移動(dòng)定位技術(shù)的研究與應(yīng)用

　　美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）于1996年下達(dá)指示要求移動(dòng)運(yùn)營商為移動(dòng)電話用戶提供E-911（緊急救援）服務(wù)，這就要求對所有移動(dòng)電話用戶實(shí)現(xiàn)定位功能，同時(shí)，F(xiàn)CC又于1999年對定位精度做出新的要求。

　　FCC的這些舉措大大促進(jìn)了關(guān)于定位技術(shù)及其服務(wù)業(yè)務(wù)研究的發(fā)展，很多國家開始致力于研究商用定位技術(shù)并推出了各具特色的商用定位服務(wù)。近幾年，全球移動(dòng)用戶的數(shù)量迅猛發(fā)展，為商用位置服務(wù)提供了極其誘人的市場前景。有關(guān)報(bào)道預(yù)測，2006年全球移動(dòng)用戶的半數(shù)有望成為位置服務(wù)用戶，其業(yè)務(wù)收入可達(dá)185億美元。相關(guān)的位置服務(wù)業(yè)務(wù)可包括：緊急求救電話服務(wù)、物流管理、商業(yè)求助電話服務(wù)、個(gè)人問詢服務(wù)、車輛導(dǎo)航服務(wù)、特定跟蹤服務(wù)等等。

　　1、移動(dòng)定位技術(shù)

　　移動(dòng)定位技術(shù)是利用無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，通過對接收到的無線電波的一些參數(shù)進(jìn)行測量，根據(jù)特定的算法對某一移動(dòng)終端或個(gè)人在某一時(shí)間所處的地理位置進(jìn)行精確測定，以便為移動(dòng)終端用戶提供相關(guān)的位置信息服務(wù)，或進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測和跟蹤。根據(jù)移動(dòng)定位的基本原理，移動(dòng)定位大致可分為兩類：基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)和基于移動(dòng)終端的定位技術(shù)，還有的把這兩者的混合定位作為第三種定位技術(shù)。

　　1.1　基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)

　　基于Cell-ID的定位技術(shù)：該技術(shù)又稱起源蜂窩小區(qū)（Cell Of Origin）定位技術(shù)。每個(gè)小區(qū)都有自己特定的小區(qū)標(biāo)識號（Cell-ID），當(dāng)進(jìn)入某一小區(qū)時(shí)，移動(dòng)終端要在當(dāng)前小區(qū)進(jìn)行注冊，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中就會有相應(yīng)的小區(qū)ID標(biāo)識。系統(tǒng)根據(jù)采集到的移動(dòng)終端所處小區(qū)的標(biāo)識號來確定移動(dòng)終端用戶的位置。這種定位技術(shù)在小區(qū)密集的地區(qū)精度較高且易于實(shí)現(xiàn)，無需對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)做較大的改動(dòng)，得到廣泛的應(yīng)用。

　　到達(dá)時(shí)間TOA（Time Of Arrival）定位技術(shù)：移動(dòng)終端發(fā)射測量信號到達(dá)3個(gè)以上的基站，通過測量到達(dá)所用的時(shí)間（須保證時(shí)間同步），并施以特定算法的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對移動(dòng)終端的定位。在該算法中，移動(dòng)終端位于以基站為圓心，移動(dòng)終端和基站之間的電波傳輸距離為半徑的圓上，三個(gè)圓的交點(diǎn)即為移動(dòng)終端所在的位置。

　　到達(dá)時(shí)間差TDOA（Time Difference 0f Arrival）定位技術(shù)：移動(dòng)終端對基站進(jìn)行監(jiān)聽并測量出信號到達(dá)兩個(gè)基站的時(shí)間差，每兩個(gè)基站得到一個(gè)測量值，形成一個(gè)雙曲線定位區(qū)，這樣，三個(gè)基站得到2個(gè)雙曲線定位區(qū)，求解出它們的交結(jié)點(diǎn)并施以附加條件就可以得到移動(dòng)終端的確切位置。由于所測量為時(shí)間差而非絕對時(shí)間，不必滿足時(shí)間同步的要求，所以TDOA備受關(guān)注。

　　增強(qiáng)型觀測時(shí)間差E-OTD（Enhanced-Observed Time Difference）定位技術(shù)：在無線網(wǎng)絡(luò)中放置若干位置接收器或參考點(diǎn)作為位置測量單元LMU，參考點(diǎn)都有一個(gè)精確的定時(shí)源，當(dāng)具有E-OTD功能的手機(jī)和LMU接收到3個(gè)以上的基站信號時(shí)，每個(gè)基站信號到達(dá)兩者的時(shí)間差將被算出來，從而估算出手機(jī)所處的位置。這項(xiàng)定位技術(shù)定位精度較高但硬件實(shí)現(xiàn)也復(fù)雜。

　　角度達(dá)到AOA（Arrival of Angle）定位技術(shù)：這種定位技術(shù)的首要條件是基站需裝設(shè)陣列智能天線。通過這種天線測出基站與發(fā)送信號的移動(dòng)終端之間的角度，進(jìn)一步確定兩者之間的連線，這樣移動(dòng)終端與兩個(gè)基站可得到兩條連線，其交點(diǎn)即為待測移動(dòng)終端的位置。該定位技術(shù)的缺點(diǎn)是所需智能天線要求較高，且有定位盲點(diǎn)。

　　1.2　基于移動(dòng)終端的定位技術(shù)

　　該定位技術(shù)的原理是：多個(gè)已知位置的基站發(fā)射信號，所發(fā)射信號攜帶有與基站位置有關(guān)的特征信息，當(dāng)移動(dòng)終端接收到這些信號后，確定其與各基站之間的幾何位置關(guān)系，并根據(jù)相關(guān)算法對其自身位置進(jìn)行定位估算，從而得到自身的位置信息。具有較高的定位精度。但其致命的缺陷是需要手機(jī)參與定位參數(shù)的測量并進(jìn)行坐標(biāo)位置的計(jì)算，必須對手機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的軟硬件加以改造或升級，目前傾向的做法是在手機(jī)內(nèi)集成GPS接收機(jī)，加大了手機(jī)的能耗，而且從商用角度來看很難做到大面積的推廣和使用。

　　目前已提出的基于移動(dòng)終端的定位技術(shù)主要包括：下行鏈路觀測到達(dá)時(shí)間差（OTDOA）方法、基于GPS的定位技術(shù)，如差分GPS（DGPS）、輔助GPS（A-GPS）等。根據(jù)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，我們把重點(diǎn)集中于DGPS和A-GPS上：（1）GPS定位技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，由于其定位精度高、覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，在軍事用途中發(fā)揮著巨大的作用，近幾年開始向各個(gè)領(lǐng)域滲透并得到廣泛的應(yīng)用。差分GPS技術(shù)可以提高GPS系統(tǒng)的定位精度。原理是：基準(zhǔn)接收機(jī)對自己實(shí)施定位，得到的定位結(jié)果與自己的確知的地理位置相比較得到差值，該差值被用作公共誤差修正值，對與基準(zhǔn)接收處于同一區(qū)域且共用四顆衛(wèi)星進(jìn)行定位的移動(dòng)接收機(jī)來說，它們顯然具有相同的公共誤差。因此借助于公共誤差修正值可以修正移動(dòng)接收機(jī)的定位結(jié)果，從而提高定位精度。 （2）采用GPS對移動(dòng)臺直接定位時(shí)，首次定位需要較長的時(shí)間，這對于緊急救援的業(yè)務(wù)是不允許的。A-GPS可以有效地解決這個(gè)問題。利用輔助GPS進(jìn)行定位時(shí)，GPS參考網(wǎng)絡(luò)可將輔助的定位信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送給移動(dòng)臺，可減小搜索時(shí)間，使定位時(shí)間降至幾秒鐘，而且輔助的定位信息也為在信號嚴(yán)重衰落的市區(qū)或室內(nèi)應(yīng)用GPS定位技術(shù)提供了可能。另外，由于在兩次定位間歇期間GPS接收機(jī)可處于休眠狀態(tài)，所以可以降低手機(jī)的能耗。綜上所述，AGPS彌補(bǔ)傳統(tǒng)的GPS定位技術(shù)的缺陷，使得GPS突破定位界限實(shí)現(xiàn)室內(nèi)GPS定位。

　　2、室內(nèi)定位技術(shù)

　　2.1　光跟蹤定位系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)種類繁多，但都要求所跟蹤目標(biāo)和探測器之間線性可視，這就把它的應(yīng)用局限到了僅室內(nèi)的范圍且須保證所監(jiān)測的目標(biāo)是不透明的。在視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，往往采用在被監(jiān)控的環(huán)境中安裝多臺攝像設(shè)備，這些攝像設(shè)備可連接到一臺或幾臺視頻監(jiān)控器上，通過視頻監(jiān)控器，對觀察對象進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)控，有的甚至可以進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)存儲。光定位技術(shù)也被應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)，通過固定的紅外線攝像機(jī)和很多紅外線發(fā)光二極管的一系列協(xié)同配合，達(dá)到定位的目的。由于其本身的特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)高精度的光定位技術(shù)，其配備要求比較復(fù)雜。

　　2.2　室內(nèi)GPS定位技術(shù)

　　當(dāng)GPS接收機(jī)在室內(nèi)工作時(shí)，由于信號受建筑物的影響而大大衰減到十分微弱的地步，要想達(dá)到室外一樣直接從衛(wèi)星廣播中提取導(dǎo)航數(shù)據(jù)和時(shí)間信息是不可能的。為了得到較高的信號靈敏度，就需要延長在每個(gè)碼延遲上的停留時(shí)間，A-GPS技術(shù)為這個(gè)問題的解決提供了可能性。室內(nèi)GPS技術(shù)采用大量的相關(guān)器并行地搜索可能的延遲碼，同時(shí)，也有助于實(shí)現(xiàn)快速定位。這種室內(nèi)GPS定位技術(shù)由于需要在手機(jī)內(nèi)集成GPS接收器，決定了它的應(yīng)用受限性，為此，把具有該功能的手機(jī)價(jià)格降到人們可以承受的范圍內(nèi)成了室內(nèi)GPS技術(shù)追求的目標(biāo)之一。普通GPS接收機(jī)正朝著單片機(jī)的方向發(fā)展，并努力實(shí)現(xiàn)把GPS的RF電路和多相關(guān)器電路集成人手機(jī)現(xiàn)存的RF芯片和綜合數(shù)字芯片中。

　　2.3　超聲波定位技術(shù)（Ultrasonic Positioning Technologies）

　　該技術(shù)由于其成本低、結(jié)構(gòu)簡單易于實(shí)現(xiàn)而被人們廣泛采用。目前，市場上的超聲波收、發(fā)器技術(shù)成熟且價(jià)格低廉，因此應(yīng)用較為廣泛。超聲波測距大都采用反射式測距法，即發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生回波，根據(jù)回波與發(fā)射波的時(shí)間差計(jì)算出待測距離，有的則采用單向測距法。超聲波定位系統(tǒng)可由若干個(gè)應(yīng)答器和一個(gè)主測距器組成，主測距器放置在被測物體上，在微機(jī)指令信號的作用下向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同頻率的無線電信號，應(yīng)答器在收到無線電信號后同時(shí)向主測距器發(fā)射超聲波信號，得到主測距器與各個(gè)應(yīng)答器之間的距離。當(dāng)同時(shí)有三個(gè)或三個(gè)以上不在同一直線上的應(yīng)答器做出回應(yīng)時(shí)，我們可以根據(jù)相關(guān)計(jì)算確定出被測物體所在的二維坐標(biāo)系下的位置。我們在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)下基于超聲波技術(shù)的3D定位系統(tǒng)的研制中采用超聲波定位技術(shù)，為了克服超聲波聲吸收嚴(yán)重而影響其傳輸距離的缺陷，我們決定不采用反射測距法而是用單向測距法。

　　2.4　藍(lán)牙技術(shù)（Bluetooth）

　　該技術(shù)是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù)，支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)?？梢詫?shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的短距離無線互聯(lián)。在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/藍(lán)牙/" target="_blank">藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，把網(wǎng)絡(luò)配置成基于多用戶的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接模式，并保證藍(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)始終是這個(gè)微微網(wǎng)（piconet）的主設(shè)備（master），就可以獲得用戶的位置信息，實(shí)現(xiàn)利用藍(lán)牙技術(shù)定位的目的。采用該技術(shù)作室內(nèi)短距離定位其優(yōu)點(diǎn)是容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備且信號傳輸不受視距的影響，缺點(diǎn)是目前藍(lán)牙器件和設(shè)備價(jià)格昂貴。

　　3、結(jié)束語

　　移動(dòng)定位技術(shù)在近幾年取得了很大的發(fā)展，尤其是各種技術(shù)的混合研究和應(yīng)用，我們可以揚(yáng)長避短，加速技術(shù)突破的進(jìn)程。但就其商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)來說，目前不過是剛剛起步，除了某些特定的跟蹤或監(jiān)測用途，作為民用的巨大商業(yè)潛力尚待進(jìn)一步的開發(fā)，在未來的手機(jī)業(yè)務(wù)中，位置業(yè)務(wù)服務(wù)很可能帶來巨大的商機(jī)，并給人們帶來極大的便利。另外，室內(nèi)定位技術(shù)有待于進(jìn)一步研究完善，一旦突破的屏障，定位技術(shù)將會出呈現(xiàn)珠聯(lián)璧合之勢，相關(guān)的位置服務(wù)業(yè)務(wù)也必將深人人們的生活。