長距離移動定位技術(shù)與室內(nèi)定位技術(shù)

1、長距離移動定位技術(shù)及室內(nèi)定位技術(shù)美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)于1996年下達(dá)指示要求移動運(yùn)營商為移動 電話用戶提供E-911(緊急救援)服務(wù)，這就要求對所有移動電話用戶實現(xiàn) 定位功能，同時，F(xiàn)CC又于1999年對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， 很多國家?guī)允贾铝τ谘芯可逃枚ㄎ患夹g(shù)并推出了各具特色的商用定位服 務(wù)。近幾年，全球移動用戶的數(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)、個人問詢服務(wù)、車輛導(dǎo)航服務(wù)、特定跟蹤服務(wù) 等等。1、移動定位技術(shù)移動定位技術(shù)是利用

2、無線移動通信網(wǎng)絡(luò)，通過對接收到的無線電波的 一些參數(shù)進(jìn)行測量，根據(jù)特定的算法對某一移動終端或個人在某一時間所 處的地理位置進(jìn)行精確測定，以便為移動終端用戶提供相關(guān)的位置信息服 務(wù)，或進(jìn)行實時的監(jiān)測和跟蹤。根據(jù)移動定位的基本原理，移動定位大致 可分為兩類：基于移動網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)和基于移動終端的定位技術(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)。每個小區(qū)都有自己特定的小區(qū)標(biāo)識號(Cell-ID)，當(dāng)進(jìn)入某一 小區(qū)時，移動終端要在當(dāng)前小區(qū)進(jìn)行注冊，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中就會有相應(yīng)的小 區(qū)

3、ID標(biāo)識。系統(tǒng)根據(jù)采集到的移動終端所處小區(qū)的標(biāo)識號來確定移動終 端用戶的位置。這種定位技術(shù)在小區(qū)密集的地區(qū)精度較高且易于實現(xiàn)，無 需對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)做較大的改動，得到廣泛的應(yīng)用。到達(dá)時間TOA(TimeOfArrival)定位技術(shù)：移動終端發(fā)射測量信號到達(dá)3個以上的基站，通過測量到達(dá)所用的時間(須保證時間同步)，并施以特定算法的計算，實現(xiàn)對移動終端的定位。在該算法中，移動終端位于以基 站為圓心，移動終端和基站之間的電波傳輸距離為半徑的圓上，三個圓的 交點即為移動終端所在的位置。到達(dá)時間差TDOA(TimeDiffere nceOfArrival)定位技術(shù)：移動終端對基站進(jìn)行監(jiān)聽并測量出信號到達(dá)

4、兩個基站的時間差，每兩個基站得到一個 測量值，形成一個雙曲線定位區(qū)，這樣，三個基站得到2個雙曲線定位區(qū)，求解出它們的交結(jié)點并施以附加條件就可以得到移動終端的確切位置。由 于所測量為時間差而非絕對時間，不必滿足時間同步的要求，所以TDOA備受關(guān)注。增強(qiáng)型觀測時間差E-OTD(E nha nced-ObservedTimeDiffere nee)定位技術(shù)：在無線網(wǎng)絡(luò)中放置若干位置接收器或參考點作為位置測量單元LMU參考點都有一個精確的定時源，當(dāng)具有E-OTD功能的手機(jī)和LMU接收到3個以上的基站信號時，每個基站信號到達(dá)兩者的時間差將被算出來，從而 估算出手機(jī)所處的位置。這項定位技術(shù)定位精度較高但硬

5、件實現(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。通過這種天線測出基站及發(fā)送信號的移動終 端之間的角度，進(jìn)一步確定兩者之間的連線，這樣移動終端及兩個基站可 得到兩條連線，其交點即為待測移動終端的位置。該定位技術(shù)的缺點是所 需智能天線要求較高，且有定位盲點。1.2基于移動終端的定位技術(shù)該定位技術(shù)的原理是：多個已知位置的基站發(fā)射信號，所發(fā)射信號攜 帶有及基站位置有關(guān)的特征信息，當(dāng)移動終端接收到這些信號后，確定其 及各基站之間的幾何位置關(guān)系，并根據(jù)相關(guān)算法對其自身位置進(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

6、致命的缺陷是 需要手機(jī)參及定位參數(shù)的測量并進(jìn)行坐標(biāo)位置的計算，必須對手機(jī)和網(wǎng)絡(luò) 的軟硬件加以改造或升級，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，而且從商用角度來看很難做到大面積的推廣和使用。目前已提出的基于移動終端的定位技術(shù)主要包括：下行鏈路觀測到達(dá)時間差(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)展動態(tài)，我們把重點集中于DGP餉A-GPS上:(1)GPS定位技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，由于其定位精度高、覆蓋范圍廣的優(yōu)點， 在軍事用途中發(fā)揮著巨大的作用，近幾年幵始向各個領(lǐng)域滲透并得到廣泛 的應(yīng)用。差分GPS技術(shù)可以提高G

7、PS系統(tǒng)的定位精度。原理是：基準(zhǔn)接收 機(jī)對自己實施定位，得到的定位結(jié)果及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，對及基準(zhǔn)接收處于同一區(qū)域且共用四顆衛(wèi)星進(jìn)行定位的移動接收機(jī)來說，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接收機(jī)的定位結(jié)果，從而提高定位 精度。（2）采用GPS對移動臺直接定位時，首次定位需要較長的時間，這 對于緊急救援的業(yè)務(wù)是不允許的。A-GPS可以有效地解決這個問題。利用輔助GPS進(jìn)行定位時，GPS參考網(wǎng)絡(luò)可將輔助的定位信息通過無線通信網(wǎng) 絡(luò)傳送給移動臺，可減小搜索時間，使定位時間降至幾秒鐘，而且輔助的 定位信息也為在信號嚴(yán)重衰落

8、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爾補(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)和探測器之間線性可視，這就 把它的應(yīng)用局限到了僅室內(nèi)的范圍且須保證所監(jiān)測的目標(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)境中安裝多臺攝像設(shè)備，這些攝 像設(shè)備可連接到一臺或幾臺視頻監(jiān)控器上，通過視頻監(jiān)控器，對觀察對象 進(jìn)行實時動態(tài)地監(jiān)控，有的甚至可以進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)存儲。光定位技術(shù)也 被應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)

9、，通過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，要實現(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，由于信號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)和時 間信息是不可能的。為了得到較高的信號靈敏度，就需要延長在每個碼延 遲上的停留時間，A-GPS技術(shù)為這個問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，也有助于實現(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

10、該功能的手機(jī)價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)(UltrasonicPositioningTechnologies)該技術(shù)由于其成本低、結(jié)構(gòu)簡單易于實現(xiàn)而被人們廣泛采用。目前，市場 上的超聲波收、發(fā)器技術(shù)成熟且價格低廉，因此應(yīng)用較為廣泛。超聲波測 距大都采用反射式測距法，即發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生回波，根據(jù) 回波及發(fā)射波的時間差計算出待測距離，有的則采用單向測距法。超聲波 定位系統(tǒng)可由若干個應(yīng)答器和一個主測距

11、器組成，主測距器放置在被測物 體上，在微機(jī)指令信號的作用下向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同頻率的無線電 信號，應(yīng)答器在收到無線電信號后同時向主測距器發(fā)射超聲波信號，得到 主測距器及各個應(yīng)答器之間的距離。當(dāng)同時有三個或三個以上不在同一直線上的應(yīng)答器做出回應(yīng)時，我們可以根據(jù)相關(guān)計算確定出被測物體所在的 二維坐標(biāo)系下的位置。我們在無線傳感器網(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距法而是用單向測距法。2.4 藍(lán)牙技術(shù)(Bluetooth)該技術(shù)是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù)，支持點到點、點到多點 的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

12、可以實現(xiàn)不同設(shè)備之間的短距離無線互聯(lián)。在室內(nèi)安 裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點，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)接入點始終是這個微微網(wǎng)(pico net)的主設(shè)備(master)，就可以獲得用戶的位置信息，實現(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)點是容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號傳輸不受視 距的影響，缺點是目前藍(lán)牙器件和設(shè)備價格昂貴。3、結(jié)束語移動定位技術(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)長避短，加速技術(shù)突破的進(jìn)程。但就其商業(yè)應(yīng)用的 幵發(fā)來說，目前不過是剛剛起步，除了某些特定的跟蹤或監(jiān)測用途，作為 民用的巨大商業(yè)潛力尚待進(jìn)一步的

13、幵發(fā)，在未來的手機(jī)業(yè)務(wù)中，位置業(yè)務(wù) 服務(wù)很可能帶來巨大的商機(jī)，并給人們帶來極大的便利。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)將會出呈現(xiàn)珠聯(lián) 璧合之勢，相關(guān)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）C00定位技術(shù)即基于Cell-ID的定位技術(shù)，是美國E911無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)。它通過采集移動臺所處的小區(qū)識別號（ Cell-ID 號）來

14、確定用戶的 位置。只要系統(tǒng)能夠采集到移動臺所在小區(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)移動臺在所處小區(qū)注冊后，系統(tǒng)就會知道移動臺 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術(shù)具體實現(xiàn)又分為兩種：（1） 基于網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方法：服務(wù)器從網(wǎng)元（如MSC/VLF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，只需對現(xiàn)網(wǎng)稍做改動（僅升級交換 機(jī)軟件）就可支持定位服務(wù)。（2） 基于手機(jī)的實現(xiàn)方法：手機(jī)把它的Cell-ID 通過WAP或 SMS發(fā)給服務(wù)器；服務(wù)

15、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 法的好處是不需對現(xiàn)網(wǎng)做任何改動，只需手機(jī)增加相應(yīng)功能（如使用STK7 / 10卡）就可支持定位功能。2. E-OTD 增強(qiáng)觀測時差技術(shù)E-OTD定位技術(shù)是從測量時間差（OTD發(fā)展而來的，OTD指測量時間 差，E-OTD指測量的方式。具體實現(xiàn)方式如下：手機(jī)需要測量至少三個基站的到達(dá)測量時間量（OTD值）;然后手機(jī)把上述OTD測量值上傳到SMLCX SERVIN®OBILELOCATION CENTER SMLC一般放置在 BSC內(nèi)完成位置計算；同時放置在 BTS側(cè)的LMU（ LOCATIONMEASUREMENNIT）測量基

16、站 的參考時間量（RTD）并上傳到SMLC SMLO據(jù)得到的測量時間差（OTD和參考時間差（RTD算出幾何 時間量（GTD ,GTD=OTD-RT,由GTD可以計算出手機(jī)的位置（通過測量 三個BTS到手機(jī)的信號傳輸時間，則可分別確定三個BTS及手機(jī)之間的幾何距離，然后再根據(jù)此距離進(jìn)行計算，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量參考時間量，是因為GSM網(wǎng)基站并不嚴(yán)格同步，因此需增加測量基站參考時間量這一環(huán)節(jié)。3. AGPS直接采用GPS接收機(jī)定位實現(xiàn)簡單但面臨一個問題，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，無法實現(xiàn)定位，因此引入了A-GPS定位方法。它

17、的基本思想是通過在衛(wèi)星信號接收效果較好的位置上設(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信號發(fā)給手機(jī)；同時配 有GPS十算晶片的手機(jī)根據(jù) GSM網(wǎng)傳來的GPS數(shù)據(jù)計算手機(jī)位置，這種方 法將GPS及 GSM網(wǎng)結(jié)合，實現(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、對現(xiàn)網(wǎng)的改變、對手機(jī)的要求等因素，目前世界上基于GSM網(wǎng)實現(xiàn)無線定位的技術(shù)方案主要采用基于Cell-ID 的定位技術(shù)，因為這種技術(shù)實現(xiàn)簡單靈活，雖然存在精度不太高的缺點，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) 來實現(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

18、以下幾種：1. Cell-ID根據(jù)CDMA筆窩小區(qū)概念，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)獲取用戶當(dāng)前所在的Cell信息，然后根據(jù)用戶上報的自身所處小區(qū)號等參數(shù)，獲取用戶當(dāng)前位置。一般采 用的方法是將用戶所處小區(qū)的中心點位置估算為用戶當(dāng)前位置。此法及 GSM網(wǎng)的同類方法類似。2. AGPS獲取GPS衛(wèi)星信號作為定位算法計算參數(shù)，確定用戶位置的定位技術(shù)。用戶將GPS衛(wèi)星作為地理位置已知點，把獲得的 GPS偽距作為已知點到達(dá) 未知點的距離來計算自身地理位置。此法同樣在 GSM網(wǎng)中也有應(yīng)用，特點 相同，在此不再復(fù)述。3. AFLT本法是采用用戶接收到的 CDMA基站信號來作為參數(shù)計算用戶位置的 定位技術(shù)。CDMA網(wǎng)絡(luò)中，用戶的導(dǎo)頻集中有多個基站導(dǎo)頻信號，只要用戶 可以接收到