基于移动通信网络无线定位技术的原理及应用

基于移动通信网络无线定位技术的原理及应用

第27卷第3期　　　　　　　　　　　　　测绘科学.27No.3

　　　　　　　　　　　Vol

2002年9月ScienceofSurveyingandMappingSep.,2002

基于移动通信网络无线定位技术的原理及应用

赵军,李先华

(华东师范大学遥感与数字技术开放实验室,上海200062)

[摘要]无线电定位技术有着广泛的应用前景,也是未来第三代移动通信的一个支撑技术。本文介绍了基于移动通

信网络无线定位的原理和技术,分析了在移动通信系统内实现移动台精确定位的主要技术难点和提高精度的对策。

[关键词]无线定位;定位技术;移动通信

[中图分类号]TN92　　[文献标识码]A　　[文章编号]1009-2307(2002)03-0048-1　引　言

随着移动通信技术的发展,动用户出于安全和方便的考虑,务,。1996(FCC)作出明确规定,要求各蜂窝网提供者配合当地公共安全应答点(PSAP),对移动电话用户的紧急呼叫实行应急业务,代号为E911。FCC规定到2001年10月1日所有移动网络运营商以可定位概率为67%,均方误差为125m的精度为发出911呼叫的移动用户提供定位服务[1]。除上述用途外,无线定位技术的重要意义还体现在以下几个方面:

(1)用于移动台位置的灵活计费　网络管理中心在计费时可根据移动用户位置收取不同的通话费。

(2)智能交通系统(ITS)　在蜂窝系统中提供对移动台的定位服务后,ITS系统中就可利用该功能来取代传统的AVL系统,提供诸如交通事故、交通堵塞、车辆及旅客位置等服务。

(3)增强网络性能　从宏观角度讲,提供对移动台的精确定位服务可以更好地对蜂窝进行规划;从微观上讲,可以更好地决定什么时候进行小区间的切换。

(4)个人定位服务　在旅行时,可以通过有关的服务中心获得就近的宾馆信息等,可以利用特制的MS对需要限制活动范围的移动目标进行定位跟踪监视。

收稿日期:2002201206

2IApplicationToolkit)方法K可以理解为一组开发增值业务的命令,一种小型编程语言,它允许SIM(SubscriberIdentityModule)卡运行自己的应用软件。STK技术最大的

贡献在于它为SIM卡的增值业务提供了一个简单易操作的开发平台。普通SIM卡手机只能完成存储电话簿等一些简单功能,当手机插入STKSIM卡,功能将大大增强,手机可以提供包括信息点播、位置服务、手机银行、移动点子商务等多种增值业务。

处于GSM移动通信网络中的移动台,会不断对服务小区和相邻小区进行测量并产生测量报告。在测量报告中会包含服务小区的CGI码和接收场强及相邻六个小区的CGI码和接收场强,这些信息为移动台的定位提供了足够的资料,通过相关技术,就可以控制其将测量报告以短消息的形式发出。在获得数据后对其进行处理分析,并查询相关数据库,最终实现移动台的位置服务。考虑到目前每个城市市区内基站的密集程度,将移动台定位于一个小区覆盖范围内是足够的。但这种方法的精确度不高,为了进一步提高定位的精度,我们有必要通过路测获取必要的数据并将其做成实际路测数据库,通过将测量报告中的数据与该数据库中的数据进行对照从而标出较为精确的移动台位置,在市区定位能达到150米。广州爱捷数码资讯科技有限公司开发的

。MobileGis手机位置服务系统即采用STK相关技术

本方法的主要优点是应答的速度快,典型的大约为3s。2.2　基于电波传播时间(TOA或TDOA)的定位法

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第3期　　　　　　　　　　赵军等　基于移动通信网络无线定位技术的原理及应用　　　　　　　　　　　　　　49

TOA(TimeOfArrival)的定位原理是:电磁波在空间是以光速传播,设移动台与接收基站A、B、C之间电磁波的传输时间分别为ta,tb,tc,则可得如下方程组:

(xa-x)2+(ya-y)2-cta=0(xb-x)+(yb-y)-ctb=0(xc-x)+(yc-y)-ctc=0

2

2

2

2

差),并且在其发射信号中要包含发射时间标记以便接收基站根据信号到达时间确定信号所传播的距离,如图1(b)。如基站AB,AC,BC之间收到移动台发射电磁波的时间差分别为tab,tac,tbc,那么TDOA技术可用如下方程组描述:

(xa-x)2+(ya-y)2-

(xb-x)2+(yb-y)2-ctab=0

其中(xa,ya),(xb,yb),(xc,yc)分别为基站A、B、C的坐标。三个基站得三个圆,三个圆交汇于一点就可确定移动台的位置,如图1(a)所示。TDOA(TimeDifferenceOf

Arrival)技术是对TOA技术的改进,TDOA(xa-x)2+(ya-y)2-

(xc-x)2+y)2-ctac=0

(x)2y2位置。TOA测量要求M精确同步(1Λs300m的定位误

c-x)2+(yc-y)2-ctbc=0

测量的是MS发射的信号到达不同的BTS传播的时间差,而不是确切的传播时间,因此不需要

图1[5]

号(RF)传播来的方向,基站必须配备有方向性强的监测MS与BTS间的精确同步,也不需要在其发射信号

中加上发射时间标记,即不需要增加上行链路的数天线阵列,这样就需对现有的基站天线进行改造。据量。所以对于移动通信网中MS的准确定位而言,进行TDOA测量更具有实际意义。TDOA方案具有比STK更高的精度,即在502125米之间,但是其回应时间更慢,一般大概5s。而TOA还有一些问题需要解决,如在市区其精度不一定就好于STK方案,且其应答时间比STK和TDOA更长,典型的大约有10s。由于同步GSM网络代价较高,且此方案提供的精度比STK也好不到哪里,因此TOA的使用受到限制。

2.3　基于电波入射角(AOA)的定位法

AOA(AngleOfArrival)也可称为DOA(DirectionofArrival),此技术已广泛应用于雷达追踪、车辆导航系统中。此方法是利用接收基站检测到电磁波传来的方向来确定移动台的位置,由两个接收站就可确定移动台的位置,如图1(c)。这种方法没有不确定因素,因为两条线只有一个交点。AOA技术应用于移动通信网的难点在于,要想检测出射频信

2.4　混合定位法

每个测量值都可以确定目标所在的一条轨迹,多个测量值可以确定目标所处的多条轨迹。通过求解轨迹交点便可以确定移动目标的位置。在某些情况下(如无法获得足够多的参数测量值),轨迹交点可能并非唯一,即出现定位点的模糊性,这可以通过一系列方法加以解决。例如利用移动目标运动轨迹连续性有关的先验信息或者额外的测量值(如SS、AOA、TOA、TDOA)来确定真实的定位点,更多的测量值有助于提高定位精度和可靠性。比如圆-角定位系统(Circular-Angle)可以进行单一基站位置测量。各种定位技术的比较见表1。

3　蜂窝电话定位系统的两种实现方案

根据进行定位估计的位置及定位数据用途的不同可将移动台的定位方案分为两类:一类是基于移动台的定位系统,这类系统成为移动台自主定位系

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统,在蜂窝网络中也叫做前向定位系统,MS接收BTS的信息,进行适当的信号参数测量,并利用这些测量值算出MS的位置;另一类是基于网络的定位系统,即反向链路定位技术,移动通信网中的主流定位技术属于该类,与前一类相比,基于移动通信网所实现的定位具有若干优点:

(1)对现存的大量移动设备无需改动,定位所需

定位方法

STK

的附加设备由网络提供,用户仅通过现有的移动终端即可获得定位信息;

(2)便于网络运营部门有效地进行移动用户跟踪监测,有效地实行移动终端盗打防范和网络资源管理;

(3)易于实现对于特定地区的话务统计分析,有助于网络更新和规划。

参考时间要　求否

表1　定位技术比较

基站投入少,网络设备影响小

高,不能用蜂窝基站天线,需阵列天线

精　度依赖于蜂窝大小,精度150m左右

发挥信息要　求多,场强信息被发送到控制中心少,多,取样数据被传送到控制中心

手机要求需STK卡,但无同步要求

AOA较低否否

TOA高

K

否

单程测量需要,来回测量不需要单程测量需要,来回测量不需要各基站间相对一参考时间达到同步

TDOA高502125m少否

不需手机有准确参考时间

4　无线定位技术中误差产生的原因

[2-4]

(3)多址干扰。多址干扰最敏感的是CDMA系

统。由于CDMA系统中的各用户均使用同一频段,因此远离基站的用户信号可能被基站附近用户信号所抑制,造成远端用户信号无法检测,这就是远-近效应。解决此问题的方法有改进软切换方式、多用户检测或功率控制技术、抗远近效应延时估计器等。

由于上述误差产生原因的存在,各种提高精度的算法和技术开始被人们考虑。从信号处理方面,要改善测量方式,提高测量精度,从测量上消除多径;从统计的角度来考虑,可以采用后期数学上的处理来减少误差的影响。前一方法需要对移动通信物理层进行改动,这样不仅为定位系统增加开销,而且会与已经存在的协议相抵触,故对现有系统定位的研究并不集中于此。后者承认既有的系统和测量方式,实现开销小,所以在这方面的研究比较多,并派生出许多其它的方法,如将定位与地理信息系统(GIS)相结合,采用已有的地理位置信息对定位作出修正。

由于移动通信系统通信环境的影响,造成在移动通信网中实现移动终端的精确定位方面有许多技术难点急需得到解决。造成蜂窝网络中无线定位误差的主要原因有多径传播,NLOS传播和多址干扰。

(1)多径传播是造成定位误差的主要原因。多径不仅可以导致对来波方向的判断错误,而且对于基于时间的定位法来讲,即使在MS和BS之间存在LOS(LineOfSight)的情况下也会对信号传播时延的测定带来误差。解决此问题的方法包括高阶谱估计,最小均仿估计,Root2MUSCIC,TLS2ESPRIT和扩展的卡尔曼滤波等。

(2)NLOS(NonLineofSight)传播也是影响定位精度的主要原因。无论是测向定位还是测距定位,视距传播(LOS)信号是正确定位的基础。由于受到衰落和阴影效应等因素的影响,基站接收的信号中可能不包含LOS信号或LOS信号很弱。因此如何降低NLOS传播的影响是提高定位精度的关键。目前降低NLOS传播的方法有:利用测距误差统计的先验信息将一段时间的NLOS测量值调节到接近LOS的测量值;降低LS算法中NLOS测量值的权

5　结束语

蜂窝电话定位技术的开发和推广应用具有广泛的社会和经济效益,越来越受到人们的重视,但是还存在着一系列问题有待解决。除了某些方案需要对现有移动台或网络进行必要的改进外,还需要对蜂

重,在LS算法中增加约束项等。

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第3期　　　　　　　　　　赵军等　基于移动通信网络无线定位技术的原理及应用　　　　　　　　　　　　　　51

窝系统的定位性能,尤其是如何获得满意的定位精度进行深入地研究,因为有些应用需要较精确的定位,如定位到楼层。除了技术因素外,蜂窝电话定位技术的开发应用涉及到用户个人的行踪,还应考虑个人隐私权利的保护等方面。

参考文献

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移动电话定位技术与应用[J].移动通信,2000,(1)].

作者简介:(1977-),男,华东师(。

(上接21页)变性,,因为是这一点保证了最小二乘拟合推估解的一致性。二者的根本区别是拟合推估是在无限维的Hilbert空间里进行运算,而经典的最小二乘估计是在有限维的线性空间进行运算。

最小二乘拟合推估有时可以看作是最小二乘估计和随机过程的结合,其解的统计意义表现的更为明显,这样,具有相同重要意义的解析性就被掩盖了。因此,我们从逼近论的观点来解释最小二乘拟合推估。从理论上说,核函数K(P,Q)可以任意选取;为了得到最佳解,我们选择了统计意义上的协方差函数作为核函数。然而,正如我们所讲的,选择任意一个对称、正定函数作为核函数都是合理的,因此,最小二乘拟合推估才被认为是在具有核函数的Hilbert空间里的纯解析插值,而不考虑其随机意义。实际上,在拟合推估中到底是统计解释正确还是解析解释正确,对于这个问题的回答与个人的喜好

(31)、(32)都保持不有关。但不管怎么说,解式(30)、

变,只有估计量的方差-

协方差解式式(34)、式(35)以及估计值的最佳性是完全建立在统计意义上的。

最后,有一点必须指出,那就是如果异常重力场不具备各向同性,那么这里的“最佳线性”估计值就不再是绝对的“最佳”了,“非线性”估计值可能比“线性”估计值具有更小的方差。

参考文献

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Introduction

to

interpolation

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ScienceofSurveyingandMapping,2001,26(3)[刘念.

协方差函数的抗差拟合[J].测绘科学,2001,26(3)].

作者简介:刘念(1968-),男,陕西咸阳人,硕士,工程师,主要从事物理大地测量及测量数据处理方面的研究。

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ABSTRACTSOFTHEPRESENTISSUE

Mapping,Beijing100039,China;②ShenzhenMunicipalWirelessLocationandItsApplicationBasedonMobilePlanning&LandResourceBureau,Shenzhen518031,China)CommunicationSystemTheApplicationofGeneticAlgorithmsinInSARPhaseUnwrapping

Abstract:Phaseunwrapping(PU)http://www.77cn.com.cnputerresultsindicatethatthealgorithmworkswell

Key

words:

InSAR;

phase

unwrapping;

genetic

alogorithms

ZHAO-Zheng①,ZHANGJi-xian①,ZHANGGuo②(①ChineseAcademyofSurveyingandMapping,BeijingChina;②SchoolofInformationRSensing,WuhanUniversity,W)

Management&oftheDOM&DEMData

Abstract:Tomlostofdigitalorthomap(DOM)dataanddigitalelevationmodel(DEM)data,thispaperpresentsan.Toideaofbuildingasystembasedondatabasetechnologiesmakefulluseofthesedata,thesystemhavemanyfunctions,suchas2-DviewingofDOMwithDEMoverlapped,automaticallycreatingcontours,creatinglandscapemodelforvisualization,andcreatingtopographicmap.

Keywords:DOMDEM;landscapemodel;contour;topographicmap

JIANGXin,CHENYing(ResearchCenterofRemote

Sensing,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

TheTheoriticalandApplyingAnalysisof“Non-fiducialMethod”onRegionalNetworkMonitoringResearch

Abstract:“Non-fiducialmethod”istheappropriatemethodof

estimating

regionaldeformationmonitoring

network.Inthispaper,itsbasictheoryanditsadvantagesare

Abstract:Wirelesslocationinmobilecommunicationsystemisanovalandusefultechnologyinfuture3G.Thenecessity,method,architectureandcharacteristicsofmobiletelecommunicationnetwork-basedpositioningarediscussedinthispaper.Themain

technicaldifficultiesandthe

approachesofimprovinglocationaccuracyarealsoanalyzed.

Keywords:wirelesslocation;locationtechnology;mobilecommunication

ZHAOJun,LIXian-hua(TheOpeningLabofRemoteSensing&DigitalTech,EastNormalUniversity,

ShanghaiChina)

DmtheSiofVerticalCrustalithispaper,thedevelopmentsof

the

ulationtheoryofverticalcrustaldeforation,especiallythemethodsdevelopedbyChinesescholarshavebeenintroduced:forinstance,theapplicationsoftheFourierresolution,thewave

representation,theempiricalorthogonalfunction

resolutiontoanalysistheverticalcrustaldeformationfield,theverticalcrustalmovementmodelbasedonthefluxisotaticdatum

andtheCM

.Andtheiradvantagesandmodel

disadvantageshavebeenreviewed.Finally,theproblemthatneedstobefurtherstudiedandtheprospecthavebeendiscussed.

Keywords:thecrustverticalmovement;dynamicalnodel;deformationfield

ZHANGQin,①,WNAGJi-gang②,ZHAOLi-hua,FANYi-zhong③(①Dept.ofSurveying,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China;②Dept.ofConstructionl,LianyungangChemicalCollege,Lianyungang222001,China;

③Dept.ofAstronomy,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)

RecentAdvancesinGlobalPositioningSystem(GPS)( )Abstract:Thispaperdealswiththerecentadvancesinglobalpositioningsystem(GPS).Firstofall,theprincipalerrorsourcesofGPSobservationsareanalysed.Thenthe

“non-fiducialmethod”“fiducialmethod”introduced.Andand

arecomparedonregionalnetworksolution.ByinterpolatingbiasintoaregionalGPSreferencestation,theresultsof

scientificapplicationsofspacebasedGPSaredescribed,of

“nonfiducialmethod”“fiducialmethod”andarecompared.In

whichtheTOPEXandMicrolapemissonsareexcellent

“theend,somesignificantresultsareconcludedthatNon-.Withregardtotheapplicationofexamplesofgreatsuccess

fiducialmethod”canachievebetterrelativepositioning

GPStometerorology(GPS MET),detaileddescriptionis

precsionthan“fiducialmethod”inresearchonregional

giventoearthbasedGPS METandspacebasedGPS MET,

networkdeformationandtectonicmotion.

theystandatthefrontofrecentadvancesinGPS.

Keywords:non-fiducialmethod;regionalnetwork;

Keywords:radiooccultationtechnique;limbsounding;

globalnetwork

mappingfunction;kinematicGPSpositioning;applicationof

BIJin-zhong①,LIYu-lin①,SUNZhan-yi②,ZHANG

GPStometeorology(GPS MET);earthbasedGPS MET;

Peng②(①ChineseAcademyofSurveyingandMapping,

spacebasedGPS MET

Beijing100039,China;②NationalGeomaticsCenterofChina,

HUMing-cheng(ChineseAcademyofSurveyingand

Beijing100044,China)

Mapping,Beijing100039,China)

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/53ki.html