移動定位技術(shù)

空間位置信息一般包括與移動終端有關(guān)的坐標（二維或三維），通常指移動終端所處位置的經(jīng)度、緯度和高度信息。移動定位技術(shù)就是指通過無線終端和無線通信技術(shù)的配合，確定移動用戶的實際位置信息。由于移動定位技術(shù)是位置信息服務(wù)最為基礎(chǔ)和核心的技術(shù)，因此人們經(jīng)常將移動定位與位置服務(wù)理解為同一個概念。

移動定位技術(shù)的基本原理是：移動目標通過與多個已知坐標位置的固定基站（地面或空中）進行交互，獲得相應(yīng)測量參數(shù)后，利用適當?shù)奶幚矸椒ǐ@得移動目標在空間中的位置。測量參數(shù)一般包括無線電波的傳輸時間、幅度、相位和到達角等。

移動定位技術(shù)研究可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)時期的軍事應(yīng)用，民用方面始于對自動車輛定位的研究。Stansfield于1947年提出了基于AOA測量的無源目標跟蹤（Passive Target Tracking）問題，1996年美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的E-911法令，對定位技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和手機中定位精度做出明確的規(guī)定：基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位，要求定位精度在100m以內(nèi)的概率不低于67%，在300m以內(nèi)的概率不低于95%；基于網(wǎng)絡(luò)輔助定位，要求定位精度在50m以內(nèi)的概率不低于67%，在150m以內(nèi)的概率不低于95%。

美國國家標準化協(xié)會（American National Standards Institute，ANSI）與歐洲電信標準化協(xié)會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）提交了位置服務(wù)系統(tǒng)的標準，規(guī)定采用增強觀測時間差分（E-OTD）、到達時間（TOM）和輔助GPS（A-GPS）作為對起源小區(qū)技術(shù)（COO）的補充。

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)標識號(Cell-ID)，當進入某一小區(qū)時，移動終端要在當前小區(qū)進行注冊，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中就會有相應(yīng)的小區(qū)ID標識。系統(tǒng)根據(jù)采集到的移動終端所處小區(qū)的標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)精度相對較高（其實還是很低的）且易于實現(xiàn)，無需對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和手機做較大的改動，得到廣泛的應(yīng)用。

到達時間TOA(TimeOfArrival)定位技術(shù)：移動終端發(fā)射測量信號到達3個以上的基站，通過測量到達所用的時間(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。

到達時間差TDOA(TimeDifference0fArrival)定位技術(shù)：移動終端對基站進行監(jiān)聽并測量出信號到達兩個基站的時間差，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。

增強型觀測時間差E-OTD(Enhanced-ObservedTimeDifference)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，當具有E-OTD功能的手機和LMU接收到3個以上的基站信號時，每個基站信號到達兩者的時間差將被算出來，從而估算出手機所處的位置。這項定位技術(shù)定位精度較高但硬件實現(xiàn)也復(fù)雜。

角度達到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與發(fā)送信號的移動終端之間的角度，進一步確定兩者之間的連線，這樣移動終端與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)射信號攜帶有與基站位置有關(guān)的特征信息，當移動終端接收到這些信號后，確定其與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。但其致命的缺陷是需要手機參與定位參數(shù)的測量并進行坐標位置的計算，必須對手機和網(wǎng)絡(luò)的軟硬件加以改造或升級，傾向的做法是在手機內(nèi)集成GPS接收機，加大了手機的能耗，而且從商用角度來看很難做到大面積的推廣和使用。

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DGPS和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，近幾年開始向各個領(lǐng)域滲透并得到廣泛的應(yīng)用。差分GPS技術(shù)可以提高GPS系統(tǒng)的定位精度。原理是：基準接收機對自己實施定位，得到的定位結(jié)果與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，對與基準接收處于同一區(qū)域且共用四顆衛(wèi)星進行定位的移動接收機來說，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重衰落的市區(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接收機可處于休眠狀態(tài)，所以可以降低手機的能耗。綜上所述，AGPS彌補傳統(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，對觀察對象進行實時動態(tài)地監(jiān)控，有的甚至可以進行必要的數(shù)據(jù)存儲。光定位技術(shù)也被應(yīng)用于機器人系統(tǒng)，通過固定的紅外線攝像機和很多紅外線發(fā)光二極管的一系列協(xié)同配合，達到定位的目的。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GPS接收機在室內(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)由于需要在手機內(nèi)集成GPS接收器，決定了它的應(yīng)用受限性，為此，把具有該功能的手機價格降到人們可以承受的范圍內(nèi)成了室內(nèi)GPS技術(shù)追求的目標之一。普通GPS接收機正朝著單片機的方向發(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。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)回波與發(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)答器和一個主測距器組成，主測距器放置在被測物體上，在微機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，得到主測距器與各個應(yīng)答器之間的距離。當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)。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?shù)乃{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，并保證藍牙局域網(wǎng)接入點始終是這個微微網(wǎng)(piconet)的主設(shè)備(master)，就可以獲得用戶的位置信息，實現(xiàn)利用藍牙技術(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，缺點是藍牙器件和設(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，我們可以揚長避短，加速技術(shù)突破的進程。但就其商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)來說，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)潛力尚待進一步的開發(fā)，在未來的手機業(yè)務(wù)中，位置業(yè)務(wù)服務(wù)很可能帶來巨大的商機，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)也必將深入人們的生活。(T004)

國內(nèi)手機定位典型方案

[CPP移動定位平臺] CPP移動定位平臺包含人員定位[以手機為終端]，車輛定位[車載GPS為終端]，在一個平臺里面可以實現(xiàn)對人、車同時進行位置跟蹤和服務(wù)，該平臺用與企事業(yè)單位對外出人員、車輛進行以定位為核心的信息化管理綜合性平臺，同時該平臺針對居家養(yǎng)老服務(wù)行業(yè)推出了居家養(yǎng)老CPP服務(wù)平臺。

在移動通信系統(tǒng)中要實現(xiàn)對移動終端的定位，必須選擇合適的定位系統(tǒng)及合適的定位技術(shù)。一個最優(yōu)的定位系統(tǒng)應(yīng)以最低的代價（計算復(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，通常要考慮以下幾個因素。

（1）定位精度：定位精度直接影響到定位服務(wù)的質(zhì)量，是定位技術(shù)性能最重要的體現(xiàn)，對精度的要求很大程度上決定了定位技術(shù)的選擇。但實際上，不同的定位服務(wù)要求的定位精度差異很大。例如，基于位置的計費或信息服務(wù)等業(yè)務(wù)只需要達到小區(qū)級別的精度就可以了，但對于緊急業(yè)務(wù)和車輛導(dǎo)航等，則需要較高的精度。定位服務(wù)并不一定都要求技術(shù)最好和功能最強，而是要根據(jù)不同的定位服務(wù)選擇當前合適的技術(shù)，以較小的成本代價獲取最大的盈利。

（2）覆蓋能力：覆蓋能力是定位技術(shù)性能的另一個重要體現(xiàn)。有些定位技術(shù)需要定位網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋，以完成定位的多點測量。在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，隨著業(yè)務(wù)量的不同，城市、郊區(qū)和偏遠地區(qū)基站的密集程度有著相當大的差異。在一些城市中心，基站之間距離只有一二百米，而偏遠地區(qū)則可能達到幾十公里甚至上百公里。對于網(wǎng)絡(luò)多點測量技術(shù)就很難保證其定位網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋。

（3）投資成本：選擇定位方案時，最好的技術(shù)并不一定是最好的選擇。一般來說，精度高的定位技術(shù)需要更高的軟硬件配置，從而增加了運營成本。提供的定位精度越高，相應(yīng)的投資成本也越高。對于運營商來說，在滿足定位精度要求的前提下，一般愿意選擇投資小的技術(shù)方案。

（4）是否支持現(xiàn)有基站：基于基站和網(wǎng)絡(luò)輔助的定位技術(shù)通常需要對現(xiàn)有基站進行更換或升級。這對于用戶而言，可能會因此放棄或延遲選擇定位服務(wù)業(yè)務(wù)。而對于生產(chǎn)商來說，必須及時批量生產(chǎn)出與定位技術(shù)配套的基站，以滿足市場的需要。這會對業(yè)務(wù)開展帶來一定的阻力。

（5）現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)是否支持：基于網(wǎng)絡(luò)的定位，大多需要網(wǎng)絡(luò)滿足某種標準協(xié)議或版本，故選擇定位技術(shù)時應(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。

美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)于1996年下達指示要求移動運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，很多國家開始致力于研究商用定位技術(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。

移動定位技術(shù)按照提供服務(wù)的方式可以分為兩種：自有移動手機定位系統(tǒng)與公用移動定位服務(wù)。自有的定位系統(tǒng)是為某個企業(yè)和政府部門自己使用的定位系統(tǒng)。公用移動定位服務(wù)一般由移動運營商來提供。

隨著用戶需求的增加，移動定位技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，推動了對移動定位技術(shù)的研究及測距技術(shù)的發(fā)展。如何盡可能地利用現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)資源，低成本地實現(xiàn)對用戶的精確定位一直是研究的焦點。

實現(xiàn)移動定位主要有兩大類解決方案，第一類是由移動站(MS)主導(dǎo)的定位技術(shù)。單從技術(shù)角度講，這種技術(shù)更容易提供比較精確的用戶定位信息，它可以利用現(xiàn)有的一些定位系統(tǒng)，例如，在移動站中集成GPS接收機，從而利用現(xiàn)成的GPS信號實現(xiàn)對用戶的精確定位。但這類技術(shù)需要在移動站上增加新的硬件，這將對移動站的尺寸和成本帶來不利的影響。

第二類是由基站(BS)主導(dǎo)的定位技術(shù)，這種解決方案需要對現(xiàn)存的基站、交換中心作出某種程度的改進，但它可以兼容現(xiàn)有的終端設(shè)備。其可選用的具體實現(xiàn)技術(shù)主要包括：測量信號方向(信號的到達角度，簡稱AOA)的定位技術(shù)、測量信號功率的定位技術(shù)、測量信號傳播時間特性(到達時間，簡稱TOA；到達時間差，簡稱TDOA)的定位技術(shù)。為了提高定位的精度，也可以采用利用采用上面數(shù)種技術(shù)的組合。