基于Android系统的基站定位实现毕业论文

中国计量学院 本科毕业设计(论文)

基于Android系统的基站定位实现 The Implementation of Location through Base Station Based on Android

Platform

学生姓名 章 骏 学号 0900304106

学生专业 通 信 工 程 班级 09通信1

二级学院 信息工程学院 指导教师 楼喜中 副教授

中国计量学院

2013 年 5月

郑 重 声 明

本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。

学生签名： 日期：

分类号： TN929 密 级：公开 UDC： 654 学校代码： 10356

中国计量学院 本科毕业设计(论文)

基于Android系统的基站定位实现 The Implementation of Location through Base Station Based on Android

Platform

作 者 章 骏 学 号 0900304106 申请学位 工学学士 指导教师 楼喜中 副教授 学科专业 通信工程 培养单位 中国计量学院 答辩委员会主席 李 君 评 阅 人 金 小 萍

2013 年 5 月

致 谢

本文是在楼喜中老师的悉心指导下完成的。楼老师严肃的科学态度，严谨的治学精神，丰富的实践经验使我终生受益。从毕业设计选题，撰写文献综述和开题报告一直到最后的设计成果调试与验收，楼老师在各个方面都给我提出了很多宝贵的意见和建议。在毕业设计的完成过程中，我遇到了不少技术难题以及实际困难，楼老师每次都给予了耐心的指导。至此毕业论文完成之际,谨向楼喜中老师表达我最崇高的敬意和深深的谢意。

感谢各位同学陪伴我渡过大学生活与我共同学习，互相帮助。感谢中国计量学院信息工程学院的各位老师四年来在学习、工作和生活方面给予我的帮助与支持！

最后感谢在百忙之中抽出时间来审阅我的论文的各位老师。

基于Android系统的基站定位实现

摘要：互联网和移动通信是现如今IT业界增长最迅速的两种业务，在移动通信的过程中接入互联网的诉求也就理所当然促成了它们的融合。移动互联网已经渗透到人们日常生活的各个角落。随着苹果公司和Android系统的快速兴起，手机、平板电脑等移动智能终端的普及，人们对新的服务市场的需求也日趋显现，这也使得LBS成为一个最具潜力的移动互联网服务。

LBS (Location Based Service)，即基于位置的服务，是通过卫星或者无线网络来获取终端用户的经纬度信息，然后在电子地图的支持下，提供相应位置服务

[1]

的一种增值业务。本文主要讨论了在Android系统下，通过获取多个（GSM网络）基站信息，通过算法计算出当前手机的位置，并结合百度地图，将信息进行反馈。它可以作为LBS应用的一个部分。

关键字: 基站定位；Android；LBS；GSM 中图分类号：TN929.

I

The Implementation of Location through Base Station Based on

Android Platform

Abstract: Mobile Communication and Internet are two businesses which are developing the most rapidly in IT industry, the demand for mobile communications access to the Internet justly contribute to the integration of both. The mobile Internet has penetrated into every corner of people's daily lives. With the popularity of the rapid rise of Apple and Android , mobile phones, tablet PCs and other smart terminals , the demand for new services market is becoming increasingly apparent , which also makes the LBS to become one of the most potential of mobile Internet services . LBS (Location Based Service) is a kind of value-added businesses with location-based service, which gets user’s latitude and longitude information through satellite or wireless network, and then offers a corresponding position service with the support of the electronic map. This paper discusses the problem that how to acquire multiple (GSM network) base station information through the algorithm to calculate the current location of the phone, and to feedback the information combined with Baidu map on the Android platform. It can be used as a part of a LBS application.

Key Words: Base station location; Android; LBS; GSM Classification: TN929.

II

目 次

摘要 .......................................................................................................................................... Ⅰ 目次 .......................................................................................................................................... Ⅲ 1 绪论 ....................................................................................................................................... 1 1.1 选题背景 ........................................................................................................................ 1 1.2 研究内容及论文结构 .................................................................................................... 2 2 技术背景 ............................................................................................................................... 3 2.1 Android系统概述 ........................................................................................................... 3 2.2 手机定位技术概述 ........................................................................................................ 4 2.2.1 基于硬件设备的定位方式 ..................................................................................... 4 2.2.2 基于移动网络的定位方式 ..................................................................................... 4 2.2.3 联合定位方式 ......................................................................................................... 6 2.3 定位技术分析比较 ........................................................................................................ 6 2.3.1 卫星定位 ................................................................................................................. 6 2.3.2 蜂窝小区定位 ......................................................................................................... 7 2.3.3 信号到达角度定位 ................................................................................................. 7 2.3.4 基于到达时间定位 ................................................................................................. 7 2.3.5 增强观测时间差分定位 ......................................................................................... 7 2.3.6 Wi-Fi定位 ................................................................................................................. 7 2.3.7 A-GPS定位 ............................................................................................................... 7 2.3.8 对比小结 ................................................................................................................. 8 3 关键技术 ............................................................................................................................... 9 3.1 经典的定位算法 ............................................................................................................ 9 3.1.1节点定位算法 .......................................................................................................... 9 3.1.2 基于测距、非测距定位算法 ............................................................................... 12 3.2 经典的信号衰减模型 .................................................................................................. 13 3.3手机端和服务器端之间的数据交互 ........................................................................... 14 4 系统方案设计 ..................................................................................................................... 15 4.1 第一个Activity设计思路 ............................................................................................ 15

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4.2 第二个Activity设计思路 ............................................................................................ 15 5 详细设计及实现 ................................................................................................................. 17 5.1 基站信息采集模块 ...................................................................................................... 17 5.2 Wi-Fi信息采集模块 ...................................................................................................... 19 5.3 信息传递模块 .............................................................................................................. 20 5.4 经纬度获取模块 .......................................................................................................... 20 5.5 定位计算模块 .............................................................................................................. 22 5.6 定位辅助模块 .............................................................................................................. 24 5.7 地图标注模块 .............................................................................................................. 25 6总结与展望 .......................................................................................................................... 29 6.1总结 ............................................................................................................................... 29 6.2展望 ............................................................................................................................... 29 参考文献 ................................................................................................................................. 30 附录 A .......................................................................................................................... 32 附录 B .......................................................................................................................... 34 作者简介 .................................................................................................................................. 38 学位论文数据集 ...................................................................................................................... 39

IV

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1 绪论

1.1 选题背景

手机基站定位技术是一种不需要GPS支持的无线定位技术。手机用户位置信息由于其随着用户在物理空间中变动，活动范围广和具有不可测性，所以手机精确定位历来是一个难题。但是随着监管压力的不断加大和新技术不断集成到轻便的移动设备和终端，位置定位服务很快成为了一个重要焦点。美国联邦通信委员会在E-911实施的最后阶段，要求在2001年10月1日以前，所有无线运营商必须提供半径在一百二十五米，定位精确度概率不少于百分之六十七的手机经纬度定位服务，用于在紧急情况之下获取拨打移动电话用户的位置信息。[2]随后，许多国家的都推出了符合自己要求的位置服务。例如。欧盟通过了E-112法案，希望能以运营商为主导提供高精确度位置服务 [3]。

随着通信业的快速发展，仅仅将手机定位技术运用于紧急呼叫情况下，已经不能满足社会需求。美国提出了手机定位的概念，而韩国则对其进行了业务创新。在2002年2月，韩国电信运营商KTF成为世界首个通过其移动通信网络向其终端用户提供定位业务的公司，同时将LBS带入人们眼前。随后，韩国第一大电信运营商SK电讯又在2004年7月，向用户提供用于保护儿童安全的手机定位业务——i-kids。韩国运营商对定位业务的创新，间接催生了整个LBS市场 [4]。LBS (Location Based Service)，即基于位置的服务，是通过卫星（GPS）或者电信运营商无线网络（GSM、CDMA）来获取终端用户的经纬度信息，然后在电子地图的支持下，提供相应位置服务的一种增值业务 [1]。 LBS可以描述为三种技术的交集。

图 3.4 LBS-三种技术的交集 [5]

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最近这几年，国内LBS市场发展如火如荼，加上苹果智能手机和安卓智能手机在国内市场份额越来越大，人们也渐渐开始接触LBS应用程序，比如街旁、嘀咕、蘑菇团、陌陌等。一些传统互联网巨头也在纷纷涉足移动互联网这一领域，催生了不少比较成功的应用程序，像腾讯微信，谷歌纵横等。除此之外，一些社交网站也加入了自己的LBS元素，例如新浪微博，人人网都推出了显示自己位置的功能，用户可以通过此功能找到自己感兴趣的在自己周围的新朋友。 [5][6][7]。随着3G网络的不断发展以及即将上马的4G网络，国内的LBS服务肯定会越来越好。相信LBS在中国将会在二三年内迎来一个爆发期。

1.2 研究内容及论文结构

本文以手机基站定位为基础，从市场需求出发，结合标准的平台开发框架和技术应用，完成了基于Android系统的基站定位的实现，其主要内容组织如下： 第1章——绪论，也就是当前章，主要介绍了选择该课题的背景和本文的一个总体的架构，同时介绍了本文主要的研究内容。

第2章——技术背景，主要陈述了Android系统的概况，重点介绍了目前手机定位的一些方式，有基于硬件设备的定位方式、基于移动网络的定位方式、联合定位方式等并对其优缺点进行了分析比对。

第3章——关键技术，该章节叙述了本项目用到的一些核心技术，包括定位技术和信号衰减模型，手机与服务器的数据交互等等。

第4章——功能实现，主要介绍了实现本项目的七个程序组成模块，并且分模块进行了详细的讲解其实施步骤，给出了相应的效果图和关键部分的程序。 第5章——总结与展望，该章节主要对本项目以及本文做了一个总结，并结合当前大环境从技术方面和市场应用方面进行了一些展望。

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2 技术背景

2.1 Android系统概述

Android（中文俗称安卓）是一个以Linux为基础的半开源操作系统，由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成 [8]，主要用于移动设备，由Google成立的Open Handset Alliance（OHA，开放手持设备联盟）持续领导与开发中。

Android系统的创始人是安迪·鲁宾（Andy Rubin），其开发目的是一款用在手机上的OS，在2005年8月被美国互联网企业Google收购。2007年11月5日，Google与84家硬件制造商、软件开发商及电信营运商成立了开放手持设备联盟来共同研发改良Android系统，接下来，Google通过Apache免费开源许可证的授权方式，公布了Android源代码。允许生产商生产运行Android系统的智能手机，Android系统此后又被运用到了平板电脑和其他终端上。

Android系统体系架构可分为四层，从高到低分别是应用层、应用框架层、系统运行库层和Linux内核层 [9][10]。如图2.1

图 2.1 Android系统架构图

一个Android应用程序由以下四个组件构成：

（1）Activity：Activity是用户和应用程序交互的窗口，一个Activity是一个应用程序组件，提供一个屏幕，用户可以用来交互为了完成某项任务，例如拨号、拍

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照、发送email、看地图。每一个activity被给予一个窗口，在上面可以绘制用户接口。

（2）Service：Service是一段在后台可以运行很长时间的代码，它的作用相当于后台的一个系统级应用。除了可以在自己的进程中运行，还可以根据需求在其他程序中运行。

（3）Broadcast Receiver：Broadcast是一种广泛运用的在应用程序之间传输信息的机制。而Broadcast Receiver是对发送出来的 Broadcast进行过滤接受并响应的一类组件。

（4）Content Provider：Content Provider即内容提供者，可通过它来共享自己的数据给外部调用，给第三方应用提供数据访问的接口。Content Provider 的作用相当于一个内容提供商，其他程序需要数据时就向它索要。Content Provider负责组织应用程序的数据和向其他应用程序提供数据 [11][12]。

这四大组件通过intent来相互传递消息，比如Activity间的相互跳转，发送广播的内容也是由intent携带的 [13]。示意图如图2.2：

图 2.1 Android四大组件

2.2 手机定位技术概述

手机定位技术主要指利用定位技术获取手机终端所处位置信息（通常指的就是经纬度坐标）。从定位的类型来分，可以分为以下几种定位方式。 2.2.1 基于硬件设备的定位方式

卫星定位是指通过卫星系统来获取未知定位点的位置信息，当前比较成熟的卫星定位系统有全球定位系统（Global Positioning System 来自美国）、伽利略定

位系统（Galileo Positioning System 来自欧盟）、格洛纳斯（GLONASS来自俄罗

斯）和北斗卫星导航系统（Compass 由中国自主研制）等 [14]。拿GPS定位来举例，GPS定位是通过手机终端的GPS模块接收GPS数据进行定位 [15]。其余各种卫星定位原理与GPS定位原理相似。 2.2.2 基于移动网络的定位方式 （1）蜂窝小区定位

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蜂窝小区技术(Cell of Origin, COO)，即Cell-ID（蜂窝编号）定位技术，起源于美国E-911,它是无线定位技术发展的第一阶段，也是这个业务平台采取的第一个定位方式。一个基站收发台（BTS）包含一组蜂窝，蜂窝小区示意图如图2.3。每个蜂窝都有自己唯一的编号，就是Cell-ID（比如图中的C1、C2、C3）。一个移动站先后选择一个蜂窝，数据传输和信令传递由基站收发台来完成。

蜂窝被分成簇，每个簇有一个位置识别码（LAI）。为了避免过多的信令业务，只要移动台处于空闲模式，网络就得到了当前位置识别码。只有在移动台切换到专用模式下，即通道被用于实际呼叫时，网络才会得到Cell-ID。与此相反的是移动台一直都能获得Cell-ID [16]。这种技术确定用户位置的方法是通过收集移动台所处的服务小区Cell-ID信息来定位。Cell-ID 即 GCI 是全球小区识别码，每个基站有一个唯一的小区识别码。GCI由位置区识别码（LAI）和小区识别码（CI）构成，即：CI = LAI + CI = MCC + LAC + CI [2]。基于Cell-ID（蜂窝编号）的定位技术，根据小区基站的覆盖范围（半径），来确认手机的大致位置，所以，定位该方式的定位精度与小区基站的分布密度密切相关。市区精度范围大致在150米左右，郊区精度范围大致在1000米~2000米左右 [17]。蜂窝小区示意图如图2.3

图 2.2 蜂窝小区示意图

（2）信号到达角度定位

信号到达角度(AOA)定位技术:信号到达角度定位方法(AOA)是通过采集基站上天线接收的信号入射角度进行定位。采用这种方法进行定位，需要采集至少AOA的值，将方位角延长，其相交的地方就是需要定位的位置 [14]。这是最常见的使用阵列天线元件定位方式。 （3）基于到达时间定位

基于到达时间的定位技术：这种定位技术是测量电磁波从移动单元到基站的时间或时间差来计算未知定位点坐标的方法。TOA方法可以测量的传播时间，计算移动站和基站之间的距离。两维坐标系，如果所收集的是三个基站信息，把基站当做三个圆的中心，以所计算的距离为每个移动站的圆半径，相交的位置为所需

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的位置。TDOA方法中，则是以双曲线的方式求解。这一算法的最大优点是采用时间差减弱了时间同步的影响。但是双曲线方程组的求解过程很麻烦，我们需要采集至少三个的基站信息来使定位结果更加精确。 [14] （4）增强观测时间差分定位

增强观测时间差分（Enhanced Observed Time Different, E-OTD）是从测量时间差（Observed Time Different）发展而来的，OTD 是测量所需的时间量，E-OTD 是测量的方式。手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。对于同步网，手机要测量多个基站信号的相对到达时间；对于非同步网，要一个位置确定的负载和测量单元来接收信号。得到了手机和基站之间的信号传输时间，可以以此算出手机和基站之间的实际距离，最后用得到的距离用公式计算，得到手机的确切位置。

[2]

Wi-Fi（wireless fidelity）其本身不具备定位能力。手机通过连接Wi-Fi网络，

（5）Wi-Fi定位

此时可以获得连接的无线热点的MAC地址，通过网络查询相关数据商提供的数据，可以获得与此MAC地址相对应的经纬度，从而确定手机所处的位置。 2.2.3 联合定位方式 （1）A-GPS定位

A-GPS（Assisted GPS）是一种比较流行的，通过增强GPS性能来定位的一种定位技术，尤其在有移动电话网络覆盖的地方增强效果更为明显。一个A-GPS系统包括天线、RF单元和数据处理器等设备。在A-GPS系统中，蜂窝电话网络可以提供有用的信息来辅助GPS接收器更快地计算出精确的位置。在计算设备位置时，A-GPS会使用来自多个源的信息。

A-GPS通过减少信号搜索的空间来减少获取信号的时间。这些方法之一是将从基站转播得到的星历数据直接给手机，代替让手机从速度很慢的卫星链路直接下载星历数据。此外，实际上这个星历数据可以提前几个小时进行预测，不必使基站等待来自卫星的转播数据。接收器利用卫星位置信息，不会受到大气干扰，也不会当试图第一次修正GPS信号搜索频率时受到多普勒效应干扰。所以只要检查少数的频率偏移和其可能的代码延迟。GPS的定位准确性在一系列设备上已经积累了一定有据可查的资料，而A-GPS没有同等的资料。在一般情况下，A-GPS和GPS一样一些常规方面因素将会影响其精确性，比如卫星的几何形状，接收机噪声等。

2.3 定位技术分析比较

2.3.1 卫星定位

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（1）优点：定位精度高；无需移动网络支持，适用范围广泛。

（2）缺点：定位速度慢、终端耗电；对卫星依赖强（至少捕捉到三颗卫星才行）；盲区多，特别是室内 2.3.2 蜂窝小区定位

（1）优点：兼容性广；成本投资小，在GSM网络基础上，不用增加很多其他设备。具有较高的性价比；支持漫游，各种接口标准统一 [2]

（2）缺点：定位精度受小区半径的影响较大，城市地区由于小区半径相对来说小，所以精度高，但是适用在偏远地区时，发现定位误差很大，不能满足高要求的定位需要 [14]。 2.3.3 信号到达角度定位

（1）优点：100％兼容现有手机；基站无需作大量修改，不需要增加大量设备 （2）缺点：受多径效应干扰较大；当手机与基站距离较近时误差很大； 2.3.4 基于到达时间定位

（1）优点：兼容性广；支持漫游，各种接口标准统一；定位精度可采用单独优化方式。采用提高负载和测量单元性能，以提升定位精度。

（2）缺点：投资成本高。在GSM网络基础上要建大量负载和测量单元。同时要实现同步还需改造GSM网络；业务量大时，网络负担增加。用户有较多定位使用要求的时候，手机终端需经常性执行相关命令，同时将占用大量GSM网的信令资源 [2]。

2.3.5 增强观测时间差分定位

（1）优点：需要负载和测量单元数量很少，减少了网络相关设备投资；手机终端用户不用额外支付费用。适用性广，手机终端不用增加硬件模块，只要进行更新软件即可。

（2）缺点：部分手机不支持E-OTD 定位方法，软件必须进行更新；精度低。距离因素和环路往返时延会影响定位。同时，定位精度还会受多径效影响。[2] 2.3.6 Wi-Fi定位

（1）优点：定位快速；支持室内定位，符合城市的应用环境；

（2）缺点：由于工作在2.4GHz的公共频段上，信号传播过程中收到其他使用该频段设备干扰；国内各大城市Wi-Fi热点数量层次不齐。 2.3.7 A-GPS定位

（1）优点：基站设备改动少。不用在GSM 的基站设施基础上增加其它设备，不用建立LMU。设备投资少，运营商易于接受；定位精度高。因为借助 GPS 系

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统定位，所以精度较高，从理论上计算可以有5～10m的精度。

（2）缺点：兼容性缺点。有些手机支持 A-GPS 定位方式，需要更换终端；终端成本因素。手机终端中增加GPS定位功能，就一定增加定位模块，从而使手机终端功率、体积及成本都有所提升；安全因素。因为GPS定位系统操作权归属美国，有国家安全方面的风险。 2.3.8 对比小结

经过以上的比较我们在实践项目时选择基于 Cell-ID 的定位方法，该方法操作起来简单易实现，同时无需改造现有GSM网络和基站，基本属于无成本就可实现。尽管采用基于 Cell-ID 的定位方法定位性能不佳，但考虑到目前的定位需求主要集中在蜂窝密集的中大型城市，运用这种定位方式可以适应大多数的定位精度和定位需求。[2]

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3 关键技术

3.1 经典的定位算法

用得比较多的定位算法大致可分为三种：基于节点的定位算法、基于测距的算法、基于非测距的算法。首先介绍一下三种节点定位算法，由于已经选定采用基于 Cell-ID 的移动定位方式，而基于测距的算法、基于非测距的算法中大部分算法在第二章中已有介绍，本章只做简略介绍，不作赘述。[18][19] 3.1.1节点定位算法 （1）三边测量定位 [20]

如图3.1所示， 已知A、B、C的坐标分别用(xa,yb)、(xb,yb)、(xc,yc)来表示，

da、db、dc分别表示他们与待定点D的距离。如果我们用(x,y)表示待定点D的坐标，则存在以下的公式：

?(x?x)2?(y?y)2?daaa?? ?(x?xb)2?(y?yb)2?db………………………………（.3-1）

?(x?xc)2?(y?yc)2?dc??待定点D的坐标可以通过（3-1）式计算出来，具体表示过程如下。

?x??2(xa?xc)2(ya?yc)??y???2(x?x)2(y?y)????bcbc??1222?xa??xc2?ya?yc2?dc2?da（3-2） ?2?…………………..22222??xb?xc?yb?yc?dc?db??三边测量法的原理图，如图3.1所示。

图 3.1三边测量法原理图

（2）三角测量法 [21]

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假设A、B、C的位置坐标分别为(xa,yb)、(xb,yb)、(xc,yc)，待定点D的坐标用(x,y)来表示。我们分别用?ADB、?ADC、?BDC来表示待定点D相对于A、B、C的角度。

对于弧线AC在ABC内的情况，我们根据A、C和角?ADC可以确定一个圆。设圆心为O1(xO1,yO1)，半径为r1,那么???AOC?(2??2?ADC)，且存在以下公1式：

?(x?x)2?(y?y)2?rO1aO1a1??22 ……………………….（3-3） ?(xO1?xb)?(yO1?yb)?r1?2222(x?x)?(y?y)?2r?2rcos?acac11??圆心O1的坐标和半径r1可由式（3-3）计算出来。根据A，B，?ADB以及B，C，

?BDC，我们可依次计算出圆心O2(xO2,yO2)、半径r2和圆心O3(xO3,yO3)、半径r3。

最后，由点D(x,y)，O1(xO1,yO1)，O2(xO2,yO2)，O3(xO3,yO3)通过三边测量法可以确定点D的坐标，如图3.2所示。

图 3.2三角测量法原理图

（3）极大似然估计定位 [22]

极大似然估计定位法跟三边测量定位法的原理有些类似，其定位方式主要通过三个以上已知点的坐标，来计算未知定位点的坐标。假设n个点的位置坐标分别为(x1,y1)，(x2,y2)，(x3,y3)，

，(xn,yn) ，待定点D的坐标为(x,y)。待定

，dn来表示。运用二维空间距离

点D和这n个点的距离分别用d1，d2，d3，

计算公式，就能得到一个非线性方程组，把这个方程组线性化再使用最小二乘方法来求解，最终可以得到未知定位点的坐标。

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则存在以下公式：

?(x1?x)2?(y1?y)2?d12?………………………….（3-4） ??(x?x)2?(y?y)2?d2nn?n对于公式（3-4），我们从第一个方程开始依次用各个方程与最后一个方程做差，可以得到下面的公式。

222?x12?xn?2(x1?xn)x?y12?yn?2(y1?yn)y?d12?dn? ，….（3-5） ??x2?x2?2(x?x)x?y2?y2?2(y?y)y?d2?d2n?1nn?1nn?1nn?1n?n?1n由公式（3-5）整理得（3-6）

22222?x12?x?y?y?d?d[?2(x1x?n)x2?(y]?0n1nn11y?n)y? ?，……（3-6）

?x2?x2?y2?y2?d2?d2[??(y?1ny?)ny]?0nn?1nn?1n2(x?x1n?)xn2?n?1设残差方程为：

222222?v1?xx?y[2?(x1x??(yy1?n1?ny?nd?1dn)x21y?n)]? ?，……（3-7）

?v?x222222?x?y?y?d?d?(x?x?(y?1ny?)]yn?1n?1nn?1nn?1n[21n?)xn2n?对式（3-7）进行线性参数的最小二乘处理，令：

??L????222x12?xn?y12?yn?dn?d12222222xn?x?y?y?d?d?1nn?1nnn?1??……………………..（3-8） ?，???v1??v?2 V???，……………………………………………（3-9）

?????vn?1?2(y1?yn)??2(x1?xn)?， A??（3-10） ??……………………..

??2(xn?1?xn)2(yn?1?yn)?????x?…………………………………………….（3-11） X?y????X则残差方程的矩阵表达式为： V?L?A…………………………………（.3-12）

VVT?最小最小二乘原理的矩阵形式： …………….（3-13） T??(L?AX)L(?AX?)最小11

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正规方程的矩阵形式： ATV?0………………………………………….（3-14）

T???0………………………….AV?L?AX将代入V?0中，得ATL?ATAX（3-15）

??ATL.…………………………… （3-16） ATAX

??(ATA)?1ATL…………………………. （3-17） X ??(ATA)?1ATL。极大似然由式（3-18）可以最终确定待定点D的位置坐标为X估计法（MLE，maximum likelihood estimation）的原理图如图3.3所示。极大似然估计法误差分析如图3.4所示 [23]。

图 3.3 极大似然估计法原理图

图 3.3 极大似然估计法误差分析

3.1.2 基于测距、非测距定位算法

基于测距的定位，主要指的是获得两个点之间的实际距离或角度等信息，进而使用一些基本的定位计算方法来计算待测点的位置坐标。主要有RSSI、TOA、TDOA、AOA等方法。而和基于测距的定位算法不同，基于非测距的定位算法是指通过某些相对关系来计算待测点的坐标，不需要实际测量两点之间的绝对距离或者方位。主要有质心定位算法、DV-Hop定位算法、凸规划算法、APIT算法等 [24]。这里主要介绍基于测距定位算法中的RSSI方法。

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RSSI测距所需的成本较低，只需收发装置即可。在给定信号发射功率的情况下，根据设备自身接收到的功率来计算路径损耗。通过预先建立的理论或者信号传输模型，可以根据路径损耗计算出实际的距离。当距离增大时，由于多径效应信号的能量会以减因子的形式减少,从而使RSSI测距的测量精度减小。在信号传播模型建模的过程中，环境因素的影响使得它产生了较大的测距误差。在传播相同距离的情况下，由于多径传播、非视距、天线增益等因素的影响都将会得到不同程度的损耗 [25]。

3.2 经典的信号衰减模型

自由空间的无线电传播路径损耗模型 [26] 由式（3-18）给出：[27]

Loss?32.44?10nlgd?10nlgf……………………（3-18）

式中：d为接收端与发射端的距离（km）；f为无线电传播的频率（MHz）；n为路径衰减因子，一般取2~5。运用到实际情况中，因为其他因素影响，信号传输路径损耗和理论值有不同，常采用对数常态分布模型，式（3-19）给出模型的表达式：

PL（3-19） (d)?PL(0d)?10nlg(dd……………………)0/?0X式中：PL(d)为经过距离d后的路径损耗（dBm）；d0是参考距离，通常取值1 m；

X0是平均值为0的高斯分布随机变数，其标准差一般是4~10。PL(d0)是经过参考距离d0后的路径损耗。由式（3-18）和式（3-19）可以得到接收端的信号强度，由式（3-20）：

（3-20） Pr(d)?Pt?PL(d)……………………………

式中：P，也可以表示成RSSI（d），为发射信号功r(d)为接收信号强度（dBm）率（dBm）。

基于这样的原理，IEEE802.15.4给出了简化的信道模型 [28]，由式（3-21）得：

21?0?2dldg?,m8?Pt?40.? RSSI(d)??…………….（3-21）

P?58.5?10?3.3?lgd,d?8m?t图3.4表示出了上述模型在接收信号强度RSSI与距离d之间的关系。从式（3-21）可以得出，信号的衰减和距离存在着指数衰减的关系，而且节点之间相距越短，则路径衰减因子k越小(k?2)；而距离越长，衰减越大(k?3.3)。虽然IEEE802.15.4把上述模型做了精简，但是要计算幂级数形式对硬件部分的性能要

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求很高。在信号衰减特性曲线中发现，距离越近，衰减曲线就越陡直，距离越远，曲线就越平缓。因此，可以用分段逼近的方法来拟合衰减曲线。

图 3.4 接收信号强度RSSI与距离的关系曲线图

3.3手机端和服务器端之间的数据交互

Android手机和服务器端的数据交互常用的有三种方式，分别是HttpClient/HttpUrlConnection、Web service、Socket。本项目中由于要查询基站所处的经纬度信息，必须要连接网络上的数据方能实现。在软件设计中使用了HttpClient/HttpUrlConnection的方法进行数据交互。

HTTP 协议是现在 Internet 上使用频率最高的协议，大量的 Java 应用程序直接或间接使用 HTTP 协议进行网络访问。HttpClient是Android SDK中集成 Apache的一个模块，可以直接调用封装好得到HttpClient类来实现。通过HttpClient类可以实现HTTP协议中的GET，POST，PUT，HEAD等方法，可通过这些方法向基于HTTP 协议的服务器提交请求，从服务器端得到返回的响应，将响应进行解析即可得到所需数据。本项目中得到的响应是以 JSON格式呈现的，所以还需对JSON格式的数据进行解析。

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4 系统方案设计

本章主要介绍系统的整体架构的设计，以及总体的设计思路。该项目是一个安卓程序，分为了两个屏幕（即两个Activity）来展现所有的功能，总共包括基站信息采集模块、Wi-Fi信息采集模块、信息传递模块、定位计算模块、定位辅助模块、经纬度获取模块、地图标注模块七大模块。系统整体架构图如图 4.1。

图 4.1 系统整体架构图

4.1 第一个Activity设计思路

第一个Activity也就是进入软件首先看到的界面。这个界面主要包含了基站信息采集模块、Wi-Fi信息采集模块这两个模块的信息。基站信息采集模块收集了当前基站及邻区基站的LAC、CID、RSSI信息，而Wi-Fi信息采集模块则采集了发送无线设备的BSSID，两个模块单独工作，并将这些信息从上之下显示在了第一个Activity上。同时在这两个界面上还包含两个按钮“更新数据”和“去地图标注”分别用于更新当前各项数据和直接在地图上进行标注。这个界面设置的目的在于方便使用者查看接收到的各项信息是否正确，是否需要更新数据或者直接跳转到下一个Activity在地图上进行标注。

4.2 第二个Activity设计思路

第二个Activity是从第一个界面在点击“去地图标注”按钮跳转后的界面，也就是对地图进行基站及定位结果进行标注的页面。当在第一界面点击“去地图

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标注”按钮后，通过信息传递模块会将在第一个Activity中两个模块所获取的有用数据传递到第二个Activity中，同时页面跳转到第二个Activity中。

第二个Activity中的定位计算模块和定位辅助模块在得到信息传递模块所传输的数据后，会进行判断是否需要使用定位辅助模块进行辅助定位计算并最终给出结果，将结果传递给经纬度获取模块。经纬度获取模块收到数据后，将这些数据转换为经纬度数据。地图标注模块直接用经纬度获取模块处理过后的经纬度数据在地图上进行标注，并以文字形式在界面上显示定位方式和定位的结果（是否成功）。

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5 详细设计及实现

本项目设计来为实现周边基站搜索，提供定位等功能需求，主要的功能模块有五个，分别为基站信息采集模块、获取经纬度模块、定位计算模块、定位辅助模块、信息传递模块、地图显示模块。

5.1 基站信息采集模块

基站信息包括当前服务基站信息的移动国家代码、移动网络号码、位置区域码、基站编号、信号强度以及邻区基站的位置区域码、基站编号、信号强度。此处涉及的Android API有TelephonyManager、GsmCellLocation。TelephonyManager用于管理手机的一些基础服务信息，GsmCellLocation 用于获取CID（基站编号）、LAC（位置区域码）等信息。如图5.3所示为基站信息采集的效果图

主要实施的步骤如下：

（1）首先在AndroidManifest.xml中添加权限：

android:name=\ion>

android:name=\n>

android:name=\

android:name=\（2）然后通过TelephonyManager的getNetworkOperator方法获得MCC和MNC，TelephonyManager在使用之前需要经过实例化获得手机系统服务。通过GsmCellLocation的getCid、getLac方法获得CID、LAC。通过getRssi方法获取邻区基站的信号强度，而当前基站的信号强度需要通过监听器MyPhoneStateListener的监听来获得。同时给更新数据功能绑定一个监听器UpdataListener，当按下按钮“更新数据”就自动更新基站信息。

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图 5.1 相关代码截图

图 5.2 相关代码截图

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图 5.3 基站信息采集的效果图

5.2 Wi-Fi信息采集模块

本模块为当Wi-Fi打开时，搜集Wi-Fi信息所用。搜集到的信息主要用在后面5.5定位辅助模块中。需要搜集的Wi-Fi主要有发送该无线信号设备的BSSID、具体的IP地址。需用到Android API中WifiManager类，用WifiManager类实例化对象取得系统服务中的Wi-Fi服务。如图5.5 为Wi-Fi信息采集效果图。 首先在AndroidManifest.xml中添加权限：

android:name=\

android:name=\具体程序实现步骤：

图 5.错误！文档中没有指定样式的文字。.4 相关代码截图

图 5.5 Wi-Fi信息采集效果图

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5.3 信息传递模块

本模块作用主要是将负责基站信息、Wi-Fi信息采集的Activity中数据传输到负责百度地图标注的Activity上。需要传输的数据有各个基站的LAC、CID、RSSI以及Wi-Fi的BSSID。此处调用了Android API中的Bundle类和Intent类，将要传输的数据用Bundle类以数组的方式进行装载，再用Intent类的putExtras方法发送Bundle中的数据。同时将这个步骤和“去地图标注”的按钮绑定在一起，即按下“去地图标注”按钮就传输数据。在另一个Activity中用Bundle类的getIntent().getExtras()的方法接收数据，用新建的数组进行储存。

图 5.6 相关代码截图

5.4 经纬度获取模块

在基站信息采集模块中已经获得了当前基站和相邻基站的LAC和CID，为了将定位的点和基站的位置在地图上标注出来，所以需要获得当前服务基站和相邻基站的经纬度。基站的经纬度数据只有运营商和相关的数据商有权拥有，故需通过联网到数据商网站进行查询。我选择了聚合数据 [29]作为基站经纬度数据网络服务端。

具体实施步骤如下：

（1）在AndroidManifest.xml中添加相关权限：

android:name=\

（2）此处涉及的Android API有HttpGet、HttpClient、JSONObject。通过HttpGet生成一个Http客户端对象，将这个对象中嵌入所要查询的CID、LAC数据和在聚合数据 [29]上申请到的KEY。使用HttpClient发送请求对象，向网络服务端请求数据。

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图 5.7 相关代码截图

（3）从网络服务端返回的数据，先用字符串缓冲类的实例化对象读取，然后再转化为普通的字符串类型。

图 5.8相关代码截图

（4）由于在上一步得到的字符串中含有其他冗余的信息，不能马上得到我们所需要的经纬度数据，而字符串中储存数据的形式是JSON类型的。所以接下来通过JSONObject、 JsonReader类来层层解析字符串的JSON数据，并提出冗余的数据，提取经纬度数据。

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图 5.9相关代码截图

由于互联网安全问题，国家政策限制，网络上不再开放提供基站经纬度数据，故只能够通过手动采集获得个别基站经纬度数据。

5.5 定位计算模块

本功能模块主要用于根据基站在地图上的坐标用极大似然估计定位算法等计算出手机所在的坐标。由于在进行坐标计算时，必须用平面坐标。而GPS经纬度坐标属于WGS84坐标系，是球面坐标的一种，所以需将经纬度坐标转换为屏幕像素坐标再进行计算。当计算结束时，再将屏幕像素坐标转换为经纬度坐标方便接下来的地图标注。 主要实施步骤如下：

（1）将手机信号强度通过经典的信号衰减模型的公式转换为基站与手机实际距离便于利用极大似然估计定位算法进行计算。这里自己写了一个函数getdistance(int r)，可以在后续进行调用。

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图 5.10相关代码截图

（2）将得到的基站经纬度坐标转换为屏幕像素坐标。这里需要用到的百度地图API投影的接口，接口用于投影屏幕像素坐标和经度和纬度坐标之间的转换。通过MapView类的getProjection()方法实现经纬度坐标转换为屏幕像素坐标。这里自己写了一个函数exforxy(double lat,double lon)，可以在后续进行调用。

图 5.11相关代码截图

（3）得到屏幕像素坐标后用极大似然估计定位法进行计算。具体计算方法详见3.1.1中的极大似然估计定位。

图 5.12相关代码截图

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图 5.13相关代码截图

图 5.14相关代码截图

（4）将定位计算的结果转换为经纬度坐标。此处调用百度地图API中的Projection接口，Projection接口用于屏幕像素坐标和经纬度坐标之间的变换。通过MapView类的getProjection()方法实现屏幕像素坐标转换为经纬度坐标。这里自己写了一个函数exforlatlon(Point point)，可以在后续进行调用。

图 5.15相关代码截图

5.6 定位辅助模块

由于在实际测试过程中由于存在一些意外的数据，导致最后定位结果偏差较大故加入本功能模块，以降低定位偏差。本模块主要分为两个部分，第一部分针

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对室外情况，有时测得一两个很远基站，对定位结果影响很大，所以用加权平均定位法加以辅助。具体加权方法：从当前基站算起到邻区基站按接收到信号的顺序，从大到小逐级递减给予权重值。实施步骤如下：

图 5.16相关代码截图

第二部分针对室内情况，由于室内信号衰减程度很大，用经典的信号衰减模型计算手机和基站距离偏差较大，故加入Wi-Fi辅助定位，Wi-Fi信息由5.2中介绍的Wi-Fi信息采集模块获得。具体方法是将wifi定位结果和利用极大似然估计定位结果进行加权平均，权重值分布wifi定位结果占19/20，极大似然估计定位结果占1/20。实施步骤如下： Wi-Fi辅助定位具体步骤：

图 5.17相关代码截图

5.7 地图标注模块

本功能模块作用主要将当前基站和邻区基站和定位结果在百度地图上进行标注，地图标注效果图见图5.23。主要实施步骤如下：

（1）首先在AndroidManifest.xml中添加百度地图 屏幕及版本支持：

android:label=\ android:screenOrientation=\

android:configChanges=\

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>

android:normalScreens=\android:resizeable=\

（2）初始化地图Activity、实例化MapView类和BMapManager类，加入百度地图自己申请的key，设置内置的缩放控件，并预先设置一个地图的中心点

图 5.18相关代码截图

（3）管理百度地图API，重写当暂停，重写启动，注销地图控件时的方法。

图 5.19相关代码截图

（4）为地图标注对象添加不同的图标

（5）准备要在百度地图上标注的overlay数据，构造OverlayItem的三个参数依次为：item的位置，标题文本，文字片段，将overlay数据添加ItemizedOverlay，得到需要标在地图上的资源。为maker定义位置和边界，添加ItemizedOverlay实例到mMapView。当点击标注是，弹出显示为“基站n”（n为不大于8的正整数）。

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图 5.20相关代码截图

图 5.21相关代码截图

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图 5.22相关代码截图

图 5.23 地图标注效果图

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6总结与展望

6.1总结

Android是当今主流的移动终端的操作系统，因为其开源免费，可以为被各个厂商定制，已经占领较大部分智能终端的市场。由于Android系统相比其他手机操作系统的优越性，本文介绍了一个基于该操作系统的软件，并且加入了基站定位的优化算法，实现了不通过GPS卫星进行定位手机。

同时这也是一款涉及LBS的软件，融合了百度地图的显示标注功能，是LBS再开发的一个基础。现如今国内外的LBS应用正处于迅速增长时期，本项目是对LBS概念的一个尝试。

由于基站信息包括其所处经纬度信息归属向运营商所有，属于国家安全一部分。为了保护国家通信安全，有关部门制定了一些保护性措施来防止这些信息泄露，所以在项目实践过程中，实际与基站信息和与其相匹配经纬度数据由手动采集存储在程序数组中备用。由于实测地点选在中国计量学院，我校Wi-Fi数据较新，网络上尚无与其匹配的经纬度数据，故也由手动采集存储在程序数组中备用。

对于性能方面，经过实地测试，软件开启、更新数据以及去地图标注均无延时现象。在室外测试，精度在50~500m左右，实际情况视服务基站分布情况而定；在室内无Wi-Fi辅助，精度在200~1000m左右，实际情况视服务基站分布情况而定。由于实测手机搭载的是Android 4.1.1操作系统，开发环境为Android 2.1版本，偶尔出现无邻区基站的情况，需进行重启尚可恢复。而当邻区基站无数据，或者打开Wi-Fi情况下获取的BSSID不在程序数组中时，点击“去地图标注”按钮会出现闪退现象。

6.2展望

位置服务已经越来越多得融入我们的生活中，随着国内3G网络的建设，以及马上到来的4G网络的布局 [30]，位置服务会越来越便捷。同时，人们现在已经不满足于仅仅知道我当前所处位置这么简单，更希望知道我所处位置的周围有些什么人，什么设施，我能在附件干什么，我需要多久能够到达最近的我需要去的场所等等 [31]。不仅如此，位置服务可以渗透到生活的各个方面，包括交通以及商业。由此可见，位置服务具有巨大的市场应用潜力，伴随着大数据时代和物联网时代的推进，基于位置的服务将发挥更大的作用。

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附录 A：

public class BaseStationLocation extends Activity { //获取邻区基站信息 mTelManNbr = (TelephonyManager) getSystemService(Context.TELEPHONY_SERVICE); List neighborinfos = mTelManNbr.getNeighboringCellInfo();

temarray=new int[neighborinfos.size()+1][3];

String strNB = \邻区基站总数 : \ String strarray=\数组数据：\\n\ int i=1;

for (NeighboringCellInfo info1:neighborinfos){ //根据邻区总数进行循环 neighbourcid = info1.getCid(); neighbourlac = info1.getLac(); neighbourssi = (-113+2*info1.getRssi()); temarray[i][0]=neighbourlac;//将list数据放入数组中 temarray[i][1]=neighbourcid; temarray[i][2]=neighbourssi; i++;

strNB +=\位置区域码(LAC) : \+ neighbourlac+\ 基站编号(CID) : \+ neighbourcid+\ 信号强度(RSSI) : \

TextView neighbourText = (TextView) findViewById(R.id.neighbourText); neighbourText.setText(strNB); } //获取wifi mac地址 WifiManager wifiMgr = (WifiManager)getSystemService(Context.WIFI_SERVICE); WifiInfo info = (null == wifiMgr ? null : wifiMgr.getConnectionInfo()); if (null != info) { macAddress = info.getBSSID(); ip = info.getIpAddress(); } //显示wifi mac地址 TextView macText = (TextView) findViewById(R.id.macText); macText.setText(\地址：\ } catch (Exception e) {

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/16a6.html