長(zhǎng)距離移動(dòng)定位技術(shù)與室內(nèi)定位技術(shù)

1、長(zhǎng)距離移動(dòng)定位技術(shù)與室內(nèi)定位技術(shù)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)于1996年下達(dá)指示要求移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商為移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)提供 E-911(緊急救援)服務(wù)，這就要求對(duì)所有移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)實(shí)現(xiàn)定位功能，同時(shí)，F(xiàn)CC又于1999 年對(duì)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(guó)家開(kāi)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(hù)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(chǎng)前景。相關(guān)的位置服務(wù)業(yè)務(wù)可包括：緊急求 救電話(huà)服務(wù)、物流管理、商業(yè)求助電話(huà)服務(wù)、個(gè)人問(wèn)詢(xún)服務(wù)、車(chē)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(wú)

2、線(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)接收到的無(wú)線(xiàn)電波的一些參數(shù)進(jìn)行測(cè) 量，根據(jù)特定的算法對(duì)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(cè)定，以便 為移動(dòng)終端用戶(hù)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(cè)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(lèi)：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(chēng)起源蜂窩小區(qū)(CellOfOrigin)定位技術(shù)。每個(gè)小區(qū) 都有自己特定的小區(qū)標(biāo)識(shí)號(hào)(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(cè)， 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中就會(huì)有相應(yīng)的小區(qū)ID標(biāo)

3、識(shí)。系統(tǒng)根據(jù)采集到的移動(dòng)終端所處小區(qū)的標(biāo)識(shí)號(hào)來(lái) 確定移動(dòng)終端用戶(hù)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(wú)需對(duì)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(TimeOfArrival)定位技術(shù)：移動(dòng)終端發(fā)射測(cè)量信號(hào)到達(dá)3個(gè)以上的基站， 通過(guò)測(cè)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(duì)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(TimeDifference0fArrival淀位技術(shù)：移動(dòng)終端對(duì)基站進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)并測(cè)量 出信號(hào)到達(dá)兩個(gè)基

4、站的時(shí)間差，每?jī)蓚€(gè)基站得到一個(gè)測(cè)量值，形成一個(gè)雙曲線(xiàn)定位區(qū)，這樣， 三個(gè)基站得到2個(gè)雙曲線(xiàn)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(cè)量為時(shí)間差而非絕對(duì)時(shí)間，不必滿(mǎn)足時(shí)間同步的要求，所以TDOA 備受關(guān)注。增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差E-OTD(Enhanced-ObservedTimeDifference)定位技術(shù)：在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中 放置若干位置接收器或參考點(diǎn)作為位置測(cè)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(hào)時(shí)，每個(gè)基站信號(hào)到達(dá)兩者的 時(shí)間差將被算出來(lái)，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)

5、現(xiàn)也復(fù)雜。角度達(dá)到AOA(ArrivalofAngle)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(xiàn)。通過(guò)這種天線(xiàn)測(cè)出基站與發(fā)送信號(hào)的移動(dòng)終端之間的角度，進(jìn)一步確定兩者之間 的連線(xiàn)，這樣移動(dòng)終端與兩個(gè)基站可得到兩條連線(xiàn)，其交點(diǎn)即為待測(cè)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(xiàn)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(hào)，所發(fā)射信號(hào)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(hào)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(duì)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

6、缺陷是需要手機(jī)參與定位參數(shù)的測(cè)量并進(jìn)行坐標(biāo)位置的計(jì)算，必須對(duì)手機(jī)和網(wǎng)絡(luò) 的軟硬件加以改造或升級(jí)，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(lái)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(cè)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(guò)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(kāi)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G

7、PS系統(tǒng)的定位精度。原理是：基準(zhǔn)接收機(jī)對(duì) 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(duì)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(lái)說(shuō)，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(duì)移動(dòng)臺(tái)直接定位時(shí)，首次定位需要較長(zhǎng)的時(shí)間，這對(duì)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(wèn)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(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)傳送給移動(dòng)臺(tái)，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(hào)嚴(yán)重衰落

8、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(lèi)繁多，但都要求所跟蹤目標(biāo)和探測(cè)器之間線(xiàn)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(cè)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(tái)攝像設(shè)備，這些攝像設(shè)備可連接到一臺(tái)或幾臺(tái)視頻監(jiān)控器上，通過(guò)視頻監(jiān) 控器，對(duì)觀察對(duì)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(chǔ)。光定位技術(shù)也 被應(yīng)用于機(jī)器人系統(tǒng)，

9、通過(guò)固定的紅外線(xiàn)攝像機(jī)和很多紅外線(xiàn)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(hào)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(hào)靈敏度，就需要延長(zhǎng)在每個(gè)碼延遲上的停留時(shí)間，A-GPS技術(shù)為這個(gè)問(wèn)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

10、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)(UltrasonicPositioningTechnologies)該技術(shù)由于其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)而被人們廣泛采用。目前，市場(chǎng)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(cè)距大都采用反射式測(cè)距法，即發(fā)射超 聲波并接收由被測(cè)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(cè)距離，有的則采用單 向測(cè)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(cè)距器組成

11、，主測(cè)距器放置在被測(cè)物 體上，在微機(jī)指令信號(hào)的作用下向位置固定的應(yīng)答器發(fā)射同頻率的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，應(yīng)答器在收 到無(wú)線(xiàn)電信號(hào)后同時(shí)向主測(cè)距器發(fā)射超聲波信號(hào)，得到主測(cè)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(xiàn)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(cè)物體所在的二維坐標(biāo)系下的位置。我們?cè)跓o(wú)線(xiàn)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(cè)距法而是用單向測(cè)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(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的話(huà)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)。在室內(nèi)安裝適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，把網(wǎng)絡(luò)配 置成基于多用戶(hù)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(hù)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(hào)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(yǔ)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，