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第三章LBS中定位技术 1 AGPS定位技术2 网络定位技术3 WIFI定位4 Zigbee定位5 其他定位 A GPS AssistedGlobalPositioningSystem 即网络辅助的全球定位系统 这种方法需要网络和移动终端都能够接收GPS信息 是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动终端进行定位的技术 可以在2G和3G网络中使用 此技术的优势主要在其定位精度上 在室外等空旷地区 正常工作环境下其精度可达5 10m 堪称目前定位精度最高的一种定位技术 另一方面 利用网络传来的辅助信息可以增强TTFF TimeToFirstFix 其首次捕获GPS信号的时间大大减小 一般仅需几秒 而不像GPS的首次捕获时间可能需要2 3min A GPS定位响应时间为3 10s之间 此外 为了解决终端在室内以及在城市中被建筑物遮挡而难以接收GPS信号的缺陷 一般A GPS技术解决方案还考虑了CELL ID定位技术作为备用方案 这样就大大提升了A GPS的定位能力 3 1AGPS定位技术 为什么AGPS捕获GPS信号的时间大大减小 并且灵敏度大大提高 先看看一般GPS的工作原理 多普勒效应指的是 当一个信号源与观察者有相对运动时 观察者观察到的信号源的频率会发生变化 当两者走近时观察到的信号频率增大 而两者走远时观察到的信号频率降低 由于GPS信号和地球的运动造成地面观察到的GPS信号的频率大概有 4 2KHz偏移 在GPS接收机中常取 5KHz或 6KHz 如果GPS在高速运动物体上 多普勒频移的最大值为 10KHz 在传统的GPS接收机中 在捕获GPS信号阶段 实际上要搜索所有可能的频率和代码延迟空间 而由多普勒效应引起的频偏 使GPS接收机要搜索的频率范围远不止一个 而是要搜索整个多普勒频偏的范围 为了在短时间能完成搜索 搜索程序的步进带宽不能很窄 用窄步进进行搜索 就意味着需要许多步才能覆盖全部的频率范围 这样就耗费时间 但用宽步进进行搜索 灵敏度相对就差一些 捕获二维搜索的流程图如图所示 先固定载波频率 检测最大积分值和对应的码相位 与捕获门限做比较 如果积分结果大于门限值则认为捕获成功 如果积分结果没有达到门限值 则按照一定的步进值和变化方式调整载波 重新进行码相位搜索 最终得到符合条件的载波频率和码相位 完成GPS信号捕获 如何调整载波 每调整一次频率的间隔是多少呢 C A码的码速是1 023MHz 当输入信号与本地产生的合成信号超过一周期时 两个信号就不相关 还和数据的长度有关系 讲解 对于一个不具任何有效定位数据的GPS终端来说 最重要的是要收齐四颗卫星分别的星历及卫星时间数据 才能正确的计算定位 同步收齐四颗卫星一个完整星历数据的时间 至少需要18秒 年历方面 由于每次更新的数据需用到25帧来传送更新的年历数据 因此要完整的下载 需要用掉12 5分钟 在L1上所搭载的卫星信息以帧 Frame 为单位 每个帧下又分为五个子帧 Sub Frame 它的内容包括星历 Ephemeris 数据 电离层参数及年历 Almanac 等 请参考表一 其中星历为个别卫星本身的精确轨道位置 它每小时更新一次 每次更新的有效性约四小时 年历则为所有卫星在轨道上的概略位置及其状况等 它每天更新一次 有效时间可达数周 A GPS服务器主要的任务是提供GPS信号的近似的多普勒频偏 A GPS服务器有一个参考的GPS接收机 能计算出卫星信号的多普勒频偏 A GPS服务器将多普勒频偏信息发送给其他手持GPS接收机 这样手持GPS接收机的搜索空间大大减少 只对很少的几个频率区 Frequencybins 进行搜索 首次定位时间 TTFF 也就可以减小到只有几秒 而传统的GPS接收机要在整个频率范围内进行搜索 GPS接收机的运行程序 第一步是搜寻卫星信号 再接收星历 接着才能定位与跟踪 如果能预先取得卫星信息 或以更快的速度来下载星历 那就能加速定位的速度 下图所示 A GPS缺陷尽管AGPS拥有较传统GPS更好的性能 但其并没有完全弥补传统GPS的缺陷 1 室内定位的问题目前仍然无法圆满解决 虽然AGPS在启动的时候能够接收到GPRS传来的辅助定位信息 但是在室内无法接收到GPS卫星信号的情况下 还是无法完成精确定位 2 AGPS需要通过GPRS来接收辅助定位信息 这样对于专业的车载导航仪来说 需要另外增加一个GPRS模块 势必会增加制造成本 同时GPRS的流量费也会增加用户的使用成本 3 AGPS离不开移动运营商的支持 作为一种高精度的移动定位技术 A GPS通过移动终端和GPS辅助定位信息 由移动网络提供 共同获取移动终端的位置信息 因而需要在移动终端内增加A GPS接收机模块 或者外接A GPS接收机 同时要在移动网络上加建位置服务器等设备 其定位流程如下 1 移动终端首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器 COO定位 3 1AGPS定位技术 3 1 1A GPS的基本原理 2 位置服务器根据该终端的大概位置传输与该位置相关的GPS辅助信息 GPS捕获辅助信息 GPS定位辅助信息 GPS灵敏度辅助信息 GPS卫星工作状况信息等 和移动终端位置计算的辅助信息 GPS历书以及修正数据 GPS星历 GPS导航电文等 利用这些信息 终端的A GPS模块可以很快捕获卫星 以提升GPS信号的第一锁定时间TTFF能力 并接收GPS原始信号 3 终端在接收到GPS原始信号后解调信号 计算终端到卫星的伪距 伪距即受各种GPS误差影响的距离 3 1AGPS定位技术 3 1 1A GPS的基本原理 4 若采用网络侧计算 终端将测量的GPS伪距信息通过网络传输到位置服务器 位置服务器根据传来的GPS伪距信息和来自其他定位设备 如差分GPS基准站等 的辅助信息完成对GPS信息的计算 并估算该终端的位置 若采用终端侧计算 终端根据测量的GPS伪距信息和网络传来的其他定位设备的辅助信息完成对GPS信息的计算 把估算的终端位置信息传给定位服务器 5 位置服务器将该终端的位置通过网络传输到应用平台 3 1AGPS定位技术 3 1 1A GPS的基本原理 3 1AGPS定位技术 3 1 1A GPS的基本原理 A GPS定位过程如下图所示 整个方案以3G网络为传输数据方式 辅助接收机实时地从卫星处获得参考数据 时钟 星历表 可用星座 参考位置等 通过网络提供给定位服务器 当移动终端需要定位数据时 定位服务器通过无线网络给终端提供A GPS辅助数据 以增强其TTTF 从而大大提高A GPS接收模块的灵敏度 3 1AGPS定位技术 3 1 1A GPS的基本原理 目前 基于无线网络的A GPS技术中 可以采用两种基本的网络拓扑结构 控制平面 ControlPlane 和用户平面 UserPlane 1 控制平面控制平面方式中 移动定位中心 SMLC ServingMobileLocationCentre 与无线基站的无线网络控制器 RNC RadioNetworkControllet 集成 GPS辅助信息通过信令的方式来交互 移动定位网关 GMLC 位于无线网络的IP数据网上 负责外部定位请求的接入 由于通过信令接口在核心网络内部传输辅助数据 因而该结构传输效率高且安全可靠 有利于位置服务的管理和控制 其缺点是RNC需具有SMLC功能 会影响到核心网络 实现和维护复杂 成本较高 3 1AGPS定位技术 3 1 2A GPS的网络结构 2 用户平面用户平面方式利用现代无线网络的IP功能 通过IP数据网和移动定位中心SMLC交互辅助信息 移动终端的UE UserEquipment 直接通过相应的标准接口实现定位信息从终端到移动定位网关 GMLC 的传递 其相应的标准由开放式移动联盟 OMA 制定 称为安全用户层面定位 SUPL 这种方式的优点在于可以独立于无线网络部署 无需无线接入网和核心网中各节点的网络信令支持 无需对无线核心网络进行改造 且与2G网络兼容 易实现 成本低 因而推广迅速 3 1AGPS定位技术 3 1 2A GPS的网络结构 安全用户层面定位SUPL定位方式使移动终端直接建立从终端到移动定位网关 GMLC 的端到端对话 实现无线定位信息传递 并通过Le接口实现与服务提供商的互通 SUPL的典型体系结构如图所示 SUPL体系结构 3 1AGPS定位技术 3 1 2A GPS的网络结构 从图中可以看出 SUPL定位平台 SLP 由SUPL定位中心 SLC 和SUPL位置中心 SPC 两部分组成 SUPL定位平台和SUPL终端 SET 之间的接口为LUP LocationUserPlane 接口采用OMA的ULP UserplaneLocationProtocol 协议 3 1AGPS定位技术 3 1 2A GPS的网络结构 SUPL定位平台 SLP 包含SUPL位置中心 SLC 和SUPL定位中心 SPC SLC和SPC有可能集成在一个系统中 Lup接口用于SLP和SET间的通信 该接口上传递SUPL业务管理和SUPL定位确定所需的消息 包括 Lup业务管理消息 终止于SLP中的SLC功能 Lup定位确定消息 终止于SLP中的SPC功能 SET和SLP间有两种通信模式 代理模式 该模式下SPC不直接和SET通信 SET和SPC间的通信由SLC进行代理 非代理模式 该模式下SPC将和SET直接通信 SLP中的SLC和SPC功能也可能被集成在不同的系统中 此时SLC和SPC间应支持开放的Llp接口 SUPL位置中心 SLC SLC系统协调网络中的SUPL操作 在和SET通过用户平面承载进行交互时执行下述功能 SUPL隐私功能 SPF SUPL发起功能 SIF SUPL安全功能 SSF SUPL漫游支持功能 SRSF SUPL计费功能 SCF SUPL业务管理功能 SSMF SUPL定位计算功能 SPCF SLC有可能将位置ID翻译成用经 纬度数据描述的地理位置 这种较粗的定位方式有可能已能满足SUPL代理所要求的QoP 定位质量要求 在MNO环境中 这通常被称作Cell ID定位 SUPL定位中心 SPC SPC支持以下功能 SUPL安全功能 SSF SUPL辅助数据递送功能 SADF SUPL参考位置取回功能 SRRF SUPL定位计算功能 SPCF SUPL终端 SET SET支持在SUPL中定义的与网络之间通过用户平面承载的交互过程 SET支持以下一种或者多种功能 SUPL隐私功能SUPL安全功能SUPLSET预设功能SET支持SET based和 或SET assisted定位计算 SET还可能支持以下的功能 SUPL定位计算功能辅助数据递送功能 1 SUPLLUP接口定义LUP的功能从逻辑上可分为定位服务管理接口和定位计算接口 其中 定位服务管理接口用来在SLP和SET之间建立会话并执行SLC的功能 其消息定义如表所示 定位计算接口在SET和SLP之间传送位置计算信息 它执行SPC的功能 其消息定义如下表所示 3 1AGPS定位技术 3 1 3SUPLA GPS的网络通信过程 3 1AGPS定位技术 3 1 3SUPLA GPS的网络通信过程表 定位服务管理接口消息定义 代理模式 3 1AGPS定位技术 3 1 3SUPLA GPS的网络通信过程表定位计算接口消息定义 2 网络通信过程在SUPL中 可分为代理模式和非代理模式 在代理模式下 位置中心 SPC 不再直接与SET通信 而是由SLC作为代理完成SET和SPC之间的通信 在非代理模式下 位置中心 SPC 将直接与SET进行通信 另外 由于终端归属地的不同 又可分为漫游和非漫游两种情况 在这里为了便于讨论 只针对非漫游代理模式的通信过程做出分析 网络端和SET均可发起网络通信 下图给出了由网络发起的定位通信过程 3 1AGPS定位技术 3 1 3SUPLA GPS的网络通信过程 2 网络通信过程 3 1AGPS定位技术 3 1 3SUPLA GPS的网络通信过程 2 网络通信过程在图中 A 由SUPL代理向本地定位H SLP HomeSLP 发送一个MLPSLIR请求消息 该消息中包含ms id 移动台ID client id和qop 手机归属地数据 等 B 本地定位H SLP核实当前目标SET没有处于SUPL漫游当中且支持SUPL功能 C 本地定位H SLP使用WAPPUSH或SMS向SET发送一个SUPLINIT消息 该消息应该包括session id posmethod 定位方法 SLPmode 定位平台模式 等 3 1AGPS定位技术 3 1 3SUPLA GPS的网络通信过程 2 网络通信过程在图中 D SET收到SUPLINIT后 建立与H SLP通信的安全数据连接 E SET向H SLP发送一个SUPLPOSINIT消息来开始一个定位会话 该消息中包含有session id lid SETcapabilities等 SET可能会在其中设置被请求的辅助数据 F H SLP根据SUPLPOSINIT提供的定位协议选取相应的通信协议 RRLP RRC TIA 801 与SET进行连续的定位数据交换 3 1AGPS定位技术 3 1 3SUPLA GPS的网络通信过程 2 网络通信过程在图中 G 当位置信息计算结束时 H SLP向SET发送SUPLEND消息通知SET定位会话结束 同时SET释放和H SLP之间的安全IP连接和相关会话资源 H H SLP向SUPL代理通过发送MLPSLIA消息返回SET位置信息 同时释放所有相关的会话资源 3 1AGPS定位技术 3 1 3SUPLA GPS的网络通信过程 2 网络通信过程 终端发起 由SET发起的定位通信过程与上图所示区别不大 从 E 开始的步骤与上图相同 只是在最后发送SUPLEND消息并释放相关资源后 整个通信过程结束 不同的是SUPL代理可与SET集成 SET首先建立与H SLP的安全数据连接 而后向H SLP发送SUPLSTART消息 H SLP在核实当前目标SET没有处于SUPL漫游当中且支持SUPL功能后 发送SUPLRESPONSE消息作为对SUPLSTART消息的回应 由SET发起的定位通信过程如图所示 3 1AGPS定位技术 3 1 3SUPLA GPS的网络通信过程 2 网络通信过程非漫游代理模式下SET发起的定位通信过程 3 1AGPS定位技术 3 1 3SUPLA GPS的网络通信过程 A GPS的定位计算可以分为MS Based方式和MS Assisted方式 在MS Based方式中 计算由终端完成 而在MS Assisted方式中 定位计算由网络基于SET提供的测量数据完成 两种定位计算方法各有利弊 MS Assisted的优点是对终端的要求低 但具有时延较大 不适合高速行驶情况下的定位等缺点 相比而言 MS Based方法的优点是网络负担小且定位时延小 适合短时间内的连续定位情况 在网络不能提供辅助的情况下 可以使用自治的GPS功能来定位 因而可靠性高 此方式下无需核心网络作任何改进 成本较低 总体而言 MS Based方式是比较可取的定位方式 3 1AGPS定位技术 3 1 4A GPS的定位计算方法 gpsOne是美国高通公司为基于位置业务开发的定位技术 采用Client Server方式 它将无线辅助AGPS和高级前向链路AFLT三角定位法两种定位技术有机结合 实现高精度 高可用性和较高速度定位 在这两种定位技术均无法使用的环境中 gpsOne会自动切换到CellID扇区定位方式 确保定位成功率 传统GPS技术由于过于依赖终端性能 将卫星扫描 捕获 伪距信号接收及定位运算等工作集于终端一身 造成定位灵敏度低及终端耗电量大等缺陷 gpsOne技术将终端的工作简化 将卫星扫描及定位运算等繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器 提高了终端的定位精度 灵敏度和冷启动速度 降低终端耗电 在GPS卫星信号和无线网络信号都无法单独完成定位的情形下 gpsOne系统会组合这两种信息源 只要有1颗卫星和1个小区站点就可以完成定位 解决了传统GPS无法解决的问题 gpsOne系统的基础设施辅助设备还提供了比常规GPS定位高出20dB的灵敏度 性能的改善使gpsOne混合式定位方式可以在现代建筑物的内部深处或市区的楼群间正常工作 而两种传统方案在这些地方通常是无法正常工作的 3 2网络定位技术 网络定位的理论依据是无线射频 RF 信息传播速度不变及传播的路径可预测 3 2 1COO定位技术 小区定位cellID COO即Celloforigin COO定位法是各种定位方法中最简单的一种定位方法 它的基本原理是根据移动台所处的小区ID号来确定移动台的位置 每个蜂窝小区都有一个唯一的小区ID号 又可称为CGI CellGlobalIdentity CGI由LAI 位置区识别 和CI 小区识别 构成LAI由MCC 移动国家代码 MNC 移动网络代码 LAC 位置区代码 构成即 CGI LAI Cl MCC MNC LAC Cl 3 2 1COO定位技术 小区定位cellID 移动台所处的小区ID号是网络中已有的信息 当移动台在某个小区注册后 在系统的数据库中就会将移动台与该小区ID号对应起来 我们只需要再知道该小区基站所处的中心位置和小区的覆盖半径 就能够知道移动台所处的大致范围 COO定位法的定位精度就是小区的覆盖半径 3 2 1COO定位技术 小区定位cellID 在我国目前的城市小区规划中 为了解决不断增加的话务量的要求 多采用了多层小区结构 在用户比较少的地方 采用常规小区 覆盖半径大约400米 在话务量密集的地方 如商业街 写字楼 采用微微蜂窝 覆盖半径能达到100米 另外 在话务量高度密集的地方还采用了双层甚至多层的小区结构 因此 在繁华的商业区 一个移动台至少可以处于一个微微小区的覆盖 定位精度不超过100米 如果处于多个小区的覆盖 定位精度就可以达到50米甚至更小 在我国的郊区和农村 由于话务量小 因而基站密度较低覆盖半径也较大 采用COO定位法一般只能获得一到两公里的定位精度 COO定位法是一种基于网络的定位技术 3 2 1COO定位技术 小区定位cellID 其优点是实现简单 只需要建立关于小区中心位置和覆盖半径的数据库 定位时间短仅为查询数据库所需的时间 而且COO技术不用对现有的手机和网络进行改造就可以直接向用户提供移动定位服务 其缺点为定位精度差 特别不适合在基站密度低 覆盖半径大的地区使用 3 2 1COO定位技术 小区定位cellID 3 2 2TA定位 TA即TimingAdvance是GSM系统中的一个参数在现有的GSM系统中为了保证信息帧中各时隙的同步 基站必须利用移动台所发信息分组中的训练码序列获得该基站和移动台之间的信号传播时延信息 并通过慢速伴随信道将信号传播时延信息以TA参数的形式告知移动台 移动台利用TA参数就可以调整信息分组的发送时刻 以确保各移动台的信息分组到达基站时能避免时隙重叠 基站和移动台之间的信号传播时延是无线电波在基站和移动台之间一个来回的传输时间 3 2 2TA定位 我们利用TA可以估计出移动台和当前服务的基站之间的距离 时间提前量是以比特为单位的 一个比特的时长定义为3 7us 故在一个比特的时间内电磁波传输的距离为 3 7us 3 108m s 1110m假设移动台到当前服务的基站之间的信号传播时延为Ta比特 那么我们可以得出移动台到基站的距离即为Ta 1110 2 555 Ta m 3 2 2TA定位 由移动台获取的TA参数仅能够决定移动台和当前服务的基站的距离 由几何知识可知 平面上一动点到一定点的距离为一定值的轨迹为一个圆 要想获得移动台更具体的位置 必须获得移动台相对于其他不同基站的TA参数 这就需要通过基站指令 迫使移动终端进行呼叫切换 表现在现有的GSM系统中就是要对基站系统的控制软件进行改造 3 2 2TA定位 易知 一个TA参数可以决定移动合位于一个圆上 两个TA参数可以决定移动台位于一点或者两点上 三个以上的TA参数可以决定移动台的具体位置于一个点 如图 BTS3 BTS2 BTS1 3 2 2TA定位 图中BTS1 BTS2 BTS3为基站 X为移动台 设TA1 TA2 TA3分别为测得的移动台X相对于基站BTS1 BTS2 BTS3的TA参数 已知基站BTSI BTS2 BTS3的坐标分别为 X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3 假设移动台X的坐标 X Y 则有位置关系表达式如下 x x1 2 y y1 2 555 TA1 2 x x2 2 y y2 2 555 TA2 2 x x3 2 y y3 2 555 TA3 2上式是一个关于 x y 的非线性方程组 当TA存在一定误差时可能无解 可以采用最小平方误差和方法求解 3 2 2TA定位 TA定位法是一种基于终端的定位技术 该方法的优点在于无须对移动台作任何改动 而对基站系统的改动也仅需在切换规程的控制软件中进行 其缺点在于采用了强制切换 在定位过程中移动台不能进行其它业务通信 同时也增加了更多的信令负荷 TA参数的准确性受到着多径效应的影响 至少需要获得三个以上的TA参数才可以决定移动台的具体位置于一个点 定位时间较长 3 2 3TOA定位 TOA即TimeofArrival TOA定位法的基本思想是测量移动台发射信号的到达时间 并且在发射信号中要包含发射时间标记以便接收基站确定发射信号所传播的距离 该方法要求移动台和基站的时间精确同步 为了测量移动台的发射信号的到达时间 需要在每个基站处设置一个位置测量单元 为了避免定位点的模糊性 该方法至少需要三个位置测量单元或基站参与测量 如图所示 3 2 3TOA定位 3 2 3TOA定位 图中BTS1 BTS2 BTS3为基站 X为移动台 设T1 T2 T3分别为测出的移动台X的发射信号到达BTSI BTS2 BTS3的相应基站时间 移动台X发射信号的移动台时间为TS 基站时间分别为T01 T02 T03 己知基站BTS1 BTS2 BTS3的坐标分别为 X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3 假设移动台X的坐标为 X Y 则有位置关系表达式如下 x x1 2 y y1 2 C2 T1 T01 2 x x2 2 y y2 2 C2 T2 T02 2 x x3 2 y y3 2 C2 T3 T03 2式中C为无线电波的传播速度 在移动台与各个基站时间同步的基础上 T01 T02 T03 Ts 设移动台X发射信号的时间为T 则有位置关系表达式如下 x x1 2 y y1 2 C2 T1 T 2 x x2 2 y y2 2 C2 T2 T 2 x x3 2 y y3 2 C2 T3 T 2 3 2 3TOA定位 式是一个关于 X Y 的非线性方程组当TOA存在一定误差时可能无解可以采用最小平方误差和方法求解 使基站同步最常用的方法是在基站上安装固定GPS接收机 移动台可通过基站的同步信道建立与蜂窝系统的同步 3 2 3TOA定位 TOA定位法是一种基于网络的定位技术 该方法的优点在于对现有的移动台无需作任何改造 定位精度较高并且可以单独优化 定位精度与位置测量单元的时钟精度密切相关 该方法的缺点在于每个基站都必须增加一个位置测量单元并且要做到时间同步 移动台也需要与基站同步 整个网络的初期投资将会很高 发射信号中加上发射时间标记 会增加上行链路的数据量 当业务量大时网络的负担会加重 即使在位置测量单元时钟精度很高的情况下 到达时间的测量仍然会受到多径效应的影响 如果移动台无法和三个以上的位置测量单元或者基站取得联系 定位将会失败 定位时间较长 由于要向多个基站发射信号 将会增加移动台的功耗 3 2 4TDOA定位 TDOA即TimeDifferenceofArrival TDOA定位法的基本思想测量移动台发射信号的到达不同基站的时间差 该方法不需要移动台和基站的时间精确同步 但是各个基站的时间必须同步 为了测量移动台的发射信号的到达时间差 需要在每个基站处设置一个位置测量单元 根据几何原理可知 由平面上的一动点到两定点的距离为一常数的轨迹是一条双曲线 如果距离的正负已知 那么该轨迹就为双曲线的一支 由发射信号到达两个基站的时间差可以确定一条双曲线 为了确定移动台的位置 至少必须有两条相交的双曲线 因此最少用三个基站我们可以确定移动台的位置 如图 3 2 4TDOA定位 3 2 4TDOA定位 图中BTS1 BTS2 BTS3为基站 X为移动台 设T12为测出的移动台X的发射信号到达BTS1 BTS2的时间差 T13为测出的移动台X的发射信号到达BTS1 BTS3的时间差 T12 T13区分正负 己知基站BTS1 BTS2 BTS3的坐标分别为 X1 Y1 X2 Y2 X3 Y3 假设移动台X的坐标为 X Y 则有位置关系表达式如下 式中C为无线电波的传播速度 式 是一个关于 X Y 的非线性方程组 可以用计算机来求解 TDOA定位法是一种基于网络的定位技术 该方法与TOA定位法类似 相一比于TOA定位法主要有以下优点 无需移动台与基站同步 也无需在上行链路中发送发射时间标记 3 2 5E OTD定位 E OTD即EnhaneedobservedTimeDifferenee E OTD定位法的基本思想是由移动终端根据对本服务小区基站和周围相邻几个基站的测量数据 计算出它们的时间差 时间差被用于计算用户相对于基站的位置 E OTD可利用的基本量有三个 观察时间差OTD 真实时间差RTD和地理位置时间差GTD OTD是移动台观察到的两个不同位置基站信号的接收时间差 RTD是两个基站之间的系统时间差 RTD的值可以由GSM网络提供 GTD是两个基站到移动台由于距离差而引起的传输时间差 可以用来决定两个基站到移动台的距离差 这三个量之间的关系为 OTD RTD GTD 3 2 5E OTD定位 图中 BTS1 BTS2为基站 X为移动台 设D1为BTS1与X之间的距离 D2为BTS2与X之间的距离 基站BTS1和基站BTS2之间的GTD为GTD12 移动台测得的BTS1和BTS2之间OTD为OTD12 网络提供的BTS1和BTS2之间RTD为RTD12则有 3 2 5E OTD定位 式中C为电磁波的传播速度 如果有三个基站参与测量 我们就能根据双曲线算法确定移动台X的位置 E OTD定位法的位置表达式类似与TDOA定位法 这里就不列出了 E一OTD定位法即可以在移动台端实现也可以在网络端实现 即由网络提供辅助参数RTD 由移动台终端设备完成定位计算 或者由移动台终端设备提供辅助参数OTD 由网络端完成定位计算 E一OTD定位法的优点是无需增加移动台的额外费用 只需对移动台的软件进行更新 定位时间优于TOA或TDOA定位法 相比于TOA和TDOA定位法 移动台毋须向多个基站发送测量信号 节省了功耗 该方法的缺点在于受RTD和OTD的影响 定位精度较低 多径效应也将影响定位精度 如果移动台无法和三个以上的位置测量单元或者基站取得联系 定位将会失败 3 2 6AOA定位 AOA即AngleofArrival AOA定位法的基本思想是由两个或者更多的基站通过测量移动台的发射信号的到达角度的方法来估计移动台的位置 如图所示 该技术的最普通的版本被称为 小缝隙方向寻找 它需要在每个蜂窝小区站点上放置4 12组的天线阵列 这些天线阵列一起工作 从而可以确定移动设备发送信号相对于蜂窝基站的角度 当有若干个蜂窝基站都发现了该信号源的角度时 那么它们分别从基站沿着得出的角度引出射线 这些射线的交点就是移动电话的位置了 3 2 6AOA定位 图中BTS1 BTS2为基站 X为移动台 A1 A2分别为基站BTSI和基站BTS1测出的移动台信号到达的角度 已知BTS1 BTS2的坐标分别为 X1 Y1 X2 Y2 假设移动台x的坐标为 X Y 则有位置关系表达式如下 3 2 6AOA定位 公式为一个关于 X Y 的非线性方程组 当X点处于基站BTS1与BTS2的连线上时 存在无数解 此时应该在BTSI和BTSZ中换选另外的基站来测量角度 AOA定位法即可以在移动台端也可以在网络端实现 但是为了考虑移动台的轻便性一般都在网络端实现 AOA定位法的优点在于在障碍物较少的地区可以得到较高的准确度 相比TOA TDOA E OTD定位法只需要两个基站就可以定出移动台的位置 AOA定位法的缺点在于在障碍物较多的环境中 由于多径效应误差将增大 当移动台距离基站较远时 基站测量角度的微小偏差将会导致定位的较大误差 另外在目前的GSM系统中 基站的天线不能测量角度信息 所以需要引入阵列天线测量角度才可以采用AOA定位法对移动台定位 3 2 7TOA AOA定位法 TOA AOA定位法是一种综合TOA和AOA技术的定位方法 该方法的基本思想是由移动台的服务基站测量移动台发射信号到达移动台的时间和角度 与TOA定位法相同 发射信号中也要包含发射时间标记 但是该方法不要求网络的基站时间同步 而只要求移动台时间和服务基站的时间同步 这可以通过基站的同步信道来实现 TOA AOA定位法只需要一个基站参与测量即可以知道移动台的位置 如图所示 3 2 7TOA AOA定位 图中 BTSI为基站 X为移动台 A为基站BTSI测出的移动台信号到达的角度 T为测出的移动台X的发射信号到达BTS1的时间 移动台X发射信号的时间为TO 己知基站BTSI的坐标为 X1 Y1 假设移动台X的坐标为 X Y 则有位置关系表达式如下 TOA AOA定位法是一种基于网络的定位技术 TOA一AOA定位法最大的优点在于只需一个基站就可以定出移动台的位置 TOA AOA定位法同时具有TOA定位法和AOA定位法的一些缺点 这里就不详述了 影响定位精度的要素根据以上介绍的定位算法和定位技术 可见很多因素都有可能影响到定位精度 1 环境因素 定位算法普遍采取的参数如GPS信号 基站信号都是通过无线信道传输 无线信道时变的传输特性在一定程度上会影响信号传输 例如天气因素 大气层折射等因素会严重影响GPS卫星信号的传输 多径传播和非视距传播等因素会严重影响基站信号的到达 2 算法因素 根据三边算法 需要获得已知点到达未知点的距离 往往这种距离是根据测量已知点发出信号到达未知点的时间 然后用这个时间乘以光速来获取 在获得距离以后 根据画圆获取交点确定为用户位置 由于接收到无线信号的不稳定性和将信号到达时间转化为信号传播距离并且用信号传播距离代替两点间直线距离的不准确性 会导致计算出来的已知点到达未知点距离并不是正确的两点间直线距离 进行三边计算时会出现几个圆没有交点或者有多于一个交点的情况 会在一定程度上影响定位精度 3 硬件因素 在计算位置时要用到基站信号和GPS卫星信号 还要用到固定点的地理位置 所以如果作为地理位置已知点的基站 GPS卫星的位置存在偏差 会引入误差 移动网络部件对定位精度的影响就属于硬件因素 4 其它因素 各种噪声和硬件对于无线信号的处理时间 信号在硬件中的传输时间等同样都会影响定位精度 移动网络部件对定位精度的影响移动网络设计的最初目的是完成语音通信功能 在设计和规划移动网络部件初期并没有充分考虑到对以后出现的增值服务的支持 例如对位置业务的支持 现有移动通信网络中实现位置业务出现了一些问题 某些移动网络部件的使用会降低定位精度 虽然CDMA信号和GPS信号的不准确都有可能降低定位精度 但是与CDMA基站信号相比 GPS卫星信号相当稳定 而且GPS卫星并不属于移动运营商可以控制的部件 CellID定位技术不使用三边定位算法 它一般只是把用户所处小区中心位置作为用户位置 而且它本身就是一个相对低精度的定位技术 受到网络部件影响不大 以下主要讨论基于三边定位算法定位技术 AGPS定位技术 混合定位技术等受到移动网络部件因素的影响和解决方案 1 基站采用三边定位技术和混合定位技术都要用到基站数据 具体的方法就是将参与位置计算的基站作为地理位置已知点处理 在位置计算过程中需要用到准确的基站地理位置经纬度信息 移动运营商需要有一个庞大的基站地理位置信息库 其中包含所有可能用于位置计算的基站的信息 在移动运营商的众多基站中 只要有任何一个地理位置改变 或者任何一个基站的地理位置在基站数据库中不正确 都会影响到附近用户的位置计算 导致定位精度下降 然而由于当前CDMA网络的复杂性 移动运营商几乎每天都需要对网络进行优化 基站位置的改变 新基站的开通 旧基站的废弃等情况经常发生 这种问题较好的解决方法是移动运营商一定要在建立完整可靠的基站数据库的基础上 保证对其及时更新 改变网络优化只是关注覆盖和容量等问题的概念 必须注意到任何对基站数据的修改都可能会影响到定位系统精度这个问题 2 移动通信车当前移动网络中 存在相当多使用移动通信车的情况 比如当某地要举行大型集会 出现当地移动网络资源缺乏 就要使用移动通信车来弥补 但是根据三边定位算法的原理 一旦用户使用移动通信车的信号参与位置计算 而网络不知道移动通信车的准确位置 会导致定位精度下降甚至无法获得定位结果 所以这种现网中较普遍出现的用移动通信车增加覆盖 增加容量的方式 虽然有优化当地无线网络的优点 却也相应存在着降低当地定位精度的缺点 这种情况较好的解决方法是 保证移动通信车在抵达目的地后不会频繁的变更位置 并且立刻派遣维护人员精确确定出当前移动通讯车停放的地理位置并及时更新基站数据库 将新开通的移动通信车地理位置信息加进基站数据库 当通信车停止使用时 同样更新基站数据库 将移动通信车的位置信息从其中删除 3 直放站现网中普遍使用直放站的目的是增加覆盖范围 减少覆盖盲区等 由于直放站价格比较低廉 布置方便 灵活而得到了广泛的应用 但是网络中直放站的使用并没有充分考虑到对定位系统的影响 直放站一般通过光纤和所归属的基站相连 由于没有属于自身的标识 它发射的信号中所使用的是与其相连的基站信号标识 所以当用户接收到这种信号后 并没有办法区分出这个信号是由直放站发射出来的还是由直放站所归属的基站发射出来的 根据以上对直放站工作原理的分析和三边定位算法 可见由于直放站的使用而带来的这种用户对于接收信号来源模糊的问题虽然不会影响通信性能 却会严重影响定位性能 因为用户对于接收信号来源的模糊 会导致定位精度下降 幸好直放站多数是在室外使用 尤其是使用在郊区用来增加信号覆盖范围 而这种地区一般较开阔 相对容易获得GPS信号 所以定位时并不经常需要无线信号辅助 使用直放站这个问题 当前采取的解决方法是在基站数据库中作出标识 如果发现用户在位置计算中使用到了有下属直放站的基站信号 那么会判定这个基站信号不可用 这种解决方法导致定位精度下降甚至有些时候无法取得定位结果 虽然这个解决方法比较消极 但是当前还没有切实可行的更好的解决方法 采用对直放站作出标识的方法可以轻易解决这个问题 但需要修改CDMA的规范 在对现网最小改动的前提下 提出以下几种解决思路 模糊匹配思路 终端接收到无线信号后 将此信号传送给网络 由网络侧判断是基站信号还是直放站信号 在终端处理能力较强的情况下 也可由终端判断 如果判断结果是基站信号 那么直接进行位置计算 否则通过特殊算法消除直放站带来的影响 直放站发射特殊信号思路 由直放站发射一种特殊信号 当终端发现收到这种特殊信号后 即知道是直放站所发射信号 在定位计算中作出对此信号的特殊处理 这种实现方法需要对终端和直放站作出改动 实现较困难 3 2 9多路径指纹定位 MultipathFingerprinting MF 3 2 9多路径质问定位 MultipathFingerprinting MF Wi Fi俗称无线宽带全称WirelessFidelity 802 11b有时也被错误地标为Wi Fi 实际上Wi Fi是无线局域网联盟 WLANA 的一个商标 该商标仅保障使用该商标的商品互相之间可以合作 与标准本身实际上没有关系 但是后来人们逐渐习惯用WIFI来称呼802 11b协议 它的最大优点就是传输速度较高 可以达到11Mbps 另外它的有效距离也很长 同时也与已有的各种802 11DSSS设备兼容 笔记本电脑技术 迅驰技术就是基于该标准的 WIFI定位技术 IEEE 美国 电子和电气工程师协会 802 11b无线网络规范是IEEE802 11网络规范的变种 最高带宽为11Mbps 在信号较弱或有干扰的情况下 带宽可调整为5 5Mbps 2Mbps和1Mbps 带宽的自动调整 有效地保障了网络的稳定性和可靠性 其主要特性为 速度快 可靠性高 在开放性区域 通讯距离可达305米 在封闭性区域 通讯距离为76米到122米 方便与现有的有线以太网络整合 组网的成本更低 Wi Fi WirelessFidelity 无线保真技术与蓝牙技术一样 同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术 该技术使用的是2 4GHz附近的频段 该频段目前尚属没用许可的无线频段 其目前可使用的标准有两个 分别是IEEE802 11a和IEEE802 11b 该技术由于有着自身的优点 因此受到厂商的青睐 WIFI突出优势其一 无线电波的覆盖范围广 基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小 半径大约只有50英尺左右 约合15米 而Wi Fi的半径则可达300英尺左右 约合100米 办公室自不用说 就是在整栋大楼中也可使用 最近 由Vivato公司推出的一款新型交换机 据悉 该款产品能够把目前Wi Fi无线网络300英尺 接近100米 的通信距离扩大到4英里 约6 5公里 其二 虽然由Wi Fi技术传输的无线通信质量不是很好 数据安全性能比蓝牙差一些 传输质量也有待改进 但传输速度非常快 可以达到54mbps 符合个人和社会信息化的需求 其三 厂商进入该领域的门槛比较低 厂商只要在机场 车站 咖啡店 图书馆等人员较密集的地方设置 热点 并通过高速线路将因特网接入上述场所 这样 由于 热点 所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方 用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内 即可高速接入因特网 也就是说 厂商不用耗费资金来进行网络布线接入 从而节省了大量的成本 根据无线网卡使用的标准不同 WIFI的速度也有所不同 其中IEEE802 11b最高为11Mbps 部分厂商在设备配套的情况下可以达到22Mbps IEEE802 11a为54Mbps IEEE802 11g也是54Mbps WIFI是由AP AccessPoint 和无线网卡组成的无线网络 AP一般称为网络桥接器或接入点 它是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁 因此任何一台装有无线网卡的PC均可透过AP去分享有线局域网络甚至广域网络的资源 其工作原理相当于一个内置无线发射器的HUB或者是路由 而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的CLIENT端设备 WIFI未来发展这两年内 无线AP的数量呈迅猛的增长 无线网络的方便与高效使其能够得到迅速的普及 除了在目前的一些公共地方有AP之外 国外已经有先例以无线标准来建设城域网 因此 WiFi的无线地位将会日益牢固 WiFi是目前无线接入的主流标准 但是 WiFi会走多远呢 在Intel的强力支持下 WiFi已经有了接班人 它就是全面兼容现有WiFi的WiMAX 对比于WiFi的802 11X标准 WiMAX就是802 16x 与前者相比 WiMAX具有更远的传输距离 更宽的频段选择以及更高的接入速度等等 预计会在未来几年间成为无线网络的一个主流标准 Intel计划将来采用该标准来建设无线广域网络 这相比于现时的无线局域网或城域网 是质的变革 而且现有设备仍能得到支持 保护人们的每一分钱投资 WIFI定位技术 现在市面上常见的无线路由器多为54M速度以及108M的速度 另有300M速度的Wi Fi路由器正在逐步趋于普遍 Wi Fi下一代标准制定启动最高传输速率可达6 7G 当然这个速度并不是上互联网的速度 上互联网的速度主要是取决于WIFI热点的互联网线路 WIFI定位原理与手机基站定位方式类似 都需要采集wifi接入点的位置信息 最早开发这个技术的是Skyhook公司 这个技术的原理是利用下面三条事实 wifi热点 也就是AP 或者无线路由器 越来越多 在城市中更趋向于空间任何一点都能接收到至少一个AP的信号 在美国 每个点收到3 5个AP信号的情况相当多见 中国也会越来越多的 热点只要通电 不管它怎么加密的 都一定会向周围发射信号 信号中包含此热点的唯一全球ID 即使距离此热点比较远 无法建立连接 但还是可以侦听到它的存在 热点一般都是很少变位置的 比较固定 这样 定位端只要侦听一下附近都有哪些热点 检测一下每个热点的信号强弱 然后把这些信息发送给Skyhook的服务器 服务器根据这些信息 查询每个热点在数据库里记录的坐标 进行运算 就能知道客户端的具体位置了 再把坐标告诉客户端 可以想想 只要收到的AP信号越多 定位就会越准 原理就是这么简单 WIFI定位原理 基于信号强度 RSSI 无线信号的信号强度随着传播距离的增加而衰减 接收方与发送方离得越近 则接收方的信号强度就越强 接收方离发送方越远 则接收到的信号强度就越弱 根据移动终端测量接收到的信号强度和已知的无线信号衰落模型 可以估算出收发方之间的距离 根据多个估算的距离值 可以计算