 2 2 7 6 0 m t i z 。卫星上的时钟采用铯原子钟或铷原 子钟。 2 ) 地面控制系统：由主控制站( 在美国本土) 、和分布在全球的三个地面天线、 五个监测站组成：其主要任务是：收集数据、计算导航信息、诊断系统状态 和调度卫星等功能。 3 ) 6 p s 信号接收机：g p s 信号接收机的任务是：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g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置， 位置，甚至三维速度和时间。6 p s 卫星发送的导航定位信号，是一种可供无 数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有 能够接收、跟踪、变换和测量g p s 信号的接收设备，即g p s 信号接收机。可 以在任何时候用g p s 信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要 求的g p s 信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产g p s 接收 机，产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类： 静 态定位中，g p s 接收机在捕获和跟踪g p s 卫星的过程中固定不变，接收机高 精度地测量g p s 信号的传播时间，利用g p s 卫星在轨的已知位置，解算出接 收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用g p s 接收机测定一个运动 物体的运行轨迹。g p s 信号接收机所位于的运动物体叫做载体( 如航行中的 船舰，空中的飞机，行走的车辆等) 。载体上的g p s 接收机天线在跟踪g p s 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 卫星的过程中相对地球而运动，接收机用g p s 信号实时地测得运动载体的状 态参数( 瞬间三维位置和三维速度) 。接收机硬件和机内软件以及g p s 数据 的后处理软件包，构成完整的g p s 用户设备。g p s 接收机的结构分为天线单 元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独 立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当 地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作 成一个整体，观测时将其安置在测站点上。g p s 接收机一般用蓄电池做电源。 同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不 中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内 电池为舢存储器供电，以防止丢失数据。近几年，国内引进了许多种类 型的g p s 测地型接收机。各种类型的g p s 测地型接收机用于精密相对定位时， 其双频接收机精度可达5 m m + i p p m d ，单频接收机在一定距离内精度可达 i o 砌i + 2 p p m d 。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级 目前，各种类型的g p s 接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外 观测。g p s 和g l o n a s s 兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。 2 1 36 p $ 定位工作原理 g p s 的基本定位原理是：卫星不问断地发送自身的星历参数和时间信息，用户 接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和 时间信息侧。如图2 - 1 所示： 7 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 卫星 卫星4 图2 - 16 p s 定位原理图 四个方程式中各个参数意义如下： x ，y ，z 为待测点坐标的空间直角坐标。x i ，y 。，z 。( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星1 、卫 星2 、卫星3 、卫星4 在t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。 v t i ( i = l ，2 ，3 ，4 ) 分别为卫星1 、卫星2 、卫星3 、卫星4 的卫星钟的钟差，由 卫星星历提供v 协为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标 x ，y ，z 和接收机的钟差v 铀对于导航定位来说，g p s 卫星是一动态已知点。星的位 置是依据卫星发射的星历一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 系统另重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准- b p s 时间系统。这就需要 地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。6 p s 工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 入站和五个监测站t 孙l g p s 信号接收机g p s 信号接收机的任务是：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g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置， 位置，甚至三维速度和时间。 2 2a g p s 定位技术 2 2 1 a g p s 的概念 n 1 全球定位辅助系统a g p s ( a s s i s t e dg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是利用 全球经维度坐标来定位移动台移动站( m s ) 方位，这种无线载体技术已被美国联邦 通信委员会授权。因此当发生危机的时候，其紧急的求助电话可以被很快的定位。 a g p s 的出现标志着移动定位系统不仅具有g p s 的硬件和软件的支持，而且还有无 线网络的辅助短信。a g p s 是一种g p s 动作方式。利用手机基地站的资讯，配合 传统g p s 卫星，让定位的速度更快。a g e s 是使用协助服务的技术，用来减少定 位所需的时间。在蜂巢式网络上使用定位服务已越来越普遍。 2 2 2a g p s 的工作原理 a g p s ( a s s i s t e dg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是将卫星导航与无线蜂窝融合 形成的新技术，即辅助g p s ( a g p s ) 将g p s 与无线手机组合在一起，利用辅助g p s 进行定位，传输一些辅助数据，这样可以大大缩小代码搜索窗口和频率搜索窗口， 使得定位时间降至几秒钟。辅助g p s 是网络辅助g p s ，与独立的g p s 相比，以 网络为核心的方法能够提供更快的首次锁定位置的时间t t f f ，它使用固定位置 g p s 接收机获得移动终端的补充信息数据，辅助数据使移动用户接收机不必译码 实际消息就可以进行定时测量。a g p s 现在已作为移动定位候选技术，正在成为 基于a m p s 和i s 一9 5 蜂窝电话的标准。并且即将有可能被t d m a 标准所采纳。 定位原理图如图2 - 2 所示： 9 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 图2 - 2a g p s 定位原理图 其工作流程是： 1 ) a g p s 手机首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器； 2 ) 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； 3 ) 该手机的a g p s 模块根据辅助信息( 以提升g p s 信号的第一锁定时间t t f f 能 力) 接收g p s 原始信号； 4 ) 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。 1 0 北京邮电大学硕士毕业论文 手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 第三章手机a g p s 辅助定位技术的研究 随着智能手机市场的不断发展和完善，各大手机生产厂商纷纷对于自己的智 能手机产品的功能进行升级和扩充，结合近几年g p s 技术在国民生活中的广泛 运用和流行，a g p s 辅助定位技术也被各大厂商的智能手机广泛采用，本章将以 m o t o r o l a 公司的基于l i n u x - j a v a 平台的智能手机为例，研究基于该系统的a g p s 辅助定位技术，并通过研究和分析找出其中可以优化的功能，具体的优化方案将 在第四章中详细的阐述。 3 1 手机a g p s 辅助定位系统提供的服务 1 ) 单次定位：该方法用于获取用户当前位置信息； 2 ) 周期定位：该方法用于根据用户的设置，周期性的向用户提供当前位置信息； 3 ) 前次定位：该方法用于向用户提供最近一次定位的位置信息； 4 ) 用户设置：该方法用于向用户提供当前的用户设置信息，包括是否允许进行 定位等信息； 5 ) 系统状态：该方法用于向用户提供当前系统的运行状态及其相关信息； 6 ) 获取两点间距离信息和方位角：该方法用于计算两点间的距离值和方位角的 值； 7 ) 监听定位点：该方法用于当用户希望到达某一目的地时，向用户周期性的显 示用户当前位置及相对于目的地的距离和位置信息，当用户到达目的地时， 该服务自动取消。 3 2 原手机a g p s 辅助定位系统框架综述 3 2 1 原手机 g p s 辅助定位系统设计框图 原a g p s 辅助定位系统由服务层和用户接口层两部分组成。其系统架构设计 图如图3 1 所示： 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 用户接口层 j l i 服务层 图3 1 原a g p s 系统架构设计图 3 2 2 原手机 g p s 辅助定位系统架构设计图 原a g p s 辅助定位系统架构设计图如图3 2 所示。 i 用户接口层 jl 1p l 服务层 l 刀c 图3 - 2 原a g p s 辅助定位系统架构设计图 该a g p s 系统工作在3 g 或者c d m a 网络下，用于实现a g p s 辅助定位功能 ( 用于提供3 1 所描述的七项功能) 。该系统自定义并且实现了两套c 语言的接口 a p i ，用以实现a g p s 辅助定位的功能，该系统总共由两大部分组成，即两套 a p i 来完成用户接口层a p i 和服务层a p i 。 用户接口层a p i 用于为第三方开发者提供的接口a p i ，使用者可以使用该 a p i 提供的函数及方法来实现用户希望得到的数据及功能，用于从上层调用者的 角度获取g p s 及相关数据信息。 服务层a p i ：负责与手机内置a g p s 芯片交互，获取g p s 原始数据；该层的 主要作用是与a g p s 硬件设备及网络设备( 3 g 网络) 进行交互，通过3 g 位置服务 1 2 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 提供者提供的数据或者c d m a 位置服务提供者提供的数据，完成定位等功能， 根据上层用户( 用户接口层) 的请求做出相应的操作，获取原始数据发送到用户接 口层，完成对用户接口层的响应。 此外，服务层中还包括一个动态注册组件，该组件是一系列的配置文件，这 些配置文件包括一个索引文件和一些标明位置服务提供者能力的文件。 用户接口层与服务层，以及服务层和服务提供者之间进行的通信方式采用 i p c 通信，被称作会话，会话是一个用户接口层和优化层之间的通信通道，它存 储了各个连接的属性，例如ti v c 地址、连接本次会话的位置服务提供者的i d 等 等。 3 3 原a g p s 系统性能分析 原a g p s 系统的工作原理是第三方开发者调用用户接口层a p i 获取所需要的 a g p s 定位及其相关数据，此时，用户接口层相当于一个客户端，该客户端程序 通过再次调用服务层a p i ( 服务层相当于一个服务器端) ，使得服务层与底层g p s 芯片交换获取g p s 定位及其相关数据，目前，该系统提供的服务功能包括：单 次定位、周期定位、前次定位、用户设置、系统设置、获取两点间距离信息和方 位角、监听定位点。 接下来的四节内容将就该a g p s 系统提供的主要功能的工作原理依次分析， 通过研究和分析，找出其中各功能模块中可以优化的部分，并在第四章中详细的 介绍具体的优化方案。 t 3 3 1 定位的三种功能分析 对于定位的三种功能：单次定位、周期定位和前次定位都是要使用到服务层 接口并且由服务层调用底层的服务提供者，就目前的设计来说，用户在使用这三 种功能中的任何一种都要启动一个新的服务提供者，而从实际的使用角度来说， 单次定位的定位数据是有可能借助周期定位已有的定位数据来完成，也就是说， 单次定位的请求可以借助适当的已存在的为周期定位服务的服务提供者来完成 而无需重新创建一个新的服务提供者，并且前次定位也很有可能使用已有的单次 定位或者周期定位数据来完成，从目前的设计来看，每次在使用一个新的定位功 1 3 北京邮电大学硕士毕业论文 手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 能都要启用一个新的服务提供者，这样就增加了手机的系统开销，占用一些不必 要系统的资源，使得手机的整体的运行效率降低。因此，有必要对这三种定位功 能进行必要的优化。 3 3 2 用户设置功能的分析 该功能的主要作用是由手机用户设置该手机是否进行定位功能的服务，如果 用户设置为“关闭 ，则与定位相关的功能全部被关闭；如果用户设置为“打开一， 则允许进行与定位相关的操作。从目前的设计来看，每次用户重新设置该选项时， 用户接口层都会向服务层发送请求消息去改变用户设置，但是，这里存在一个问 题，如果用户设置原来为“打开，用户在改变该设置时，仍然选择“打开刀，那 么此时用户接口层仍然会向服务层发送请求消息去改变该设置，此时服务层会向 服务提供者再次发送消息去改变设置，即使原来的服务提供者为“打开 状态， 此时仍然需要再次设置一次“打开一；两次设置值为“关闭一的情况也一样，这 样仍然带来了消耗系统资源、降低系统性能的问题。如果能在某个地方保存以前 的用户设置值，如果新的用户设置值和该值相同，则不再向服务层发送消息，这 样就可以缩短服务时间并且可以降低系统资源占用，提高系统效率。 3 3 3 系统状态功能的分析 该功能的主要作用是根据用户的调用，由服务层向用户接口层返回当前系统 的状态信息。目前的设计是，当用户使用该功能时，由服务层向服务提供者发送 请求消息获取当前系统的运行状态及其相关信息。而系统在实际工作中，是在相 对稳定的一段时间里，系统的运行状态是不会改变的，而目前，我们在使用该功 能时，服务层都要向服务提供者发送请求消息，获取系统目前的状态信息。我们 如果能够设计一个方法，将系统的当前状态存储起来，当系统的运行状态发生改 变时，由服务提供者主动向服务层发送通知消息，通知服务层系统的状态已经发 生改变，并且更新系统状态，这样可以改变每次使用该功能都要向服务提供者发 送消息的缺点。，这样同样可以降低对系统的资源消耗。 1 4 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 3 3 4 监听定位点功能的分析 该功能的主要作用是当用户希望到达某一目+ 的地时，向用户周期性的显示用 户当前位置及相对于目的地的距离和位置信息，当用户到达目的地时，该服务自 动取消。目前的设计是当该功能使用完成时，系统无法自动取消该服务，需要用 户手动关闭该服务，这在用户的实际使用过程当中是非常不方便的。因此我们应 该设计一种方法，使得每次当用户使用完该功能时，系统可以自动删除该功能， 释放系统资源。 3 4 原a g p s 系统分析结果小结 当用户调用用户接口层，使用a g p s 系统提供的功能( 如3 1 所描述的7 种功 能 l 时，服务层都要调用服务提供者，每次调用服务提供者系统都会开启一个新 的进程，都会占用系统的资源，所以如果我们能够设计一种方法，既能满足用户 的需要的功能，又能够尽量的减少对服务提供者的调用，减少开启新的进程就可 以降低对系统资源的占用，从而提高系统的性能和效率，通过对上述4 点的分析， 原有的a g p s 系统是存在可以优化的部分，在第四章，我们将详细的介绍一种基 于原有a g p s 系统的优化功能。 1 5 北京邮电大学硕士毕业论文 手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 第四章手机a g p s 辅助定位的优化方案的研究与设计 4 1 手机a g p s 辅助定位优化方案的设计思路 本优化系统是基于第三章所描述a g p s 系统结构之上，在用户接口层和服务 层之间加入了一个中间层：优化层。该优化层的主要作用是作为一个介于用户接 口层和服务层之间的缓冲层，即在满足用户接口层需求的同时尽可能减少对底层 服务层的调用，降低服务层进程数量，从而达到提高系统工作效率的目的。 优化后的a g p s 系统结构示意图如图4 1 所示。 l 用户接口层 t 优化层 t 服务层 图4 - 1a g p s 系统结构示意图 优化层是整个a g p s 系统框架中的核心部分。它负责处理由用户接口层发来 的各种请求并将这些请求转发到正确的服务层的服务提供者。为了实现提高系统 性能和降低成本的目标，这部分制定了一些规则和方法。这些方法包括：如何高 效并且快速的将由用户层发送来的请求正确的转发给正在运行的服务层的服务 提供者。例如：对于多个相似的请求，系统会统一创建一个请求给服务提供者， 以及如何有效地处理底层运行的多个位置服务提供者等。a g p s 系统架构设计图 如图4 - 2 所示。 1 6 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 i 用户接口层 j l 会话管理 1r 客户端请求消息处交易管理服务层响应消息处 理句柄理句柄 服务提供者管理 j l l 缓存管理 r 动态加载管理 ( 图4 - 2a g p s 系统架构设计图 优化层主要由四个组件构成：会话管理、交易管理、服务提供者管理和动态 加载管理。 ( ) 会话管理 在优化层的会话负责处理由用户接口层发送来的消息。例如：负责正确地把 一个由用户接口层发送来的请求消息转发给正确的消息处理句柄并且将响应消 息正确地发送回来。优化层的会话管理负责处理优化层所有的会话。包括：创建、 重建以及销毁会话服务。 ( 二) 服务提供者管理 服务提供者管理是一个负责存在的位置服务提供者的控制器。它负责与位置 服务提供者进行通信、记录提供者的能力和状态、存储最近一次获得的位置信息。 服务提供者管理负责管理所有的服务提供者、提供位置信息给交易中介者、当优 化层启动时，负责动态的载入所有的服务提供者。 ( 三) 交易中介者 交易是一个动态完成的工作。这里有两个层次的交易：会话一交易和提供者一 交易。会话一交易负责对用户接口层发来的消息的处理和响应，而提供者一交易负 1 7 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 责对向位置提供者发出的消息进行处理和响应；会话一交易依靠提供者一交易来完 成工作，它们的关系是这样的：每一个会话一交易必须要有一个指定的提供者一 交易来完成工作，而同时，多个会话一交易可能共用一个提供者一交易来完成。 交易中介者负责创建、销毁交易并且建立两个交易之间的联系。交易中介者 规定了一些规则，这些规则用来处理何时或者如何向交易列表里面添加或者删除 一个交易对象。 ( 四) 动态加载管理 动态加载管理将读取当前加载的位置服务提供者的文件配置信息。有了动态 加载管理器的帮助，提供者交易可以正确的找到并且动态的激活位置服务提供 者。 1 ) 动态加载管理 动态加载管理的工作流程如图4 _ 3 所示。 图4 - 3 动态加载管理工作流程 1 8 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 2 ) 存储 所有的服务提供者索引信息被存储在文件索引中，每个位置服务提供者的详 细信息被单独的存储在一个信息文件中，这个信息文件的命名规则是“位置 服务提供者+ “i d ”。它的作用是详细的记录每个位置服务提供者的能力。 其工作原理图如图4 4 所示。 p r o v i d e r + i d c o r d 图4 _ 4 存储工作原理 4 2 手机a g p s 优化系统各功能模块的详细设计 4 2 1 用户接口层 1 打开会话 打开一个会话的工作原理如图4 _ 5 所示，当用户调用用户接口层的任意功能 时，首先都要打开一个会话，建立用户接口层与优化层通信，使得用户接口层与 优化层进行交互。 1 9 北京邮电大学硕士毕业论文 手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 l 创建啪话毪搂 0 p 韪一十嘧删象 【运行优化层摩务器 i d j 一 卜优化层创蹙瞄接 上 i 自优化层发送创建会话崔 l接的请求 l 等待俄仉层发送来的会话请刺 。 的响应 i p 一谶撇昕 l召 + i 退回 图销打开会话的工作原理 2 向优化层发送一个请求 向优化层发送一个请求的工作原理如图4 - 6 所示：当用户调用用户接口层的 任意功能，并且在打开一个会话连接后，都要向优化层发送一个请求消息，再由 优化层处理来自用户接口层的消息，做出响应。 北京邮电大学硕士毕业论文手机a g p s 辅助定位技术的研究与优化 弼用用户接口层i 1 | 蜘耥燧 一 等挣优