（计算机应用技术专业论文）windows+mobile平台上手机定位系统的设计与实现.pdf

摘要 随着计算机技术，无线通信技术和社会网络概念的深入发展和结合，人们对 于位置信息的需求不断扩大，获取移动定位信息的定位技术已成为当前的研究热 点。传统的定位技术比较成熟，但是成本很高，这样就出现了利用软件实现而无 需在移动终端或者网络端添加硬件的方法，即基于数据库的定位技术( d c m ) 。 该方法的定位精度要优于传统的定位技术，可以满足普通用户的定位需求以及相 关的位置服务。 根据w i n d o w sm o b i l e 自身的特点以及在其他平台上实现的定位系统，本文 设计实现了w i n d o w sm o b i l e 平台上基于数据库的手机定位系统。基于数据库的 手机定位技术的前提是获取6 个以上( 包括6 个) 的小区信息，本文在w i n d o w s m 0 b _ i l e 平台上利用直接读取内存的方法获取多个小区环境信息。基于数据库的 手机定位系统的关键环节是数据库的设计与构建以及位置指纹的匹配算法，本文 根据匹配算法以及位置指纹中各个参数之间的关系，设计并实现了数据库，并能 让用户自行添加数据库中没有的位置指纹信息。最后为了能提高定位的精度，引 入了卡尔曼滤波器以及混合系统定位的思想，并验证了采用这两种方案可以大大 提高定位结果的精度。 最后分别在户外以及室内测试了该手机定位系统，户外的定位精度是1 0 2 m ， 室内的定位精度达到1 4 1 m ，证明了其定位结果满足研究需求，可以用于w i n d o w s m o b i l e 平台上基于位置信息的应用服务。 关键词：d c m 蜂窝网定位室内定位w i n d o w sm o b i l e 平台g s m 定位卡尔 曼滤波器混合系统定位 a b s t r a c t f o l l o w i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dc o m b i n a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h en e e do fl b sc o n s t a n t l ye x p a n d i n g ，l o c a t i o nm e t h o d h a sb e c o m et h eh o tr e s e a r c ha r e a t h et r a d i t i o n a l l o c a t i o nm e t h o d ss e e mt ob em a t u r e h o w e v e r ，t h ec o s ti ss oh i 曲t h a tt h en e w e s tw a yt ol o c a t i o nc a l l e dd c ma p p 铭r e d d c mi saw a yw h i c hi si m p l e m e n t e dt h r o u g hs o f t w a r e ，w i t h o u ta d d i n gh a r d w a r eo n n e t w o r ko rm o b i l ep h o n e s t h el o c a t i o nr e s u l to fd c mi sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a l l o c a t i o nm e t h o d s i ti se n o u g ht o s a t i s f yt h ec o m m o nu s e r st ol o c a t et h e m s e l v e sa n d r e l a t e dl b s t h i sp a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t sap p cl o c a t i o ns y s t e mb a s e do nd a t a b a s eo n t h ep l a t f o r mo fw i n d o w sm o b i l e a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fw i n d o w sm o b 诅ea n d l o c a t i o ns y s t e m so no t h e rp l a t f o r m s t h ep r e c o n d i t i o no fd c mi st og e tm o r et h a ns i x ( s i xi n c l u d e d ) c e l l si n f o 珊sp a p e rs o l v e st h i sp r o b l e ms u c c e s s f u l l y , e x p l o r i n g s e v e r a lc e l l si r r f ot h r o u g hd e t e c t i n gt h em e m o r yd i r e c t l yo nw i n d o w sm o b i l e t h e k e yp o i n tf o rd c mi sh o wt oc o n t r i b m et h ed a t a b a s ea n dw h a ta l g o r i t h ma d o p t e dt o m a t c ht h ef i n g e r p r i n t s ，t h i sp a p e rr e a l i z et h ed a t a b a s eo nt h eb a s i so fm a t c h i n g a l g o r i t h ma n dr e l a t i o n sb e t w e e nv a r i o u sp a r a m e t e r s n ef u n c t i o ni sr e a l i z e dt h a tl e t u s e r sa d dn e wf i n g e r p r i n t si n t ot h ed a t a b a s e a tl a s t ，f o ri m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo f l o c a t i o n , w ea p p l yk a l m a nf i l t e ra n dm u l t i s y s t e mm e t h o d n 圮f i n a le x p e r i m e n t s s h o wt h a tt h e yr a i s et h el o c a t i o na c c u r a c yr e m a r k a b l y sp a p e ri m p l e m e n t ss e v e r a le x p e r i m e n t si nd i f f e r e n te n v i r o n m e n t s i n c l u d i n g o u t d o o ra n di n d o o r 1 1 1 eo u t d o o rl o c a t i o na c c u r a c yi s1 0 2m e t e r s w h i l e1 4 。lm e t e r s i n d o o r 1 1 硷r e s u l t sp r o v et h a tt h es y s t e ms a t i s f i e st h er e s e a r c hr e q u i r e m e n t s c a nb e u s e di i ll b so nt h ep l a t f o r mo fw i n d o w sm o b i l e k e yw o r d s ：d c m ，c e l l i dl o c a t i o n , i n d o o rl o c a t i o n , w i n d o w sm o b i l e p l a t f o r m ，g s ml o c a t i o n , k a l m a nf i l t e r , m u l t i - s y s t e ml o c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂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。 学位论文作者签名：秀丑只 签字r 期：妒，年岁月z 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 r 付- t ：仪权丕盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存：汇编以供查阅和借阅。同意学校 向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：碜只r 导师签名： 签字日期：砂7 年岁月2 7 r 金也像 f 签字日期： 工叩年 月7 同 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 本课题来源于微软亚洲研究院无线网络组的研究项目“基于w i n d o wm o b i l e 平台上的移动数据整合共享技术”，简称i m p r e s s i o n 。i m p r e s s i o n 是一个为智能手 机用户设计的社会网络应用软件，基于用户的位置信息整合共享移动数据，包括 日志，图片，影音，特别是实时的移动位置信息。通过移动位置信息，用户就可 以及时的跟踪好友近况。i m p r e s s i o n 在设计上采用两种思想：以社会网络为导向， g p s 辅助的数据共享策略；通过移动适应度以及位置敏感度来管理数据的一致 性。 随着计算机技术，无线通信技术和社会网络概念的深入发展和结合，以及位 置信息服务的广泛应用，用户数量的不断增多，人们对于位置信息的需求不断扩 大，获取移动定位信息的定位技术和基于社会网络的数据共享技术已成为当前的 研究热点。在技术推动方面，随着手机p c 化的进一步加深，以及用于实现手持 数字产品间相互兼容并同p c 兼容的考虑，在桌面领域占有绝对优势的w i n d o w s 操作系统也会作为统一不同设备间数据和应用的基础平台而占据最大市场份额。 因此，i m p r e s s i o n 具有较好的市场前景和实用价值。 位置信息服务( l b s ) 属于电信的增值服务。它在移动通信网络上建立， 通过移动通信的定位技术以及地图数据库确定手机及用户的位置，并将各种与位 置相关的事务结合起来形成的一种综合性服务。l b s 能提供的服务包括实时定位 查询、路线查询、交通状况报告、天气预报、车辆调度以及其它一些与位置相关 的基本服务。众所周知，人类8 0 的行为与地理位置有关系，根据位置所提供的 服务内容也多种多样。从现在的技术能力以及已经拥有的终端用户群体来看，位 置信息服务拥有很庞大的用户市场和广阔的发展前景。对于这样一个大规模的服 务领域，实现其规模市场服务的基础是一个高性能的技术架构。 未来的l b s 主要集中在一下几个方面，信息娱乐将更加多样化、趣味化、准 确化。高精度定位信息将更加具有实用性，可以同时进行游戏、聊天、社区、博 客等，将通过w a p 、j a v a b r e w 等形式，提供更加丰富的互动服务；与商务的 结合更加密切。基于位置的定向广告推送，为用户提供随时随地的服务；贴近生 活，更加实用。在国外，位置服务的最大市场是跟踪、导航服务，今后在位置导 航、交通导航、路线导航、紧急求助等方面将涌现出大批新业务，活跃在安全求 第一章绪论 援、旅游、交通等贴近大众生活的行业；行业应用前景广阔。位置信息服务的重 要发展方向是与传统行业的融合。基于位置的服务将会促进物流、交通、安全、 城市规划等众多传统产业的精确信息化管理，衍生价值无限。运营商将会充分与 传统产业开展合作，全面打造和扶持基于位置信息服务的融合性行业应用，促进 位置信息服务产业价值链的多元化，拓展行业市场容量。在目前正在广泛推广的 3 g 网络，l b s 将会发展成为基于通信网络的核心应用，移动互联网上的一个业 务亮点。与g p s 技术的无缝集成，网络条件质的飞跃，3 g 终端的普及，信息内 容的丰富等各方面的改善会促使位置信息服务的优势得到充分的体现与释放 2 1 。 对于位置信息服务来说，关键的环节是如何高效、准确、低成本的获取定位 信息。只有获取了定位信息，l b s 开发商才能向用户提供丰富便捷的服务。也就 是说，要想获取定位信息，首先就得选择什么样的定位技术，可以考虑一下几点 因素：移动终端的运动速度，终端运动的快慢决定了用户对定位精度的需求。用 户对隐私性的要求，这样就必须考虑定位技术的用户可控性。在满足定位精度和 隐私性要求的前提下，应选择性价比高的方案。目前g p s 定位精度不断提高， 而费用则逐渐下降。 但是，w i n d o w sm o b i l e 的智能手机并不完全能实现g p s 定位，因为有些智 能手机并没有内置的g p s 模块，这就使得基于g p s 辅助的数据共享策略无法实 现；另外，打开g p s 模块进行定位，耗电量是平时待机耗电量的5 8 倍，这样 势必降低用户的使用手机体验以及导致其他的手机功能不能使用。而且，在密集 的市区和建筑物内部，g p s 接收器经常无法接收到足够的卫星信号来计算定位。 所以，使用更优化的、能解决以上问题的定位方法成为该研究项目的一个必然需 求。 本文提出的是在w i n d o w sm o b i l e 平台上开发的基于数据库的g s m 手机定位 方法。它需要在收集大量t r a i n i n gp o i n t s 的基础上，建立关联数据库，设计较好 的匹配算法，在手机上安装采集小区环境、并能上传到服务器的客户端，通过与 数据库中的位置指纹进行匹配，便能获取较好定位精度的位置信息。当然该方法 也存在一定的弊端，t r a i n i n gp o i n t s 的收集总是不能覆盖所有的区域，数据库的 更新和维护比较困难。但是初步的实验结果表明，基于数据库的手机定位方法实 现比较简单，成本低，定位精度较好，可以满足i m p r e s s i o n 的位置信息需求。 1 2 国内外的发展现状 近几年来手机定位技术发展迅速，主要是因为美国联邦通讯委员会f c c 于 1 9 9 6 年开始制定e 9 1 1 法规，在e 9 1 1 中更规定运营商必须提供使用者发起会话 2 第一章绪论 的确切地点，准确率达到6 5 的情况下，必须定位在1 2 5 米的误差范围内1 3 】。 目前网络端定位技术发展以及相关服务发展的相当成熟，例如可以提供使用者目 前所在位置附近的宾馆、停车场等信息，对手机用户的定位信息也可以用来协助 无线资源管理，例如信道选择、基站切换等。 国内自2 0 0 8 年奥运会以来，移动商务应用将更加普及，包括手机搜索、手 机电视等个性化服务将得到更广泛的应用，企业级移动应用也将更加广泛。移动 通信运营商、设备和终端厂商、服务提供商等产业链各方，都面临着巨大的发展 机遇，特别是3 g 服务的加速到来。尽管手机定位技术可以和其它不同的行业结 合产生不同的应用，但获取衣食住行方面的实用信息以及基于娱乐的位置游戏等 需求仍是个人消费市场的主要应用热点。 但是，对于手机定位，定位精度、速度和可用性有待提高。目前，全球范围 内普遍使用的移动定位技术主要有四种：c e l l i d 技术、t d o a 技术、e o t d 技术和a g p s 技术。其中，c e l l 1 1 9 、t d o a 是基于网络的，e o t d 是基于终 端的，而a - g p s 则是网络与终端并用的解决方案。c e l l i d 技术定位精度比较 低，无法满足需要定位精度较高的紧急定位服务。c e l l i d 定位技术依靠手机 目前所注册的小区的i d 号来确定用户当前的位置，所以该技术的定位精度与小 区的半径有直接的关系。a g p s 技术的定位精度高、首次捕获g p s 信号时间短， 而且定位的精度比较高。但是该技术也有自身的局限性，比如有的手机没有内置 的g p s 模块，在室内因为无法接收到g p s 信号而不能实现定位，定位实现必须 在基站以及移动终端之间经过多次网络传输，占用了大量的系统资源。不断进行 技术升级，提高定位精度是必需实现的两个方面。从技术的角度看，未来定位服 务技术将以混合定位技术为发展方向，以提高精度、高利用性和高速度定位为发 展目标，提供优质的位置服务应用。该技术充分利用终端定位、网络定位的互补 特性，解决用户在特殊地区的定位问题。除此之外，还有使用时的有效性问题。 还有一点必须引起人们的注意，那就是由于美国政府具有g p s 系统的拥有权和 控制权，在战争等特殊时期，其他国家要借助g p s 系统的a - g p s 定位业务就会 受到影响。所以，如何开发更加有效安全的定位技术成为位置信息服务发展的关 键。 为了抢夺市场先机，从移动运营商、移动网络设备提供商、g i s 系统供应商 到服务提供商( s p ) ，甚至包括m i c r o s o f t 、o r a c l e 、i n t e l 以及某些行业用户，都 建立了各具特色的位置服务解决方案。 1 、星刚4 】 星图是中国联通c d m a “定位之星”位置服务的一部分，它利用g p s 手机、 c d m a 网络和g p s 定位系统满足用户高速、精准的位置服务需要。用户只要有 第一章绪论 可以上互联网的p c ，即可通过浏览器对其所管理的定位终端进行位置查询、调 度和管理，不需要安装任何软件，更不需进行任何前期硬件建设。联通无限定位 之星业务基于对移动终端的定位，结合g i s ( 地理信息系统) 地图数据信息，向 用户提供丰富的位置信息服务。 目前位置服务的一方面主要集中在确定用户位置、相互查询位置、与用户当 前位置有关的各种生活、交通、娱乐、服务公共设施等信息服务，以及开展基于 位置的娱乐游戏等等；另一方面的应用主要是指将移动网络位置服务与行业应用 相结合，从而在专业领域推出服务，包括救援定位服务、车辆调度、物流管理、 位置广告、公司内部管理等方面的应用。 2 、上海贝尔g s m g p r s 移动定位解决方案【4 j 为帮助运营商开展移动定位业务，上海贝尔阿尔卡特开发了从系统到终端的 全套移动定位解决方案。该方案不需要对现有网络进行改造，也不需要对现有手 机进行升级，具有投入小、建设周期短的特点，能有效地降低风险，为运营商赢 得宝贵的时间。 上海贝尔阿尔卡特定位解决方案中，被定位的用户手机需要换用s t k 卡。 s t k 卡内的定位处理程序( s i ml o c a t i o nh a n d l e r ) 负责与n e x t e n s o 定位服务器交 互，以确定用户位置。该定位处理程序约为2 k ，由s i m 卡商按n e x t e n s o 定位服 务器的接口规范要求开发完成，目前，s c h l u m b e r g e r 公司可以提供这种s t k 卡。 n e x t e n s o 定位服务器主要完成位置计算、处理用户请求、与i c p 交互、返回结果 等功能。 3 、m i c r o s o f t ：m a p p o i n tl o c a t i o ns e r v e ( m l s ) 吲 微软在2 0 0 4 年3 月2 2 日发布的用于开发位置服务的系统平台。它与m a p p o i n t w e bs e r v i c e ( m w s ) 主要作用是作为无线通信终端和移动运营商之间的中间服 务层，把位置服务的内容提供给用户；而m w s 则根据用户的当前位置，负责实 现各种位置服务功能，如路径导航、附近的兴趣点查询等。定位方式是通过基站 来获取移动用户的位置。当移动用户向m l s 提出定位请求后，m l s 首先识别为 用户终端提供通信的基站，把用户请求上传到该基站；基站接收到用户请求后进 行定位运算，并返回含有经纬度坐标信息的定位结果：m l s 收到定位数据后与 m w s 交互，最后把显示用户实时位置的地图传送到用户终端。 4 、贝多6 】 贝多是一款基于地理位置的移动交友社交网络平台，横跨手机和p c 两大平 台。提供雷达定位服务、即时通讯服务、社区服务、资讯服务等。使用贝多雷达 可以获知自己在地图上的位置，并扫描周边的好友、附近发表的博客及活动等信 息，包括网名、大概位置、出现的时间等，同时显示的还包括附近曾经发表的博 4 第一章绪论 客、贝友的“家”以及活动信息。此外，你可以通过贝多直观、即时地“告诉朋友 你在哪里”、“在做什么”等，而且随着所处位置的变化“贝多”好友列表里表示 距离的图标也会自动更新。 贝多不但支持内置g p s 模块的手机。同时也支持投有g p s 模块的智能手机。 贝多可以通过基站对移动终端进行粗略定位。贝多的定位精度在几 _ 米到几百米 之间，图11 贝多估算出的用户的位置以及利用g p s 定位到的该用户的位置。 皿多fc l 弹的婀p 位咒 g p s 何的用p n r 幽1i 贝多和g p s 定位的月户位置对m 位置信息服务的蓬勃发展促进了定位技术的研究与更新反之随着定位技 术提供更高效、更精准的位置信息，也相应的带动了位置信息服务提供更加广泛 实用的服务内容。研究更加便捷有效咐且成本低的定位技术成为未来通信服务领 域的关键环节。 1 3 研究目的和意义 位置信息服务被认为是继短信之后的重晕缀业务之一，有着巨大的市场规模 和良好的盈利前景，但实际进展比较缓慢。在北美，加拿大的b e l lm o b i l i t y 足 商用位置服务市场的领导者，已推出了信息、娱乐、求助等共别的位置服务”1 。 美国的移动运营商们则主要集中在安全方面的需求，无暇顾及商用位置服务。在 韩国，三太运营商有着非常类似的位置服务发展历程。三者都是从c e l l i d 开始， 然后升级到g p s ，不断开发出精度要求增高的应用。在日本，只有k d d i 在力推 第一章绪论 位置服务。k d d i 运营的是c d m a 网络，采用了g p s o n e 技术，能够提供高精 度的位置服务，其推广位置服务的条件以成熟。c e l l i d 技术目前还是欧洲主 流的定位技术，这与运营商目前所主打的日常生活应用对精度的要求不高有关。 在国内，移动和联通都已进入位置服务市场，其中中国移动同时兼顾大众市场和 行业市场，中国联通则侧重大众市场，不过也开始开拓行业市场。 位置信息服务的首要问题是如何高效、准确、低成本的获取定位信息。目前 的定位技术主要包括基于终端的定位，基于网络的定位以及混合定位。a g p s 定位技术属于基于终端的定位，它简化了终端g p s 设备；缩短了g p s 定位时间 并提高定位灵敏度，在信噪比时也能成功定位。w i n d o w sm o b i l e 的智能手机并 不完全能实现g p s 定位，因为有些智能手机并没有内置的g p s 模块，这就使得 基于g p s 辅助的数据共享策略无法实现；另外，打开g p s 模块进行定位，耗电 量是平时待机耗电量的5 8 倍，这样势必降低用户的使用手机体验以及导致其他 的手机功能不能使用。而且，在密集的市区和建筑物内部，g p s 接收器经常无法 接收到足够的卫星信号来计算定位。t o a 、e o t d 、a o a 属于基于网络的定位， 对于普通的定位服务开发商，它们都存在一定的缺点。t o a 定位方式需要附加 硬件( l m u ) 内，以达到精确计算突发信号到达时间的目的。它在市区提供的 定位精度比c e l l i d 定位要好一些，但是却需要更长的响应时间，大约在1 0 s 左 右。e o t d 需要对终端进行改进，这意味着现存的移动用户无法通过该技术获 得基于位置的服务。a o a 最初是由军方和政府机构开发的，它需要向基站增加 天线阵列，造成不美观和管理不便，而且当终端距离基站较远时，基站定位角度 的微小偏差会导致定位线距离的较大误差。以上定位技术存在的缺点，一定程度 上影响了位置服务的开发。因此，基于数据库的手机定位技术可以弥补这些缺点， 无需在网络端和移动终端添加任何硬件设施的情况下，仅仅利用软件便实现定 位。 另外，w i n d o w sm o b i l e7 将于2 0 0 9 年底发布，说明了w i n d o w sm o b i l e 系统 在性能上的不断完善和发展。在w i n d o w 8m o b i l e 平台上开发相关软件和服务迎 合了用户和市场的需求。随着w i n d o w sm o b i l e 性能的提高、成本的降低以及使 用该操作系统的终端的多样化，在该平台上开发的软件具有较强的实用性。 因此，在传统的定位技术的基础上，通过加入新的处理和思想，研究并设计 新的定位技术势在必行。这样，才能提供高效、高精度、低成本的位置信息，进 而利用这些位置信息开发更多实用，贴近生活的低成本软件，方便人们的出行和 娱乐。特别是随着w i n d o w sm o b i l e 智能手机的不断发展和用户群的壮大，开发 w i n d o w sm o b i l e 平台上的定位技术以及相关位置信息服务软件有很大的发展潜 力。 6 第一章绪论 1 4 本论文的工作和结构安排 本文在介绍常见的几种手机定位方式和g s m 手机定位技术的基础上，对他 们的设备改动、实施复杂度、费用、定位区域、定位精度、耗时等方面做了比较 分析。从而，从研究项目的实际需要出发，提出了在w i n d o w sm 0 b i l e 平台上实 现基于数据库的手机定位技术。本文在w i n d o w sm o b i l e 平台上采用直接读取内 存的方法获取小区信息，按照位置指纹信息的模式构建关系数据库，设计并实现 了以小区唯一标志( c e l l i d ) 以及信号强度为参数的匹配算法，从而得到比较 精确的符合研究需求的定位结果和定位精度。最后在不同的场景下测试了该定位 系统的实现效果和定位精度，并对进一步的工作做了展望。本文的主要工作如下： 本文首先介绍了课题的背景，目前手机定位技术以及l b s 的发展现状和存在 的问题，以及w i n d o w sm o b i l e 操作系统和使用该系统的手机的机型的发展变化。 并讲述了本文研究的目的和意义。 第二章介绍了几种常见的手机定位方式和g s m 网络里普遍使用的三种定位 技术，t o a 、e o t d 、a - g p s ，并分析比较了他们之间的区别和联系。然后提出 了本文所使用的基于数据库的手机定位技术，对其概念和实现步骤做了阐述。并 在最后介绍了几种手机定位精度的描述方法，从而可以对手机定位结果进行量的 比较。 第三章总体阐述了本文提出的手机定位方式的系统架构，并介绍了在 w i n d o w s m o b i l e 平台上获取小区的几种途径，a t 命令、r i l 技术以及直接读取 内存的方法，根据w i n d o w sm o b i l e 平台之身的特点以及所用机型硬件的构造， 选择采用最后一种方法即直接读取内存的方法实现获取大于6 个的所有小区环 境。最后，为了提高该定位方法的定位精度，引入了卡尔曼滤波器和混合系统定 位两种方案，并会在第四章中具体实现这两种方案。 第四章是整个定位系统的设计和实现，包括获取小区信息的实现、数据库的 设计和实现、匹配算法的设计和实现、以及提高定位精度的实现。 第五章就系统实现的结果在不同场景下进行了测试和总结。并在最后一章对 本文进行了总结，指出了其中的优点和不足之处，并提出了下一步的工作展望。 7 第二章手机定位技术 第二章手机定位技术 2 1 常见的手机定位方式 目前最重要的三种移动终端定位技术包括卫星定位，基于蜂窝网的定位以及 室内定位。 2 1 1 蜂窝网定位 蜂窝网定位可以是移动终端辅助定位方式，基于移动终端定位方式，基于网 络定位方式。移动终端辅助定位就是移动终端收集测量数据，然后将这些数据传 输给定位服务器，定位服务器计算其位置，再将位置信息传输回手机。基于移动 终端定位方式就是移动终端完全提供收集测量数据以及计算位置的功能，而基于 网络方式定位则是由网络完成这些功能。 1 、c e l l i d 最简单的方法就是用于估算位置的测量数据只包括注册小区的标志信息 c e l l i d ，或者w l a n 网络里的接入点信息( a c c e s sp o i n t ) 。然后根据注册小 区所对应的位置信息来估算移动终端的位置。这种定位方式的精度依赖于蜂窝网 小区的大小【8 1 。比如g s m 网络小区大小大概在0 2 2 k m 。所以很多基于地理位置 的服务单单依靠这种定位方式是不充分的。因此，出现了很多更复杂，精度更高 的定位方式。小区定位最大的优点就是它确定位置信息的响应时间十分快。小区 定位方式如下图所示： 8 第二章手机定位技术 2 、s i g n a ls t r e n g t h 提高定位精度的一个方法就是利用信号强度。根据网络类型和拓扑结构，移 动终端可以监听到几个信号源的信息。比如，在g s m 网络里，手机可以监听到 一个注册小区信息和至少6 个邻居小区信息。如果是真空传输，信号强度可以按 照一定比例转换成信号源和移动终端的距离。按照传输模型，可以按照几何方法 估算移动终端位置。但是，由于受到传输过程中障碍物的干扰，信号并不是按照 直线传播的。虽然在障碍物干扰的情况下，也可以在一定程度上建立传输模型， 但结果并不是很好。另外，移动终端监听到的信号源的数量直接影响到定位的精 度，也就是说，至少知道3 个小区信息，才可以估算出移动终端的位置，监听到 的小区信息越多，定位精度越高。 根据移动终端监听到的几个小区的位置信息，利用权重的方法估算出移动终 端的位置。公式如下： k 嘧x 嗡k 削b 。 x 胛= 璺) 一，= 旦 - 一 公式( 2 一1 ) k 脚k 麟 i = 0i = 0 其中，( “，) 是移动终端的位置，n 代表监听到的小区数， ( x b $ i ， y b s i ) 是第i 个小区的位置，七鼢代表第i 个小区的信号强度。 3 、t i m i n gm e a s u r e m e n t s 除了利用信号强度，时间信息也可以用来提高定位精度。比如前面提到的 t o a 定位技术，e o t d 定位技术，o t d o a 技术。这些定位方法都是利用三角 测量，所以移动终端需要监听到至少3 个小区。图2 2 显示了移动终端利用到三 个小区的时间差来进行定位的方法。 4 、a n g l eo f a r r i v a l 该技术在两个以上的位置点设置方向性天线或阵列天线，获取终端发射的无 线电波信号角度信息，然后通过交汇法估计终端的位置。它只需利用两个天线阵 列就能完成目标的初始定位，与t d o a 等技术的定位体制相比，系统结构简单， 但要求天线阵具有高度灵敏度和高空间分辨率。建筑物分别密集、高度和地形地 貌对a o a 的定位精度影响较大，在室内、城区及乡村地区，a o a 的典型值分别 为3 6 0 度、2 0 度和1 度。随着基站与终端之间的距离增加，a o a 的定位精度逐 渐降低。a o a 定位误差主要由城市的多径传播及系统误差造成，可通过预先校 正来抵消系统误差的影响，而建筑物密集地区的多径效应一直是困扰天线通信的 难题，智能天线可在一定程度上减小多径干扰的影响，但由于实现复杂和设备成 本的问题，尚未广泛应用。因此，a o a 技术虽然结构简单，但是在城市蜂窝定 位系统中并未得到应用。 9 第二章手机定位技术 5 、混合方法 上述各种方法可以结合使用以获得更高精度的定位。在不同的网络类型，不 同的环境中使用不同的方法，或者结合几种方法，相互补充，相互协调。比如， 在市区，要使用加强版的定位方法，以满足更高精度的定位需求，而在空旷的郊 区或者乡下，则可以使用资源消耗较小的，稍微简单的定位方法。 美国高通公司的g p s o n e 和s n a p t r a c k 混合定位就是一个很具有代表性的解 决方案。g p s o n e 方案充分利用蜂窝无线网络信息和基于卫星的g p s 信息，直接 改善了定位的可用性、灵敏性、精确度和定位耗时。在g p s o n e 混合定位解决方 案中，移动终端同时从g p s 卫星和蜂窝网络接收测量数据，这些数据被组合起 来生成精确的三维定位。 2 1 2 卫星定位 l 、g p s g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是2 0 世纪7 0 年代由美国陆海空三军联合 研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提 供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于倩报收集、核爆监测和应急通讯等 一些军事目的。这是一个由覆盖全球的2 4 颗卫星组成的卫星系统。这个系统可 以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4 颗卫星，以保证卫星可 以采集到该观测点的经纬度和高度，速度，时间。以便实现导航、定位、授时等 1 0 第二章手机定位技术 功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选 定的路线，准时到达目的地。定位误差根据应用环境不同大概在几米到几十米之 间。 差分g p s ( d g p s ) 就是把高精度的g p s 接收机安装在位置准确测定的地点 组成基站。基站接收g p s 卫星信号所测定的位置和本站已知位置相比较求得位 置测定误差或伪距测量误差，并将这些误差作为校正值向四周空间发播。基站附 近的g p s 用户接收机收到来自基站的校正信号，修正自身的g p s 测量值，从而 大大提高定位精度。 在上面提到的a - g p s 是利用蜂窝网络来辅助手机里的g p s 接收器解决定位 精度问题。辅助信息不但延长了手机电池的寿命，还加强了手机g p s 模块的敏 感度。a - g p s 是3 g 网络里比较成熟的定位技术。 2 、g l o n a s s 格洛纳斯g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 最早开发与苏联时 期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯于1 9 9 3 年开始独自建立本国的全球卫星导 航系统。该系统已于2 0 0 7 年年底开始运营，到2 0 0 9 年年底之前，其服务范围将 拓展到全球。g l o n a s s 在水平方向上的定位精度到达5 7 7 0 米，在垂直方向上 的精度达到7 0 米以内。 3 、g a l i l e o 伽利略定位系统( g a l i l e op o s i t i o n i n gs y s t e m ) ，是欧盟一个正在建造中的卫 星定位系统，有“欧洲版g p s ”之称，也是继美国现有的“全球定位系统”( g p s ) 及俄罗斯的g l o n a s s 系统外，第三个可供民用的定位系统，预计会于2 0 1 0 年 开始运作。它是第一个由民间组织控制的全球定位系统，包括3 0 颗卫星和2 个 地面控制中心。“伽利略”系统将为欧盟成员国和中国的公路、铁路、空中和海洋 运输甚至徒步旅行者有保障地提供精度为l 米的定位导航服务，从而也将打破美 国独霸全球卫星导航系统的格局。 2 1 3 室内定位 上述的所有方法理论上都是可以用于室内定位的，但是由于环境的不同，信 号在传输过程中受到墙、地板、以及天花板的反射。随着信号的衰减，定位的精 度也明显下降。因此，开发了一些专门的技术用于室内定位。 1 、w l a n w l a n 已经被用于室内定位很多年，最常用的方法就是测量几个接入点的信 号强度，通过无线电波传输模型将信号强度转换为距离来定位【9 1 ，或者与已收集 的数据信息匹配来获取位置。 第二章手机定位技术 2 、b l u e t o o t h b l u e t o o t h 是用于短距离无线连接的开放标准，通过2 4g h z 无线电波连接手 机、电脑和其他电子设备。蓝牙定位的原理与w l a n 是一样的，都是通过终端 设备接收到的不同信号源的信号强度。 3 、r f i d t l o 】 r f i d 是一种虽老但有新应用的短距离传播技术，它在标签和阅读器之间通 过射频信号传输数据。标签可以是被动的也可以是主动的，被动的标签不主动发 送信号，而是通过接收到的信号的能量，发送一个确认给阅读器。所以，可以在 标签中存储终端的位置信息，用阅读器询问该标签，从而获得该终端的位置。 2 2g s m 手机定位技术 g s m 手机定位方式通常可分为基于网络方式和基于终端方式两种。从技术 上可分为到达时间( t o a ) 、增强测量时间差( e o t d ) 和g p s 辅助( a - g p s ) 3 种方式。 2 2 1g s m 定位技术介绍 1 、t o a 定位技术 t o a 定位技术通过计算信号从手机到至少三个基站的传输时间差来获得定 位的。该定位方式可在现有的任何移动终端上实现，而移动终端无需做任何改动。 各l m u 通过多种方式实现和改善t o a 的测量结果。利用收到的突发信号可 提高测量成功概率和测量精度，突发信号是终端在执行异步切换时发出的。当手 机的某个应用需要知道地理位置时，该应用向s m l c ( 服务移动定位中心) 发出 请求，同时告知手机号码和定位精度要求。被测量的t o a 参数及其误差值一同 被获取并发送到s m l c ，根据该数据，s m l c 可计算出应用所需要的地理位置， 再将位置信息和误差范围发送回应用。 t o a 定位技术需要附加硬件( l m u ) ，以精确计算突发信号到达时间。实 现方式有多种：l m u 既可集成在b t s 内，也可作为单独设备。l m u 作为单独 设备时，既可有单独的天线，也可与b t s 共享天线，通过空中接口实现网络间 通信。 2 、e o t d 定位技术 e o t d 定位技术是从0 t d ( 测量时间差) 发展而来的，o t d 是指测量所得 的时间差，而e o t d 指测量的方式。e o t d 通过放置位置接收器或者参考点实 现定位，这一点与t o a 不同。手机无需附加任何硬件设备即可得到测量结果。 1 2 第二章手机定位技术 对于同步网，手机测量几个b t s 信号的相对达到时间；对于非同步网，信号同 时还需要被一个位置己知的l m u 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，晟终确定手 机的位置。 通过手机或网络中的位置计算功能模块，实现位置计算。 3 、g p s 辅助定位技术 g p s 辅助定位技术的原理是：g s m 网络收到g p s 辅助信息；g s m 网将辅助 信息发送到手机；手机得到g p s 信息，计算并得出自身精确位置；手机将位置 信息发送到g s m 网。 该方式有手机自主技术和手机辅助技术两种。 2 2 2 三种g s m 定位技术比较 常用的三种g s m 定位技术，到达时间( t o a ) 、增强测量时间差( e o ) 和g p s 辅助( a - g p s ) 在计算成本、定位精度、定位耗时、设备改动状况方面 有各自的优点和缺点( 表2 1 ) ，具体选择何种定位技术，要根据实际的需求和 定位技术的可行性。 表2 - 13 种定位技术的比较 技术方案计算( 网络终端)设备改动费用定位区域精度 耗时 ms t o a 网络网络添加l m u高乡村收到限 5 0 2 0 01 0 制 e o t d 网络网络、终端都 由 乡村受到限 5 0 4 0 05 需要改动制 a g p s 辅助定位，网络完网络、终端都 由 市区、室内收 51 成大部分计算要改动到限制 自主定位，终端完 成所有计算 t o a 的优点是百分之百兼容现有的手机，无需在硬件或者软件上做任何修改 就可以实现t o a 定位。这样就最大限度保护现有手机用户的利益，是当前情况 下实现g s m 手机定位的比较理想的方式；能够支持漫游，各种接口标准统一； 定位精度可单独优化。通过提高l m u 性能，可局部提高定位精度。缺点是在初 始阶段，由于整个移动通信网络需要建立大量l m u ，投资较高。业务量大时现 g s m 网络负担增加。当定位需求增多时，手机需要频繁强制执行切换命令，使 g s m 网络的信令传输量增加。 e o t d 的优点是l m u 数量远少于t o a 方式，可减少网络初始投资；现有 手机无需增加硬件模块和附件，只需要对软件进行更新。缺点是现有手机不能适 第二章手机定位技术 用于e o t d 定位方式，需要更新软件或全部替换，增加额外成本；由于同时受 r t d 和几何距离参数的影响，定位精度较低。此外，在城市区域，多径效应也 会影响定位精度。 a g p s 的优点是网络改动少，g s m 网络基本不用增加其它设备，无需建立 l m u 。网络投资少，将受g s m 网运营商的青睐；由于采用了g p s 系统，定位 精度较高，理论上可达到5 1 0 m 。缺点是需要更换手机。现有手机如想使用 a - g p s 定位方式，必须更换；手机成本、体积和功率增加。手机中增加g p s 定 位功能，则必须增加g p s 模块，致使手机成本增加。增加g p s 的功能后，必然 会增加功耗和体积。还有一个缺点是安全风险。由于g p s 受美国政府控制，存 在一定的安全风险。在军事、国家安全等领域的定位应用应避免选用a -