移動定位的基本原理及技術研究(下)

2019-11-03 09:15:12

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供稿：網友

廣州金鵬集團有限公司唐毅
中國地震局地震研究所楊博雄

移動定位的主要方案

　　根據移動定位的基本原理，目前技術上實現移動定位的方案可以劃分為三大類：基于移動網絡的技術方案、基于移動終端的技術方案以及兩者的結合方案。

1．基于網絡的定位技術

　　起源蜂窩小區COO(Cell Of Origin)定位技術

　　起源蜂窩小區定位技術是根據移動臺所處的小區標識號ID來確定用戶的位置。移動臺在當前小區注冊后，在系統的數據庫中就會有相對應的小區ID號。只要系統能夠把該小區基站設置的中心位置(在當地地圖中的位置)和小區的覆蓋半徑廣播給小區范圍內的所有移動臺，這些移動臺就能知道自己處在什么地方，查詢數據庫即可獲取位置信息。該定位方案的優點是無需對網絡和手機進行修改，響應時間短。但它的定位精度取決于小區的半徑。

　　抵達時間TOA(Time Of Arrival)定位技術

　　它是基于測量信號從移動臺發送出去并到達消息測量單元(3個或更多基站)的時間來定位。移動臺位于以基站為圓心、移動臺到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。通過多個基站進行計算，移動臺的二維位置坐標可由3個圓的交點確定。但是，與下面要介紹的增強型觀測時間差定位技術E-OTD不同的是，它沒有使用位置測量單元，因此，必須通過與在基站上安裝了全球衛星定位系統(GPS)或原子鐘的無線網絡之間的同步來實現。

　　角度到達AOA(Arrival Of Angle)定位技術

　　該技術根據信號到達的角度，確定移動臺相對于基站的角度關系，只要測量一個移動臺距兩個基站的信號到達角度，就可以確定出移動臺的位置。信號到達角度測量需要定向天線，雖然理論上這種測量在基站和移動臺都可以進行，但為了保證輕便性，并不適宜在移動終端上使用。角度到達定位技術是基于網絡的定位方案，優點是可以在話音信道上工作，不需要高精度的系統定時。但缺點是需要復雜的天線，易出現定位盲點，實施成本較高。

　　抵達時間差異TDOA(Time Difference Of Arrival)定位技術

　　該定位技術是通過檢測信號到達兩個基站的時間差，而不是到達的絕對時間來確定移動臺位置的，降低了對時間的同步要求。移動臺定位于以兩個基站為焦點的雙曲線方程上。確定移動臺的二維位置坐標需要建立兩個以上雙曲線方程，兩條雙曲線即為移動臺的二維位置坐標。由于這種定位技術不要求移動臺和基站之間的同步。因此在誤差環境下性能相對優越，在蜂窩通信系統的定位技術中備受關注。它也是基于網絡的定位方案，優點是精度較高，實現容易。缺點是為了保證定時精度，需要改造基站設備。

　　增強型觀測時間差E-OTD(Enhanced-Observed Time Difference)定位技術

　　該技術的實現原理是：手機對服務小區基站和周圍幾個基站進行測量，算出測量數據之間的時間差，并用此計算用戶相對于基站的位置。增強型觀測時間差定位技術是基于網絡的定位方案，是目前使用最多的技術，也是歐洲電信標準化組織(ETSI)建議使用的主要技術。

2．基于移動終端的定位技術

　　基于終端的定位技術主要指移動終端計算出自己所處的位置。這種技術主要有GPS、A－GPS（Assisted GPS）和E－OTD（Enhanced Observed Time Difference）等幾種。

GPS

　　全球衛星定位系統GPS是70年代初美國出于軍事目的開發的衛星導航定位系統，該系統于80年代初投入使用。出于軍事目的考慮，美國政府人為降低了民用GPS的定位精度，稱為SA（Selective Availability）政策，但此政策已于2000年5月取消，這樣GPS在天空晴朗時，可以獲得5～40米的精度。

　　GPS主要是利用幾顆衛星的測量數據計算一個移動用戶的位置，即經度、緯度和高度。原始數據可以由終端處理，也可以送到網絡側處理。GPS可用于車輛導航和手持設備。

　　PS定位一般可采用四顆定位衛星，GPS定位是基于到達時間（TOA）機理。四個衛星定位，接收機的位置和時鐘偏差表達式如下：

　　其中X1Y1Z1、X2Y2Z2、X3Y3Z3、X4Y4Z4為已知衛星P1、P2、P3、P4測量出的偽距，C為光速，dti為已知衛星時鐘與GPS時間偏差，dt為未知接收機與GPS時間偏差。衛星的時鐘偏差由接收機從衛星導頻信息中取得。平方根項代表衛星與接收機之間距【2】。

　　對于GPS接收機有四種主要功能：用偽距決定衛星與接收機之間距離；從衛星發出的信息中提取TOA；求出衛星的星歷數據（信號到達時），計算衛星的位置；確定接收機位置和接收機時鐘偏差。

　　GPS芯片生產廠家不斷提高GPS芯片的集成度，目前芯片已做到成本低、功率效率較高，只需一片就可以實現所有功能。

A-GPS

　　采用GPS直接對MS定位，首次定位可能需要10分鐘左右的時間，因此對于像E911（110）這類業務，是不允許的。利用輔助GPS作定位，傳輸一些輔助數據，這樣可以大大縮小代碼搜索窗口和頻率搜索窗口，使得定位時間降至幾秒鐘。

　　A－GPS是網絡輔助GPS，它使用固定位置GPS接收機獲得移動終端的補充信息數據，輔助數據使移動用戶接收機不必譯碼實際消息就可以進行定時測量，固定GPS接收機一般距離間隔為200公里～400公里，形成一個網絡。

　　A－GPS大大減少了移動用戶GPS接收機計算位置所需的時間。未利用輔助信息時，首次俘獲目標（TTFF：Time－to－First－Fix）需要20－45秒，采用輔助信息時，TTFF降至1－8秒。

　　輔助數據可以每小時廣播1次，因此，提供輔助數據對網絡造成的影響很小。

E-TOD

　　增強型觀察時間差E－OTD在終端上實現定位，僅需要使用軟件計算。為了在IDLE模式（終端不處理呼叫）和專用模式（終端處理呼叫）下運行E－OTD算法，終端必須有足夠的處理能力和存儲容量。

　　E－OTD定位方法是手機根據服務小區基站和周圍幾個基站的測量數據，算出它們之間的時間差，時間差被用于計算用戶相對于基站的位置。

　　與E－OTD相關的基本量有三個：觀察時間差OTD、真實時間差RTD和地理位置時間差GTD。OTD是MS觀察到的兩個不同位置BTS信號的接收時間差；RTD是兩個BTS之間的系統時間差；GTD是兩個BTS到MS由于距離差而引起的傳輸時間差。

設d1為BTS1與MS之間的距離，d2為BTS2與MS之間的距離，則：

GTD=| d2－d1 | / v ，式中v為無線電波速度。

上述三個量之間關系為：OTD=RTD+GTD

當基站都同步時，則RTD＝0。

　　在E－OTD方法中，要取得正確結果，BTS數目至少為三個，位于不同的地理位置，并且重要的一條是基站同步。同步基站最常用的方法是基站安裝固定GPS接收機。

　　E－OTD的精度可達125米。與應用GPS定位方法的區別是，E－OTD定位不依賴于天氣，而GPS定位在天氣晴朗時，效果良好。

3．混合定位技術

　　混合定位技術即利用移動終端定位功能與網絡定位功能的結合。聯合定位的典型代表是，輔助全球衛星定位系統A-GPS(Assistant Global Positioning System)定位技術。

　　A-GPS與GPS方案也需要在手機內增加GPS接收機模塊，并改造手機天線，但手機本身并不對位置信息進行計算，而是將GPS的位置信息數據傳給移動通信網絡，由網絡的定位服務器進行位置計算，同時移動網絡按照GPS的參考網絡所產生的輔助數據，如差分校正數據、衛星運行狀態等傳遞給手機，并從數據庫中查出手機的近似位置傳給手機。這時手機可以很快捕捉到GPS信號，這樣的首次捕獲時間將大大減小，一般僅需幾秒的時間。不需像GPS的首次捕獲時間可能要2～3分鐘。而精度也僅為幾米，高于GPS的精度【3】。

結束語

　　目前移動定位技術還在不斷的發展，在移動定位系統的定位精度和準確度、移動定位信息的獲取和處理、移動定位應用等方面還在進行著研究和探索。我們相信，伴隨著移動定位理論的成熟以及相關技術的不斷完善，移動定位服務將越來越受到人們的青睞，越來越能滿足人們的各種要求。

摘自　通信市場

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