（计算机软件与理论专业论文）智能手机中基于supl协议的定位代理的研究.pdf

南京邮电火学硕士研究生学位论文摘要 摘要 随着社会的发展，人们的活动范围越来越不确定，这给移动定位业务提供了无限商机 和挑战。越来越多的移动定位业务需要更高的定位精度和更短的响应时间。由o m a ( 开 放移动联盟) 提出的基于s u p l ( 安全用户平面) 的a g p s ( 辅助全球定位系统) 技术已 经成为3 g 移动定位业务中最有发展前景的定位技术。基于a g p s 定位技术的定位业务的 发展和应用，离不开与用户直接交互的智能手机。然而面向智能手机的定位业务开发仍然 存在着一些困难：由于g p s 硬件和手机操作系统的不同，定位应用开发商和手机制造商需 要针对不同的硬件和操作系统开发定位业务，从而造成定位业务的平台独立性差、设备无 关性差、开发周期长等困难。因此智能手机中能够为定位业务提供精确位置信息的定位代 理就成为研究热点。 本文以智能手机中的s u p l 定位代理为研究内容。采用协议分层设计思想、模块化设 计思想、随需扩展思想，提出了一种定位代理软件设计方案。所设计的定位代理由p e r 编 解码模块、t l s 传输模块、w a pp u s h 接收模块、s u p l 状态机模块、g p s 管理模块、定位 服务模块以及应用程序接口模块组成。在p e r 编解码模块的设计中采用面向对象的设计 方法，克服了传统基于编译器方法的种种弊端，增强了具体协议编码的灵活性。在t l s 传 输模块中，设计了连接列表，存储已经建立的连接，在发送数据时，可以复用已经建立的 连接，减少了建立连接的资源消耗。在s u p l 状态机模块的设计中采用了s t a t e 设计模式， 解决了基于结构化方法的有限状态机实现复杂、代码难以重用、维护复杂、扩展性差的问 题。在g p s 管理模块中，引入了“引用计数”技术，通过需要使用g p s 的定位请求的个 数来控制g p s 芯片的自动开启与关闭。该技术解决了在多次定位中由于频繁打开关闭g p s 芯片而耗费过多能量的问题。本文所设计的p e r 编解码模块和s u p l 状态机模块都具有 跨平台的移植能力，方便定位代理适应不同的智能手机操作系统平台，具有良好的兼容性。 本文所设计的s u p l 定位代理可同时为2 ( 3 2 5 g 和3 g 网络服务，有利于定位业务在不同 网络之间的无缝迁移。最后经过测试，表明该定位代理的定位精度和响应时间都达到了定 位业务的要求。 关键词：智能手机；辅助全球定位系统；定位代理；安全用户平面 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t l lt h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , p e o p l e sm o v a b l es c o p ei sl e s sa n dl e s sc e r t a i n , w h i c hb r i n g si n f i n i t eb u s i n e s so p p o r t u n i t i e sa n dc h a l l e n g et ol o c a t i o n - b a s e ds e r v i c e a n i n c r e a s i n gn u m b e ro fl b sr e q u i r eah i g h e rp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n dq u i c k e rr e s p o n s e s u p l - b a s e da - g p st e c h n o l o g yp r o p o s e db yo p e nm o b i l ea l l i a n c eh a sb e c o m et h em o s t p r o m i s i n gp o s i t i o n i n ga p p r o a c hf o rl b s i nt h e3 gm o b i l en e t w o r k 1 1 1 eg r o w t ha n d a p p l i c a t i o n o fl b sb a s e do na - g p st e c h n o l o g yc a l ln o tb es e p a r a t e df r o mt h es m a r tp h o n e h o w e v e r ，l b s p r o v i d e ra n dm o b i l ep h o n em a n u f a c t u r e rh a v et od e v e l o pf r o mt h es c r a t c ht os u i tt h ed i f f e r e n t g p sh a r d w a r e sa n dm o b i l eo p e r a t i n gs y s t e m s t h i sc a u s e sl o wa d a p t a b i l i t ya n dl o n g d e v e l o p m e n tc i r c l e s ot h el o c a t i o na g e n ti ns m a r t p h o n ew h i c hc a np r o v i d ea c c u r a t el o c a t i o n i n f o r m a t i o na n dm a k el b s d e v e l o p m e n te a s i l yh a sb e c o m et h er e s e a r c hh o t s p o t t h i st h e s i sm a k e sr e s e a r c ho nt h es u p ll o c a t i o na g e n ti ns m a r t p h o n e t h i sp a p e rp r o p o s e d i an e ws o f t w a r ed e s i g nf o rs u p ll o c a t i o na g e n tw i t ht h ei d e a so fh i e r a r c h i c a l ，m o d u l a ra n d e x p a n d a b l e n l ea g e n tc o n s i s t so fp e re n c o d i n g d e c o d i n gm o d u l e ，t l st r a n s m i s s i o nm o d u l e ， w 印p u s h r e c e i v e rm o d u l e ，s u p ls t a t em a c h i n em o d u l e ，g p sm a n a g e m e n tm o d u l e ，p o s i t i o n i n g s e r v i c em o d u l ea n da p im o d u l e o b j e c t - o r i e n t e dm e t h o di su s e di nt h ed e s i g no fp e rm o d u l et o o v e r c o m et h ed r a w b a c ko ft r a d i t i o n a lc o m p i l e r - b a s e dm e t h o d ，a n di m p r o v et h ef l e x i b i l i t yo f s p e c i f i cp r o t o c o le n c o d i n g d e c o d i n g 砀ec o n n e c t i o nl i s ti nt l st r a n s m i s s i o nm o d u l er e d u c e s t h ec o n s u m p t i o no fr e s o u r c e sf o rs e t t i n gu pn e wc o n n e c t i o n s t a t ed e s i g np a t t e r ni su s e di nt h e d e s i g no fs u p ls t a t em a c h i n em o d u l et os o l v em a n yp r o b l e m so ft h es t r u c t u r e - b a s e dm e t h o d s u c ha sc o m p l e x i t yo fi m p l e m e n t a t i o n ，i n - r e u s a b i l i t yo fc o d e ，d i f f i c u l t yo fm a i n t e n a n c ea n dp o o r s c a l a b i l i t y r e f e r e n c ec o u n t ”t e c h n o l o g yu s e di nt h ed e s i g no fg p sm a n a g e m e n tm o d u l ec a n m a k eg p sc h i pt u r no f f o na u t o m a t i c a l l y ，w h i c hs a v e sal o to fp o w e r t h ep e rm o d u l ea n d s u p ls t a t em a c h i n em o d u l ea r ec r o s s - p l a t f o r m s m a r t p h o n e s 、析t ht h es u p ll o c a t i o na g e n tc a n w e l ls e r v i c ef o rb o t h2 g 2 5 ga n d3 gn e t w o r k f i n a l l y ，e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h er e s p o n s et i m e a n dp o s i t i o n i n ga c c u r a c yo ft h el o c a t i o na g e n tc a l lf u l f i l ll b sr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：s m a r t p h o n e ；a g p s ；l o c a t i o na g e n t ；s u p l i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文图表清单 图表清单 图卜12 0 0 4 - - - 2 0 1 2 年中国移动定位业务市场的规模( 亿元人民币) ：2 图2 1g p s 定位示意图8 表2 1 终端辅助和基于终端定位方式比较1 0 表2 2a - g p s 的控制平面与用户平面方案比较1 1 图3 1s u p l 定位框架1 2 图3 2u l p 消息结构1 3 图3 3s u p li n i t 消息组成1 4 图3 4s u p ls t a r t 消息组成1 4 图3 5s u p lp o si n i t 消息组成1 4 图3 - 6s u p lp o s 消息组成1 4 图3 7s u p le n d 消息组成1 5 图3 8 非漫游代理模式下网络侧发起的定位流程1 5 图3 9 非漫游代理模式下终端侧发起的定位流程1 6 图3 1 0r r l p 消息结构1 7 图3 1 1r r l p 定位测量请求消息组成1 7 图3 1 2r r l p 定位测量响应消息组成1 7 图3 1 3r r l p 辅助数据消息组成1 7 图3 1 4r r l p 辅助数据传递流程1 8 图3 1 5r r l p 定位测量流程1 9 表3 1a s n 1 基本类型1 9 表3 2a s n 1 复合类型2 0 图3 - 1 6a s n 1 编码格式2 0 图4 - 1 定位代理在系统中的位置2 5 图4 2 定位代理分层结构2 5 图4 3a s n 1 类型继承图2 7 图4 - 4u l p 消息封装类图2 8 图4 5r r l p 消息封装类图2 9 图4 6p e r 编码流程3 0 图4 7p e r 解码流程3 0 图4 8t l s 传输模块的结构3 2 图4 9t l s 连接管理算法流程3 4 图4 1 0t l s 消息接收线程的处理流程3 4 表4 1w a pp u s h 用户数据格式3 5 表4 2u l p 协议s e t 端的六种状态3 6 表4 3s u p l 消息的5种子状态36_pos 图4 1 2s u p l 状态类层次图4 l 图4 - 1 3s u p l 状态机模块静态结构图4 4 图4 - 1 4 定位服务模块工作流程4 5 图4 - 1 5 定位服务类图4 5 图4 - 1 6g p s 管理类4 7 表4 4 应片j 层a p i 4 8 5 8 南京邮电人学硕上研究生学位论文图表清单 图4 - 1 7 定位代理各模块协作图( 终端发起) 图4 - 1 8 定位代理各模块协作图( 网络发起) 4 9 5 ( 1 图5 - 1t e s t a p p 5 3 表5 - 1 三种定位方式的定位效果5 4 5 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文缩略词 缩略词 缩略词英文全称中文解释 3 g p p 3 r dg 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第三代合作伙伴计划 氏譬ua d v a n c e df o r w a r dl i n kn l a t e r a t i o n高级前向链路三角定位 a g p sa 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 辅助全球定位系统 a s n 1a b s t r a c ts y n t a xn o t a t i o no n e 抽象语法标记1 b e rb a s i ce n c o d i n gr u l e r s基本编码规则 c e l l i dc e l li d e n t i f y小区识别号 c ac e r t i f i c a t i o na u t h o r i t y证书管理机构 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 e o t de 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增强可观察时间差分 g s m g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s 全球移动通讯系统 g p r sg e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e 通用分组无线业务 m l pm o b i l el o c a t i o np r o t o c o l移动定位协议 m sm o b i l es t a t i o n移动终端 o m a o p e nm o b i l ea l l i a n c e 开放移动联盟 o t d o ao b s e r v e dt i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l可观测到达时间差 p a pp u s ha c c e s sp r o t o c o l 推送访问协议 p e rp a c k e de n c o d i n gr u l e r s压缩编码规则 p o t a pp u s ho v e r - t h e a i rp r o t o c o l椎送卒中下载协议 p p gp u s hp r o x yg a t e w a y推送代理网关 p p s p r e c i s ep o s i t i o n i n gs e r v i c e精确定位业务 r r cr a d i or e s o u r c ec o n t r o l无线资源控制 r r l pr a d i or e s o u r c el c sp r o t o c o l 无线资源定位协议 s e ts u p le n a b l e dt e r m i n a ls u p l 使能终端 s m l c s e r v i n gm o b i l el o c a t i o nc e n t e r移动定位业务中心 s l cs u p ll o c a t i o nc e n t e rs u p l 定位中心 s l ps u p ll o c a t i o np i a t f o r ms u p l 定位平台 s p cs u p l p o s i t i o n i n gc e n t e r s u p l 位置中心 s p ss t a n d a r dp o s i t i o n i n gs e r v i c e标准定位业务 s s ls e c u r es o c k e tl a y e r安全套接层 s u p ls e c u r eu s e rp l a n el o c a t i o n安全用户平面定位 硝t i m e a d v a n c e时间提前量 t d o a t i m ed i f f e r e n c eo f a r r i v a l 到达时间差 t l s t r a n s p o r tl a y e rs e c u r i t yp r o t o c o l 传输层安全协议 t t f f t i m et of i r s tf i x初始定位时间 u l p u s e rp l a n el o c a t i o np r o t o c o l用户平面定位协议 r a pw i r e l e s sa p p l i c a t i o np r o t o c o l无线应用协议 w c d m aw 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宽带码分多址 5 7 南京邮电大学学位论文原创性声明 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。 研究生签名：二王盔日期：妒罗。乒 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、缩印或其它复制手段保存论 文。本文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：_ r 毫 导师签名：兰匝日期：2 ；芦l 南京邮电大学硕+ 研究生学位论文第一章引言 1 1 课题的背景与意义 第一章引言 基于位置的业务( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ，l b s ) ，又称移动位置业务或定位业务，是 指移动网络通过特定的定位技术获取移动终端的位置信息( 经纬度坐标) ，提供给移动用 户本人、通信系统或第三方，并借助一定的电子地图信息的支持，为移动用户提供与其位 置相关的信息的一种增值业务i l j 。 从用户的角度来看，移动定位业务可以使得移动用户在外出行时更加方便，帮助我们 以最经济的方式到达目的地：移动定位业务可以让我们在遇到紧急情况时得到更快的救 援；移动定位业务可以帮助我们获得亲人的位置：移动定位业务可以让我们获得所感兴趣 的周边场所的信息。因此，可以预见在不久的将来我们都会离不开移动定位业务【2 1 。 从移动通信网络运营商的角度来看，移动定位业务本身构成了一个业务平台，它能够 帮助移动用户定制各类与位置相关的服务，同时结合移动定位的潜在业务也很多，这无疑 会为移动通信网络运营商带来更多的经济增长点【3 】。 从移动设备制造商的角度来看，丰富的l b s 需要有移动终端的支持。过去几年，大量 的音乐手机、拍照手机丰富了用户的使用体验，但移动设备制造商需要新的业务增长点， 因此，各个设备制造商都在积极开展与移动定位业务相关的研发和市场开拓工作，许多带 有g p s 的智能手机应运而生。例如诺基亚推出的基于导航地图软件n o k i am a p s 的智能 手机，还有摩托罗拉的基于m o t ow h e r e 的导航手机等等。 伴随着移动通信网络从2 5 g 向3 g 的快速演进，全球l b s 运营市场将进入高速发展 阶段。目前西欧有8 0 多家移动运营商，用户总数超过2 7 亿，定位业务总收入2 0 0 7 年达 到5 5 0 8 亿美元【4 】。在我国，移动定位业务在行业用户市场加快渗透的同时，正逐步向大 众用户市场拓展。市场份额在2 0 0 8 年上半年已经达到4 8 5 亿元人民币，据中国市场调研 机构c c i d 预测，到2 0 1 2 年，l b s 市场份额有望达到3 8 亿人民t 4 1 ，成为最具竞争力的 3 g 核心业务之一。图1 1 给出了2 0 0 4 - - 2 0 1 2 年中国移动定位业务市场规模预测。 南京邮电人学硕上研究生学位论文 第一章引言 图1 12 0 0 4 - - 一2 0 1 2 年中国移动定位业务市场的规模( 亿元人民币) 随着我国3 g ( t h et h i r d g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 牌照的发放，借助3 g 网 络的高速下载能力，集成高精度g p s 定位技术的混合定位技术a g p s 将成为l b s 发展的 主流方向。 基于a g p s 技术可以提供的高精度位置业务有： 1 ) 定位及查询 ( 1 ) 单次定位及查询：高精度位置确定，可通过文字( 短信) 、图像( 地图) 、语音 ( 呼叫中心) 手段自我定位，并在他人许可的情况下查询他人当前位置。 ( 2 ) 周期性定位及查询：用户可按照自己设定的定位频率连续定位并显示连续的轨 迹。定位用户业务适用于看护长者、幼儿等需要照顾的群体，及时为用户提供帮助。 2 ) 定位信息的存储 联系人信息、图像可包含经纬度位置信息，可调用地图程序显示。 3 ) 路线导航 ( 1 ) 被动导航：业务提供商根据用户的当前位置、选择的交通方式( 开车、地铁、 公交等) 、路径设计的要求( 最近、最省时等) 、路况信息及用户输入的目的地，通过方案、 图像、语音等手段向用户提供导航服务。 ( 2 ) 主动导航( 自导航) ：用户手持终端本身具备自导航功能，通过设置直接实现上 述应用。 4 ) 周边信息查询 定位用户当前所在位置，提供用户所在位置周边的各种信息，如餐饮、娱乐、加油站、 银行、药店等。 5 ) 紧急救援服务 用户拨打l1 0 ，l1 9 ，1 2 0 紧急救援服务号码，服务提供方可查询用户当前位置以便向 2 堕塞墼皇奎兰堡主堕壅竺堂竺丝苎笙二皇! ! 童 救助者提供帮助。 基于a g p s 技术的定位业务的应用与发展离不开配有g p s 芯片的智能手机的支持。 目前，智能手机没有一个准确的概念，但它至少有以下几个特征：具备普通手机的全部 功能，能够进行正常的通话，收发短信等手机应用：具备p d a ( 个人数字助理) ，包括 个人信息管理，日程记事，任务安排，多媒体应用，浏览网页；具备无线接入互联网的 能力，即需要支持无线数据网络；具备一个具有开放性的操作系统，在这个操作系统平 台上，第三方可根据操作系统提供的a p i 为智能手机开发各种扩展应用和提供各种扩展硬 件。正是智能手机的第三和第四个特征为各种定位业务的应用与开发提供了强大的计算平 厶 1 7 1o 但是，面向智能手机的定位业务开发仍然存在着一些困难：由于g p s 硬件和手机操作 系统的不同，定位应用开发商和手机制造商需要针对不同的硬件和操作系统开发定位业务 应用，从而造成定位业务的平台独立性差、设备无关性差、开发周期长等困难。因此，智 能手机上的定位业务的开发需要一个a g p s 定位代理，它可以利用a g p s 技术的优势为 定位业务提供精确的位黄信息，同时屏蔽底层硬件设备，让定位业务具备跨平台、跨网络 的能力，从而大大减轻设备制造商和移动业务开发商的开发代价。 本文以一个实际的a g p s 产品研发项目为依托，对a g p s 定位方案中的智能手机定 位代理进行了研究。研究内容符合业界的发展需求，所做工作具有一定的先进性和较高的 实用价值。 1 2 论文的主要工作 本文以智能手机中的a g p s 定位代理为研究内容。分析了当前主流定位技术，确定了 采用基于安全用户平面的a g p s 定位方案作为研究基础。运用协议分层设计思想、模块化 设计思想、随需扩展思想，提出了一种定位代理软件设计方案。运用面向对象方法设计了 p e r ( p a c k e de n c o d i n gr u l e s ) 编解码模块，增强了具体协议编码的灵活性。在t l s ( 传 输层安全协议) 传输模块中，设计了连接管理功能，该功能可以复用已经建立的连接，减 少建立新连接的资源消耗。采用s t a t e 设计模式设计了s u p l 状态机模块，该模块可以灵活 地进行扩展，解决了基于结构化方法的有限状态机实现复杂、代码难以重用、维护复杂、 扩展性差的问题。通过“引用计数 技术实现g p s 芯片的自动开启与关闭，解决了在多次 定位中由于频繁打开关闭g p s 芯片而耗费过多能量的问题。 本文设计的定位代理软件可满足当今l b s 业务对定位精度和响应速度的要求，可为上 3 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章引言 层定位业务提供可靠灵活的定位平台。 1 3 论文的组织 全文共分六章，内容组织如下： 第一章引言：首先介绍了课题的背景、意义和本文所做的主要工作。 第二章移动定位技术概述：首先简单介绍了移动网络中的多种定位技术，其次对全 球定位系统( g p s ) 做了较为全面的介绍，并分析了其局限。然后介绍了a g p s 定位技术 及其对g p s 定位技术的改进，比较了它的两种定位方式( 基于终端方式和终端辅助方式) 和两种定位方案( 控制平面方案和用户平面方案) 。结合我国多种2 g 网络和3 g 网络共存 的情况，确定了将基于与网络无关的安全用户平面定位( s u p l ) 的定位代理作为研究重点。 第三章基于s u p l 的a g p s 定位方案分析：首先给出了基于s u p l 的定位框架，对 该框架中的实体和接口做了说明。接着，分析了用于终端和定位服务器之间传递定位消息 的u l p ( u s e rp l a n el o c a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议和r r l p ( r a d i or e s o u r c el c sp r o t o c 0 1 ) 协议。 最后对用来描述u l p 和r r l p 协议的抽象语法l 及其编码规则做了介绍。 第四章基于s u p l 协议的定位代理软件设计：首先分析了定位代理软件需求，然后采 用协议分层设计思想、模块化设计思想、随需扩展思想，提出了一种定位代理软件设计方 案。所设计的定位代理由p e r 编解码模块、t l s 传输模块、w a pp u s h 接收模块、s u p l 状态机模块、g p s 管理模块、定位服务模块以及应用程序接口模块组成。最后通过两个定 位流程的举例展示了各个模块的相互协作。 第五章定位代理的测试与结果分析：介绍了测试环境和工具，对定位代理软件进行 了测试，测试结果符合定位应用的要求。 第六章总结与展望总结与展望：总结本文所做的主要工作和本定位代理的一些特色 并提出需要近一步研究和探索的的内容。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动定位技术概述 第二章移动定位技术概述 近年来，移动定位技术已成为移动通信领域的研究和应用热点，目前比较成熟的定位 技术主要有小区识别号( c e l l ) 定位技术、到达时间差增强观测时间差高级前向链路 三角可观测到达时间差( t d o e o t d a l f t o t d o a ) 定位技术、g p s 定位技术以及网 络辅助的a g p s 定位技术。 2 1c e l li d 定位技术 c e l li d 定位技术【6 】通过采集终端所处的小区识别号( c e l l i d ) 来确定用户的位置。只 要系统能够采集到终端所在小区基站在地图上的位置，以及小区的覆盖半径，则当终端在 所处小区注册后，系统就会知道终端处于哪一个小区。由于每个小区的基站位置都是已知 的，而且该小区的覆盖范围通常都能计算或测量出来，这样只要知道终端处于那个小区便 可了解其大致的方位。由于这种技术的定位精度取决于所在蜂窝小区的半径大小，从几百 米到几十公里不等。在农村地区，小区的覆盖范围很大，所以c e l li d 的定位精度很差。在 城区，小区覆盖范围较小，c e l li d 的定位精度最大可提高为几百米。 在该技术的基础上，出现了一些改进技术：c e l l i d + t a n m r 技术，利用时间提前量 ( t i m e a d v a n c e ，t a ) 和网络管理记录( n e t w o r km a n a g e m e n tr e c o r d ，n m r ) 可以在一定 程度上提高定位精度，但改善效果并不明显【7 j 。 c e l li d 及其改进技术是实现蜂窝网终端定位最简单的方法，所需投入的财力、人力和 物力资源少，占用网络资源少，实施方便，响应时间短，可用于所有蜂窝网络，是性价比 最高的定位技术。但c e l li d 技术的定位精度较低，随地理位置的不同定位精度有很大差异， 一般将其作为辅助定位手段，为精确定位提供辅助信息，实现初始定位。 2 2t d o a e o t d a f l t o t d o a 定位技术 到达时间差【8 l ( t i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l ，t d o a ) 定位技术是检测终端信号到达两 个基站的时间差来确定终端的位置。由于终端定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上， 确定终端的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，也就是说至少需要3 个以上的基 站接收到终端信号，两个双曲线的交点即为终端的二维位置坐标。该技术适合所有移动网 络。 5 堕塞坚垒奎兰堡主婴窒生兰竺堡奎笙三皇整垄塞竺垫查竖堕 高级前向链路三角定位( a d v a n c e df o r w a r dl i n kt r i l a t e r a t i o n ，a f l t ) 、增强观测时间 差( 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 ，e o t d ) 和观测到达时间差( o b s e r v e dt i m e d i f f e r e n c eo f a r r i v a l ，o t d o a ) 这三种定位技术与t d o a 技术相反，它们是由终端测量多 个基站信号的到达时间差，再通过双曲线方程来确定终端的位置。a f l t 仅支持c d m a 体 制的蜂窝系统，e o t d 是针对g s m 系统开发的特定定位技术，o t d o a 只能用于w c d m a 系统【9 】f 。 这四种定位技术都利用时间差参数确定位置，数学模型相同，定位精度都受系统定时 精度的影响。基站之间都必须严格同步，确保系统本身的定时误差不会给定位结果造成明 显影响。c d m a 属于同步系统，通过g p s 实现全网同步，能保证基站的定时精度。g s m 和w c d m a 属于异步网络，必须在每个基站增加高精度和高稳定性的定时单元( 原子钟或 g p s 时钟) ，或在基站之间增加定时单元l m u 实现时钟统一。另外，在c d m a 系统中， 通过时差实现定位的系统都受“可测性”的影响，其中反向功率控制会严重影响t d o a 的 定位，前向功率控制对o t d o a 的影响也较大。这四种定位技术都需要对网络和终端进行 升级，代价巨大。 2 3g p s 定位技术 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y g e m ，g p s ) 是由美国建立并维护的新一代无线 电导航系统，由于它能在全球范围内为用户提供全天候、不间断的高精度定位、测速和授 时服务，因此已在广泛的领域内获得应用1 。 2 3 1g p s 系统的组成 g p s 包括三大部分：空间部分、地面监控部分、用户设备部分。 g p s 的空间部分由分布在6 个轨道平面上的2 4 颗卫星组成，可以保证在地面的任何 地点都能同时观测到4 颗以上的卫星。 地面监控部分包括5 个监控站( 其中一个为主控站) ，3 个注入站。监控站的主要任务 是连续观测和接收所有g p s 卫星发出的信号并检测卫星的工作状况，将采集到的数据连同 当地气象观测资料和时间信息进行初步处理后传送到主控站。主控站根据监控站提供的观 测资料编制各颗卫星的星历、时钟修正参数、大气修正参数等，并把这些数据按照一定的 格式编辑为导航电文，传送到注入站。注入站在主控站的控制下，将由主控站推算和编制 的导航电文和其它控制指令注入到相应的卫星。 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章移动定位技术概述 用户设备部分由g p s 接收机硬件、相应的数据处理软件、处理器及其终端设备组成。 g p s 接收机接收g p s 卫星发射的信号，解析出导航电文，测量接收天线到卫星的距离，并 经过简单的数据处理实现实时定位和导航。 2 3 2g p s 卫星信号 g p s 卫星发射两种频率的载波信号，即用于标准定位业务( s t a n d a r dp o s i t i o n i n g s e r v i c e ，s p s ) 的l 1 ( 1 5 7 5 4 2 m h z ) 和用于精确定位业务( p r e c i s ep o s i t i o n i n gs e r v i c e ，p p s ) 的l 2 ( 1 2 2 7 6 0 m h z ) 。p p s 仅供美国军方和政府授权用户使用，s p s 则面向全球用户免费 开放。l l 频率被三种信号调制，即导航电文、粗测距( c a ) 码和精测距( p ) 码，其中 s p s 用户只能使用c a 码和导航电文【1 2 1 。 c a 码是用于跟踪、锁定和测量的伪随机码。不同卫星的信号使用不同的伪随机序列， 以码分多址方式区分。 导航电文【1 3 】( n a v i g a t i o nm e s s a g e ) 是用户用来定位和导航的基础数据。每帧导航电文 包括5 个子帧，每个子帧有3 0 b i t 。第l 、2 、3 子帧的内容每3 0 s 重复一次，每小时更新一 次。第4 、5 子帧各有2 5 页，共有1 5 0 0 0 b i t 。一帧完整的电文共有3 7 5 0 0 b i t ，以5 0 b i t s 的 速率发送，需要7 5 0 s 才能够传送完。导航电文的内容主要包括： 卫星时钟修正：是将每一颗g p s 卫星的时钟修正为统一的g p s 标准时。 卫星广播星历( e p h e m e r i s ) ：提供单个卫星的精确的位置信息，它是用户用于实时 定位计算的基本数据，包括6 个开普勒轨道参数、9 个轨道摄动参数、2 个时间参数。 星历数据有效时间是4 至u 6 d , 时。 卫星历书( a l m a n a c ) ：提供所有卫星的粗略位置信息。用户利用卫星历书对某地点 某时刻卫星的可见性进行计算，有助于观测计划的制定和辅助卫星信号的捕获。历 书的有效期是3 到6 个月。 2 3 3g p s 定位原理 g p s 定位的基本原理是根据高速运动的卫星的瞬间位置作为已知的计算数据，采用空 间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图2 1 所示，其中s n ( n _ 1 ，2 ，3 ，4 ) 表 示卫星，x 、y 、z 是以地心为原点的w g s 8 4 坐标轴。 7 南京电 学硕十研究学位论文 第一章移动定位技术概进 图2 - 1 g p s 定位示意图 基本定位方程0 4 如式( 2 1 1 所示： 川= 扛一x 1 ) 2 + ( y y 1 ) 2 + ( 2 ) 2 + c + d t 篙! 牾誊卺y o 卷等z 3 ：c 。：d 撕t p - ， p _ = ( x x 3 ) 2 + ( y 一2 + ( z 一) 2 十+ p r 4 = ( z 一4 ) 2 + ( ，一y 4 ) 2 + ( ：一) 2 + c * d t 其中已知参数有( x i , y b , z o 和。( x i ，y l ，日) 是第i 个卫星的坐标，该参数可以由导航 电文中的星历数据计算出来，p r i 是待测点到第i 个卫星的伪距观测量，c 是光速。 需要求解的参数为( x ，h z ) 和d t 。( x ，弘z ) 是待测点在w g s 8 4 坐标系中的坐标，d t 为接收机钟差。 g p s 的定位过程是； ( 1 ) 测量卫星信号c a 码相位与接收机本地码相位的偏差。该观测量是卫星到接收 机的距离的函数即伪距。 ( 2 ) 解读卫星导航电文，提取信号发射时间。 ( 3 ) 根据星历数据和卫星时间计算出信号发射时卫星所处的空间位置。 ( 4 ) 只要能观测到4 颗以上的卫星信号，就可以列出式( 2 一1 ) 的方程式，并据此算出接 收机位置和接收机钟差。 2 3 4g p s 的局限 g p s 的广泛应用使人们自然地想到可以通过在移动终端加装c a p s 接收机来实现移动 定位。不过，在实际应用中，这种方法有很大的局限性，主要体现在以下几个方面： ( i ) 初始定位时间( t i m e t of i r s l f i x e d ，1 t f f ) 过长。m f 是指从定位过程启动到 堕室塑皇查堂堡主婴窒生堂垡丝壅釜三兰整垫窒竺垫查塑堕 计算出第一个结果所需要的时间。一般g s p 接收机的1 陌f 都在3 0 s 以上，在冷启动( 卫星 历书没有预先存在于接收机内) 情况下，甚至有可能长达1 5 分钟，这对很多定位业务来说 是不可容忍的。 ( 2 ) 可用性受环境影响较大。在室内或楼宇间等信号较弱的地区，g p s 接收机无法工 作。 ( 3 ) 卫星信号捕获时间较长导致接收机功耗过大，这一点对于能量有限的移动终端 来说是致命的缺陷。 为了克服g p s 的上述局限，一种网络辅助g p s 的定位技术，即a g p s 应运而生。 2 4a g p s 定位技术 a g p s t ”】( a s s i s t e dg p s ) 的基本原理是利用外部资源( 如辅助服务器和g p s 参考网 络) ，通过无线链路，把g p s 辅助数据传递给移动终端上的g p s 接收机，帮助g p s 接收 机完成g p s 定位。网络所提供的辅助数据包括：可见卫星列表、星历及时钟修正、多普勒 频移、c a 码相位参考、卫星位置和接收机的初始