李　林, 杜　程, 武思齊

(1.西安郵電大學(xué) 信息中心， 陜西 西安 710121；　2.西安郵電大學(xué) 計算機學(xué)院, 陜西 西安 710121；3.四川大學(xué) 計算機學(xué)院, 四川 成都 610065)

?

一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的高速公路位置服務(wù)系統(tǒng)

李林1, 杜程2, 武思齊3

(1.西安郵電大學(xué) 信息中心， 陜西 西安 710121；2.西安郵電大學(xué) 計算機學(xué)院, 陜西 西安 710121；3.四川大學(xué) 計算機學(xué)院, 四川 成都 610065)

針對高速公路上車輛位置的定位問題，以基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)為基礎(chǔ)，給出一種多基站輔助單基站計算的定位算法，并結(jié)合移動網(wǎng)絡(luò)位置服務(wù)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)的高速公路車輛位置服務(wù)模型，設(shè)計了車輛定位的位置服務(wù)流程，在安卓平臺上對系統(tǒng)進行了模擬仿真實驗，結(jié)果表明，能夠獲取位置坐標(biāo)、查詢位置坐標(biāo)以及上報位置信息。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)；位置服務(wù)；高速公路；定位技術(shù)

當(dāng)前，位置服務(wù)的研究主要集中于位置服務(wù)定位技術(shù)、隱私保護及應(yīng)用方面。定位技術(shù)分為全球定位系統(tǒng)(Global Position System, GPS)定位技術(shù)、室內(nèi)無線定位技術(shù)和全球移動通信系統(tǒng)(Global System for Mobile Communication, GSM)定位技術(shù)[1]。當(dāng)GPS定位系統(tǒng)在衛(wèi)星信號受到山體隧道等遮擋時，接收衛(wèi)星數(shù)目減少，定位精度會急劇下降，無法實現(xiàn)衛(wèi)星定位。而GSM定位技術(shù)，基站定位技術(shù)響應(yīng)速度快、可直接通過通信網(wǎng)絡(luò)進行定位，并對移動終端無任何要求[2-3]。時差定位(Time Difference of Arrival,TDOA)最具發(fā)展?jié)摿?，其提出基于殘差加?quán)的泰勒級數(shù)展開的TDOA定位算法，有效地抑制非視距傳播誤差的影響[4]。三維空間目標(biāo)定位，提出直接目標(biāo)位置求解算法，該算法無需迭代，且觀測站較少、實用性較高[5]。文獻[6]提出基于四基站的TDOA和牛頓迭代法的定位算法，該算法無需其他輔助信息，定位精度可信度高。文獻[7]提出一種基于射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)和多基站TDOA的車輛定位方法。

上述研究給出了多基站定位算法優(yōu)化方案，但硬件成本較高，實現(xiàn)較為復(fù)雜。針對存在問題，本文根據(jù)蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)，給出一套基于多基站輔助單基站模式定位算法，構(gòu)建相應(yīng)的高速公路位置服務(wù)系統(tǒng)模型，設(shè)計針對車輛應(yīng)急及車輛定位的服務(wù)方案，基于安卓平臺對該服務(wù)方案的實現(xiàn)進行模擬仿真實驗。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1模型設(shè)計

移動位置業(yè)務(wù)(Location Based Services,LBS)[1,8]是一種在移動網(wǎng)絡(luò)定位業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上提出來的、基于移動通信網(wǎng)的增值業(yè)務(wù)，在位置業(yè)務(wù)服務(wù)模型中有3種工作角色，即移動終端、位置服務(wù)中心和服務(wù)提供商/內(nèi)容提供商(Service Provider/Content Provider, SP/CP)，如圖1所示。

其中，位置服務(wù)中心是服務(wù)模型核心。一方面，為移動終端提供位置信息；另一方面，為SP/CP提供統(tǒng)一的信息發(fā)布接口。移動終端通過No.7信令網(wǎng)或分組數(shù)據(jù)網(wǎng)接入位置服務(wù)中心，SP/CP也將基于位置服務(wù)的應(yīng)用發(fā)布到位置服務(wù)中心，當(dāng)移動終端需位置定位業(yè)務(wù)時，可直接從位置服務(wù)中心獲取。

根據(jù)移動位置業(yè)務(wù)服務(wù)模型，可將高速公路上的位置服務(wù)系統(tǒng)模型，劃分為接入層、中間層和應(yīng)用層，如圖2所示。

圖2　高速公路位置服務(wù)模型

其中，接入層由各類接入移動網(wǎng)絡(luò)方式組成，包括移動終端接入到移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的各種形式。中間層主要包括移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)處理位置管理的網(wǎng)元。應(yīng)用層是針對不同的應(yīng)用而設(shè)置不同的位置服務(wù)。在高速公路中，應(yīng)用層通過監(jiān)控中心對車輛進行管理。監(jiān)控中心作為本地坐標(biāo)系(Local Coordinate System,LCS)應(yīng)用的一個SP，通過綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)接入到移動位置網(wǎng)絡(luò)，對車輛進行監(jiān)控。

1.2關(guān)鍵技術(shù)

小區(qū)號的位置定位技術(shù)?；咀鳛橐苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)不可缺少的網(wǎng)元，是移動終端與移動網(wǎng)絡(luò)之間交互的重要組成部分，它以移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)格為單位而建立?；镜亩ㄎ患夹g(shù)精度，受基站覆蓋范圍影響，為克服基站覆蓋區(qū)域太大，導(dǎo)致定位精度不高的缺點，在系統(tǒng)中采用了多基站輔助單基站計算的定位，分別通過多個基站和單個基站的信息，判斷車輛的行駛方向和位置，如圖3所示。

圖3　基站軌跡定位技術(shù)

圖3中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別為3個基站，當(dāng)用戶位置從Ⅰ區(qū)切換到Ⅱ區(qū)，再從Ⅱ區(qū)切換到Ⅲ區(qū)時，可根據(jù)用戶所處的基站號，確定用戶的行動軌跡和方向。

車輛行駛軌跡和方向確定后，通過單個基站計算實現(xiàn)車輛的定位，如圖4所示，O為蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的一個基站，A、B、C分別為高速公路上移動臺的位置。

圖4　單個基站公路定位技術(shù)

根據(jù)高速公路的線性特征，穿過當(dāng)前基站的覆蓋范圍，確定移動臺與基站之間的距離后，結(jié)合公路與基站覆蓋范圍內(nèi)所相交的弦，以及車輛的行駛方向，即可獲取移動臺的位置信息。

定義1車輛與基站之間距離為

Ri=cti(1 ≤i≤n)。

(1)

其中，Ri為第i時刻所測得車輛與基站之間的距離，c為電磁波的傳播速度，ti為第i時刻所測得電磁波在車載終端到基站之間的傳輸時間。

定義2以基站為圓心，以車輛與基站之間的距離為半徑的圓，可表示為

(2)

其中，(xi, yi)為車輛在不同時刻的坐標(biāo)，(x, y)為基站坐標(biāo)。

定義3高速公路線性表達公式為

(3)

其中，(xa, ya),(xb, yb)為基站覆蓋范圍內(nèi)，高速公路上任意兩點的坐標(biāo)。由于高速公路和基站的位置已知并固定，因此，事先可測得任意兩點的坐標(biāo)信息，得到公式(3)。

具體算法如下：

實時測得第i時刻電磁波在車載終端到基站之間的傳輸時間ti，根據(jù)公式(1)可求得車輛與基站之間的距離

Ri= cti，

根據(jù)公式(3)可得

將上式代入式(2)可得

通過計算求得xi1和xi2。將xi1、xi2代入公式(3)中，分別求出yi1和yi2。

當(dāng)xi1=xi2，并且yi1=yi2時，單點的坐標(biāo)即為車輛的具體位置；當(dāng)xi1≠xi2，或者yi1≠yi2時，根據(jù)車輛運行的方向，和相同結(jié)果出現(xiàn)的頻次，即可確定移動終端的位置。如該結(jié)果首次出現(xiàn)，則移動終端的位置為靠近出發(fā)方向的點的坐標(biāo)；當(dāng)該結(jié)果再次出現(xiàn)時，移動終端的位置則為靠近目的方向的點的坐標(biāo)。

2　系統(tǒng)功能設(shè)計

2.1應(yīng)急服務(wù)功能設(shè)計

高速公路車輛應(yīng)急服務(wù)設(shè)計總體方案，如圖5所示。

圖5　應(yīng)急服務(wù)總體方案

圖5中，移動網(wǎng)絡(luò)位置業(yè)務(wù)在高速公路上應(yīng)急服務(wù)分為兩部分。一部分，終端用戶通過移動網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計發(fā)生事故車輛的當(dāng)前位置信息，該信息通過位置業(yè)務(wù)開放系統(tǒng)報告給監(jiān)控中心；另一部分，監(jiān)控中心利用接收到的位置信息，對所有進入高速公路，以及在該基站范圍內(nèi)的用戶發(fā)放消息，通知減速避讓等措施。

應(yīng)急服務(wù)總體方案業(yè)務(wù)流程，如圖6所示。

圖6　應(yīng)急服務(wù)的業(yè)務(wù)流程

應(yīng)急服務(wù)總體方案流程分別為：

A流程表示事故終端向位置服務(wù)中心的認證服務(wù)器發(fā)送事故請求；

B流程表示位置服務(wù)中心對事故發(fā)起者認證授權(quán)；

C流程表示位置服務(wù)中心向綜合業(yè)務(wù)管理平臺發(fā)起認證計費請求；

D流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺處理認證計費請求；

E流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺返回認證計費請求；

F流程表示位置服務(wù)中心向定位操作平臺發(fā)起定位請求；

G流程表示定位操作平臺將查到的位置信息返回給位置服務(wù)中心；

H流程表示位置服務(wù)中心根據(jù)返回的位置信息通知監(jiān)控中心；

I流程表示監(jiān)控中心向位置服務(wù)中心請求，查詢事故所在基站號內(nèi)的、并在駛?cè)敫咚俟窌r，查詢登記過的所有終端用戶；

J流程表示位置服務(wù)中心應(yīng)監(jiān)控中心的要求，通知所在區(qū)域的所有終端用戶；

K流程表示移動定位平臺向綜合業(yè)務(wù)管理平臺發(fā)起認證計費確認請求；

L流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺向移動定位平臺返回認證計費確認應(yīng)答；

M流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺產(chǎn)生計費單。

2.2車輛定位功能設(shè)計

車輛定位功能的設(shè)計，其車輛定位位置服務(wù)方案，如圖7所示。

圖7中，監(jiān)控中心作為本地坐標(biāo)系應(yīng)用的一個SP通過綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)接入到移動網(wǎng)絡(luò)中，監(jiān)控中心人員向車輛發(fā)起位置服務(wù)申請；位置服務(wù)中心通過綜合業(yè)務(wù)管理平臺，對該請求進行鑒權(quán)，若鑒權(quán)通過，則對所要檢測的用戶同意開放本地坐標(biāo)系，向移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)起被定位用戶的位置請求；移動網(wǎng)絡(luò)通過定位操作平臺,將用戶位置信息發(fā)送給位置服務(wù)中心，反饋回監(jiān)控中心。

圖7車輛定位具體的位置服務(wù)方案

監(jiān)控中心中基于小區(qū)號實現(xiàn)定位業(yè)務(wù)流程，如圖8所示。

圖8　監(jiān)控中心中基于小區(qū)號實現(xiàn)定位

監(jiān)控中心中基于小區(qū)號實現(xiàn)定位的業(yè)務(wù)流程分別為:

a流程表示監(jiān)控中心向綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)發(fā)送對某一車輛的定位請求；

b流程表示綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)對所要定位的車輛進行認證授權(quán)；

c流程表示綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)向位置服務(wù)中心發(fā)布所要開放的移動位置服務(wù)應(yīng)用；

d流程表示綜合業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)向綜合業(yè)務(wù)管理平臺發(fā)起認證計費請求；

e流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺處理認證計費請求；

f流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺返回認證計費請求；

g流程表示位置服務(wù)中心向定位操作平臺的移動定位平臺，發(fā)起定位請求；

h流程表示移動定位平臺向位置服務(wù)中心檢查發(fā)起定位的監(jiān)控中心，是否有權(quán)獲取目標(biāo)移動終端的位置信息；

i流程表示移動定位平臺發(fā)送SMSREQ給目標(biāo)用戶的原籍位置寄存器，檢測移動車輛終端漫游地的服務(wù)移動交換中心地址；

j流程表示原籍位置寄存器判定移動車輛終端是否處于激活狀態(tài)，并返回SMSREQ給移動定位平臺，這時移動定位平臺獲得移動車輛終端漫游地服務(wù)移動交換中心地址；

k流程表示移動定位平臺發(fā)送ISPOSREQ消息給服務(wù)移動交換中心，用于獲取被定位移動車輛終端當(dāng)前所在的服務(wù)扇區(qū)的信息；

l流程表示服務(wù)移動交換中心返回ISPOSREQ消息給移動定位平臺，該消息封裝了移動車輛終端的無線環(huán)境信息；

m流程表示移動定位平臺根據(jù)其數(shù)據(jù)庫中存儲的用戶漫游地的位置，計算實體信息，選擇合適的位置，計算實體，向其發(fā)送GPOSREQ消息，該消息中，封裝了相關(guān)的扇區(qū)信息和無線環(huán)境信息；

n流程表示位置計算實體將服務(wù)扇區(qū)信息、無線環(huán)境信息等轉(zhuǎn)化為粗精度位置信息，通過GPOSREQ消息返回給移動定位平臺，該消息包括所要測定的位置結(jié)果；

o流程表示移動定位平臺將位置結(jié)果返回給位置服務(wù)中心，并在數(shù)據(jù)服務(wù)器中進行存儲，對需要實現(xiàn)目標(biāo)終端跟蹤的需重復(fù)g到o；

p流程表示位置服務(wù)中心向監(jiān)控中心返回定位結(jié)果；

q流程表示移動定位平臺向綜合業(yè)務(wù)管理平臺發(fā)起認證計費確認請求；

r流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺向移動定位平臺返回認證計費確認應(yīng)答；

s流程表示綜合業(yè)務(wù)管理平臺產(chǎn)生計費單。

3　系統(tǒng)仿真實現(xiàn)

根據(jù)現(xiàn)有的位置軟件開發(fā)包(Software Development Kit,SDK)和應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface，API)，在基于安卓系統(tǒng)的移動終端上對以上功能進行模擬仿真實驗，通過基于移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多基站輔助單基站計算定位技術(shù)，完成車載移動終端用戶對自身的定位服務(wù)、查詢服務(wù)和上報位置信息服務(wù)，實現(xiàn)應(yīng)急服務(wù)中的報警系統(tǒng)，如下所示。

(1) 系統(tǒng)登錄及注冊

系統(tǒng)安裝成功后，點擊進入主界面進行用戶登錄，用戶首次使用可在注冊界面設(shè)置用戶名、密碼、確認密碼等信息，用戶名必須是駛?cè)敫咚俟分械能嚺铺?。系統(tǒng)將這些注冊信息通過HTTP協(xié)議傳輸?shù)杰囕v監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對這些信息進行管理與監(jiān)控。

(2) 主界面

點擊“登錄”或者完成“注冊”進入高速公路位置服務(wù)中心的主界面，系統(tǒng)功能主要包括：定位服務(wù)、查詢服務(wù)和上報位置信息。

(3) 定位服務(wù)

用戶通過定位服務(wù)，測量自己的位置信息，包括定位的“經(jīng)度”、“緯度”和“地址”等信息。如需要查看地圖信息，可通過調(diào)用地圖的API來顯示當(dāng)前的地圖位置信息。如圖9所示，通過點擊定位，可在地圖上看到定位的“我的位置”。

圖9　定位服務(wù)

(4) 查詢服務(wù)

用戶根據(jù)自身需求輸入所要提供的“經(jīng)度”、“緯度”或者“地址”等位置信息，點擊“查詢”按鈕就可實現(xiàn)位置查詢服務(wù)，利用地圖查看大致的位置，如圖10所示。

圖10　查詢服務(wù)

(5) 上報位置信息

在發(fā)生緊急事故時，車載終端用戶可以直接點擊“位置信息上報”來反應(yīng)事故出發(fā)的“經(jīng)度”、“緯度”或者“地址”信息，在此過程中，系統(tǒng)可通過移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)自動定位，并將定位信息以xml文件發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器中，監(jiān)控中心根據(jù)地圖和經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換查找事故發(fā)生的地點，如圖11所示。

圖11　上報位置信息

4　結(jié)語

針對目前位置服務(wù)業(yè)務(wù)的廣泛使用，采用基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的多基站輔助單基站計算定位技術(shù)，進行高速公路車輛的位置管理，結(jié)合蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動業(yè)務(wù)開放的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建出高速公路位置服務(wù)系統(tǒng)模型。同時，設(shè)計了高速公路車輛應(yīng)急方案和車輛定位的位置服務(wù)方案，并通過安卓平臺進行仿真實驗，實驗表明，蜂窩網(wǎng)絡(luò)多基站輔助單基站計算定位技術(shù)有效。

[1]唐科萍,許方恒,沈才樑.基于位置服務(wù)的研究綜述[J/OL].計算機應(yīng)用研究,2012,29(12):4432-4436[2016-02-25].http://www.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?QueryID=15&CurRec=1&recid=&filename=JSYJ201212007. DOI:10.3969/j.issn.1001-3695.2012.12.006.

[2]鄧中亮,尹露,楊磊,等.基于聯(lián)邦卡爾曼的GPS/基站定位信息融合算法[J/OL].北京郵電大學(xué)學(xué)報,2013,36(6):32-36[2016-02-25].http://www.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?QueryID=19&CurRec=1&recid=&filename=BJYD201306007. DOI:10.13190 /j.jbupt.2013.06.007.

[3]王肖楠,張興波,李炳祥.基于GPRS和基站定位的城市公交監(jiān)控裝置[J/OL].電子技術(shù)應(yīng)用, 2013,39(2):39-41[2016-02-26].http://www.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?QueryID=23&CurRec=1&recid=&filename=DZJY201302022. DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2013.02.038.

[4]周康磊,毛永毅.基于殘差加權(quán)的Taylor級數(shù)展開的TDOA無線定位算法[J/OL].西安郵電大學(xué)學(xué)報,2010,15(3):10-13[2016-02-28].http://www.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?QueryID=27&CurRec=1&recid=&filename=XAYD201003005.DOI:10.13682/j.issn.2095-6533.2010.03.014.

[5]楊潔.空間四站時差定位算法及其性能分析[J/OL].西安郵電大學(xué)學(xué)報,2012,17(2):13-16[2016-03-01].http://www.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?QueryID=31&CurRec=1&recid=&filename=XAYD201202005.DOI:10.13682/j.issn.2095-6533.2012.02.013.

[6]屈軍鎖,侯曉寧,張繼榮，等.四基站時差和牛頓迭代法的三圍定位算法[J/OL].西安郵電大學(xué)學(xué)報,2015,20(2):36-40[2016-03-02].http://www.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?QueryID=35&CurRec=1&recid=&filename=XAYD201502009.DOI:10.13682/j.issn.2095-6533.2015.02.008.

[7]趙泰洋,郭成安,金明錄.一種基于RFID原理的交通信息獲取系統(tǒng)與車輛定位方法[J/OL]. 電子與信息學(xué)報,2010,32(11):2612-2617[2016-03-05].http://www.cnki.net/KCMS/detail/detail.aspx?QueryID=39&CurRec=1&recid=&filename=DZYX201011015.DOI:10.3724/SP.J.1146.2009.01530.

[8]曹紅杰,陳應(yīng)東,劉丹.位置服務(wù)理論、技術(shù)與實踐[M].北京:科學(xué)出版社,2015:1-21.

[責(zé)任編輯:汪湘]

A location service system of expressway based on cellular network

LI Lin1,DU Cheng2,WU Siqi3

(1.Information Center, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China; 2.School of Computer Science and Technology, Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China; 3. College of Computer Science, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

In order to solve the problem of expressway vehicle location, based on cellular network positioning technology, a localization algorithm of single base station assisted with multi base station is presented. Combined with network structure of service model in mobile networks, a expressway vehicle location service system model based on cellular network positioning technology is proposed, and the location management process is further designed. The system functions are finalized on the Android platform, and the services of vehicle emergency and location can be provided through the simulation experiment.

cellular network, location service, expressway, positioning technology.

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.04.020

2016-02-30

李林(1982-)，女，碩士，工程師，從事計算機應(yīng)用研究。E-mail:lilin@xupt.edu.cn

杜程(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為云計算理論與應(yīng)用。E-mail:781534706@qq.com

TP393

A

2095-6533(2016)04-0102-07