基于手机定位方法的研究与精度分析张帅概要.docx
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基于手机定位方法的研究与精度分析张帅概要
基于手机定位方法的研究与精度分析*
张帅1,范荣双2,梁勇1,王晓1
（1.山东农业大学,信息科学与工程学院,山东泰安271018;
2.中国测绘科学研究院,北京100039
摘要:
对手机定位方法进行研究,通过实验采集数据,对手机定位的精度和导航的准确度进行检验。
仅从GPS这种方式进行实验检测可知,手机GPS方式定位的精度在50m以内,无论是在市区还是郊区变化不大。
手机以目前的精度足以满足大家出行需要。
关键词:
手机定位;GPS辅助;卫星定位
中图分类号:
P228文献标志码:
A文章编号:
10089268（201102004504
0引言
随着社会和经济的快速发展,人们出行的机会越来越多,为了能准确到达目的地,除了指南针和地图的帮助外,还可以利用GPS定位和手机定位。
由于二者的定位原理不同,定位精度及反应时间也有一定的差距。
GPS终端对卫星的定位跟踪需要实时进行,终端功耗大,电池寿命短.这些因素影响了GPS技术对于个人服务的普及[1]。
通过实验采集数据,对手机定位的精度和导航准确度进行检验。
手机定位原理包括四种方式:
1测量信号方向（信号的到达角度,简称AOA的定位技术
2测量信号传播时间特性
3手机GPS
4GPS辅助（AGPS
在进行手机无线定位理论和方法的研究同时,还将对现有手机进行定位导航试验,结合GPSRTK,以及网络上城市地理信息系统（如,泰安市网络电子导航地图,进行定位精度和导航准确度的分析与比较,验证目前我们所使用的手机定位精度。
1手机定位与GPS定位特点比较手机定位服务又称移动位置服务（LBSLocationBasedService,它是通过电信移动运营商的网络获取移动终端用户的位置信息,在电子地图平台的支持下,为用户提供相应服务的一种增值业务[2]。
其原理为:
移动电话测量不同基站的下行导频信号,得到不同基站下行导频的TOA（TimeofArrival,到达时刻,根据测量结果并结合基站的坐标,采用三角公式估计算法,就能够计算出移动电话的位置。
实际的位置估计算法需要考虑多基站（3个或3个以上定位的情况,因此,算法较复杂。
移动台测量的基站数目越多,测量精度越高,定位性能改善越明显。
目前,手机定位仅仅局限于粗略的定位服务以及通过电子地图服务向手机用户提供周围一些商场、饭店等服务设施,但还不能进行导航服务。
GPS即全球定位系统（GlobalPositioningSystem,全名为授时与测距导航全球定位系统[3],它是随着现代化科学技术的发展而建立的新一代卫星定位系统。
GPS定位的基本原理为:
卫星不断的发射自身的星历参数和时间信息,GPS信号接收机接收到信号后,根据三角公式计算可以得到接收机的位置,三颗卫星可进行2D定位（经度、纬度,四颗卫星则可进行3D定位（经度、纬度及高度。
通过接收机不断的更新接收信息,就可以计算出移动方向和速度。
由于目前全球有24颗GPS导航卫星分布在6条轨道上,在任意时刻和水平线以上最少有4颗卫星,最多有11颗卫星,所以,GPS定位可以得到很好的保证。
GPS信号接
*收稿日期:
20110117
联系人:
张帅Email:
zhangshuai19861023@126.com
收机的作用则是捕获卫星信号,对信号进行放大、处理,实时计算出接收机的3D位置与速度。
手机定位由于基于现有的地面蜂窝移动通信系统的通信基站,受地面环境影响较大。
在郊区和农村可以将移动台（手机用户定位在10~20m的范围内;在城区,由于高大建筑物较多,电波传播环境不好,信号很难直接从基站到达移动台,一般要经过折射或反射,因此,定位精度会受到影响,定位范围为100~200m,通常情况下,定位响应时间在3~6s之间。
而在无法接收到手机信号的地方,就谈不上定位了。
而GPS定位由于接收机任何时刻都至少被4颗卫星覆盖,所以,信号得到了很好的保证,并且,由于卫星居高临下,排除卫星钟差及大气干扰等因素,精度也能保证在几米至几十米。
2手机定位的算法探究
2.1测量信号传播时间特性
2.1.1到达时间（TOA
测出移动台与3个基站间的距离,以3个基站为圆心,以各基站与移动台间距离为半径画3个圆,其交点即为移动台所在位置。
根据以上原理可算出移动台坐标。
该算法对误差精度要求较高,否则会出现三圆不交于一点的情况。
实际使用中还要求系统有较高的同步性[4]。
TOA需要保持BS和终端之间时钟精确同步以保证足够的精确近似实际距离。
目前,很多蜂窝网络标准只是强制要求BS时钟严格同步,而MS则可能有几个ms的漂移,这种漂移会导致极大的误差。
2.1.2到达时间差（TDOA
当已知两基站与移动台间距离差时,移动台应处于以两基站为交点的双曲线上,若此时又有第3个基站,同理可根据测出的距离差再获得一对双曲线,这两对双曲线可得2个交点。
再由一些先验知识分辨出其中一个真实解即可获得移动台位置。
直接利用TOA或TDOA估计值求解上述非线性定位圆或定位双曲线方程组来确定移动台的位置比较困难[5]。
与TOA和AOA定位技术相比,TDOA更容易实现[6]。
TDOA采用的数据参数是ti-t1,也就是MS信号到达BSi的时间与到达BS1的时间的差值。
2.2测量信号方向（信号的到达角度（AOA的定位技术
接收机通过天线阵列测出电磁波入射角度,形成1条从接收机到发射机的方向线,由2台接收机就可获得2条方向线,2线交点即为移动台位置。
为精确测定方位角,该方法需配备强方向性天线阵。
可以利用天线矩阵来获得信号到达时的角度参数,该角度可以通过计算天线矩阵各个单元的相位差或功率谱密度获得。
在AOA中,计算两个BS的AOA参数,就能得到MS估计值。
2.3手机GPS
作为一种高精度的定位技术,网络辅助的全球定位系统通过移动通信网络提供的GPS辅助定位信息共同获取移动通信用户的位置信息[7]。
GPS卫星发射测距信号和导航电文,导航电文中含有卫星的位置信息。
用户用带有GPS接收设备的手机,在某一时刻同时接收三颗以上的卫星信号,测点P至三颗以上GPS卫星的距离,并据此算出该时刻GPS卫星的空间位置,利用距离交会法解算出测点P的位置。
2.4GPS辅助（AGPS
作为一种高精度的定位技术,网络辅助全球定位系统（AGPS是通过AGPS终端和移动通信网络提供的GPS辅助定位信息共同获取移动通信用户的位置信息.AGPS需要网络和AGPS终端都能够接收GPS信息.它的基本原理是:
网络向AGPS终端提供辅助GPS信息,包括GPS伪距测量的辅助信息和AGPS终端位置计算的辅助信息,利用这些信息,终端可以很快地捕获卫星,并接收到GPS卫星的测量信息,然后将测量信息通过无线网络发送给网络中的定位服务中心,由它基于接收到的卫星导航信号计算出移动终端当前所处的位置[8]。
3手机定位的精度进行检验和比较
3.1实验的组织实施方案与实地采集实验数据本实验采用南方测绘的GPSRTK,型号为S82,精度为坐标1cm+1ppm,高程2cm+1ppm,还有iphone智能手机一部。
首先,在郊区采集数据,先用GPSRTK采集测点后,再用手机在该测点上采集数据。
市区采集过程同上。
郊区数据采集地点为泰安市郊区范镇,市区数据位于山东农业大学周边。
由于泰安市移动公司暂时不支持TOA;TDOA;AGPS;所以无法进行相应的实验,本文仅从GPS这种方式进行试验检测。
3.2对获取的实验数据进行处理
46
将所测数据换算后得到以下数据。
表1
手机郊区定位坐标误差高程误差43.73043-
2.343.730436.
8243.730432.91
43.73043-2.
9543.73042-2.1343.73043-5.8243.73043-2.5143.730432.0743.73043-2.2443.73042
1.35
手机市区定位坐标误差高程误差43.730435.9443.730433.5643.7304218.3743.73042-3.2243.73042-20.6743.730437.9143.730424.5243.730436.0543.730431.9643.73043
8.22
并由此表给出图1~4。
图1手机郊区坐标定位误差示意图
图2手机市区坐标定位误差示意图
图3手机郊区高程测定误差示意图
图4手机市区高程测定误差示意图
由以上数据图例,可见手机GPS方式定位的
精度在50m以内,无论是在市区还是郊区变化都
不大。
但是手机测定高程时,由于是单点定位,且市区楼房较多,GPS卫星信号受影响较大,故在测定高程时误差较大。
而由于手机不用于工程施工等精密定位业务,以目前的精度足以满足大家出行需要。
4结论
本文对手机定位的各种方式的算法进行了分析,并探讨了提高各种定位方式精度的可能性。
1对于AOA定位方式,可以减少射频信号的多径效应和提高天线设备角分辨率来提高测角的精度,以提高定位的精度。
2对于TOA技术,利用突发信号和降低多路径效应（如天线分集技术,跳频提高测量精度。
而对于TDOA技术而言,由于功率控制造成离服务基站近的移动台发射功率小,使得相邻基站接受到的功率非常小,造成比较大的测量误差,即相邻基站接受到的功率非常小,造成比较大的测量误差,即相邻基站的SNR太小带来的测量误差[9]。
针对这种情况呼叫时将移动台发射功率瞬间调到最大,可以提高定位精度。
3虽然,手机GPS或AGPS定位方式精度较高,但是容易受建筑物影响,所以,此时可以通过前几种定位方式结合,综合定位,比如开发相应的综合手机定位软件,以提高手机用户在各种环境下的定位精度[10]
。
4虽然,目前手机定位精度基本能满足人们的出行定位、导航需要,但是定位精度仍有较大的提升空间。
综合各种定位方式的优点,开发一套定位系统,一定能取得良好的社会、经济效益。
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作者简介
张帅（1986-,女,山东人,硕士研究生,地图制图与地理信息工程。
PhonebasedLocationMethodandAccuracyAnalysis
ZHANGShuai1,FANRongshuang2,LIANGYong1,WANGXiao1
（1.ShandongAgriculturalUniversity,TaianShandong271018,China;
2.ChineseAcademicofSurveyingandMapping,Beijing100039,China
Abstract:
Thewayofmobilepositioningispresented.Theaccuracyofmobilepositioningandnavigationistested.Whetherinurbanorsuburbanthechangesislittlewhenthepositioningaccuracyiswithin50m.Asthemobilephoneisnotusedforconstructionandotherprecisionpositioningservice,theprecisionmeetsthecurrentneedsfortravel.
Keywords:
Cellphonelocation;AGPS;GPS
美国导航学会（ION国际会议简介
ION是美国导航学会（InstituteofNavigation的字头缩写简称,美国导航学会成立于1945年,是一个致力于推进导航科学和技术发展的非赢利性组织。
它服务于对航天、航空、航海、陆地导航等感兴趣的各种组织及个人。
虽然ION是一个美国的学术组织,但其会员遍布世界各地,它也是隶属于国际导航协会的组织。
自1988年起,ION每年都举办GPS年会,每次年会都吸引了世界各国各行业的GPS专家参会。
会上除有涉及美国的GPS政策、GPS系统的现状和未来的发展趋势、GPS应用的理论和实践、GPS用户设备和软件开发的最新进展等方面的众多论文发表外,也有世界各国和各地区组织的新的导航系统及其发展情况的介绍,还有各GPS软硬件生产厂商新产品的展示。
IONGPS年会已经成为全世界规模最大,最具权威性的GPS方面的学术交流和产品展示会。
由于GPS的应用领域,已经远远超出了导航应用的范畴,因此在IONGPS年会上发表的论文、参加会议的人员和参展的厂商,也不再只局限于导航应用,而是包含了GPS的所有应用领域。
导航学会每年承办3个会议:
1一月份举办导航学会国家技术会议（NationalTechnicalMeetingoftheInstituteofNavigation（简称IONNTM,内容全面、技术含量高,汇聚美国无线电导航领域内的最新成果。
2六月份举办美国导航学会年度会议（AnnualMeetingofInst.ofNavigation（简称IONAM汇集导航届著名专家、学者本年度在会议上的交流资料。
内容丰富、技术新,介绍导航领域内最新技术发展动态。
3九月份举办美国导航学会IONGNSS国际技术会议（IONGNSSInternationalTechnicalMeetingoftheSatelliteDivisionoftheInstituteofNavigation（简称IONGNSS（2004年更名,原名为IONGPS内容广泛、新颖,涉及有关GPS研制、生产的最前沿技术难点和热点。
另外,三种导航会议录刊载各种导航技术论文,对GPS技术的发展与未来进行了深入的探讨与研究,内容涉及未来政策、大地测量、精密定轨、近场着陆、接收机技术、导航战、增强技术、组合导航、授时、GPS现代化、天线技术、仿真与模拟、电子地图、惯导、导航算法等各个方面,该会议录是一套不可多得的技术文献。
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