長(zhǎng)距離移動(dòng)定位技術(shù)與室內(nèi)定位技術(shù)

1、 長(zhǎng)距離移動(dòng)定位技術(shù)與室內(nèi)定位技術(shù) 美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC)于 1996 年下達(dá)指示要求移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商為移動(dòng)電話 用戶提供 E-911(緊急救援 )服務(wù)，這就要求對(duì)所有移動(dòng)電話用戶實(shí)現(xiàn)定位功能， 同時(shí)， FCC又于 1999年對(duì)定位精度做出新的要求。 FCC的這些舉措大大促進(jìn)了關(guān)于定位技術(shù)及其服務(wù)業(yè)務(wù)研究的發(fā)展， 很多國(guó) 家開(kāi)始致力于研究商用定位技術(shù)并推出了各具特色的商用定位服務(wù)。 近幾年，全 球移動(dòng)用戶的數(shù)量迅猛發(fā)展， 為商用位置服務(wù)提供了極其誘人的市場(chǎng)前景。 相關(guān) 的位置服務(wù)業(yè)務(wù)可包括：緊急求救電話服務(wù)、物流管理、商業(yè)求助電話服務(wù)、個(gè) 人問(wèn)詢服務(wù)、車輛導(dǎo)航服務(wù)、特定跟蹤服務(wù)等等。 1、移

2、動(dòng)定位技術(shù) 移動(dòng)定位技術(shù)是利用無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)， 通過(guò)對(duì)接收到的無(wú)線電波的一些參 數(shù)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)特定的算法對(duì)某一移動(dòng)終端或個(gè)人在某一時(shí)間所處的地理位置 進(jìn)行精確測(cè)定， 以便為移動(dòng)終端用戶提供相關(guān)的位置信息服務(wù)， 或進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān) 測(cè)和跟蹤。 根據(jù)移動(dòng)定位的基本原理， 移動(dòng)定位大致可分為兩類： 基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò) 的定位技術(shù)和基于移動(dòng)終端的定位技術(shù)， 還有的把這兩者的混合定位作為第三種 定位技術(shù)。 1.1 基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù) 基于 Cell-ID 的定位技術(shù)：該技術(shù)又稱起源蜂窩小區(qū) (CellOfOrigin) 定位技 術(shù)。每個(gè)小區(qū)都有自己特定的小區(qū)標(biāo)識(shí)號(hào) (Cell-ID) ，當(dāng)進(jìn)入某一小區(qū)時(shí)，

3、移動(dòng) 終端要在當(dāng)前小區(qū)進(jìn)行注冊(cè)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中就會(huì)有相應(yīng)的小區(qū) ID 標(biāo)識(shí)。系統(tǒng)根 據(jù)采集到的移動(dòng)終端所處小區(qū)的標(biāo)識(shí)號(hào)來(lái)確定移動(dòng)終端用戶的位置。 這種定位技 術(shù)在小區(qū)密集的地區(qū)精度較高且易于實(shí)現(xiàn)，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)做較大的改 動(dòng)，得到廣泛的應(yīng)用。 到達(dá)時(shí)間 TOA(TimeOfArrival) 定位技術(shù)：移動(dòng)終端發(fā)射測(cè)量信號(hào)到達(dá) 3 個(gè) 以上的基站， 通過(guò)測(cè)量到達(dá)所用的時(shí)間 ( 須保證時(shí)間同步 ) ，并施以特定算法的計(jì) 算，實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)終端的定位。在該算法中，移動(dòng)終端位于以基站為圓心，移動(dòng)終 端和基站之間的電波傳輸距離為半徑的圓上， 三個(gè)圓的交點(diǎn)即為移動(dòng)終端所在的 位置。 到達(dá)時(shí)間差 TDOA(

4、TimeDifference0fArrival) 定位技術(shù)： 移動(dòng)終端對(duì)基站進(jìn) 行監(jiān)聽(tīng)并測(cè)量出信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差， 每?jī)蓚€(gè)基站得到一個(gè)測(cè)量值， 形成 一個(gè)雙曲線定位區(qū)， 這樣，三個(gè)基站得到 2個(gè)雙曲線定位區(qū)， 求解出它們的交結(jié) 點(diǎn)并施以附加條件就可以得到移動(dòng)終端的確切位置。 由于所測(cè)量為時(shí)間差而非絕 對(duì)時(shí)間，不必滿足時(shí)間同步的要求，所以 TDOA備受關(guān)注。 增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差 E-OTD(Enhanced-ObservedTimeDifference) 定位技術(shù)： 在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中放置若干位置接收器或參考點(diǎn)作為位置測(cè)量單元LMU，參考點(diǎn)都有 一個(gè)精確的定時(shí)源， 當(dāng)具有 E-OTD功能的手機(jī)和

5、LMU接收到 3 個(gè)以上的基站信號(hào) 時(shí)，每個(gè)基站信號(hào)到達(dá)兩者的時(shí)間差將被算出來(lái)，從而估算出手機(jī)所處的位置。 這項(xiàng)定位技術(shù)定位精度較高但硬件實(shí)現(xiàn)也復(fù)雜。 角度達(dá)到 AOA(ArrivalofAngle) 定位技術(shù)： 這種定位技術(shù)的首要條件是基站 需裝設(shè)陣列智能天線。通過(guò)這種天線測(cè)出基站與發(fā)送信號(hào)的移動(dòng)終端之間的角 度，進(jìn)一步確定兩者之間的連線， 這樣移動(dòng)終端與兩個(gè)基站可得到兩條連線， 其 交點(diǎn)即為待測(cè)移動(dòng)終端的位置。 該定位技術(shù)的缺點(diǎn)是所需智能天線要求較高， 且 有定位盲點(diǎn)。 1.2 基于移動(dòng)終端的定位技術(shù) 該定位技術(shù)的原理是： 多個(gè)已知位置的基站發(fā)射信號(hào)， 所發(fā)射信號(hào)攜帶有與 基站位置有關(guān)的特

6、征信息， 當(dāng)移動(dòng)終端接收到這些信號(hào)后， 確定其與各基站之間 的幾何位置關(guān)系， 并根據(jù)相關(guān)算法對(duì)其自身位置進(jìn)行定位估算， 從而得到自身的 位置信息。 具有較高的定位精度。 但其致命的缺陷是需要手機(jī)參與定位參數(shù)的測(cè) 量并進(jìn)行坐標(biāo)位置的計(jì)算， 必須對(duì)手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的軟硬件加以改造或升級(jí)， 目前傾 向的做法是在手機(jī)內(nèi)集成 GPS接收機(jī)，加大了手機(jī)的能耗， 而且從商用角度來(lái)看 很難做到大面積的推廣和使用。 目前已提出的基于移動(dòng)終端的定位技術(shù)主要包括： 下行鏈路觀測(cè)到達(dá)時(shí)間差 (OTDOA方) 法、基于 GPS的定位技術(shù)，如差分 GPS(DGPS、) 輔助 GPS(A-GPS等) 。 根據(jù)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，我們把

7、重點(diǎn)集中于 DGPS和 A-GPS上：(1)GPS 定位技術(shù)經(jīng)過(guò) 多年的發(fā)展， 由于其定位精度高、 覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)， 在軍事用途中發(fā)揮著巨大 的作用，近幾年開(kāi)始向各個(gè)領(lǐng)域滲透并得到廣泛的應(yīng)用。 差分 GPS技術(shù)可以提高 GPS系統(tǒng)的定位精度。原理是：基準(zhǔn)接收機(jī)對(duì)自己實(shí)施定位，得到的定位結(jié)果與 自己的確知的地理位置相比較得到差值， 該差值被用作公共誤差修正值， 對(duì)與基 準(zhǔn)接收處于同一區(qū)域且共用四顆衛(wèi)星進(jìn)行定位的移動(dòng)接收機(jī)來(lái)說(shuō)， 它們顯然具有 相同的公共誤差。因此借助于公共誤差修正值可以修正移動(dòng)接收機(jī)的定位結(jié)果，從而提高定位精度。 (2) 采用 GPS對(duì)移動(dòng)臺(tái)直接定位時(shí)，首次定位需要較長(zhǎng)的時(shí) 間

8、，這對(duì)于緊急救援的業(yè)務(wù)是不允許的。 A-GPS可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。利用 輔助 GPS進(jìn)行定位時(shí)， GPS參考網(wǎng)絡(luò)可將輔助的定位信息通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)傳送 給移動(dòng)臺(tái)， 可減小搜索時(shí)間， 使定位時(shí)間降至幾秒鐘， 而且輔助的定位信息也為 在信號(hào)嚴(yán)重衰落的市區(qū)或室內(nèi)應(yīng)用 GPS定位技術(shù)提供了可能。 另外，由于在兩次 定位間歇期間 GPS接收機(jī)可處于休眠狀態(tài)，所以可以降低手機(jī)的能耗。 綜上所述， AGPS彌補(bǔ)傳統(tǒng)的 GPS定位技術(shù)的缺陷，使得 GPS突破定位界限實(shí)現(xiàn)室內(nèi) GPS定 位。 2、室內(nèi)定位技術(shù) 2.1 光跟蹤定位系統(tǒng) 該系統(tǒng)種類繁多， 但都要求所跟蹤目標(biāo)和探測(cè)器之間線性可視， 這就把它的 應(yīng)

9、用局限到了僅室內(nèi)的范圍且須保證所監(jiān)測(cè)的目標(biāo)是不透明的。 在視頻監(jiān)視系統(tǒng) 中，往往采用在被監(jiān)控的環(huán)境中安裝多臺(tái)攝像設(shè)備， 這些攝像設(shè)備可連接到一臺(tái) 或幾臺(tái)視頻監(jiān)控器上， 通過(guò)視頻監(jiān)控器， 對(duì)觀察對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)控， 有的 甚至可以進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 光定位技術(shù)也被應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)， 通過(guò)固定的 紅外線攝像機(jī)和很多紅外線發(fā)光二極管的一系列協(xié)同配合， 達(dá)到定位的目的。 由 于其本身的特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)高精度的光定位技術(shù)，其配備要求比較復(fù)雜。 2.2 室內(nèi) GPS定位技術(shù) 當(dāng) GPS接收機(jī)在室內(nèi)工作時(shí)， 由于信號(hào)受建筑物的影響而大大衰減到十分微 弱的地步，要想達(dá)到室外一樣直接從衛(wèi)星廣播中提取導(dǎo)航數(shù)據(jù)和

10、時(shí)間信息是不可 能的。為了得到較高的信號(hào)靈敏度，就需要延長(zhǎng)在每個(gè)碼延遲上的停留時(shí)間， A-GPS技術(shù)為這個(gè)問(wèn)題的解決提供了可能性。 室內(nèi) GPS技術(shù)采用大量的相關(guān)器并 行地搜索可能的延遲碼， 同時(shí)，也有助于實(shí)現(xiàn)快速定位。 這種室內(nèi) GPS定位技術(shù) 由于需要在手機(jī)內(nèi)集成 GPS接收器，決定了它的應(yīng)用受限性， 為此，把具有該功 能的手機(jī)價(jià)格降到人們可以承受的范圍內(nèi)成了室內(nèi) GPS技術(shù)追求的目標(biāo)之一。 普 通 GPS接收機(jī)正朝著單片機(jī)的方向發(fā)展，并努力實(shí)現(xiàn)把 GPS的 RF 電路和多相關(guān) 器電路集成人手機(jī)現(xiàn)存的 RF芯片和綜合數(shù)字芯片中。 2.3 超聲波定位技術(shù) (UltrasonicPositio

11、ningTechnologies) 該技術(shù)由于其成本低、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)而被人們廣泛采用。 目前，市場(chǎng)上的超聲波收、發(fā)器技術(shù)成熟且價(jià)格低廉， 因此應(yīng)用較為廣泛。 超聲波測(cè)距大都采用反 射式測(cè)距法， 即發(fā)射超聲波并接收由被測(cè)物產(chǎn)生回波， 根據(jù)回波與發(fā)射波的時(shí)間 差計(jì)算出待測(cè)距離， 有的則采用單向測(cè)距法。 超聲波定位系統(tǒng)可由若干個(gè)應(yīng)答器 和一個(gè)主測(cè)距器組成， 主測(cè)距器放置在被測(cè)物體上， 在微機(jī)指令信號(hào)的作用下向 位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同頻率的無(wú)線電信號(hào)， 應(yīng)答器在收到無(wú)線電信號(hào)后同時(shí)向 主測(cè)距器發(fā)射超聲波信號(hào)， 得到主測(cè)距器與各個(gè)應(yīng)答器之間的距離。 當(dāng)同時(shí)有三 個(gè)或三個(gè)以上不在同一直線上的應(yīng)答器做

12、出回應(yīng)時(shí)， 我們可以根據(jù)相關(guān)計(jì)算確定 出被測(cè)物體所在的二維坐標(biāo)系下的位置。 我們?cè)跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)下基于超聲波技 術(shù)的 3D 定位系統(tǒng)的研制中采用超聲波定位技術(shù)，為了克服超聲波聲吸收嚴(yán)重而 影響其傳輸距離的缺陷，我們決定不采用反射測(cè)距法而是用單向測(cè)距法。 2.4 藍(lán)牙技術(shù) (Bluetooth) 該技術(shù)是一種短距離低功耗的無(wú)線傳輸技術(shù)， 支持點(diǎn)到點(diǎn)、 點(diǎn)到多點(diǎn)的話音 和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的短距離無(wú)線互聯(lián)。 在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙 局域網(wǎng)接入點(diǎn)， 把網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式， 并保證藍(lán)牙局域 網(wǎng)接入點(diǎn)始終是這個(gè)微微網(wǎng) (piconet) 的主設(shè)備 (master) ，就可

13、以獲得用戶的位 置信息，實(shí)現(xiàn)利用藍(lán)牙技術(shù)定位的目的。 采用該技術(shù)作室內(nèi)短距離定位其優(yōu)點(diǎn)是 容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號(hào)傳輸不受視距的影響，缺點(diǎn)是目前藍(lán)牙器件和設(shè)備價(jià)格昂 貴。 3、結(jié)束語(yǔ) 移動(dòng)定位技術(shù)在近幾年取得了很大的發(fā)展， 尤其是各種技術(shù)的混合研究和應(yīng) 用，我們可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，加速技術(shù)突破的進(jìn)程。但就其商業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，目 前不過(guò)是剛剛起步， 除了某些特定的跟蹤或監(jiān)測(cè)用途， 作為民用的巨大商業(yè)潛力 尚待進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，在未來(lái)的手機(jī)業(yè)務(wù)中， 位置業(yè)務(wù)服務(wù)很可能帶來(lái)巨大的商機(jī)， 并給人們帶來(lái)極大的便利。 另外， 室內(nèi)定位技術(shù)有待于進(jìn)一步研究完善， 一旦突 破的屏障， 定位技術(shù)將會(huì)出呈現(xiàn)珠聯(lián)璧合之勢(shì)， 相關(guān)

14、的位置服務(wù)業(yè)務(wù)也必將深人 人們的生活。 目前基于 GSM網(wǎng)獲取用戶位置信息（亦稱 LBS）的技術(shù)主要有以下 3 種: 1 COO（ Cell of Origin ） COO 定位技術(shù)即基于 Cell-ID 的定位技術(shù)，是美國(guó) E911 無(wú)線定位呼叫的第 一階段采用的技術(shù)， 也是定業(yè)務(wù)平臺(tái)首先采用的定位方式。 這種技術(shù)不需要更改 手機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)， 因此能夠在現(xiàn)存的手機(jī)的基礎(chǔ)上構(gòu)造位置查找系統(tǒng)。 它通過(guò)采集 移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)識(shí)別號(hào)（ Cell-ID 號(hào)）來(lái)確定用戶的位置。只要系統(tǒng)能夠采集 到移動(dòng)臺(tái)所在小區(qū)基站在地圖上的地理位置， 以及小區(qū)的覆蓋半徑， 則當(dāng)移動(dòng)臺(tái) 在所處小區(qū)注冊(cè)后， 系統(tǒng)就會(huì)知道移動(dòng)

15、臺(tái)處于哪一小區(qū)， 當(dāng)然小區(qū)的定位精度取 決于其半徑。在城市商業(yè)區(qū)， COO定位完全能夠滿足要求。 COO技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)又分為兩種： （1）基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法：服務(wù)器從網(wǎng)元（如 MSC/VLR和SGSN）獲得 Cell-ID ， 再由服務(wù)器把 Cell-ID 翻譯成可以直接應(yīng)用的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。 這種方法的好處是手 機(jī)不需任何改變，只需對(duì)現(xiàn)網(wǎng)稍做改動(dòng) （僅升級(jí)交換機(jī)軟件）就可支持定位服務(wù)。 （2）基于手機(jī)的實(shí)現(xiàn)方法：手機(jī)把它的 Cell-ID 通過(guò) WAP或 SMS發(fā)給服務(wù) 器；服務(wù)器把 Cell-ID 翻譯成可以直接應(yīng)用的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。 這種方法的好處是不 需對(duì)現(xiàn)網(wǎng)做任何改動(dòng)， 只需手機(jī)增加相應(yīng)功能

16、（如使用 STK卡）就可支持定位功 能。 2. E-OTD 增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)差技術(shù) E-OTD 定位技術(shù)是從測(cè)量時(shí)間差 （ OTD）發(fā)展而來(lái)的，OTD指測(cè)量時(shí)間差，E-OTD 指測(cè)量的方式。具體實(shí)現(xiàn)方式如下： 手機(jī)需要測(cè)量至少三個(gè)基站的到達(dá)測(cè)量時(shí)間量（ OTD值）； 然后手機(jī)把上述 OTD測(cè)量值上傳到 SMLC（SERVING MOBILE LOCATION CENTE）R，SMLC一般放置在 BSC內(nèi)完成位置計(jì)算； 同時(shí)放置在 BTS 側(cè)的 LMU（LOCATION MEASUREMENT U）N測(cè)IT量基站的參 考時(shí)間量 （RTD）并上傳到 SMLC； SMLC根據(jù)得到的測(cè)量時(shí)間差（ OTD）和

17、參考時(shí)間差（ RTD）算出幾何時(shí)間 量（GTD）,GTD=OTD-RT，D由 GTD可以計(jì)算出手機(jī)的位置（通過(guò)測(cè)量三個(gè) BTS 到 手機(jī)的信號(hào)傳輸時(shí)間，則可分別確定 三個(gè) BTS與手機(jī)之間的幾何距離，然后再 根據(jù)此距離進(jìn)行計(jì)算，最終確定手機(jī)的位置）完成定位服務(wù)。 上述第三步之所以要考慮測(cè)量參考時(shí)間量，是因?yàn)镚SM網(wǎng)基站并不嚴(yán)格同 步，因此需增加測(cè)量基站參考時(shí)間量這一環(huán)節(jié)。 3. AGPS 直接采用 GPS接收機(jī)定位實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單但面臨一個(gè)問(wèn)題， 由于在市區(qū)內(nèi)或建筑物 內(nèi)一般很難收到衛(wèi)星發(fā)回的 GPS信號(hào)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)定位， 因此引入了 A-GPS定位方 法。 它的基本思想是通過(guò)在衛(wèi)星信號(hào)接收效果較好的位

18、置上設(shè)置若干參考 GPS 接收機(jī)，并利用 GSM網(wǎng)把接收到的輔助 GPS信號(hào)發(fā)給手機(jī)； 同時(shí)配有 GPS計(jì)算晶 片的手機(jī)根據(jù) GSM網(wǎng)傳來(lái)的 GPS數(shù)據(jù)計(jì)算手機(jī)位置，這種方法將 GPS與 GSM網(wǎng)結(jié) 合，實(shí)現(xiàn)一種精度高、定位快的方式 - 輔助 GPS定位。 綜合考慮投入成本、 對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的改變、 對(duì)手機(jī)的要求等因素， 目前世界上基于 GSM網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線定位的技術(shù)方案主要采用基于 Cell-ID 的定位技術(shù)， 因?yàn)檫@種技 術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單靈活， 雖然存在精度不太高的缺點(diǎn)， 但考慮到大多數(shù)服務(wù)定位精度要 求并不需要太高的背景下，已經(jīng)可以利用這種技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)許多位置服務(wù)。 目前基于 CDMA網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)主要有以下幾種： 1. Cell-ID 根據(jù) CDMA蜂窩小區(qū)概念， 由網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取用戶當(dāng)前所在的 Ce