位置服务定位.doc

1、位置服务定位位置服务已经成为越来越热的一门技术，也将成为以后所有移动设备（智能手机、掌上电脑等）的标配。随着人们对 BLS(Based Location Serices，基于位置的服务)需求的飞速增长，无线定位技术也越来越得到重视。GSM 蜂窝基站定位，以其定位速度快、成本低（不需要移动终端上添加额外的硬件） 、耗电少、室内可用等优势，作为一种轻量级的定位方法，也越来越常用。本文简单介绍一下各种基于 GSM 蜂窝基站的定位方法及基本原理，给开发人员作为参考。我将尽量尝试用开发人员熟悉的方式来描述问题。预备知识：GSM 蜂窝网络基础结构我们知道， GSM 网络的基础结构是由一系列的蜂窝基站构成的

2、，这些蜂窝基站把整个通信区域划分成如图所示的一个个蜂窝小区（当然实际上，一个基站往往不并不只是对应一个小区，但是这个与我们讨论的主题关系不大，我们不做深究） 。这些小区小则几十米，大则几千米。如下图所示，我们用移动设备在GSM 网络中通信，实际上就是通过某一个蜂窝基站接入 GSM 网络，然后通过 GSM 网络进行数据（语音数据、文本数据、多媒体数据等）传输的。也就是说我们在 GSM 中通信时，总是需要和某一个蜂窝基站连接的，或者说是处于某一个蜂窝小区中的。那么 GSM定位，就是借助这些蜂窝基站进行定位。1. COO（Cell of Origin）定位 COO 定位是一种单基站定位，即根据设备当

3、前连接的蜂窝基站的位置来确定设备的位置。那么很显然，定位的精度就取决于蜂窝小区的半径。在基站密集的城市中心地区，通常会采用多层小区，小区划分的很小，这时定位精度可以达到50M 以内；而在其他地区，可能基站分布相对分散，小区半径较大，可能达到几千米，也就意味着定位精度只能粗略到几千米。目前 Google 地图移动版中，通过蜂窝基站确定“我的位置” ，基本上用的就是这种方法。从原理上我们可以看出，COO 定位其精度是不太确定的。但是这却是 GSM 网络中的移动设备最快捷、最方便的定位方法，因为 GSM 网络端以及设备端都不需要任何的额外硬件投入。只要运营商支持，GSM 网络中的设备都可以以编程方式

4、获取到当前基站的一个唯一代码，我们可以称之为基站 ID，或 CellID。在一般的设备中，可能都存在一个类似如下的GetCurrentCellID()方法的接口来提供当前 GSM 蜂窝基站 ID：CellID = GetCurrentCellID();通过这个接口获取到 CellID 后，我们还需要根据这个 CellID 查出该蜂窝基站所在的具体地理坐标。这时，我们可能就需要调用一些包含CellID，地理坐标对应关系的外部数据以确定相应的地理坐标。这个外部数据，通常可以由一些第三方 Web 服务来提供。这些 Web服务的接口可能类似于如下形式：Position=GetPosition(Cell

5、ID);当然，再次说明，上面的 GetCurrentCellID 方法、GetPosition 方法都是我虚构的，只是为了说明逻辑关系，并不一定实际存在。2.七号信令定位该技术以信令监测为基础，能够对移动通信网中特定的信令过程，如漫游、切换以及与电路相关的信令过程进行过滤和分析，并将监测结果提供给业务中心，以实现对特定用户的个性化服务。该项技术通过对信令进行实时监测，可定位到一个小区，也可定位到地区。故适用对定位精确度要求不高的业务，如漫游用户问候服务，远程设计服务、平安报信和货物跟踪等。目前，国内各省和地区移动公司的短信欢迎系统采用的就是此种技术。3.TOA/TDOA 定位 TOA(Time

6、 of Arrival，到达时间)、TDOA(Time Difference of Arrival,到达时间差)都是基于电波传播时间的定位方法 。同时也都是三基站定位方法，二者的定位都需要同时有三个位置已知的基站合作才能进行。如上图所示,TOA/DTOA 定位方法都是通过三对Positioni,Ti（i=1,2,3）来确定设备的位置Location。二者的不同只是 GetLocation（）函数的具体算法上的不同。TOA 电波到达时间定位基本原理是得到 Ti(i=1,2,3)后，由 Ti*c 得到设备到基站 i 之间的距离 Ri，然后根据几何只是建立方程组并求解，从而求得 Location 值

7、。如下图所示。由于图中距离的计算完全依赖于时间，因此 TOA 算法对系统的时间同步要求很高，任何很小的时间误差都会被放大很多倍，同时由于多径效应的影响又会带来很大的误差，因而单纯的 TOA 在实际中应用很少。DTOA 电波到达时间差定位是对 TOA 定位的改进，与 TOA 的不同之处在于，得到 Ti 后不是立即用 Ti 去求距离 Ri，而是先对 T1,T2,T3两两求差，然后通过一些巧妙的数学算法建立方程组并求解，从而得到 Location 值。如下图所示。DTOA 由于其中巧妙设计的求差过程会抵消其中很大一部分的时间误差和多径效应带来的误差，因而可以大大提高定位的精确度。由于 DTOA 对网

8、络要求相对较低，并且精度较高，因而目前已经成为研究的热点。4.AOA 定位 AOA(Angle of Arrival，到达角度)定位是一种两基站定位方法，基于信号的入射角度进行定位。如上图所示，知道了基站1到设备之间连线与基准方向的夹角 1，就可以画出一条射线L1；同样知道了知道了基站2到设备之间连线与基准方向的夹角 2，就可以画出一条射线L2。那么 L1月 L2的交点就是设备的位置。这就是 AOA 定位的基本数学原理。用函数调用表达如下。Location=GetLocation(Pisition1,1,Position2,2);AOA 定位通过两直线相交确定位置，不可能有多个交点，避免了定位

9、的模糊性。但是为了测量电磁波的入射角度，接收机必须配备方向性强的天线阵列。5.基于场强的定位该方法是通过测出接收到的信号场强和已知的信道衰落模型及发射信号的场强值估计收发信短的距离，根据多个三个距离值就可以得到设备的位置。从数学模型上看，和 TOA 算法类似，只是获取距离的方式不同。场强算法虽然简单，但是由于多径效应的影响，定位精度较差。6.混合定位混合定位就是同时使用两种以上的定位方法来进行定位。通过各种定位方法之间结合使用，互补短长，以达到更高的定位精度。A-GPS 定位（辅助 GPS 定位）就是一种混合定位，是 GPS 定位技术与 GSM 网络的结合。A-GPS 具有很高的定位精度，目前正被越来越广泛的使用。