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中國(guó)地震局地震研究所 楊博雄
移動(dòng)定位的主要方案
根據(jù)移動(dòng)定位的基本原理，目前技術(shù)上實(shí)現(xiàn)移動(dòng)定位的方案可以劃分為三大類：基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)方案、基于移動(dòng)終端的技術(shù)方案以及兩者的結(jié)合方案。
1．基于網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)
起源蜂窩小區(qū)COO(Cell Of Origin)定位技術(shù)
起源蜂窩小區(qū)定位技術(shù)是根據(jù)移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)標(biāo)識(shí)號(hào)ID來(lái)確定用戶的位置。移動(dòng)臺(tái)在當(dāng)前小區(qū)注冊(cè)后，在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中就會(huì)有相對(duì)應(yīng)的小區(qū)ID號(hào)。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(dòng)臺(tái)，這些移動(dòng)臺(tái)就能知道自己處在什么地方，查詢數(shù)據(jù)庫(kù)即可獲取位置信息。該定位方案的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需對(duì)網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)進(jìn)行修改，響應(yīng)時(shí)間短。但它的定位精度取決于小區(qū)的半徑。
抵達(dá)時(shí)間TOA(Time Of Arrival)定位技術(shù)
它是基于測(cè)量信號(hào)從移動(dòng)臺(tái)發(fā)送出去并到達(dá)消息測(cè)量單元(3個(gè)或更多基站)的時(shí)間來(lái)定位。移動(dòng)臺(tái)位于以基站為圓心、移動(dòng)臺(tái)到基站的電波傳播距離為半徑的圓上。通過(guò)多個(gè)基站進(jìn)行計(jì)算，移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)可由3個(gè)圓的交點(diǎn)確定。但是，與下面要介紹的增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差定位技術(shù)E-OTD不同的是，它沒(méi)有使用位置測(cè)量單元，因此，必須通過(guò)與在基站上安裝了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)或原子鐘的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的同步來(lái)實(shí)現(xiàn)。
角度到達(dá)AOA(Arrival Of Angle)定位技術(shù)
該技術(shù)根據(jù)信號(hào)到達(dá)的角度，確定移動(dòng)臺(tái)相對(duì)于基站的角度關(guān)系，只要測(cè)量一個(gè)移動(dòng)臺(tái)距兩個(gè)基站的信號(hào)到達(dá)角度，就可以確定出移動(dòng)臺(tái)的位置。信號(hào)到達(dá)角度測(cè)量需要定向天線，雖然理論上這種測(cè)量在基站和移動(dòng)臺(tái)都可以進(jìn)行，但為了保證輕便性，并不適宜在移動(dòng)終端上使用。角度到達(dá)定位技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，優(yōu)點(diǎn)是可以在話音信道上工作，不需要高精度的系統(tǒng)定時(shí)。但缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的天線，易出現(xiàn)定位盲點(diǎn)，實(shí)施成本較高。
抵達(dá)時(shí)間差異TDOA(Time Difference Of Arrival)定位技術(shù)
該定位技術(shù)是通過(guò)檢測(cè)信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差，而不是到達(dá)的絕對(duì)時(shí)間來(lái)確定移動(dòng)臺(tái)位置的，降低了對(duì)時(shí)間的同步要求。移動(dòng)臺(tái)定位于以兩個(gè)基站為焦點(diǎn)的雙曲線方程上。確定移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)需要建立兩個(gè)以上雙曲線方程，兩條雙曲線即為移動(dòng)臺(tái)的二維位置坐標(biāo)。由于這種定位技術(shù)不要求移動(dòng)臺(tái)和基站之間的同步。因此在誤差環(huán)境下性能相對(duì)優(yōu)越，在蜂窩通信系統(tǒng)的定位技術(shù)中備受關(guān)注。它也是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，優(yōu)點(diǎn)是精度較高，實(shí)現(xiàn)容易。缺點(diǎn)是為了保證定時(shí)精度，需要改造基站設(shè)備。
增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差E-OTD(Enhanced-Observed Time Difference)定位技術(shù)
該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理是：手機(jī)對(duì)服務(wù)小區(qū)基站和周圍幾個(gè)基站進(jìn)行測(cè)量，算出測(cè)量數(shù)據(jù)之間的時(shí)間差，并用此計(jì)算用戶相對(duì)于基站的位置。增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差定位技術(shù)是基于網(wǎng)絡(luò)的定位方案，是目前使用最多的技術(shù)，也是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化組織(ETSI)建議使用的主要技術(shù)。
2．基于移動(dòng)終端的定位技術(shù)
基于終端的定位技術(shù)主要指移動(dòng)終端計(jì)算出自己所處的位置。這種技術(shù)主要有GPS、A－GPS（Assisted GPS）和E－OTD（Enhanced Observed Time Difference）等幾種。
GPS
全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS是70年代初美國(guó)出于軍事目的開(kāi)發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)于80年代初投入使用。出于軍事目的考慮，美國(guó)政府人為降低了民用GPS的定位精度，稱為SA（Selective Availability）政策，但此政策已于2000年5月取消，這樣GPS在天空晴朗時(shí)，可以獲得5～40米的精度。
GPS主要是利用幾顆衛(wèi)星的測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算一個(gè)移動(dòng)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)側(cè)處理。GPS可用于車輛導(dǎo)航和手持設(shè)備。
PS定位一般可采用四顆定位衛(wèi)星，GPS定位是基于到達(dá)時(shí)間（TOA）機(jī)理。四個(gè)衛(wèi)星定位，接收機(jī)的位置和時(shí)鐘偏差表達(dá)式如下：
其中X1Y1Z1、X2Y2Z2、X3Y3Z3、X4Y4Z4為已知衛(wèi)星P1、P2、P3、P4測(cè)量出的偽距，C為光速，dti為已知衛(wèi)星時(shí)鐘與GPS時(shí)間偏差，dt為未知接收機(jī)與GPS時(shí)間偏差。衛(wèi)星的時(shí)鐘偏差由接收機(jī)從衛(wèi)星導(dǎo)頻信息中取得。平方根項(xiàng)代表衛(wèi)星與接收機(jī)之間距【2】。
對(duì)于GPS接收機(jī)有四種主要功能：用偽距決定衛(wèi)星與接收機(jī)之間距離；從衛(wèi)星發(fā)出的信息中提取TOA；求出衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)（信號(hào)到達(dá)時(shí)），計(jì)算衛(wèi)星的位置；確定接收機(jī)位置和接收機(jī)時(shí)鐘偏差。
GPS芯片生產(chǎn)廠家不斷提高GPS芯片的集成度，目前芯片已做到成本低、功率效率較高，只需一片就可以實(shí)現(xiàn)所有功能。
A-GPS
采用GPS直接對(duì)MS定位，首次定位可能需要10分鐘左右的時(shí)間，因此對(duì)于像E911（110）這類業(yè)務(wù)，是不允許的。利用輔助GPS作定位，傳輸一些輔助數(shù)據(jù)，這樣可以大大縮小代碼搜索窗口和頻率搜索窗口，使得定位時(shí)間降至幾秒鐘。
A－GPS是網(wǎng)絡(luò)輔助GPS，它使用固定位置GPS接收機(jī)獲得移動(dòng)終端的補(bǔ)充信息數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)使移動(dòng)用戶接收機(jī)不必譯碼實(shí)際消息就可以進(jìn)行定時(shí)測(cè)量，固定GPS接收機(jī)一般距離間隔為200公里～400公里，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。
A－GPS大大減少了移動(dòng)用戶GPS接收機(jī)計(jì)算位置所需的時(shí)間。未利用輔助信息時(shí)，首次俘獲目標(biāo)（TTFF：Time－to－First－Fix）需要20－45秒，采用輔助信息時(shí)，TTFF降至1－8秒。
輔助數(shù)據(jù)可以每小時(shí)廣播1次，因此，提供輔助數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成的影響很小。
E-TOD
增強(qiáng)型觀察時(shí)間差E－OTD在終端上實(shí)現(xiàn)定位，僅需要使用軟件計(jì)算。為了在IDLE模式（終端不處理呼叫）和專用模式（終端處理呼叫）下運(yùn)行E－OTD算法，終端必須有足夠的處理能力和存儲(chǔ)容量。
E－OTD定位方法是手機(jī)根據(jù)服務(wù)小區(qū)基站和周圍幾個(gè)基站的測(cè)量數(shù)據(jù)，算出它們之間的時(shí)間差，時(shí)間差被用于計(jì)算用戶相對(duì)于基站的位置。
與E－OTD相關(guān)的基本量有三個(gè)：觀察時(shí)間差OTD、真實(shí)時(shí)間差RTD和地理位置時(shí)間差GTD。OTD是MS觀察到的兩個(gè)不同位置BTS信號(hào)的接收時(shí)間差；RTD是兩個(gè)BTS之間的系統(tǒng)時(shí)間差；GTD是兩個(gè)BTS到MS由于距離差而引起的傳輸時(shí)間差。
設(shè)d1為BTS1與MS之間的距離，d2為BTS2與MS之間的距離，則：
GTD=| d2－d1 | / v ，式中v為無(wú)線電波速度。
上述三個(gè)量之間關(guān)系為：OTD=RTD+GTD
當(dāng)基站都同步時(shí)，則RTD＝0。
在E－OTD方法中，要取得正確結(jié)果，BTS數(shù)目至少為三個(gè)，位于不同的地理位置，并且重要的一條是基站同步。同步基站最常用的方法是基站安裝固定GPS接收機(jī)。
E－OTD的精度可達(dá)125米。與應(yīng)用GPS定位方法的區(qū)別是，E－OTD定位不依賴于天氣，而GPS定位在天氣晴朗時(shí)，效果良好。
3．混合定位技術(shù)
混合定位技術(shù)即利用移動(dòng)終端定位功能與網(wǎng)絡(luò)定位功能的結(jié)合。聯(lián)合定位的典型代表是，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方案也需要在手機(jī)內(nèi)增加GPS接收機(jī)模塊，并改造手機(jī)天線，但手機(jī)本身并不對(duì)位置信息進(jìn)行計(jì)算，而是將GPS的位置信息數(shù)據(jù)傳給移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)絡(luò)的定位服務(wù)器進(jìn)行位置計(jì)算，同時(shí)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)按照GPS的參考網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的輔助數(shù)據(jù)，如差分校正數(shù)據(jù)、衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)等傳遞給手機(jī)，并從數(shù)據(jù)庫(kù)中查出手機(jī)的近似位置傳給手機(jī)。這時(shí)手機(jī)可以很快捕捉到GPS信號(hào)，這樣的首次捕獲時(shí)間將大大減小，一般僅需幾秒的時(shí)間。不需像GPS的首次捕獲時(shí)間可能要2～3分鐘。而精度也僅為幾米，高于GPS的精度【3】。
結(jié)束語(yǔ)
目前移動(dòng)定位技術(shù)還在不斷的發(fā)展，在移動(dòng)定位系統(tǒng)的定位精度和準(zhǔn)確度、移動(dòng)定位信息的獲取和處理、移動(dòng)定位應(yīng)用等方面還在進(jìn)行著研究和探索。我們相信，伴隨著移動(dòng)定位理論的成熟以及相關(guān)技術(shù)的不斷完善，移動(dòng)定位服務(wù)將越來(lái)越受到人們的青睞，越來(lái)越能滿足人們的各種要求。
摘自 通信市場(chǎng)
