基于基站的移動臺定位

西安郵電學(xué)院 董安亮



　　摘要：



　　基于gpsOne技術(shù)的移動臺定位技術(shù)已經(jīng)在C網(wǎng)實現(xiàn)，而GSM手機定位方式通常可分為基于網(wǎng)絡(luò)方式和基于終端方式兩種。這里介紹的是一種基于基站的移動臺定位技術(shù)。



　　關(guān)鍵詞：GPSgpsOne JVM J2ME 基于基站的定位



　　一、GPS系統(tǒng)簡介



　　1、GPS系統(tǒng)組成



　　GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系統(tǒng)，是美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。系統(tǒng)由三部分組成：



　　空間部分——GPS衛(wèi)星星座



　　地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)



　　用戶設(shè)備部分——GPS信號接收機



　　空間部分——GPS衛(wèi)星星座



　　由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作（21+3）GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個軌道平面之間相距60度。每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度，軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星，當(dāng)?shù)厍驅(qū)�恒星來說自轉(zhuǎn)一周時，它們繞地球運行二周。對于地面觀測者來說，每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到11顆。在使用GPS信號導(dǎo)航定位時，為了計算待測點的三維坐標(biāo)，必須觀測4顆GPS衛(wèi)星，稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。



　　地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)



　　對于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一個動態(tài)已知點。而衛(wèi)星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷（描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數(shù)）計算得到的。每顆衛(wèi)星播發(fā)的星歷由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供，衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運行，都要由地面設(shè)備進行監(jiān)測和控制。其次，地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準，即GPS時間系統(tǒng)。



　　設(shè)備部分——GPS信號接收機



　　GPS信號接收機能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出待測點的三維坐標(biāo)，甚至三維速度和時間。



　　2、GPS系統(tǒng)定位原理



　　GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。







　　如圖所示，假設(shè)t時刻在地面待測點上放置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式：







　　四個方程式中各個參數(shù)意義如下：



　　x、y、z為待測點坐標(biāo)的空間直角坐標(biāo)。



　　Vto為接收機的鐘差。



　　c為GPS信號的傳播速度，即光速。



　　di(i=1、2、3、4)為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機之間的距離。



　　△ti(i=1、2、3、4)為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到達接收機所經(jīng)歷的時間。



　　di=c△ti(i=1、2、3、4)



　　xi、yi、zi(i=1、2、3、4)為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標(biāo)，由衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得。



　　Vti(i=1、2、3、4)分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。



　　以上四個方程即可計算得到待測點的坐標(biāo)x、y、z和接收機的鐘差Vto。



　　二、手持設(shè)備中GPS應(yīng)用與發(fā)展趨勢



　　1、手持GPS專用定位系統(tǒng)



　　手持GPS定位系統(tǒng)，是專門為GPS定位設(shè)計的手持設(shè)備，滿足特殊需要的用戶在特定環(huán)境中使用。一般來說，精度較高，功能較強。不僅具備了GPS的功能，而且有向PDA方面的集成與發(fā)展。



　　2、基于gpsOne技術(shù)的GPS定位系統(tǒng)



　　聯(lián)通引入基于SnapTrack技術(shù)的gpsOne方案來解決移動臺定位問題，它利用C網(wǎng)在數(shù)據(jù)傳輸方面的優(yōu)勢，借助MSC的計算能力，使用基站輔助定位的方式，將GPS定位時的一部分計算工作從移動臺轉(zhuǎn)換到了MSC，再通過網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果（即移動臺所處的經(jīng)緯度）傳遞給用戶。聯(lián)通gpsOne和A-GPS系統(tǒng)（GPS輔助系統(tǒng)）在眾多定位技術(shù)中獨樹一幟，它將GPS衛(wèi)星信號和來自基站的范圍信息結(jié)合起來確定手機或其它設(shè)備的位置，既使在建筑物內(nèi)部和高密度的城市樓群這樣的環(huán)境中也能大顯身手。如圖所示





　　基于此技術(shù)，中國聯(lián)通國脈通信大力發(fā)展產(chǎn)業(yè)鏈的第二環(huán)節(jié)，不斷完善GIS系統(tǒng)(地理信息系統(tǒng))，并推出基于BREW（無線二進制運行時環(huán)境）的“IGoGo”gpsOne定位應(yīng)用能提供“找我自己”、“路線查詢”、“地圖指向”、“城市信息”（例如查找餐館、商場等）“公交信息”等服務(wù)。



　　三、基于基站的移動臺定位系統(tǒng)



　　GSM手機定位方式通�？梢苑譃榛�于網(wǎng)絡(luò)方式和基于終端方式兩種。從技術(shù)方面又可分為到達時間（TOA）、增強測量時間差（E－OTD）和GPS輔助（A－GPS）三種方式。而這里介紹的是另一種不同于上述方式的基于基站的移動臺定位技術(shù)。



　　1、手機工程模式



　　手機工程模式，顧名思義是指手機在工程測試狀態(tài)下的模式，它是為移動基站負責(zé)維護系統(tǒng)的工程人員或手機工程師判斷各種通訊參數(shù)而設(shè)計的。依據(jù)在工程模式中的相關(guān)數(shù)值，工程師們就無須借助大型維護和控測設(shè)備，從而較為準確地掌握基站情況。



　　通常狀態(tài)下，手機工程模式是隱藏的，對一般用戶來說是“透明”的。但是，有些手機用戶喜歡像手機工程師一樣，借助手機工程模式來研究手機基站位置、信號強弱、電池電壓等一些內(nèi)容。其實開啟工程模式不會對手機的使用有任何影響，但在工程模式中不當(dāng)?shù)牟僮鲃t會造成手機損壞。因此在工程模式開啟后，手機使用上同以前沒有什么太大區(qū)別，只是會出現(xiàn)許多以前沒有的菜單、選項而已。開啟手機工程模式的方法多種多樣，在這里就不具體介紹了。



　　下面以NOKIA手機工程模式為例，介紹幾項與本文相關(guān)的參數(shù)。



　　LAC-本地區(qū)域碼(LocationArea Code)



　　CID-基站編號（CellID）,與扇區(qū)編號(sector ID)一并列出



　　CH-頻道編號（Channel），GSM900的范圍是1-124，BC GSM1800的范圍是512～885



　　TA-時間前置量(Time Advance)，顯示手機和基站間距離。該數(shù)值乘以500可換算為米，不過因受電波反射吸收等影響，TA值僅供參考用，TA值范圍0～63



　　RxL-信號接收強度，單位：-dBm，范圍從-110～0



　　TxPwr-顯示通話中手機的功率發(fā)射強度(PowerLevel),顯示范圍0～19



　　2、基于基站的定位



　　基于基站的定位的原理：由于每個基站都有其唯一的CID，在手機每次開機入網(wǎng)時，工程模式中的信息被儲存在手機內(nèi)存的特定區(qū)域。通過基站定位，就是通過特定的程序得到工程模式中的CID等一些參數(shù)，并將CID與基站所在的地區(qū)相對應(yīng)最終實現(xiàn)移動臺定位的目的。



　　這里所說的特定的程序，是在手機上運行的JAVA程序，由于Java語言的重要特點是可以在任何操作系統(tǒng)中運行。近些年來，出現(xiàn)了許多支持JAVA的手機，使得手機成為了一臺JVM（Java虛擬機）。通過J2ME（Java2PlatformMicro Edition（Java 2 平臺微型版））程序來得到手機內(nèi)存中的CID、LAC、CH、TA、RxL以及TxPwr。得到這些數(shù)據(jù)以后，還需要一個數(shù)據(jù)庫的支持。這個數(shù)據(jù)庫是CID、LAC與具體的基站位置間的對應(yīng)，通過CID、LAC可以在這個數(shù)據(jù)庫中查處相應(yīng)的基站位置。



　　此時，基站位置就確定了，但距離實現(xiàn)移動臺的定位還有一定的差距。此時，需要使用CH、TA、RxL、TxPwr這些值作為參數(shù)。通過TA可以換算得到移動臺距離基站的距離；對于使用定向天線的基站來說，可以通過CH來確定移動臺目前所處的扇區(qū)；而RxL、TxPwr作為輔助數(shù)據(jù)，對具體位置做修訂。具體見下圖。







　　距離L=TA*500+RxL*A+TxPwr*B



　�。ㄆ渲蠥為射頻信號衰減系數(shù)；B為發(fā)射功率衰減系數(shù)）



　　這樣一來，就將移動臺定位在某一基站某一扇區(qū)，而且移動臺與基站的距離也粗略的計算出來了。由此，就可得到移動臺所處的軌跡，即圖中藍線所示。如果將上圖在城市地圖上標(biāo)明，很容易得到移動臺所處的位置。如下圖所示







　　目前，類似這樣定位思路的java程序已經(jīng)出現(xiàn)，并在手機使用中得到實際應(yīng)用。下面以Siemens6688i手機為例作簡單介紹。







　　左圖，是名為konGPS的java程序，能讀出CID和LAC（即Cell）,并將其和內(nèi)部數(shù)據(jù)進行比較如果有當(dāng)前基站信息，則顯示基站位置；右圖，是名為GPS6688的java程序，它在konGPS的基礎(chǔ)上引入了地圖，可以將基站位置在地圖的相應(yīng)像素點上標(biāo)出。雖然這兩個程序與上述思想還有稍許差距，但可以明確的看出，這種定位思路是完全可取的，而且以此定位思路的java程序的編制也并不困難。目前，由于沒有運營商的支持，類似這樣的java程序在位置數(shù)據(jù)采集上都是采用手動添加方式，沒有與CID、LAC對應(yīng)的位置數(shù)據(jù)庫的支持，但一旦數(shù)據(jù)庫建立，它們將發(fā)揮更大的作用。



　　四、幾種GPS定位形式的比較



　　從定位精度上而言，手持GPS專用定位系統(tǒng)精度最高，基于gpsOne技術(shù)的GPS定位系統(tǒng)次之，而本文介紹的基于基站的移動臺定位系統(tǒng)最差。前兩者均可得到待測點的具體經(jīng)緯度坐標(biāo)，而基于基站的移動臺定位系統(tǒng)僅能得到待測點的大體位置，與前兩者根本不在一個檔次。但考慮到目前我國GSM網(wǎng)絡(luò)基站密度較高，在成都等省會城市或廈門等沿海城市的主城區(qū)，平均每250米就有一個GSM基站；在廣州和上海等大城市的主城區(qū)，GSM基站密度甚至到達150~200米左右，所以基于基站的移動臺定位系統(tǒng)的精度在大部分城區(qū)可以達到100米至150米左右。這樣級別的精度，對部分商業(yè)定位應(yīng)用來說是足夠了。



　　目前最重要的不是定位的精度，而是GIS(地理信息系統(tǒng))的建立，這是產(chǎn)業(yè)鏈的第二環(huán)節(jié)，即移動臺附近的餐館、影院、商場等設(shè)施的信息。而且一般用戶所關(guān)心也只是定位系統(tǒng)能給自己帶來那些生活、學(xué)習(xí)、工作中的便捷，完全是處在使用者的角度來看待這一事物。所以，從性價比方面而言，基于基站的移動臺定位系統(tǒng)在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)上基本不需要增加額外的投入就可比較滿意的達到定位的效果。



　　五、結(jié)束語



　　移動臺的定位技術(shù)，在實際使用中是較為底層的技術(shù)支持。而為手機用戶與運營商看中的，是建立在移動臺定位技術(shù)上的新的服務(wù)，即產(chǎn)業(yè)鏈的形成。它不僅方便了手機用戶的使用，對運營商在市場戰(zhàn)中的表現(xiàn)也提供了強有力的支持。





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