手机定位技术.docx

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手机定位技术

手机定位技术序1

1GSM手机定位技术1

2基于移动电信的定位方法3

3GPS定位与手机定位之不同6

4谷歌推出手机定位软件,可找到手机用户位置10

手机定位技术序

近来，“手机定位”这个关键词越来越多地出现在我们的日常生活中，GPS、定位服务、电子地图、导航软件等新概念也纷至沓来，令我们眼花缭乱。

我们从技术的角度出发，为您介绍手机定位以及其他移动定位技术。

　　手机定位服务又叫做移动位置服务，它是通过电信商的网络获取手机用户的位置信息，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，被全球各大运营商公认为继短信息之后的新一轮革命。

它是通过复杂的数学模型，对移动通信网络数据进行精密计算，得出移动用户的经纬度坐标，在电子地图平台的支持下，为用户提供相应位置服务。

实现移动定位主要有两大类解决方案，第一类是由移动站（MS）主导的定位技术。

单从技术角度讲，这种技术更容易提供比较精确的用户定位信息，它可以利用现有的一些定位系统，例如，在移动站中集成GPS接收机，从而利用现成的GPS信号实现对用户的精确定位。

但这类技术需要在移动站上增加新的硬件，这将对移动站的尺寸和成本带来不利的影响。

　　第二类是由基站（BS）主导的定位技术，这种解决方案需要对现存的基站、交换中心作出某种程度的改进，但它可以兼容现有的终端设备。

其可选用的具体实现技术主要包括：

测量信号方向（信号的到达角度，简称AOA）的定位技术、测量信号功率的定位技术、测量信号传播时间特性（到达时间，简称TOA；到达时间差，简称TDOA）的定位技术。

为了提高定位的精度，也可以采用利用采用上面数种技术的组合。

1GSM手机定位技术

GSM手机定位方式通常可分为基于网络方式和基于终端方式两种。

从技术上可分为到达时间（TOA）、增强测量时间差（E－OTD）和GPS辅助（A－GPS）3种方式。

　　1、TOA定位技术

　　TOA定位方式可在现有的任何手机上实现，手机无需作任何改动。

　　具体实现步骤：

（1）要定位的手机发出一已知信号，三个或多于三个LMU同时接收该信号，已知信号是手机执行异步切换时发出的接入突发信号；

（2）各LMU得到信号到达时的绝对GPS时间后，可得到相对时间差（RTD）；

　　（3）根据前两步的信息，SMLC进行两两比较，计算突发信号到达时间差（TDOA），得出精确位置，并回到应用中。

要通过三角计算得出手机精确位置，必须知道另外两个参数：

LMU的地理位置和各LMU之间的时间偏移量。

例如各LMU必须提供的绝对GPS时间，或在已知位置的地点放置参考LMU可得到实际时间差（RTD）参数。

　　LMU用接入突发信号确定TOA。

当定位请求发出时，LMU被选定，且配置正确的频率，以便接收接入突发信号。

此时，手机在业务信道（可能会处于跳频方式）上，以特定功率发送达70个接入脉冲（时长320ms）。

各LMU通过多种方式实现和改善TOA的测量结果。

利用收到的突发信号可提高测量成功概率和测量精度。

采用分集技术（如天线分集和跳频），可降低多径效应的影响，提高测量精度。

当某个应用需要知晓手机位置时，该应用向SMLC发出请求，同时告知手机和定位精度要求。

被测量的TOA参数及其误差值一同被采集并发送到SMLC，根据该数据，SMLC可计算出应用所需要的手机位置，再将位置信息和误差围发送回应用。

　　TOA定位方式需要附加硬件（LMU），以达到精确计算突发信号到达时间的目的。

实现方式有多种：

LMU既可集成在BTS，也可作为单独设备。

LMU作为单独设备时，既可有单独的天线，也可与BTS共享天线，通过空中接口实现网络间通信。

　　2、E－OTD定位技术

　　E－OTD定位方式是从测量时间差（OTD）发展而来的，OTD指测量所得的时间量，E－OTD指测量的方式。

手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。

对于同步网，手机测量几个BTS信号的相对到达时间；对于非同步网，信号同时还需要被一个位置已知的LMU接收。

确定了BTS到手机的信号传输时间，则可确定BTS与手机之间的几何距离，然后再根据此距离进行计算，最终确定手机的位置。

　　实现步骤如下：

　　1）手机收到各基站发来信号，得到TOA参数；LMU得到RTD参数；

　　2）手机将TOA和RTD参数传送到GSM网。

　　3）OTD测量需要用同步、标准且模拟的脉冲。

当BTS发送的帧未被同步时，网络需要测量BTS之间的RTD。

为了进行精确的三角测量，OTD测量和RTD测量（非同步BTS时）均需要3个BTS。

获得OTD参数后，手机位置既可在网络中计算，也可在终端计算（要求手机具备各种必要信息）。

前者称为手机辅助方式，后者称为手机自主方式。

　　通过手机或网络中的位置计算功能模块，实现位置计算。

　　3、A－GPS原理

　　GPS辅助定位方式实现步骤如下：

GSM网收到GPS辅助信息；GSM网将辅助信息发送到手机；手机得到GPS信息，计算并得出自身精确位置；手机将位置信息发送到GSM网。

　　该方式有手机辅助方式和手机自主方式两种：

（1）手机辅助GPS定位方式

　　这种解决方案是将传统GPS接收器的大部分功能转移到网络处理器上实现。

该方式需要天线、RF单元和数据处理器等设备。

GSM网向手机发送一串极短的辅助信息，包括时间、可视卫星清单、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。

这些参数有助于置GPS模块减少GPS信号获得时间。

辅助数据来自经手机GPS模块处理后产生的伪距离数据，且可持续数分钟。

收到这些伪距离数据后，相应的网络处理器或定位服务器能大致估算出手机的位置。

GSM网增加必要的修正后，可提高定位精度。

（2）手机自主GPS定位方式

　　这种手机包含一个全功能的GPS接收器，具有

（1）方式中手机的所有功能，再加上卫星位置和手机位置计算功能。

运算开始时，需要的数据比手机辅助方式要多，这些数据能够持续4小时以上或根据需要进行更新，通常包括时间、参考位置、卫星星历和时间校验参数等。

如果某些应用需要更高的精度，则必须持续（间隔约30s）向手机发差分GPS（DGPS）信号。

DGPS信号在非常宽的地域围有效，以一个参考接收器为中心可服务于较宽的地域围。

最终位置信息由手机本身计算得到，若需要，此定位信息可发送到其它任何应用中。

三种GSM定位方式比较

GSM手机定位技术分类

TOA定位技术

E-OTD定位技术

A－GPS定位技术

优点

1、100%兼容现有手机。

2、支持漫游，各种接口标准统一。

3、定位精度可单独优化。

1、lmu数量远少于OTD方式，可减少网络初始投资；2、不需要增加手机的额外费用。

现有手机无需增加硬件模块和附件，只需要进行软件更新。

1、网络改动少，网络投资少。

2、定位精度高。

采用了A－GPS系统，定位精度较高，理论上可达到5～10m。

缺点

1、初始投资高。

整个网需要建立大量lmu，投资较大。

现有GSM网要实现同步还需进行改造。

2、业务量大时网络负担增加。

1、现有手机不能适用于E-OTD定位方式，需要更新软件或全部替换。

2、精度低。

此外，多径效应将影响定位精度（尤其是城市区域）。

1、需更换手机。

2、手机成本、体积和功率增加。

3、安全风险。

由于GPS受美国政府控制，存在一定的安全风险。

2基于移动电信的定位方法

目前在基于移动电信技术的定位的典型方法有：

TA（或称为TA+CELLID）；AOA、到达时间（TOA）、TDOA、TDOA、AOA：

OTD、增强测量时间差（E-OTD）；多路径图型辨识；GPS、DGPS、InverseDGPS、GPS辅助（A-GPS），等。

　　l、TA

　　或称CellID+TA，指小区识别号+时间提前量。

时间提前量TA由基站测量后通知MS提前这段TA时间发送数据，目的是为了扣除基站与MS之间的传输时延。

因此，TA方法就是用现有的参数TA估计MS和BTS之间的距离。

如果MS在空闲模式，MS可能被寻呼或者主动发起呼叫（如紧急呼叫），从而使SMLC获得TA和CellID。

如果MS在占用模式，SMLC向BSC发送消息获取TA和CellID。

SMLC将小区天线中心半径为TA的圆环（对全向天线）或者圆环的部分（对定向天线）围区域确定为MS所在区域。

　　时间提前量通过63bit/s来表示，若小区的半径为35km，则定位精度约为550m。

通常在小区密集的城市区域，小区的半径很小，可以达到几百米，此时定位的精度就很高了。

但这种精度只能表示移动用户和小区中心之间的距离，而不是精确的位置。

　　2、COO（CellOfOrigin）

　　起源蜂窝小区定位技术（COO）是最简单的一种定位方式，它根据移动台所处的小区识别号ID来确定用户的位置。

移动台在当前小区注册后，在系统的数据库中就会有相对应的小区ID号。

只要系统能够把该小区基站设置的中心位置（在当地地图中的位置）和小区的覆盖半径广播给小区围的所有移动台，这些移动台就能知道自己处在什么地方，查询数据库即可获取位置信息。

起源蜂窝小区技术是基于网络的定位方案，它的优点是无需对网络和手机进行修改，响应时间短。

但是，由此导致的缺点是精度较差。

　　3、AOA（AngleofArrival）

　　测量信号的到达角度（AngleOfArr技ive，简称AOA）也是一种在蜂窝网中常用的定位技术。

这种方法需要在基站采用专门的天线阵列来测量特定信号的来源方向。

对于一个基站来讲，AOA测量可以得出特定移动站所在方向，当两个基站同时测量同一移动站所发出的信号时，两个基站各自测量AOA所得的方向直线的焦点就是移动站所在的位置。

尽管这种定位方法的原理非常简单，但在实际的应用中存在一些难以克服的缺点。

首先，AOA定位要求被测量的移动站与参与测量的所有基站之间，射频信号是视线传输（LOS）的。

非视线传输（NLOS）将会给AOA定位带来不可预测的误差。

即使是在以LOS传输为主的情况下，射频信号的多径效应依然会干扰AOA的测量。

其次，由于天线设备角分辨率的限制，AOA的测量精度是随着基站与移动站之问的距离的增加而不断减小的。

　　由于测量AOA的定位方法具有上述的特点，所以对于处于城市地区的微小区来讲，引起射频信号反射的障碍物多且其到移动站的距离与小区半径可以相比，这样就会引起比较大的角测量误差。

在这种情况下，基于AOA的定位方法没有实际的意义。

对于宏小区，因为其基站一般处于比较高的位置，与小区的半径相比，引起射频信号反射的障碍物多位于移动站附近，NLOS传输引起的角测量误差比较小。

所以测量信号到达角度的定位方法多用于宏小区，或者与其他定位技术混合使用来提高定位的精度。

　　4、TOA（TimeofArrival）

　　TOA定位方式可在现有的任何手机上实现，手机无需作任何改动。

要定位的手机发出一已知信号，三个或多于三个LMU同时接收该信号，已知信号是手机执行异步切换时发出的接入突发信号；各LMU得到信号到达时的绝对GPS时间后，可得到相对时间差（RTD）；根据前两步的信息，SMLC进行两两比较，计算突发信号到达时间差（TDOA），得出精确位置，并回到应用中。

要通过三角计算得出手机精确位置，必须知道另外两个参数：

LMU的地理位置和各LMU之间的时间偏移量。

例如各LMU必须提供的绝对GPS时间，或在已知位置的地点放置参考LMU可得到实际时间差（RTD）参数。

　　LMU用接入突发信号确定TOA。

当定位请求发出时，LMU被选定，且配置正确的频率，以便接收接入突发信号。

此时，手机在业务信道（可能会处于跳频方式）上，以特定功率发送达70个接入脉冲（时长320ms）。

各LMU通过多种方式实现和改善TOA的测量结果。

利用收到的突发信号可提高测量成功概率和测量精度。

采用分集技术（如天线分集和跳频），可降低多径效应的影响，提高测量精度。

当某个应用需要知晓手机位置时，该应用向SMLC发出请求，同时告知手机和定位精度要求。

被测量的TOA参数及其误差值一同被采集并发送到SMLC，根据该数据，SMLC可计算出应用所需要的手机位置，再将位置信息和误差围发送回应用。

　TOA定位方式需要附加硬件（LMU），以达到精确计算突发信号到达时间的目的。

实现方式有多种：

LMU既可集成在BTS，也可作为单独设备。

LMU作为单独设备时，既可有单独的天线，也可与BTS共享天线，通过空中接口实现网络间通信。

　　5、TDOA（TimeDifferenceofArrival）

　　一种基于反向链路的定位方法，通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来确定移动台的位置，移动台必定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，也就是说需要至少三个以上的基站接收到移动台信号，而两个双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。

　　TDOA方法不要求知道信号传播的具体时间，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共同误差，在通常情况下，定位精度高于TOA方法。

但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。

目前针对这种情况已有了一些解决办法，如在E-91l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，但会对CDMA网络的容量有一定程度的影响。

　　6、E-OTD

　　E-OTD定位方式是从测量时间差（OTD）发展而来的，OTD指测量所得的时间量，E-OTD指测量的方式。

手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。

对于同步网，手机测量几个BTS信号的相对到达时间；对于非同步网，信号同时还需要被一个位置已知的LMU接收。

确定了BTS到手机的信号传输时间，则可确定BTS与手机之间的几何距离，然后再根据此距离进行计算，最终确定手机的位置。

　　手机收到各基站发来信号，得到TOA参数；LMU得到RTD参数；手机将TOA和RTD参数传送到GSM网。

OTD测量需要用同步、标准且模拟的脉冲。

当BTS发送的帧未被同步时，网络需要测量BTS之间的RTD。

为了进行精确的三角测量，OTD测量和RTD测量（非同步BTS时）均需要3个BTS。

获得OTD参数后，手机位置既可在网络中计算，也可在终端计算（要求手机具备各种必要信息）。

前者称为手机辅助方式，后者称为手机自主方式。

通过手机或网络中的位置计算功能模块，实现位置计算。

　　7、GPS

　　目前比较实用的GPS定位技术是网络辅助的GPS定位，即定位时，网络通过跟踪GPS卫星信号，解调出GPS导航信号，并将这些信息传送给移动台，移动台利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星，接收到卫星信号后，计算移动台位置的工作可以由网络实体或移动台完成。

　　基于GPS系统的定位技术，其优点是定位精度较高，定位半径可达到几米、十几米。

因此利用该重定位技术，可提供对定位精度要求较高的业务，如电子地图显示用户位置等。

其缺点是需要移动台置GPS天线和GPS芯片等模块，并且需要支持IS-801协议，网络侧需要增加PDE和MPC；定位精度受终端所处环境的影响较大，如用户在室或在高大建筑物之间时，由于可见的GPS卫星数量较少，定位精度将降低，甚至无法完成定位。

　　8、A-GPS（AssistGPS）

　　A-GPS（AssistedGPS）。

A-GPS与GPS方案一样，也需要在手机增加GPS接收机模块，并改造手机天线，但手机本身并不对位置信息进行计算，而是将GPS的位置信息数据传给移动通信网络，由网络的定位服务器进行位置计算，同时移动网络按照GPS的参考网络所产生的辅助数据，如差分校正数据、卫星运行状态等传递给手机，并从数据库中查出手机的近似位置和小区所在的位置信息传给手机，这时手机可以很快捕捉到GPS信号，这样的首次捕获时间将大大减小，一般仅需几秒的时间。

不需像GPS的首次捕获时间可能要2？

3分钟时间。

而精度也仅为几米，高于GPS的精度。

QUALCOMM公司的gpsOne即采用A-GPS方案。

　　该方式有手机辅助方式和手机自主方式两种：

（1）手机辅助GPS定位方式。

这种解决方案是将传统GPS接收器的大部分功能转移到网络处理器上实现。

该方式需要天线、RF单元和数据处理器等设备。

GSM网向手机发送一串极短的辅助信息，包括时间、可视卫星清单、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。

这些参数有助于置GPS模块减少GPS信号获得时间。

辅助数据来自经手机GPS模块处理后产生的伪距离数据，且可持续数分钟。

收到这些伪距离数据后，相应的网络处理器或定位服务器能大致估算出手机的位置。

GSM网增加必要的修正后，可提高定位精度。

（2）手机自主GPS定位方式。

这种手机包含一个全功能的GPS接收器，具有

（1）方式中手机的所有功能，再加上卫星位置和手机位置计算功能。

运算开始时，需要的数据比手机辅助方式要多，这些数据能够持续4小时以上或根据需要进行更新，通常包括时间、参考位置、卫星星历和时间校验参数等。

如果某些应用需要更高的精度，则必须持续（间隔约30s）向手机发差分GPS（DGPS）信号。

DGPS信号在非常宽的地域围有效，以一个参考接收器为中心可服务于较宽的地域围。

最终位置信息由手机本身计算得到，若需要，此定位信息可发送到其它任何应用中。

3GPS定位与手机定位之不同

　随着交通的不断发展，公路网错综复杂，定位科技应运而生。

除了传统的指南针加地图，GPS定位和手机定位都是现代科技的产物。

而二者的原理也有不同，因而导致二者的定位精度及反应时间也有一定的差距。

　　手机定位服务又叫做移动位置服务（LBS--LocationBasedService），它是通过电信移动运营商的网络（如GSM网、CDMA网）获取移动终端用户的位置信息（经纬度坐标），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，例如目前中国移动动感地带提供的动感位置查询服务等。

其大致原理为：

移动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），根据该测量结果并结合基站的坐标，一般采用三角公式估计算法，就能够计算出移动的位置。

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，因此算法要复杂很多。

一般而言，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。

手机定位示意图

　　GPS（GlobalPositioningSystem，全球定位系统）包括三大部分：

空间GPS卫星星座、地面监控系统、用户GPS信号接收机。

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，在任意时刻在水平线以上最少有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。

　　目前市面上还一种导航能力更强的导航系统--PND（PortableNavigationDevices，便携式自动导航系统），它是由全球知名PND方案解决供应商宇达电通最早提出的一个特殊概念，PND具有GPS和PDA的功能。

本文将以宇达电通的Mio系列PND为例，作为一款GPS，其信号捕捉时间短，定位精度高，并具有自动导航功能，与同类产品相比，技术处于领先地位。

当用于娱乐时，它的PDA功能也十分丰富。

GPS定位示意图

　　手机定位由于基于现有手机通信基站，受环境影响较大，在郊区和农村可以将移动台定位在10～20米围；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，定位围为100～200米，一般情况定位响应时间在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，排除卫星钟及大气干扰等因素，精度也能保证在几米至几十米。

Mio269

　　手机定位仅仅局限于定位服务，以及通过电子地图服务向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。

手机定位导航和卫星GPS系统比较:

现代交通手段扩展了人们的活动空间，也令空间、方位信息的及时获得显得更加重要起来。

GPS、定位服务、电子地图、导航软件等等新概念纷至沓来，确是乱花渐欲迷人眼。

尤其大家掌中的手机也逐步的向着“个人信息终端”的方向大步前进，一系列位置信息服务已经突破了文字、短信息限制跃然方寸屏幕之上，让人分不清楚手机导航与卫星导航定位的差别，更加不晓得究竟应当选择哪个服务，本文将详为您讲解他们的差别。

下表格为：

手机定位导航和卫星GPS系统比较

定位方式

GSM网络基站

GPS卫星定位

终端设备

GSM手机

CDMA手机（需支持GPSone）

NOKIA手机（部分SymbianSeries60软件平台手机）

部分SymbianSeries60或UIQ软件平台手机

笔记本电脑、POCKETPC掌上电脑、其他专用设备等

显示方式

短信或文字WAP

地图界面、文字、语音

地图界面、语音

地图界面、语音

地图界面、语音

地图等数据存储方式

GSM网络服务定位器

网络服务器

终端手机本地MMC卡

网络服务器

终端手机存储

地图等数据传输方式

SMS短信、WAP

CDMA1x数据传输

—

GPRS数据传输

—

需要购买设备

手机、具备服务支持的SIM卡（使用WAP功能时需要支持WAP的手机）

CDMA手机（需支持GPSone、CDMA1x）

SymbianSeries60软件平台手机，LD-1W套装（蓝牙GPS模块，MMC卡，软件及地图数据）

SymbianSeries60或UIQ软件平台手机，蓝牙GPS模块

电脑+GPS接收器+软件及地图或专用设备

购买费用

手机、SIM卡

CDMA手机（需支持GPSone）

手机、LD-1W套装

手机，蓝牙模块

根据实际情况

后续服务费用

短信费用、移动定位服务费用、WAP费用

定位服务月服务费、CDMA1x数据服务流量费

—

月服务费，GPRS数据传输费用

部分软件、地图升级需要费用

4谷歌推出手机定位软件,可找到手机用户位置

GPS 可使人们通过手机实现对自身的地理定位和导航。

但据调查，这部分人只占手机持有者总数的15%，因为只有少量手机拥有GPS接收机，那么剩余85%的用户怎么办？

GoogleMaps正在测试的MyLocation手机定位服务，试图迎合这部分人的定位需求。

GoogleMaps 可以向用户提供两种图：

一是矢量地图，二是不同分辩率的卫星照片。

它实现了人类地图从静态到动态的历史性变革——如今的数字地图会给你提供所在地和目的地的大量照片，帮助你设定特定路线的导航，给你提供所在地附近的餐馆、酒店、旅行社等各种信息。

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