鄔群勇,張愛國,許其鳳,2,張攀攀,查 靈

(1.福州大學(xué)福建省空間信息工程研究中心、數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點實驗室,福建 福州 350002;2.信息工程大學(xué) 測繪學(xué)院,河南 鄭州 450052)

0 引 言

全球定位系統(tǒng)技術(shù)(GPS)和無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是移動定位系統(tǒng)關(guān)鍵的兩個要素[1]。目前,移動定位主要有GPS終端移動定位和基于移動網(wǎng)絡(luò)定位的兩種定位方式。GPS終端移動定位有兩種途徑:第一種是終端獨立定位的GPS途徑,它是在終端設(shè)備內(nèi)部加裝GPS接收機模塊,并將設(shè)備天線換成能夠同時接收GPS信號的多用途天線。終端接收GPS數(shù)據(jù),確定移動臺的位置信息并將結(jié)果報給移動網(wǎng)絡(luò),第二種是聯(lián)合定位途徑,其典型代表是輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)A-GPS(Assistant Global Positioning System)定位技術(shù)。A-GPS與GPS方式一樣需要在終端內(nèi)增加GPS接收機模塊并改造終端天線,但A-GPS終端通過接收移動網(wǎng)絡(luò)由GPS參考網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的輔助數(shù)據(jù)可快速啟動并捕獲衛(wèi)星?；谝苿泳W(wǎng)絡(luò)的定位計算,都在服務(wù)器端的定位平臺完成,根據(jù)計算方式的不同,又可以分為小區(qū)定位COO(Cell of Origin)、到達(dá)角定位AOA(Arrival of Angle)、抵達(dá)時間定位 TOA(Time of Arrival)、抵達(dá)時間差異定位技術(shù)TDOA(Time Difference of Arrival)和增強型觀測時間差定位EOTD(Enhanced Observed Time Difference)等。兩種定位方式在移動定位方向都得到了廣泛的應(yīng)用,闡述了這兩者之間的區(qū)別與聯(lián)系,分析了各自的定位精度,并展望了移動定位未來的發(fā)展方向。

1 GPS移動定位概述

移動終端的位置信息是移動位置服務(wù)中的關(guān)鍵信息,利用移動定位信息開展的服務(wù)將是移動通信上的一種特色服務(wù)。常見的移動定位有GPS移動定位和基于移動網(wǎng)絡(luò)的定位,下面就它們的定位原理逐一介紹。

1.1 GPS系統(tǒng)簡要介紹

全球定位系統(tǒng)(GPS)是20世紀(jì)70年代初在美軍“子午衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——NNSS系統(tǒng)”的技術(shù)上發(fā)展而來的,具有全球性、全能性(陸地、海洋、航空與航天)、全天候性優(yōu)勢的導(dǎo)航定位、定時、測速系統(tǒng)。GPS一般可采用4顆衛(wèi)星的測量數(shù)據(jù)來計算一個移動用戶的位置,即經(jīng)度、緯度和高度。原始數(shù)據(jù)可以由終端處理,也可以送到網(wǎng)絡(luò)端處理。GPS在天空晴朗時,單點定位可以獲得5～40 m的精度。

1.2 GPS定位原理

GPS系統(tǒng)是利用衛(wèi)星進(jìn)行測時、測距的定位系統(tǒng)。按定位方式,GPS定位分為單點定位和相對定位(差分定位)。單點定位方式就是根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機的位置,它只能采用偽距觀測量,可用于車、船等大眾導(dǎo)航定位。相對定位(差分定位)是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法,它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量。大地測量或工程測量等對精度要求特別高的應(yīng)用均采用相位觀測值進(jìn)行相對定位。

在單點定位中采用TOA(Time of Arrival)定位法,用偽距決定衛(wèi)星與接收機之間的距離。用戶可通過GPS接收機接收衛(wèi)星信號來測定衛(wèi)星信號傳播的時間延遲或相位延遲,由此計算出接收機與GPS衛(wèi)星間的距離。采用3顆衛(wèi)星,利用三維坐標(biāo)中的距離公式,就可以組成3個方程式,從而解出觀測點的位置(X、Y、Z)?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差,實際上有4個未知數(shù)(X、Y、Z和時鐘偏差),因而需要引入第4顆衛(wèi)星,形成4個方程式進(jìn)行求解,從而得到觀測點的經(jīng)緯度和高程。利用接收機和4顆GPS衛(wèi)星之間的偽距,可以建立以下偽距方程:

式中:P1、P2、P3、P4分別為觀測到的偽距;(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)為從導(dǎo)航電文得到的衛(wèi)星位置坐標(biāo);dT1、dT2、dT3、dT4為已知衛(wèi)星時鐘偏差,可從衛(wèi)星導(dǎo)航信息中取得;c為光速;dt為未知接收機時間偏差。通過求解以上偽距方程,就能得到接收機位置及時鐘偏差,由于接收機可以鎖定4顆以上的衛(wèi)星,因此接收機可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組,每組4顆,然后通過算法挑選出誤差最小的一組用于定位,從而進(jìn)一步提高定位精度。

2 移動網(wǎng)絡(luò)定位概述

移動定位涉及移動無線通信技術(shù)、數(shù)學(xué)和計算機科學(xué)技術(shù)等多個學(xué)科的知識。獲取移動定位信息的定位技術(shù)及其定位系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點。常見的基于網(wǎng)絡(luò)的移動定位技術(shù)有如下幾種[3]。

1)COO(Cell of Origin)小區(qū)定位技術(shù)。

起源蜂窩小區(qū)(COO)定位技術(shù)是最簡單的一種定位方式,它根據(jù)移動臺所處的小區(qū)ID號來確定用戶的位置。移動臺在當(dāng)前小區(qū)注冊后,在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中就會有相對應(yīng)的小區(qū)ID號。只要系統(tǒng)能夠把該小區(qū)基站設(shè)置的中心位置(在當(dāng)?shù)氐貓D中的位置)和小區(qū)的覆蓋半徑廣播給小區(qū)范圍內(nèi)的所有移動臺,這些移動臺就能知道它處在什么地方,查詢數(shù)據(jù)庫即可獲取移動臺的位置。

2)AOA(Arrival of Angle)到達(dá)角定位技術(shù)。

簡單地說,AOA定位技術(shù)測量的是BTS(基站)和MS(移動臺)之間信號到達(dá)的角度,根據(jù)信號到達(dá)的角度,可以確定MS相對于BTS的角度關(guān)系。只要測量一個MS距2個BTS的信號的到達(dá)角度,就可得到從BTS到MS的軌跡直線,兩條直線的交點自然就是MS的位置。

3)TOA(Time of Arrival)抵達(dá)時間定位。

TOA方法是基于信號從移動臺(MS)到達(dá)消息測量單元(三個或更多)的時間來測量的。因為電磁波以恒速傳播,信號傳播距離與傳播的時間成正比,所以只要知道測量基站與移動臺之間信號傳播時間,就可以得到它們的間距。這樣,基站位置在已知的情況下,移動臺的位置就可以被求出。與EOTD類似,TOA也通過計算信號從移動設(shè)備到3個基站的傳輸時間差來獲得位置信息的。不同的是,TOA系統(tǒng)中沒有使用位置測量單元,而是通過與在基站上安裝了GPS或原子鐘的無線網(wǎng)絡(luò)的同步來實現(xiàn)。

4)TDOA(Time Difference of Arrival)抵達(dá)時間差異定位技術(shù)。

TDOA定位的值是根據(jù)一對TOA相減而得來的,這樣,移動臺的位置信息可以由雙曲線的三角測量得出。與 TA和OTD以移動終端為主進(jìn)行時差測定的方法不同,它是根據(jù)在不同基站所接收到的同一移動終端信號在傳播路徑上的時延差異實現(xiàn)終端定位的。在該方法中,處于不同位置的多個基站同時接收由移動終端發(fā)出的普通信息分組(Normal Burst)或隨機接入分組(Random Access Burst),各基站將接收到的上述分組的時間信息傳送到移動終端定位中心(MLC),MLC根據(jù)信號的抵達(dá)時間差異(TDOA)完成終端位置測算。

5)EOTD(Enhanced Observed Time Difference)增強型觀測時間差定位。

EOTD定位技術(shù)是基于OTD定位技術(shù)發(fā)展而來的技術(shù)。它需要用兩個BTS信號到達(dá)一個MS的時間差。其測量可以由手機完成而不需要增加任何硬件設(shè)備。OTD的測量方法可以用于同步、一般在偽同步網(wǎng)絡(luò)中,在同步網(wǎng)絡(luò)中,MS測量多個BTS信號的相對到達(dá)時間來進(jìn)行定位計算;而在不同步網(wǎng)絡(luò)中,還需要一個位置測量單元(LMU),MS的位置信息通過測量BTS發(fā)送給MS信號的地理時間延遲來推算。當(dāng)多個BTS的傳輸幀(bursts)不同步時,網(wǎng)絡(luò)需要不同基站間的實際時間差(RTD),以得到正確的三角測量。對于非同步 BTS系統(tǒng)的OTD測量,其中所用的RTD還需最少3個在地理位置上獨立的BTS,如果所有的信息在MS里可用,在本地網(wǎng)絡(luò)的手機自己就可以完成所有的計算,所以該算法會由現(xiàn)有的手機輔助測量過渡到由手機自己進(jìn)行。

3 兩種定位方式在移動定位中的應(yīng)用及其精度分析

從上面的敘述中,可以看出兩種定位方式所依據(jù)的原理差別很大,同樣,它們的定位適用情況和精度也存在較大的不同。下面將以實際的數(shù)據(jù)和例子對它們的定位精度進(jìn)行分析。

3.1 移動GPS定位精度分析

移動終端GPS定位可采用內(nèi)置的GPS模塊或者外接的手持GPS。移動GPS的定位精度在市區(qū)約20 m,在郊外精度會高一些。下面為某地的兩位置點(兒童福利院和口腔醫(yī)院)的移動GPS觀測記錄及其定位結(jié)果分析數(shù)據(jù)。經(jīng)線和赤道上1秒相當(dāng)于30.8 m,緯度線上1 s則相當(dāng)于30.8 m乘以其緯度的余弦值。

表1 時速10 km兒童福利院精度表

表2 時速20 km兒童福利院精度表

表3 時速40 km兒童福利院精度表

表4 時速10 km口腔醫(yī)院精度表

表5 時速20 km口腔醫(yī)院精度表

表6 時速40 km口腔醫(yī)院精度表

表7 靜態(tài)情況下兒童福利院精度表

表8 靜態(tài)情況下口腔醫(yī)院精度表

總結(jié)以上實驗成果,得到如下的精度表:

表 9 精度表

該精度表也可以用如下的折線圖來直觀地表示。

圖1 移動GPS的不同速度的精度圖

從上圖1可以看出,移動GPS的定位精度隨著運動速度的增加而精度降低,但精度變化不大。同時,根據(jù)選定的兩個觀測點的定位精度取其平均值得到基站定位區(qū)域圓的半徑閾值為30 m。

圖2為在ArcGIS中,1∶20000比例尺下移動GPS實測數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的福州數(shù)據(jù)相比較的效果圖。

圖2 移動GPS實測數(shù)據(jù)與準(zhǔn)確數(shù)據(jù)比較效果圖

圖2中深色線條為移動GPS實測數(shù)據(jù),其他顏色線條為現(xiàn)有的準(zhǔn)確道路數(shù)據(jù),從中可以看出,移動GPS的觀測精度是比較高的,可以滿足城市導(dǎo)航定位的要求。

但是,移動GPS第一次開始定位的時間比較長,有的時候需要將近十分鐘來搜索衛(wèi)星。特別是當(dāng)遮擋比較嚴(yán)重時,得不到準(zhǔn)確定位結(jié)果,同時,也會因為多路徑效應(yīng)的關(guān)系,定位的誤差很大。如果第一次定位成功,可以選擇持續(xù)搜星狀態(tài),但很明顯移動GPS的耗電量很大。對于電容量有限的手機來說,這種定位方式不實用。

3.2 基于網(wǎng)絡(luò)的定位精度分析

移動基站定位是依據(jù)信號的強弱,按照特定的算法進(jìn)行位置計算定位的,所以定位結(jié)果會有一個誤差。對應(yīng)不同情況下,定位誤差范圍大小不同,每次定位的結(jié)果都用一個扇形范圍來表示。該地理精度扇形范圍的面積計算公式

式中:n為扇形角度(Extent Angle);R為內(nèi)圓半徑;AW是扇形弧的寬度,即內(nèi)外圓之間的距離(ArcWidth)

運用Ericsson的MPS系統(tǒng)模擬移動網(wǎng)絡(luò)定位[6],得到不同時刻,不同移動終端定位結(jié)果如圖3所示。

三種情況下,終端定位結(jié)果的區(qū)域面積分別為:

(a):18 246.3701

(b):18 246.3701

(c):950 331.778

從圖3中(a)、(c)可以看出,相同移動終端在不同時刻其定位結(jié)果所處區(qū)域不同,造成這個結(jié)果的原因在于移動終端在不同時刻所處地理位置的基站布置密度不同,(a)中定位是在市中心,(c)的定位則發(fā)生在基站比較稀少的郊區(qū),所以,兩種情況下的定位半徑差別較大。相應(yīng)地移動終端的定位精度差異較大。圖3中(a)、(b)表明了不同終端在相近時刻的定位結(jié)果區(qū)域也是不同。

4 結(jié) 論

兩種定位方式原理上差別很大,GPS定位方式主要發(fā)生在移動終端,對終端設(shè)備的性能要求較高,能夠接收GPS衛(wèi)星信號,其定位精度比較高。但其定位速度較慢,特別是首次定位時間很長,難于實現(xiàn)快速移動定位。同時,GPS定位受外界的影響比較明顯,比如多路徑效應(yīng)、惡劣天氣等的影響,而且,在室內(nèi)沒有信號?；诰W(wǎng)絡(luò)的移動定位的計算實現(xiàn)都在服務(wù)器端的定位平臺完成,只要能接收移動信號的移動終端都能滿足要求,所以,這種方式對移動終端設(shè)備的要求很低,同時,其定位速度很快,能實現(xiàn)快速移動定位,并且能耗低。但是,這種方式的定位精度較低,受移動基站的分布密度影響很大。可見,兩種定位方式的優(yōu)缺點明顯。為了更好地服務(wù)于移動位置應(yīng)用,綜合應(yīng)用兩種定位方式是必然的選擇。當(dāng)前,已有的A-GPS、GPSOne就是兩者綜合應(yīng)用的技術(shù),同時,對兩種定位方式的自適應(yīng)運用也是一種值得推薦的方式。

[1]李德仁,李清泉,謝智穎,論空間信息與移動通信的集成應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報信息科學(xué)版,2002,27(1):1-6.

[2]許其鳳,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航與精密定位[M].北京:解放軍出版社,1989.

[3]鄭 穎,常用移動定位技術(shù)的研究和應(yīng)用[J].通信技術(shù),2001(8):79-81.

[4]Kos T,Grgic M,Kitarovic J,et al.Location Technologies for M obile Networks[C]∥Proceedings of Systems,Signals and Image Processing,Speech and Image Processing,M aribor,2007:319-322.

[5]王建民,顧 虹,GPS技術(shù)及其在移動定位中的應(yīng)用研究[J].電信技術(shù),2005(11):53-56.

[6]Ericsson Corporation.Ericsson Mobile Positioning System Software Development Kit v6.0[R].Ericsson Corporation,2003