趙全軍　單鵬　傅凱　張志森 張媛媛

【摘 要】

隨著當(dāng)代智能手機(jī)的出現(xiàn)，在智能終端上實(shí)現(xiàn)定位功能已成為不可缺少的增長業(yè)務(wù)。主要對(duì)TD-SCDMA/CDMA2000雙模終端的定位技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了基于SOA的雙模數(shù)據(jù)融合定位方法，分析了定位算法的數(shù)學(xué)模型，并給出了定位方案，最后在移動(dòng)智能雙模終端上進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該方法實(shí)現(xiàn)了雙模終端的自主定位功能，可以達(dá)到定位誤差在300m內(nèi)的概率為60%的定位精度。

【關(guān)鍵詞】

雙模終端 無線定位 數(shù)據(jù)融合 接收信號(hào)強(qiáng)度

1 引言

伴隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)4G時(shí)代的到來，智能手機(jī)越來越廣泛地被人們所使用。為了滿足對(duì)通信個(gè)人化及高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的迫切需要，國內(nèi)各大運(yùn)營商不斷推出自己的增值業(yè)務(wù)，其中手機(jī)定位功能也廣泛地被人們所采用。目前，全球定位業(yè)務(wù)運(yùn)營市場已進(jìn)入高速發(fā)展階段，國內(nèi)市場上已推出基于TD-SCDMA/CDMA2000的雙模智能終端機(jī)，因此如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)雙模終端的無線定位，提高智能終端的定位能力，已成為產(chǎn)品開發(fā)過程中一個(gè)重要研究內(nèi)容。

雖然在3GPP中，基于WCDMA和TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)[1-2]以及基于CDMA2000網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)主要是3GPP2 C.S0022[3]已形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)。但是關(guān)于TD-SCDMA/CDMA2000雙模定位的成果較少，目前已有的一些成果主要集中在到達(dá)時(shí)間差的定位算法[4]和智能設(shè)備在室內(nèi)的定位等方面[5]。

本文接下來將在研究電磁波Hata模型[6]、COST-231-Hata模型[7]傳輸衰減模型的基礎(chǔ)上提出一種基于SOA（Signal of Arrival，接收信號(hào)強(qiáng)度）的雙模數(shù)據(jù)融合定位方法，并通過數(shù)學(xué)分析對(duì)算法的基本模型以及定位方案進(jìn)行理論分析，與此同時(shí)，還將通過現(xiàn)有的智能雙模終端對(duì)該算法進(jìn)行測(cè)試。

2 基于SOA的雙模數(shù)據(jù)融合定位方法

在移動(dòng)通信的實(shí)際通信過程中，由于電磁波并非在理想的自由空間中傳播，在傳輸?shù)倪^程中，電磁波受到空氣中塵埃的衍射、吸收以及大地和高大建筑物的反射，其傳播路徑衰落往往要比自由空間中的衰落值大許多。研究表明[8]，無論是室內(nèi)或室外信道，接收信號(hào)的平均功率隨著距離呈對(duì)數(shù)規(guī)律衰減，工程中通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立一些傳播預(yù)測(cè)路徑衰落模型，進(jìn)行路徑損耗預(yù)測(cè)。

如今已經(jīng)存在幾個(gè)經(jīng)典的路徑損耗模型，通常有Okumura模型、Hata模型、COST-231-Hata模型等。這些模型都是研究者根據(jù)各種實(shí)際應(yīng)用地形，對(duì)場強(qiáng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)出來的，它們適用于不同的場合。其中COST-231-Hata模型是歐洲科技合作組織（COST）在Hata模型基礎(chǔ)上進(jìn)行修正擴(kuò)展得出的。該模型可工作至2GHz頻段，是公認(rèn)的比較適合TD-SCDMA系統(tǒng)的路徑損耗模型，所以對(duì)TD-SCDMA模塊，本文采用COST-231-Hata模型[7]。其載波頻率為：1500—2000MHz；基站有效發(fā)射天線高度為：30～200m；雙模終端有效接收天線高度為：1～10m；收發(fā)距離為：1～20km；

由于是用于實(shí)際系統(tǒng)的定位，二維平面沒有考慮空間高層的影響，所以要基于三維空間來估算雙模終端的真實(shí)位置。基本思路是采用“三球交會(huì)”定位原理[9]，得到雙模終端到兩個(gè)基站的距離，然后以兩個(gè)基站為球心，以基站到智能定位終端的距離為半徑，得到兩個(gè)球面，球面與球面相交得一圓；在地球不規(guī)則球面的基礎(chǔ)上增加用戶高程，獲得一個(gè)較大的不規(guī)則球面；圓與不規(guī)則球面相交，得2個(gè)點(diǎn)，按方向或參考點(diǎn)信息（如小區(qū)ID）從中選擇一個(gè)較合適的點(diǎn)即為雙模終端的位置。下面詳細(xì)介紹其過程。

首先要把兩個(gè)基站的WGS-84坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為地心直角坐標(biāo)系（x， y， z），如公式（1）所示：

其中，N為目標(biāo)所在點(diǎn)的卯酉圈曲率半徑；H為目標(biāo)當(dāng)?shù)馗叨?；B為目標(biāo)緯度坐標(biāo)；L為目標(biāo)經(jīng)度坐標(biāo)；e2為地球第一偏心率的平方0.006 694 379 901 3；α為地球長半徑6 378 137±m(xù)。L、B、H、N都與目標(biāo)位置坐標(biāo)（x， y， z）有關(guān)。

然后對(duì)三球面相交的方程求解，已知兩個(gè)基站的地心直角坐標(biāo)系為（x1， y1， z1）和（x2， y2， z2），以及雙模終端到兩個(gè)基站的距離d1和d2，在搜索到合適地心球半徑d3時(shí)，建立方程：

最后再根據(jù)雙模終端的地心直角坐標(biāo)數(shù)值，將其轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標(biāo)，其中緯度B要通過多次迭代方法求解：

定位流程圖如圖1所示，圖中的T是針對(duì)一種搜索步長的地心球半徑的上限，可固定為一個(gè)較地球長半徑（6 378 137m）稍大一點(diǎn)的值，如可設(shè)T為（6 378 137+8 000）m。

TD-SCDMA/CDMA2000雙模數(shù)通信終端主要由TD-SCDMA通信模塊、CDMA2000通信模塊、處理器、電源管理模塊等部分組成。在雙模終端上實(shí)現(xiàn)自主定位功能，只需要增加相應(yīng)的軟件支持。下面重點(diǎn)給出了基于SOA的數(shù)據(jù)融合定位方法的測(cè)試過程和測(cè)試結(jié)果。

3 雙模終端測(cè)試

當(dāng)啟動(dòng)雙模終端定位功能后，返回用戶所需位置的經(jīng)緯度信息，把這些返回的經(jīng)緯度信息與測(cè)試點(diǎn)的真實(shí)經(jīng)緯度信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就可以得到該定位方法的性能。下面對(duì)測(cè)試情況進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

3.1 測(cè)試方法

（1）測(cè)試環(huán)境

由于測(cè)試的需要，我們采用的基站是CDMA2000 1x基站，其工作頻段為800MHz，所以，對(duì)CDMA2000模塊，選擇Hata路徑損耗模型，其有效工作頻率介于150MHz和1500MHz之間。

本次研究在所處的環(huán)境中選擇了200個(gè)典型地點(diǎn)做了相應(yīng)的測(cè)試，測(cè)試基站為一個(gè)TD-SCDMA基站，一個(gè)CDMA2000 1x基站。

（2）測(cè)試目的：驗(yàn)證基于SOA的雙模數(shù)據(jù)融合定位方法的性能。

（3）測(cè)試設(shè)備：手持GPS接收機(jī)一臺(tái)、計(jì)算機(jī)一臺(tái)、TD-SCDMA/CDMA2000開發(fā)板兩塊、TD-SCDMA/CDMA2000無線模塊兩個(gè)、串口電平轉(zhuǎn)換板兩塊、串口線兩根、直流穩(wěn)壓電源兩個(gè)、TD-SCDMA/CDMA2000天線各一個(gè)。

（4）測(cè)試過程：1）打開GPS接收機(jī)，通過主菜單設(shè)置好參數(shù)，進(jìn)行測(cè)試；2）連接好設(shè)備；3）分別給模塊上電；4）打開專用的串口調(diào)試軟件，設(shè)置好環(huán)境，發(fā)送查詢AT指令[10]，模塊返回所需的參數(shù)信息。

3.2 測(cè)試內(nèi)容

測(cè)試時(shí)首先用手持GPS接收機(jī)測(cè)出測(cè)試地點(diǎn)的經(jīng)緯度，一般進(jìn)行10次測(cè)量，求其平均值，得到測(cè)試地點(diǎn)的真實(shí)經(jīng)緯度信息。

然后通過計(jì)算機(jī)串口發(fā)送AT+CREG指令獲取小區(qū)ID，采用AT指令：AT+ZCED，查詢主小區(qū)環(huán)境信息[11]。模塊返回相應(yīng)的參數(shù)值，返回參數(shù)主要是雙模終端接收信號(hào)功率和小區(qū)環(huán)境信息，如小區(qū)標(biāo)識(shí)等參數(shù)。本次研究一共選擇了200個(gè)典型點(diǎn)作了測(cè)試，在這里針對(duì)TD-SCDMA模塊和CDMA2000模塊各介紹一組測(cè)試結(jié)果，對(duì)測(cè)試結(jié)果的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的說明。然后在一個(gè)典型點(diǎn)進(jìn)行了140次測(cè)試，分析其定位效果，最后結(jié)合200組測(cè)試數(shù)據(jù)，給出了基于SOA的雙模數(shù)據(jù)融合方法能達(dá)到的定位效果。

3.3 測(cè)試結(jié)果

圖2為對(duì)一個(gè)典型點(diǎn)測(cè)試140次的結(jié)果，首先用GPS接收機(jī)測(cè)得測(cè)試地點(diǎn)真實(shí)的經(jīng)度為106.6025，緯度為29.536。然后啟動(dòng)雙模終端定位功能，用戶自主選擇定位環(huán)境后，返回定位結(jié)果（以經(jīng)緯度形式表示）。其中橫坐標(biāo)表示測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)表示經(jīng)緯度。

根據(jù)測(cè)試得到的經(jīng)緯度和真實(shí)經(jīng)緯度二維平面的誤差和三維平面的誤差如圖3所示，其中（x， y， z）為地心直角坐標(biāo)系值，橫坐標(biāo)表示測(cè)試點(diǎn)個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)表示誤差。

從圖3測(cè)試得到的經(jīng)緯度與真實(shí)經(jīng)緯度誤差結(jié)果顯示來看，二維平面的誤差主要在150m附近，三維平面的誤差主要偏離300m左右。

以下是根據(jù)測(cè)試、通過對(duì)典型地點(diǎn)多次測(cè)試得到的200組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，得到定位誤差的累積分布函數(shù)圖如圖4所示。

從上圖200次測(cè)試結(jié)果顯示來看，該定位算法可以達(dá)到三維距離定位誤差在300m內(nèi)的概率為60%的定位精度。

4 結(jié)束語

本文重點(diǎn)介紹了基于SOA的雙模數(shù)據(jù)融合定位方法，利用雙模終端進(jìn)行了測(cè)試，并給出了測(cè)試結(jié)果。這種基于SOA的數(shù)據(jù)融合定位方法也可以用于實(shí)現(xiàn)基于其它網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合定位，只需要選擇合適的路徑損耗模型即可，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 3GPP TS 25.305 V7.3.0. Stage 2 functional specification of User Equipment （UE） positioning in Universal Terrestrial Radio Access Network （UTRAN）[S]. 2006.

[2] 3GPP TS 23.171 V3.11.0. Functional stage 2 description of location services in UMTS[S]. 2004.

[3] 3GPP2 C.S0022. Location Services （Position Determina-

tion Service）[S]. 1999.

[4] Arie Yeredor. Decentralized TOA-based localization in non-synchronized wireless networks with partial， asymmetric connectivity[A]. 2014 IEEE 15th International Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications （SPAWC）[C]. 2014： 165-169.

[5] Agrawal L， Toshniwal D. Smart Phone Based Indoor Pedestrian Localization System[A]. 2013 13th International Conference on Computational Science and Its Applications （ICCSA）[C]. 2013： 137-143

[6] Joseph C Liberti. 無線通信中的智能天線IS-95和第3代CDMA應(yīng)用[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2002.

[7] GF Pedersen. COST231-Digital Mobile Radio Toward Future Generation Systems，F(xiàn)inal Report[C]. European Commission， 1999： 92-96.

[8] Theodore S Rappaport. Wireless Communications Principles and Practice[J]. Prentice Hall PTR， 2001，15（4）： 70-88.

[9] 廉保旺，趙楠，王永生. 北斗衛(wèi)星定位算法研究[J]. 西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007（1）： 97-102.

[10] 重慶重郵信科股份有限公司. AT指令用戶手冊(cè)[Z]. 2006.

[11] 中興通訊股份有限公司. ZTE CDMA模塊AT指令說明書[Z]. 2013.