基于基站的移动台定位

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　　摘要：

　　基于gpsOne技术的移动台定位技术已经在C网实现，而GSM定位方式通常可分为基于网络方式和基于终端方式两种。这里介绍的是一种基于基站的移动台定位技术。

　　关键词：GPSgpsOne JVM J2ME 基于基站的定位

　　一、GPS系统简介

　　1、GPS系统组成

　　GPS（GlobalPositioningSystem）全球定位系统，是美国第二代卫星导航系统，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。系统由三部分组成：

　　空间部分——GPS卫星星座

　　地面控制部分——地面监控系统

　　用户设备部分——GPS信号接收机

　　空间部分——GPS卫星星座

　　由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30 度。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周。对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在使用GPS信号导航定位时，为了计算待测点的三维坐标，必须观测4 颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。

　　地面控制部分——地面监控系统

　　对于导航定位来说，GPS卫星是一个动态已知点。而卫星的位置是依据卫星发射的星历（描述卫星运动及其轨道的参数）计算得到的。每颗卫星播发的星历由地面监控系统提供，卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。其次，地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准，即GPS时间系统。

　　设备部分——GPS信号接收机

　　GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出待测点的三维坐标，甚至三维速度和时间。

　　2、GPS系统定位原理

　　GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。

　　如图所示，假设t时刻在地面待测点上放置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

　　四个方程式中各个参数意义如下：

　　x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。

　　Vto为接收机的钟差。

　　c为GPS信号的传播速度，即光速。

　　di(i=1、2、3、4)为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

　　△ti(i=1、2、3、4)为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

　　di=c△ti(i=1、2、3、4)

　　xi、yi、zi(i=1、2、3、4)为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，由卫星导航电文求得。

　　Vti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。

　　以上四个方程即可计算得到待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。

　　二、手持设备中GPS应用与发展趋势

　　1、手持GPS专用定位系统

　　手持GPS定位系统，是专门为GPS定位设计的手持设备，满足特殊需要的用户在特定环境中使用。一般来说，精度较高，功能较强。不仅具备了GPS的功能，而且有向PDA方面的集成与发展。

　　2、基于gpsOne技术的GPS定位系统

　　联通引入基于SnapTrack技术的gpsOne方案来解决移动台定位问题，它利用C网在数据传输方面的优势，借助MSC的计算能力，使用基站辅助定位的方式，将GPS定位时的一部分计算工作从移动台转换到了MSC，再通过网络将结果（即移动台所处的经纬度）传递给用户。联通 gpsOne和A-GPS系统（GPS辅助系统）在众多定位技术中独树一帜，它将GPS卫星信号和来自基站的范围信息结合起来确定手机或其它设备的位置，既使在建筑物内部和高密度的城市楼群这样的环境中也能大显身手。如图所示

　　基于此技术，中国联通国脉通信大力发展产业链的第二环节，不断完善GIS系统(地理信息系统)，并推出基于BREW（无线二进制运行时环境）的“IGoGo”gpsOne定位应用能提供“找我自己”、“路线查询”、“地图指向”、“城市信息”（例如查找餐馆、商场等）“公交信息”等服务。

　　三、基于基站的移动台定位系统

　　GSM定位方式通常可以分为基于网络方式和基于终端方式两种。从技术方面又可分为到达时间（TOA）、增强测量时间差（E－OTD）和GPS辅助（A－GPS）三种方式。而这里介绍的是另一种不同于上述方式的基于基站的移动台定位技术。

　　1、手机工程模式

　　手机工程模式，顾名思义是指手机在工程测试状态下的模式，它是为移动基站负责维护系统的工程人员或手机工程师判断各种通讯参数而设计的。依据在工程模式中的相关数值，工程师们就无须借助大型维护和控测设备，从而较为准确地掌握基站情况。

　　通常状态下，手机工程模式是隐藏的，对一般用户来说是“透明”的。但是，有些手机用户喜欢像手机工程师一样，借助手机工程模式来研究手机基站位置、信号强弱、电池电压等一些内容。其实开启工程模式不会对手机的使用有任何影响，但在工程模式中不当的操作则会造成手机损坏。因此在工程模式开启后，手机使用上同以前没有什么太大区别，只是会出现许多以前没有的菜单、选项而已。开启手机工程模式的方法多种多样，在这里就不具体介绍了。

　　下面以NOKIA手机工程模式为例，介绍几项与本文相关的参数。

　　LAC-本地区域码(LocationArea Code)

　　CID-基站编号（CellID）,与扇区编号(sector ID)一并列出

　　CH-频道编号（Channel），GSM900的范围是1-124，BC GSM1800的范围是512～885

　　TA-时间前置量(Time Advance)，显示手机和基站间距离。该数值乘以500可换算为米，不过因受电波反射吸收等影响，TA值仅供参考用，TA值范围0～63

　　RxL-信号接收强度，单位：-dBm，范围从-110～0

　　TxPwr-显示通话中手机的功率发射强度(PowerLevel),显示范围0～19

　　2、基于基站的定位

　　基于基站的定位的原理：由于每个基站都有其唯一的CID，在手机每次开机入网时，工程模式中的信息被储存在手机内存的特定区域。通过基站定位，就是通过特定的程序得到工程模式中的CID等一些参数，并将CID与基站所在的地区相对应最终实现移动台定位的目的。

　　这里所说的特定的程序，是在手机上运行的 java 程序，由于Java语言的重要特点是可以在任何操作系统中运行。近些年来，出现了许多支持JAVA的手机，使得手机成为了一台JVM（Java虚拟机）。通过J2ME（Java2PlatformMicro Edition（Java 2 平台微型版））程序来得到手机内存中的CID、LAC、CH、TA、RxL以及TxPwr。得到这些数据以后，还需要一个数据库的支持。这个数据库是CID、LAC与具体的基站位置间的对应，通过CID、LAC可以在这个数据库中查处相应的基站位置。

　　此时，基站位置就确定了，但距离实现移动台的定位还有一定的差距。此时，需要使用CH、TA、RxL、TxPwr这些值作为参数。通过TA可以换算得到移动台距离基站的距离；对于使用定向天线的基站来说，可以通过CH来确定移动台目前所处的扇区；而RxL、TxPwr作为辅助数据，对具体位置做修订。具体见下图。

　　距离L=TA*500+RxL*A+TxPwr*B

　　（其中A为射频信号衰减系数；B为发射功率衰减系数）

　　这样一来，就将移动台定位在某一基站某一扇区，而且移动台与基站的距离也粗略的计算出来了。由此，就可得到移动台所处的轨迹，即图中蓝线所示。如果将上图在城市地图上标明，很容易得到移动台所处的位置。如下图所示

　　目前，类似这样定位思路的java程序已经出现，并在手机使用中得到实际应用。下面以Siemens6688i手机为例作简单介绍。

　　左图，是名为konGPS的java程序，能读出CID和LAC（即Cell）,并将其和内部数据进行比较如果有当前基站信息，则显示基站位置；右图，是名为GPS6688的java程序，它在konGPS的基础上引入了地图，可以将基站位置在地图的相应像素点上标出。虽然这两个程序与上述思想还有稍许差距，但可以明确的看出，这种定位思路是完全可取的，而且以此定位思路的java程序的编制也并不困难。目前，由于没有运营商的支持，类似这样的java程序在位置数据采集上都是采用手动添加方式，没有与CID、LAC对应的位置数据库的支持，但一旦数据库建立，它们将发挥更大的作用。

　　四、几种GPS定位形式的比较

　　从定位精度上而言，手持GPS专用定位系统精度最高，基于gpsOne技术的GPS定位系统次之，而本文介绍的基于基站的移动台定位系统最差。前两者均可得到待测点的具体经纬度坐标，而基于基站的移动台定位系统仅能得到待测点的大体位置，与前两者根本不在一个档次。但考虑到目前我国 GSM网络基站密度较高，在成都等省会城市或厦门等沿海城市的主城区，平均每250米就有一个GSM基站；在广州和上海等大城市的主城区，GSM基站密度甚至到达150~200米左右，所以基于基站的移动台定位系统的精度在大部分城区可以达到100米至150米左右。这样级别的精度，对部分商业定位应用来说是足够了。

　　目前最重要的不是定位的精度，而是GIS(地理信息系统)的建立，这是产业链的第二环节，即移动台附近的餐馆、影院、商场等设施的信息。而且一般用户所关心也只是定位系统能给自己带来那些生活、学习、工作中的便捷，完全是处在使用者的角度来看待这一事物。所以，从性价比方面而言，基于基站的移动台定位系统在现有的网络上基本不需要增加额外的投入就可比较满意的达到定位的效果。

　　五、结束语

　　移动台的定位技术，在实际使用中是较为底层的技术支持。而为手机用户与运营商看中的，是建立在移动台定位技术上的新的服务，即产业链的形成。它不仅方便了手机用户的使用，对运营商在市场战中的表现也提供了强有力的支持。

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