移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位技術(shù)及應(yīng)用

　　0 概述

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們的活動(dòng)范圍越來(lái)越大，不確定性也愈來(lái)愈大。在移動(dòng)通信中，用戶(hù)的位置信息不僅對(duì)整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)是極其重要的，對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)也是非常重要的。

　　a）對(duì)行業(yè)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，位置信息主要用于監(jiān)控管理、定時(shí)定位、安全報(bào)警、指揮調(diào)度、物流、遙控遙測(cè)等；

　　b）對(duì)個(gè)體用戶(hù)來(lái)說(shuō)，位置信息可用于個(gè)人的緊急救援、老人及小孩的定位與報(bào)警、旅游安全的自主定位、查找周?chē)�信息，以及親友跟蹤定位、游艇定位、移動(dòng)氣象、移動(dòng)黃頁(yè)等。

　　目前，在移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的引導(dǎo)下，位置服務(wù)正在逐步滲透到人們的衣食住行之中，而開(kāi)展位置服務(wù)的前提是對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)臺(tái)（MS）進(jìn)行定位。本文結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)進(jìn)行較全面的闡述，以期將長(zhǎng)期以來(lái)積累的定位知識(shí)與大家分享。

　　1 無(wú)線(xiàn)定位的概念

　　a）無(wú)線(xiàn)定位是指利用無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)確定一個(gè)移動(dòng)臺(tái)所在位置的能力。位置信息一般包括與移動(dòng)臺(tái)有關(guān)的坐標(biāo)（二維或三維），通常指移動(dòng)臺(tái)所處位置的經(jīng)度、緯度和高度信息。

　　b）定位系統(tǒng)的精度是定位的主要質(zhì)量指標(biāo)，一般定義為位于準(zhǔn)確區(qū)域周?chē)�的不確定區(qū)域，經(jīng)過(guò)多次定位測(cè)量得到一個(gè)百分比值。如67%的定位測(cè)量能夠把移動(dòng)臺(tái)定位在距離實(shí)際位置50 m的范圍之內(nèi)，95%的定位測(cè)量能夠把移動(dòng)臺(tái)定位在距離實(shí)際位置150 m的范圍之內(nèi)。
不同的定位服務(wù)對(duì)定位精度的要求不同，如天氣預(yù)報(bào)、交通信息只要求達(dá)到200 km，避免交通堵塞的車(chē)輛管理需要達(dá)到1 km，而導(dǎo)航、設(shè)備定位則需要達(dá)到10～50 m。
c）國(guó)際上對(duì)無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)的研究與應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代的自動(dòng)車(chē)輛導(dǎo)航系統(tǒng)（AVL）， 最早的定位服務(wù)源于1996年美國(guó)政府FCC對(duì)突發(fā)事件服務(wù)制定的強(qiáng)制性法規(guī)（E-911法規(guī)），明確規(guī)定了提供E-911定位服務(wù)將是今后各種蜂窩網(wǎng)絡(luò)，特別是3G網(wǎng)絡(luò)必備的基本功能。

　　2 定位方法及應(yīng)用

　　對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)臺(tái)的定位方法主要包括兩大類(lèi)，當(dāng)然也包括將二者結(jié)合起來(lái)的混合定位：

　　a）利用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的基站（BS）和移動(dòng)臺(tái)之間傳播的無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)的特征參數(shù)進(jìn)行定位；

　　b）利用移動(dòng)臺(tái)內(nèi)置的GPS接收模塊，接收GPS導(dǎo)航電文進(jìn)行定位。

　　2.1 利用無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)的特征參數(shù)進(jìn)行定位

　　此類(lèi)方法是通過(guò)檢測(cè)位于已知位置的基站和移動(dòng)臺(tái)之間傳播的無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)的特征參數(shù)，來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)的距離或者方向或者全部。

　　目前的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都是蜂窩網(wǎng)絡(luò)，蜂窩網(wǎng)絡(luò)常用的移動(dòng)臺(tái)定位方法主要分為基于方向的定位和基于距離的定位。

　　2.1.1 基于方向的定位技術(shù)

　　到達(dá)角（AOA）定位技術(shù)是基站利用接收機(jī)天線(xiàn)陣列測(cè)出移動(dòng)臺(tái)發(fā)射電波的入射角，即信號(hào)的方向，構(gòu)成基站到移動(dòng)臺(tái)的徑向連線(xiàn)，即方位線(xiàn)。如果測(cè)量方向的精度（大約是天線(xiàn)陣列的波束寬度）為±θs，則基站處的AOA測(cè)量可以把移動(dòng)臺(tái)限定在角度大約為2θs的視線(xiàn)路徑上。2個(gè)基站的AOA測(cè)量就能夠確定目標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置。

　　這種方法的原理非常簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中存在一些難以克服的缺點(diǎn)，目前在移動(dòng)臺(tái)定位中用得不多。

　　對(duì)于處于城市的微小區(qū)來(lái)講，引起射頻信號(hào)反射的障礙物較多，且其到移動(dòng)臺(tái)的距離與小區(qū)半徑可以相比，這樣就會(huì)引起比較大的角測(cè)量誤差。在這種情況下，基于A(yíng)OA的定位方法沒(méi)有實(shí)際的意義。

　　對(duì)于宏小區(qū)來(lái)講，因?yàn)槠浠�站一般處于比較高的位置，與小區(qū)半徑相比，引起射頻信號(hào)反射的障礙物多位于移動(dòng)臺(tái)附近，非視距傳播（NLOS）引起的角測(cè)量誤差比較小，所以測(cè)量信號(hào)到達(dá)角的定位方法多用于宏小區(qū)，或者與其他定位技術(shù)混合使用來(lái)提高定位精度。

　　2.1.2 基于距離的定位技術(shù)

　　移動(dòng)臺(tái)和基站之間距離的估計(jì)可以通過(guò)接收信號(hào)的強(qiáng)度、到達(dá)時(shí)間、到達(dá)時(shí)間差和信號(hào)的相位來(lái)獲得。估計(jì)確定移動(dòng)臺(tái)在二維空間的位置需要3次測(cè)量，確定移動(dòng)臺(tái)在三維空間的位置需要4次測(cè)量。

　　基站與移動(dòng)臺(tái)之間的距離估計(jì)值為d，則移動(dòng)臺(tái)可以被定位在以基站為中心、半徑為d的圓上；第二次測(cè)量將其定位在2個(gè)圓相交的圓弧里；第三次測(cè)量就鎖定了移動(dòng)臺(tái)的位置。

　　基于距離的定位技術(shù)包括起源蜂窩小區(qū)技術(shù)、 基于時(shí)間或時(shí)間差的定位法、場(chǎng)強(qiáng)定位法、相位法和信號(hào)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)法，以下對(duì)其中幾種定位方法作簡(jiǎn)單介紹。

　　1） 起源蜂窩小區(qū)技術(shù)

　　起源蜂窩小區(qū)技術(shù)是根據(jù)移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)標(biāo)識(shí)號(hào)（Cell ID）來(lái)確定用戶(hù)的位置。移動(dòng)臺(tái)在當(dāng)前小區(qū)注冊(cè)后，在網(wǎng)絡(luò)中就會(huì)有相對(duì)應(yīng)的Cell ID，只要系統(tǒng)知道該小區(qū)基站的中心位置（地圖中的位置）和小區(qū)的覆蓋半徑，就能夠獲取移動(dòng)臺(tái)的位置信息。

　　這種技術(shù)一般只能定位到某個(gè)基站或者基站下面的某個(gè)扇區(qū)，它的定位精度取決于基站的密集程度，定位誤差一般大于200 m，屬低精度定位，也可以利用RX、TA等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

　　目前中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通實(shí)施的粗定位服務(wù)基本上都采用這種定位方法。對(duì)CDMA網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)Cell ID定位技術(shù)要求核心網(wǎng)絡(luò)支持IS41D和TIA／EIA／IS-848 WIN II Enhanced Charging Service或PN4747，并增加MPC、PDE設(shè)備；對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)Cell ID定位技術(shù)要求HLR支持Camel Phase II，MSC需支持MAP Phase II+，并增加GMLC、SMLC設(shè)備。

　　2） 基于時(shí)間或時(shí)間差的定位法

　　基于時(shí)間或時(shí)間差的定位法包括上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間法、上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差法和下行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差法（增強(qiáng)觀(guān)測(cè)時(shí)間差和到達(dá)觀(guān)測(cè)時(shí)間差）。

　　（1） 上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間（TOA）法

　　如果移動(dòng)臺(tái)和基站處于可視的范圍內(nèi)，則其間的距離見(jiàn)式（1）。當(dāng)已知3個(gè)移動(dòng)臺(tái)與基站的傳播時(shí)延時(shí)，就可計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的位置。

di＝cΔti（1）

式中：

c－－光速

Δti－－無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)在移動(dòng)臺(tái)和BSi之間的傳播時(shí)延

　　當(dāng)移動(dòng)臺(tái)與基站不處于直視范圍，則對(duì)移動(dòng)臺(tái)位置的估計(jì)會(huì)產(chǎn)生誤差，即圖中的圓弧不能相交于一點(diǎn)。如此可采用移動(dòng)臺(tái)位置與TOA圓弧間的距離為均方誤差最小的方法。如果有多于3個(gè)的TOA測(cè)量結(jié)果，則精度可以提高。

　�。�2）上行鏈路信號(hào)到達(dá)時(shí)間差（TDOA）法

　　本方法是基于收到不同基站信號(hào)的時(shí)間差進(jìn)行定位，常被歸類(lèi)為中精度定位技術(shù)。如果移動(dòng)臺(tái)收到的相鄰BS1和BS2的信號(hào)的時(shí)間差為Δt，且移動(dòng)臺(tái)與基站處于可視范圍內(nèi)，則移動(dòng)臺(tái)的位置在一條雙曲線(xiàn)上。采用3個(gè)不同的基站可以測(cè)到2個(gè)TDOA，移動(dòng)臺(tái)位于2個(gè)TDOA決定的雙曲線(xiàn)的交點(diǎn)上。相鄰2個(gè)基站的距離差見(jiàn)式（2）。

（d1-d2）=cΔt（2）

式中：

d1－－移動(dòng)臺(tái)到BS1的距離

d2－－移動(dòng)臺(tái)到BS2的距離

　　與TOA法相似，TDOA法可以采用移動(dòng)臺(tái)到雙曲線(xiàn)距離均方誤差最小的算法，條件是有2個(gè)以上可以用來(lái)計(jì)算的TDOA值。

　　TDOA法與TOA法比較優(yōu)點(diǎn)之一是：計(jì)算TDOA值時(shí)，計(jì)算誤差對(duì)所有的基站是相同的且其和為零，這些誤差包括公共多徑時(shí)延和同步誤差。

　�。�3）增強(qiáng)觀(guān)測(cè)時(shí)間差（E－OTD）法

　　E－OTD法是通過(guò)在參考點(diǎn)上放置位置測(cè)量單元來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這些參考點(diǎn)分布在區(qū)域較廣的許多站點(diǎn)上，并有一個(gè)精確的定時(shí)源。當(dāng)具有E－OTD功能的手機(jī)和位置測(cè)量單元接收到來(lái)自至少3個(gè)基站信號(hào)時(shí)，從每個(gè)基站到達(dá)手機(jī)和位置測(cè)量單元的時(shí)間差將被計(jì)算出來(lái)，這些差值可以產(chǎn)生幾組交叉雙曲線(xiàn)，由此可以估計(jì)出手機(jī)的位置。

　　a）在非同步網(wǎng)絡(luò)（如GSM網(wǎng)絡(luò)）中，為了能夠進(jìn)行精確的定位計(jì)算，至少需要移動(dòng)臺(tái)對(duì)3個(gè)不同的基站進(jìn)行E-OTD測(cè)量，同時(shí)需要網(wǎng)絡(luò)用位置測(cè)量單元測(cè)量基站之間的相對(duì)時(shí)間差 （RTD）或絕對(duì)時(shí)間差（ATD）。

　　E-OTD為GSM網(wǎng)絡(luò)常用的定位技術(shù)，可以提供的定位精度在50～125 m之間，但它的響應(yīng)速度比較慢，往往需要約5 s的時(shí)間。同AOA一樣，E－OTD也會(huì)受到市區(qū)多徑效應(yīng)的影響，導(dǎo)致E－OTD在決定信號(hào)觀(guān)測(cè)點(diǎn)上比較困難。另外它也需要對(duì)手機(jī)軟件進(jìn)行改進(jìn)，并增加定位測(cè)量單元。

　　b）在CDMA網(wǎng)絡(luò)中，與此類(lèi)似的定位技術(shù)稱(chēng)為AFLT （Advanced Forward Link Trilateration）。這種技術(shù)充分利用了CDMA信號(hào)的特性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)的改動(dòng)都很小，但要求CDMA網(wǎng)絡(luò)支持PN4747協(xié)議，并增加MPC、PDE設(shè)備。

　　在進(jìn)行定位時(shí)，CDMA手機(jī)同時(shí)接收多個(gè)基站的導(dǎo)頻信號(hào)，通過(guò)接收到的信號(hào)碼片時(shí)延來(lái)確定到附近幾個(gè)基站的距離，最后利用基站準(zhǔn)確位置和距離確定手機(jī)位置。
AFLT定位精度與基站的密度相關(guān)，一般可以達(dá)到200 m以?xún)?nèi)，屬中精度定位技術(shù)。

　　3）場(chǎng)強(qiáng)定位法（SA）

　　這項(xiàng)技術(shù)利用移動(dòng)臺(tái)靠近或遠(yuǎn)離基站時(shí)所帶來(lái)的信號(hào)衰減變化來(lái)估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的方位。如果移動(dòng)臺(tái)發(fā)出的信號(hào)功率已知，那么在另一點(diǎn)測(cè)量信號(hào)功率時(shí)，就可以利用一定的傳播模型估計(jì)出移動(dòng)臺(tái)與該點(diǎn)的距離。

　　然而，由于小區(qū)基站的扇形特性、天線(xiàn)有可能傾斜以及無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)的不斷調(diào)整，發(fā)現(xiàn)傳送功率這個(gè)過(guò)程可能會(huì)十分復(fù)雜；而且信號(hào)并不只因?yàn)閭鬏斁嚯x而產(chǎn)生衰減，其他因素如穿越墻、植物、金屬、玻璃、車(chē)輛等都會(huì)對(duì)信號(hào)功率產(chǎn)生影響；功率測(cè)量電路也無(wú)法區(qū)分多個(gè)方向接收到的功率（如直接的和反射的）。因此這項(xiàng)技術(shù)被認(rèn)為是定位技術(shù)中最不可靠的一種，在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)定位時(shí)很少用到。

　　采用上述各種定位技術(shù)進(jìn)行精確定位的前提是無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)在收發(fā)信機(jī)之間能視距傳播，然而，在實(shí)際蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，定位精度往往會(huì)受到非視距傳播的影響。

　　2.2 利用移動(dòng)臺(tái)接收的GPS導(dǎo)航電文進(jìn)行定位

　　2.2.1 GPS簡(jiǎn)介

　　GPS是美軍20世紀(jì)70年代初在“子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航定位”技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的具有全球性、全能性（陸地、海洋、航空與航天）、全天候性?xún)?yōu)勢(shì)的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速系統(tǒng)，是目前惟一能夠正常運(yùn)行并向全球用戶(hù)提供導(dǎo)航定位服務(wù)的系統(tǒng)。

　　GPS由3大子系統(tǒng)構(gòu)成：空間衛(wèi)星系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶(hù)接收系統(tǒng)。

　　a）空間衛(wèi)星系統(tǒng)由均勻分布在6個(gè)軌道平面上的24顆高軌道工作衛(wèi)星構(gòu)成，每顆衛(wèi)星每12 h（恒星時(shí)）沿近圓形軌道繞地球一周，由星載高精度原子鐘（基頻F=10.23 MHz）控制無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)在“低噪音窗口”附近發(fā)射L1、L2兩種載波，向全球的用戶(hù)接收系統(tǒng)連續(xù)播發(fā)GPS導(dǎo)航信號(hào)。

　　GPS衛(wèi)星向用戶(hù)發(fā)送的導(dǎo)航電文是一種不歸零的二進(jìn)制數(shù)據(jù)碼D（t），碼率fd=50 Hz。為了節(jié)省衛(wèi)星的電能，增強(qiáng)GPS信號(hào)的抗干擾性、保密性，實(shí)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星通信，GPS衛(wèi)星采用偽噪聲碼對(duì)D碼作二級(jí)調(diào)制，即先將D碼調(diào)制成偽噪聲碼（P碼和C／A碼），再將上述2噪聲碼調(diào)制在L1、L2兩載波上，形成向用戶(hù)發(fā)射的GPS射電信號(hào)。因此，GPS信號(hào)包括2種載波（L1、L2）和2種偽噪聲碼（P碼、C／A碼）。這4種GPS信號(hào)的頻率皆源于10.23 MHz的基準(zhǔn)頻率�；鶞�(zhǔn)頻率與各信號(hào)頻率之間存在一定的比例。其中，P碼為精確碼，只供美國(guó)軍方、政府機(jī)關(guān)以及得到美國(guó)政府批準(zhǔn)的民用用戶(hù)使用；C／A碼為粗碼，其定位和時(shí)間精度均低于P碼，目前全世界的民用用戶(hù)均可不受限制地免費(fèi)使用。

　　GPS工作衛(wèi)星組網(wǎng)保障全球任一時(shí)刻、任一地點(diǎn)都可對(duì)4顆以上的衛(wèi)星進(jìn)行觀(guān)測(cè)（無(wú)阻擋情況下最多可達(dá)11顆），實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)的導(dǎo)航和定位。

　　b）地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布在美國(guó)本土和三大洋的美軍基地上的5個(gè)監(jiān)測(cè)站、1個(gè)主控站和3個(gè)注入站構(gòu)成。該系統(tǒng)對(duì)空間衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，并向每顆衛(wèi)星注入更新的導(dǎo)航電文。

　　c）用戶(hù)接收系統(tǒng)主要由以無(wú)線(xiàn)電傳感和計(jì)算機(jī)技術(shù)支撐的GPS衛(wèi)星接收機(jī)和GPS數(shù)據(jù)處理軟件構(gòu)成。

　　GPS衛(wèi)星接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是天線(xiàn)單元和接收單元2部分。天線(xiàn)單元的主要作用是，當(dāng)GPS衛(wèi)星從地平線(xiàn)上升起時(shí)能捕獲、跟蹤衛(wèi)星，并接收、放大GPS信號(hào)；接收單元的主要作用是，記錄GPS信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和濾波處理，還原出GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航電文，解求信號(hào)在站星間的傳播時(shí)間和載波相位差，實(shí)時(shí)地獲得導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)或采用測(cè)后處理的方式，獲得定位、測(cè)速、定時(shí)等數(shù)據(jù)。

　　GPS數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)GPS接收機(jī)獲取的衛(wèi)星測(cè)量記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行“粗加工”、“預(yù)處理”，并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行平差計(jì)算、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及分析綜合處理；解得測(cè)站的三維坐標(biāo)，測(cè)體的坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)速度、方向及精確時(shí)刻。移動(dòng)臺(tái)內(nèi)置的GPS天線(xiàn)和GPS芯片完成此部分功能。

　　2.2.2 GPS定位的基本方法

　　GPS是以三角測(cè)量定位原理來(lái)進(jìn)行定位的。它采用多星高軌測(cè)距體制，以接收機(jī)至GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀(guān)測(cè)量。當(dāng)?shù)孛嬗脩?hù)的GPS接收機(jī)同時(shí)接收到3顆以上衛(wèi)星的信號(hào)后，通過(guò)使用偽距測(cè)量或載波相位測(cè)量，測(cè)算出衛(wèi)星信號(hào)到接收機(jī)所需要的時(shí)間、距離，再結(jié)合各衛(wèi)星所處的位置信息，將衛(wèi)星至用戶(hù)的多個(gè)等距離球面相交后，即可確定用戶(hù)的三維（經(jīng)度、緯度、高度）坐標(biāo)以及速度、時(shí)間等相關(guān)參數(shù)。計(jì)算經(jīng)度、緯度至少需要3顆衛(wèi)星，再加一顆就可以計(jì)算高度。

　　目前在國(guó)內(nèi)運(yùn)用的移動(dòng)臺(tái)定位技術(shù)主要有兩種，純粹的GPS定位技術(shù)、A-GPS技術(shù)和gpsOne定位技術(shù)。其中純粹的GPS定位技術(shù)多用于專(zhuān)用的GPS定位終端（如車(chē)載臺(tái)）；A-GPS技術(shù)目前在中國(guó)移動(dòng)部分�。ㄊ校┑奈恢梅�務(wù)中采用，gpsOne定位技術(shù)在中國(guó)聯(lián)通的“定位之星”等位置服務(wù)中采用。

　　1）基于終端的GPS定位技術(shù)

　　基于終端的GPS定位技術(shù)主要是利用移動(dòng)臺(tái)上的GPS接收機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)GPS定位。定位方式是移動(dòng)臺(tái)需要接收4個(gè)以上的GPS衛(wèi)星信號(hào)，并且解調(diào)衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，隨后，移動(dòng)臺(tái)利用信號(hào)時(shí)延得出到各個(gè)衛(wèi)星的偽距，利用這些信息就可以計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的精確位置。

　　基于終端的GPS定位技術(shù)的定位精度一般在幾米到十幾米，可以滿(mǎn)足高端用戶(hù)高精度定位的要求。但是受終端所在環(huán)境影響較大，如當(dāng)用戶(hù)在室內(nèi)或在高大建筑物之間時(shí)，由于可見(jiàn)的GPS衛(wèi)星數(shù)量較少，定位精度將會(huì)大大降低，甚至無(wú)法完成定位。
目前大部分車(chē)載臺(tái)采用純粹的GPS定位，車(chē)載臺(tái)內(nèi)置GPS天線(xiàn)和GPS處理芯片，實(shí)現(xiàn)自定位，并通過(guò)GPRS／CDMA 1x網(wǎng)絡(luò)將定位信息傳給后臺(tái)，如車(chē)輛調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的調(diào)度等業(yè)務(wù)。

　　2）網(wǎng)絡(luò)輔助GPS的定位技術(shù)（A-GPS）

　　利用純粹的GPS定位，可能要求多至幾分鐘來(lái)提供冷定位，這在有生命危險(xiǎn)的情況下是非常不適用的。為了解決以上問(wèn)題，可采用A-GPS定位技術(shù)。由集成在移動(dòng)臺(tái)上的GPS接收機(jī)和網(wǎng)絡(luò)中的GPS輔助設(shè)備（如接收衛(wèi)星信息的RGPS站），利用GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的自定位。

　　它的基本原理是：網(wǎng)絡(luò)向移動(dòng)臺(tái)提供輔助GPS信息，包括GPS偽距測(cè)量的輔助信息（如GPS捕獲輔助信息、GPS定位輔助信息、GPS靈敏度輔助信息、GPS衛(wèi)星工作狀況信息等）和移動(dòng)臺(tái)位置計(jì)算的輔助信息（如GPS歷書(shū)以及修正數(shù)據(jù)、GPS星歷、GPS導(dǎo)航電文等）。利用這些信息，移動(dòng)臺(tái)可以很快捕獲衛(wèi)星并接收到測(cè)量信息，由此計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)當(dāng)前所處的位置或交后臺(tái)定位中心計(jì)算位置。

　　A－GPS定位精度高，理論上，在室外等空曠地區(qū)，正常的GPS工作環(huán)境下，其精度可達(dá)5～40 m。如果移動(dòng)臺(tái)處于城區(qū)環(huán)境，無(wú)遮擋并且多徑不嚴(yán)重，定位精度將在 30～70 m；如果移動(dòng)臺(tái)在室內(nèi)或其他多徑和遮擋嚴(yán)重的區(qū)域，此時(shí)移動(dòng)臺(tái)難以捕獲到足夠的衛(wèi)星信號(hào)，A-GPS 將無(wú)法完成定位，這是它的最大局限性。如果要提高在室內(nèi)等GPS信號(hào)屏蔽地區(qū)的定位有效性，該方法還需要增添類(lèi)似于E-OTD方案中的位置測(cè)量單元。

　　3）gpsOne定位技術(shù)

　　由于GPS及A-GPS技術(shù)中需要移動(dòng)臺(tái)實(shí)時(shí)跟蹤4個(gè)以上的GPS衛(wèi)星信號(hào)，而且還需要根據(jù)獲得的位置信息完成當(dāng)前位置的計(jì)算，這就造成了GPS終端體積較大、耗電較高的特點(diǎn)。

　　gpsOne技術(shù)是美國(guó)高通公司在GPS定位技術(shù)基礎(chǔ)上，針對(duì)上述缺點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，并融合了Cell ID、AFLT等蜂窩定位技術(shù)而形成的一項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)。

　　如果移動(dòng)臺(tái)處于比較空曠的區(qū)域，其上空可見(jiàn)的衛(wèi)星數(shù)量比較多時(shí)，可以完全依靠衛(wèi)星的一些參數(shù)進(jìn)行定位，而不用借助地面網(wǎng)絡(luò)中基站的一些參數(shù)。如果可視衛(wèi)星數(shù)量不低于4顆，則采用GPS定位方式。當(dāng)可視衛(wèi)星數(shù)超過(guò)4顆時(shí)，還需要選擇4顆合適的衛(wèi)星。

　　如果移動(dòng)臺(tái)處于室內(nèi)或其他復(fù)雜環(huán)境下，衛(wèi)星完全不可見(jiàn)，只能完全依靠基站對(duì)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行定位。根據(jù)可接收基站信號(hào)數(shù)目的多少，選擇AFLT和Cell ID定位。

　　如果移動(dòng)臺(tái)位于高樓林立的城市繁華地帶或者室內(nèi)的情況下，只有一二顆衛(wèi)星可見(jiàn)，這時(shí)可以采取衛(wèi)星和基站數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式。

　　a）3顆衛(wèi)星和2個(gè)基站。當(dāng)只有3顆衛(wèi)星可見(jiàn)，則引入基站導(dǎo)頻相位測(cè)量輔助定位計(jì)算，但同時(shí)也引入了基站與移動(dòng)臺(tái)間的時(shí)間誤差，因此需要求解5個(gè)變量。

　　b）3顆衛(wèi)星和1個(gè)基站。假設(shè)前反向鏈路傳播時(shí)間相同，利用RTD方法，即記錄移動(dòng)臺(tái)發(fā)射時(shí)間和基站捕獲時(shí)間就可以消除基站與移動(dòng)臺(tái)間的時(shí)間誤差。

　�。�2顆衛(wèi)星和2個(gè)基站。利用RTD方法消除基站與移動(dòng)臺(tái)間的時(shí)間誤差。

　　gpsOne定位技術(shù)需要專(zhuān)用的gpsOne定位終端和后臺(tái)建設(shè)定位實(shí)體PDE來(lái)支持。

　　2.3　不同定位技術(shù)的定位精度

　　不同的定位技術(shù)會(huì)有不同的定位精度，當(dāng)然也會(huì)受到多種因素的影響，表1給出了通常意義上各種技術(shù)的定位精度。

　　目前，全球范圍內(nèi)應(yīng)用較多的移動(dòng)定位技術(shù)主要有基于網(wǎng)絡(luò)或STK／UTK卡的Cell ID或COO（Cell of Origin）、TOA／TDOA技術(shù)， E-OTD技術(shù)以及A-GPS、gpsOne技術(shù)。國(guó)內(nèi)GSM網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)階段多采用簡(jiǎn)單的Cell ID定位，CDMA網(wǎng)絡(luò)則采用GPS、AFLT、Cell ID的混合定位gpsOne。

　　在WCDMA系統(tǒng)中提供了3種定位技術(shù)：基于Cell ID的定位技術(shù)、OTDOA-IPDL定位技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)輔助的GPS定位技術(shù)，這3種技術(shù)可以在不同情況下使用。

　　a）基于Cell ID的定位方法可以在定位精度要求較低時(shí)使用。

　　b）OTDOA 方法可以在定位精度要求較高并且終端和網(wǎng)絡(luò)無(wú)GPS接收裝置時(shí)使用。

　　OTDOA-IPDL是一種應(yīng)用于3G網(wǎng)絡(luò)下的定位方式，在GSM網(wǎng)絡(luò)中也有類(lèi)似的定位方法，即前面介紹的E-OTD。OTDOA-IPDL的定位精度比 Cell ID方法高，但會(huì)受到環(huán)境的影響。在郊區(qū)和農(nóng)村可以將移動(dòng)臺(tái)定位在10～20 m；在城區(qū)由于高大建筑物較多，信號(hào)一般要經(jīng)過(guò)折射或反射才能到達(dá)移動(dòng)臺(tái)，因此定位精度受到影響，定位范圍為100～200 m。一般情況OTDOA定位響應(yīng)時(shí)間在3～6s。

　　c）網(wǎng)絡(luò)輔助GPS定位方法則適宜定位精度要求高且終端和網(wǎng)絡(luò)都配有GPS接收裝置時(shí)使用。

　　3 定位誤差

　　定位精度依賴(lài)于電波傳播環(huán)境、接收器設(shè)計(jì)、噪聲和干擾特性、同一位置冗余測(cè)量的數(shù)量、采用信號(hào)處理的復(fù)雜度。在實(shí)際的蜂窩系統(tǒng)中，TDOA／TOA測(cè)量誤差通常由以下2部分組成：

　　a）由基站檢測(cè)設(shè)備帶來(lái)的誤差，如移動(dòng)臺(tái)和基站的時(shí)鐘同步誤差、檢測(cè)設(shè)備精度及檢測(cè)過(guò)程時(shí)延帶來(lái)的誤差等。這部分誤差隨著定時(shí)技術(shù)及信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展而降低。

　　b）由信道，主要是由多徑效應(yīng)和非視距傳播帶來(lái)的誤差。這部分誤差主要取決于信道環(huán)境，可以利用相應(yīng)算法減少其對(duì)定位精度的影響，是現(xiàn)在各國(guó)研究的重點(diǎn)。

　　3.1 多徑傳播

　　無(wú)線(xiàn)信號(hào)的多徑傳播會(huì)對(duì)測(cè)量代表移動(dòng)臺(tái)和基站之間實(shí)際距離和方位的直射路徑信號(hào)的角度和時(shí)延產(chǎn)生較大的干擾，使基于角度和時(shí)間測(cè)量的定位方法產(chǎn)生較大誤差。窄帶系統(tǒng)中各多徑分量重疊將造成相關(guān)峰位置偏差，寬帶系統(tǒng)能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)各多徑分量分離，改善定位精度。但是若反射分量大于直達(dá)分量、干擾影響等均會(huì)引起精度降低。

　　目前已提出一些抗多徑傳播的有效方法，如高階譜估計(jì)、最小均方估計(jì)及擴(kuò)展的卡爾曼濾波（EKF）等。

　　3.2 非視距傳播

　　非視距傳播是蜂窩網(wǎng)無(wú)線(xiàn)定位主要誤差源，即使在無(wú)多徑效應(yīng)和采用高精度定時(shí)的情況下，非視距傳播也會(huì)引起TOA或TDOA測(cè)量誤差。因此，如何降低非視距傳播的影響是提高定位精度的關(guān)鍵。

　　由于對(duì)非視距傳播模型以及所帶來(lái)的誤差概率統(tǒng)計(jì)特性仍然缺乏足夠的認(rèn)識(shí)，因此至今還沒(méi)有一個(gè)完全有效的方法來(lái)解決這一個(gè)問(wèn)題。目前降低非視距傳播影響的方法有：

　　a）利用測(cè)距誤差統(tǒng)計(jì)的先驗(yàn)信息將一段時(shí)間內(nèi)的NLOS測(cè)量值調(diào)節(jié)到接近LOS的測(cè)量值；

　　b）降低LS算法中NLOS測(cè)量值的權(quán)重，在LS算法中增加約束項(xiàng)等。

　　現(xiàn)在的定位產(chǎn)品也都適當(dāng)?shù)夭捎昧艘恍┧惴▉?lái)抵消一部分多徑、非視距誤差，從而提高定位精度。

　　4 定位系統(tǒng)分類(lèi)

　　為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)定位，需要組建相應(yīng)的定位系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際位置計(jì)算的網(wǎng)元不同，定位系統(tǒng)可分為以下幾類(lèi)。

　　4.1 基于移動(dòng)臺(tái)的定位

　　移動(dòng)臺(tái)利用來(lái)自多個(gè)基站的信號(hào)或接收到的衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算出自己的位置，即由移動(dòng)臺(tái)執(zhí)行測(cè)量并計(jì)算定位結(jié)果，也稱(chēng)移動(dòng)臺(tái)自定位系統(tǒng)。此種方式不需要建設(shè)后臺(tái)定位系統(tǒng)，但移動(dòng)臺(tái)需內(nèi)含定位模塊。

　　4.2 基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)

　　移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)利用移動(dòng)臺(tái)傳來(lái)的信號(hào)計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)位置，即由一個(gè)或多個(gè)基站執(zhí)行測(cè)量，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行定位結(jié)果計(jì)算。定位測(cè)量一般只能對(duì)激活態(tài)下的移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行，對(duì)處于空閑態(tài)的移動(dòng)臺(tái)可采取尋呼或發(fā)空短信等方式實(shí)現(xiàn)位置更新。

　　基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需改動(dòng)現(xiàn)有移動(dòng)臺(tái)，但需要無(wú)線(xiàn)網(wǎng)和核心網(wǎng)設(shè)備的支持。目前中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通建設(shè)的粗定位系統(tǒng)采用了基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)。

　　4.3 網(wǎng)絡(luò)輔助的移動(dòng)臺(tái)定位系統(tǒng)

　　網(wǎng)絡(luò)輔助的移動(dòng)臺(tái)定位系統(tǒng)是由網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)固定位置接收機(jī)同時(shí)檢測(cè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，將各接收信號(hào)攜帶的某種與移動(dòng)臺(tái)的位置有關(guān)的特征信息從空中接口傳送回移動(dòng)臺(tái)，由集成在移動(dòng)臺(tái)中的位置計(jì)算功能（PCF）計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的位置。

　　中國(guó)移動(dòng)部分�。ㄊ校┙ㄔO(shè)的A-GPS和中國(guó)聯(lián)通建設(shè)的gpsOne V2（MS-BASE）可歸于此類(lèi)，即建立RGPS網(wǎng)絡(luò)輔助終端自主定位。

　　4.4 移動(dòng)臺(tái)輔助的網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)

　　基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)臺(tái)輔助定位方案，由移動(dòng)臺(tái)執(zhí)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行計(jì)算。其定位過(guò)程是由移動(dòng)臺(tái)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)固定位置發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射的信號(hào)，將各接收信號(hào)攜帶的某種與移動(dòng)臺(tái)位置有關(guān)的特征信息由空中接口傳送回網(wǎng)絡(luò)，由集成在網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)臺(tái)定位中心（MLC）中的PCF計(jì)算出移動(dòng)臺(tái)的估計(jì)位置。

　　中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通建設(shè)的基于UTK／STK卡定位方式和聯(lián)通建設(shè)的gpsOne V1也可歸于此類(lèi)。

　　5 定位系統(tǒng)和定位技術(shù)的選擇

　　在移動(dòng)通信系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)臺(tái)的定位，必須選擇合適的定位系統(tǒng)及合適的定位技術(shù)，一個(gè)最優(yōu)的定位系統(tǒng)應(yīng)以最低的代價(jià)（計(jì)算復(fù)雜度）得到最高的定位精度，并且有良好的可靠性和穩(wěn)健性。在選擇定位系統(tǒng)和定位技術(shù)時(shí)，通常要考慮以下因素：

　　a）定位精度：定位精度直接影響到定位服務(wù)的質(zhì)量，但實(shí)際上不同的定位服務(wù)要求的定位精度差異很大。定位服務(wù)并不一定都要求技術(shù)最好和功能最強(qiáng)，而是根據(jù)不同的定位服務(wù)選擇當(dāng)前合適的技術(shù)，以較小的成本代價(jià)獲取最大的盈利。

　　b）覆蓋能力：在城市中心、郊區(qū)和偏遠(yuǎn)地區(qū)，移動(dòng)通信系統(tǒng)中基站的覆蓋范圍是不同的，而有些定位技術(shù)需要定位網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋，以完成定位的多點(diǎn)測(cè)量。

　　c）投資成本：選擇定位方案時(shí)，最好的技術(shù)并不一定是最好的選擇。提供的定位精度越高，相應(yīng)的投資成本也越高。對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，在滿(mǎn)足定位精度要求的前提下，更愿意選擇投資小的技術(shù)方案。

　　d）是否支持現(xiàn)有的移動(dòng)臺(tái)：基于移動(dòng)臺(tái)和移動(dòng)臺(tái)輔助的定位技術(shù)通常需要對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行更換或升級(jí)。這對(duì)于用戶(hù)而言，可能會(huì)因此放棄或延遲選擇定位服務(wù)業(yè)務(wù)；而對(duì)于生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，必須及時(shí)批量生產(chǎn)出與定位技術(shù)配套的移動(dòng)臺(tái)，以滿(mǎn)足市場(chǎng)的需要，這會(huì)對(duì)業(yè)務(wù)開(kāi)展帶來(lái)一定的阻力。

　　e）現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)是否支持：基于網(wǎng)絡(luò)的定位多需要核心網(wǎng)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)滿(mǎn)足某種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議或版本，故選擇定位技術(shù)時(shí)應(yīng)首先考慮網(wǎng)絡(luò)是否支持，是否需要大量的網(wǎng)絡(luò)升級(jí)。

　　6 定位業(yè)務(wù)及技術(shù)發(fā)展展望

　　在3G的無(wú)線(xiàn)和核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中，都把定位作為網(wǎng)絡(luò)固有的屬性來(lái)提供，并增加了位置測(cè)量單元，故基于網(wǎng)絡(luò)的定位精度將大有提高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也容易得多（不再牽涉到大量的網(wǎng)絡(luò)改造），定位業(yè)務(wù)也將具有更廣的應(yīng)用范圍和更好的發(fā)展前景。

　　同時(shí)，3G對(duì)定位業(yè)務(wù)的推動(dòng)還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的快速下載支持上。在2G／2.5G的網(wǎng)絡(luò)里雖然也可以采用定位精度較高的定位技術(shù)（A-GPS、gpsOne），但由于受到網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的限制，定位業(yè)務(wù)在提供方式上也會(huì)受到局限，如在提供車(chē)輛導(dǎo)航的定位業(yè)務(wù)時(shí)，在2G／2.5G的網(wǎng)絡(luò)中可以采用高精度的定位技術(shù)對(duì)用戶(hù)駕駛的車(chē)輛進(jìn)行定位，但由于2G／2.5G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)下載速度慢，給網(wǎng)絡(luò)地圖的下載造成了一定的困難。如果有了3G網(wǎng)絡(luò)高速數(shù)據(jù)下載的支持，那么在向用戶(hù)提供導(dǎo)航信息時(shí)就可以采用實(shí)時(shí)的語(yǔ)音信息與彩色電子地圖相結(jié)合的方式來(lái)展現(xiàn)。

　　另外，衛(wèi)星定位技術(shù)也將有所發(fā)展。2002年3月26日，歐盟15國(guó)交通部長(zhǎng)會(huì)議一致決定，正式啟動(dòng)伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)計(jì)劃，這標(biāo)志著在2008年歐洲將擁有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。為了使伽利略衛(wèi)星可用于位置服務(wù)業(yè)務(wù)，我國(guó)正在和歐洲合作，修改3GPP、3GPP2、OMA等相關(guān)組織中與定位有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　總之，3G的到來(lái)和伽利略計(jì)劃的實(shí)施都將使定位技術(shù)得到發(fā)展，移動(dòng)定位業(yè)務(wù)將成為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商尋找新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)中的一大亮點(diǎn)。但同時(shí)也應(yīng)該看到，位置業(yè)務(wù)在給人們帶來(lái)許多便捷和娛樂(lè)的同時(shí)，也給人們帶來(lái)了相應(yīng)的擔(dān)憂(yōu)甚至恐懼：人們的隱私是否受到了侵犯？是否沒(méi)經(jīng)我允許而被別人定位？是否被老板監(jiān)視？而這些大都可以通過(guò)技術(shù)手段得到解決。所以在開(kāi)展位置業(yè)務(wù)的同時(shí)，應(yīng)非常妥善地考慮用戶(hù)隱私保護(hù)以及其他安全性問(wèn)題，讓客戶(hù)能夠輕松自在地享受位置業(yè)務(wù)。