二维无线定位算法的性能研111.doc

二维无线定位算法的性能研究1.简介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。11 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(LORAN)，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(DECCA)，即一种中近程、低频、相位双曲线导航系统；以及欧米伽(OMEGA)导航系统。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(1ineof-sight即LOS)；超高频(UHF)至中频(MF)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400千米：低频(LF)系统的作用范围要略大一些，但其定位精度下降至50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0954千米；罗兰C为远程系统，工作距离超过1850千米，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3672千米。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(AVL)、智能运输系统(ITS)等方面。它在公共交通管理、货物运输以及出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（fNNSS)、全球定位系统(GPS)以及前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)、予午仪卫星甘航系统(TRANSIT)，中国的北斗一代双星定位实验系统，欧洲的伽利略(GALILEO)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，GPS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GPS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(FM)广播电台的信号，在其中插入导频信号，设置一个类似于差分GPS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。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1977年，SRitert和JMcCoy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，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WWSmith研究了在先进移动电话系统(AMPS)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。美国在1991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，1996年，美联邦通信委员(FCC)F式将提供用户的位置信息正式列为9ll急救业务的必备要求。并要求在2001年10月前各种无线蜂窝网络必须能对发出的E91l紧急呼叫的移动台提供定位服务，且精度在125米以内的概率不低于67，在2001年以后提供更高的定位精度与三维位置信息。该委员会于1998年1999年两次对标准进行了修改与补充，在1998年提出了定位精度在400米以内的概率不低于90的要求，在1999年12月FCC99245将E一9ll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，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100米以内的概率不低于67，在300米以内的概率不低于95；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50米以内的概率不低于67，在150米以内的概率不低于95。利用蜂窝网络对移动台定位除了满足E一9l 1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。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QoS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；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)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E91 1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，3GPP和3GPP2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。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GSM、IS95和第三代移动通信系统等网络开始制定各自的实施方案。12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GPS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GPS辅助定位方案，与之对应的有以下几类定位系统：121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(ss)检测移动台(MS)发射的信号，提取出与移动台位置相关的信息特征信息，并将此信息传送到移动定位中心(MLC)进行处理，由位置计算功能(PCF)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(CellID)定位法，时间提前量(TA)定位法，到达时间(TOA)，到达时制差(TDOA)，到达角度(AOA)，及混合定位法等。CellID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GSM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(TA)，因此也可以利用TA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TA，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TOA或信号到达一对基站的TDOA，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AOA，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AOA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MLC中的PCF模块计算移动台的位置。122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，再由移动台中集成的PCF模块根据相关的定位算法估计自身的位置，如图12所示。现已提出的基于移动台的定位方案主要有：心用于GSM系统中下行链路增强观测时间差定位方法(EOTD)，应用于CDMA系统的下行链路空闲周期观测到达时间差定位方法(OTDOAIPDL)1731-。EOCD是根据下行链路信号来估计一对基站问发射的信号到达同一移动台的观测时间差(OTD)，且经过对基站阳J的时钟偏差进行修正后，可以估钟出移动台与一对基站间的距离差，若测得若干对玉站与移动台之问的OTD，可利用双曲线定位方法：对移动台的位置进行估计。在CDMA系统中，移动台的位置离服务基站的距离过近时，由于远近效应，移动台无法接收到邻近基站发射的信号，OTDOAIPDL定位方法中，各基站以伪随机的方式停止发射信号一段时间，其间移动台可以测得若干对基站间的信号到达时间差，经对基站问时钟差进行修正后，按照与EOTD相同的方法对移动台的位置进行估计。在占于移动台的定位系统中，也可采用网络辅助定位方案，由基站提取移动台发射信号中的化霄相关信息，经空中接口将信息发送至移动台，由移动台中的PCF计算自身的位置坐标。123 GPS辅助定位系统GPS系统经过多年的发展，技术已日趋成熟，并且各个领域得到了广泛应用。GPS能够在全球范围内进行三维定位，并且能够提供较高的定位精度，附而可以在无线定位系统中对GPS的现有资源加以利用。可由网络中的GPS设备获得诸如可见卫j一列表，差分GPS校正数据，卫星信号多普勒频率等定位辅助信息，经空中接口传送给移动台，移动台中的GPS接收机则根据这些辅助信息快速获取导GPS卫星信号。可由移动台自行定位或是将信息传送回网络进行定位，如图l一3所示。目前提出的具有代表性的是美国高通公司提出的GpsOne方案f781。该方案在移动台中集成了GPS接收功能，可适用前向或反向链路定位系统。在郊区或乡村，由于基站密度低，移动台不能与足够多的基站保持联系，因而不能实现有效的定位，但此时GPS接收机可以接收到4个甚至更多的卫星信号，因而可以利用GPS系统的定位功能来实现高精度定位；相反，在高层建筑物密集的城区和室内，由于障碍物的阻挡，GPS接收机一般接收不到卫星信号，此时可以利用基于网络或移动台的定位系统进行定位。两种系统可以相互补充，充分发挥各自的优点，以期取得较高的定位精度和可靠性。124几种定位方案特点比较从以上几种定位系统的基本特征可以看出：(1)基于网络的定位方案无需对移动台作任何改动，只需对网络设备作适当的修改，能够充分利用网络的现有资源，不用增加用户的额外开支，实现相对容易，因而这种方案适合王见有的网络，并且由于该方案可以利用现有的移动台设备，用户可以方便地接受或拒绝定位服务。(2)基予移动台的定位方案，无需对网络设备进行改动，定位特征信号的测量计算全部由移动台完成，因而需要对移动台的硬软件进行修改，这样势必会增加移动台的成本，造成Jj户的额外费用，但是移动台接收的是基站发射的信号，信号功率要比移动台发射的信号功率大，在可听性上要好于基于网络的定位方案。(3)基于GPS辅助定位方案，需要在移动台中集成GPS定位功能，因而会导致移动台的成本有较大幅度的增加，并且带来体积，耗能等方面的一系列问题，如果用户无需定位服务，那么具有定位功能的移动台对他来说是一种浪费，而一个用户的移动台本不具备定位功能而他又需要定位服务则只能更换移动台，并且设备费用由用户承担，过高的费用会限制其市场的竞争力。而且在基于移动台和GPS辅助定位这两种方案中，网络并彳二知道用户的确切位置，如果想利用定位对罪犯或被盗车辆进行跟踪，那么这两种定化方案就无能为力了。综上所述，在三种定位方案中，基于网络的定位方案最易实现，对用户来说投资最少，基于移动台的定位方案可靠性要高于基于网络的方案，但用户费用增加，基于网络的辅助定位方案的可靠性最好，定位精度也最高，但是要增加相当大的费用，但不能