GSM手机定位技术

专家论坛 电信快报 易夔缠手瓤露撰巍攀 万德明 汤 文侃 信息产业部 电信科学技术第一研究所 摘 要 文章提 出 了 手机定位技术 的 重要性 , 并对 、 一 和 种 手机定位技术解决 进行分析和 比较 。 关键词 定位业务 到达时间 增强 测 量时间差 辅助 , 一 一 一 一 在我 国 , 随着 移动通信网的迅速发展 , 手 机成为人们通信的重要 工具之一 , 利用手机拨打 “ ” 、 “ ”和 “ ”等求助 、告警电话 日趋增多 。据 报道 , 目前美 国用 手机呼叫 “ ” 类似我 国的 “ ” 已 占全部呼叫总数的 , 移动通信在社会 治安 、紧急救援等突发事件中的地位已越来越重要 。 传统有线龟话拨打告警电话时 , 接警系统可根据用 户的主叫号码 , 获得用户 的准确位置 , 快速 、准确地 处警 。然而 , 由于现有移动通信网不能提供呼叫者的 位置 , 求助时手机用户无法明确告知准确位置 , 以致 延误时机 , 导致事件恶化的情况时有发生 。 据统计 , 交通事故 中 的人员死亡 发 生在事故后 两 小 时 内 。 因此 , 实现 手机 自动定位业 务 , 有非常重要 的意义 。 此外 , 实现手 机定位还有其它广泛用途 , 包括 自动导航 、 网络优化 和手机防盗等 。 手机定位业务系统结构 移 动 通 信 网 可 通 过 增 加 一 个 网 络 节 点 —移动定位 中心 实现 业 务 见 图。 该系统引人的相关接 口有 服务移动定位 中心 与 间接 口 、 移 动定位 中心 网关 与 网业 务控制功能间接 口 、外部 用户与移动定位 中心 间接 口 此 、 移动 定位 中心 网关与 间接 口 、 移动定位 中心 网关与 间接 口 、 移动定位 中心 与 同等移动定位中心 间接 口 坤 、 移动定位 中心与 间接 口 以及定位测量单元 刀 空 中接 口 。 定位测量单元 通过无线测量 , 可支持多种定位方式 , 测 量可分为两类 针对一个 的定位测量 针 类定位位位 移动定定定定定定定测测量单元元元元元 位中心心心心心心心 移动定定 位中心心 田田田田田田田田田田类定位位位位位位 卜卜 小 片 六 大 」」」 测量单元 移移移移移移移移移移移移移移移移移动定位位 中中中中中中心网关关 网业务务 控控制功能能 图 通用 逻辑结构图 电信快报 专家论坛 对特定地理区域中所有 的辅助测量 。 的初 始值 、时间指令等其它信息可预先设置 , 或通过移动 定位 中心 提供 , 将得到 的所有定位和 辅助信息提供给相关的 。 可分为 类和 类两种 。 类 以标 准 的 空 中接 口 接人 , 经 、 与控制该 刀 的 保持信令连接 。 当连接基于 的 时 , 类 有为其服务 的 和 , 并在 上保留其登记的信息 。 类 有唯一 的 , 并支持所有 无线资源和移动管理功 能 。 网络管理者可为 指派专 门的 范 围 , 并在 中指 派特定 的数字 , 表示 相关 。 中的某几个数字 可 用 作 一 个 中某个 的本地代码 。 类 支持连接控制管理功 能 , 可实现与 之间的 信令处理 。 它还支 持 呼 叫控制 功 能 , 可 利 用 电路交换 方式 实 现 与 之间的信令连接 。 为了确保 与 间的互访 , 必须位于从属 于同一 或 的小区 中 。 当 基于 时 , 任何 类 在 中都有注册信息 , 其中无附加业务 点对点 短信和呼人呼出限制业务除外 。 中的注册信 息同时将有 功能的 与普通 的 区分开 来 , 所有有关 的数据 由 和相关 管理 。 类 可从 的 接 口访问 , 它可 以是一个单独 的网络单元 , 编号采用一些伪小区 号 , 也可 以集成在 内或与 连接 。 当 基 于 方式 时 , 类 的信令通过 传 输 当 基 于 方式 时 , 则通过 和 传输 。 移动定位 中心网关 一个 可有多个 。 是外部 用户进人 网的第一个节点 。 通过 接 口 从 中获得路 由信息 。 鉴权 通过后 , 通过 接 口 向 发 出定位请求 , 并接收最终定位结果 。 移动定位中心 一个 可包括多个 。 管理所 有用于手机定位的资源 , 计算最终定位结果和精度 。 通常有两种类型 一种 是基于 , 支持 接 口 另一种是基于 , 支持 接 口 。 前者 通过与 相连 的 接 口 , 传输各种手机 定位信令 后者则通过与 相连的 接 口 , 传输 各种手机定位信令 。 这两种 与其它 连 接时采用 印 接 口 。 州压 和 功能可合并在 同一个物理节点 , 也可分布在多个节点 。 在 业 务 中 , 当小 区广播 中心 与 相 连 时 , 可利用现有的广播功能 , 通过 广播辅助 信息 。 这时 相当于 的用户 。 种手机定位技术 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 、 增 强测 量 时 间差 一 和 辅助 一 种方式 。 定位技术 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 要定位的手 机发出一 已知信号 , 三个或多于三个 同时接 收该信号 , 已知信号是手机执行异步切换时发 出的 接人突发信号 各 得到信号到达时的绝对 时间后 , 可得到相对时间差 根据前 两步的信息 , 进行两两比较 , 计算突发信号到 达 时间差 , 得 出精确位 置 , 并 回 到应 用 中 见图 。 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 刀 的地理位置和各 之 间 的时 间偏移 量 。 例 如各 必须提供的绝 对 时间 , 或在 已知位置的地点放置参考 可 得到实际时间差 参数 。 用接人突发信号确定 。 当定位请求 发 出时 , 被选定 , 且配置正确 的频率 , 以便接收 接人突发信号 。 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 个接人脉冲 时 长 。 各 通过多种方式实现和改善 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 发 出请 求 , 同时告知手机号码和定位精度要求 。 被测量的 参数及其误差值一同被采集并发送到 , 根据该数据 , 可计算出应用所需要 的手机位 置 , 再将位置信息和误差范围发送回应用 。 定位方式需要附加硬件 , 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 既可集成在 内 , 也可作为单独设备 。 刀 作为单独设备时 , 既可有单独 的天线 , 也可与 共享天线 , 通过空中接 口 实现网络间通信 。 专家论坛 电信快报 一 定位技术 一 定位方式是从测量 时间差 发展 而来 的 , 指测量所得的时间量 , 一 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 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 接收 。 确定 了 到手机的信号传输时 间 , 则可确定 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 见 图 手机收到各基站发来信号 , 得到 参数 得到 参数 手机将 和 参数传送到 网 。 测量需要用 同步 、标准且模拟的脉冲 。 当 发送的帧未被同步时 , 网络需要测量 之间 的 。 为了进行精确 的三角测 量 , 测 量 和 测量 非同步 时 均需要 个 。 获得 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 。 在 网络结构 、手机功能以及 功能与 测量输人参数等均一样的情况下 , 位置计算可基于 两种 一 定位方式实现 。 式飞 ‘、、、、 、少 如网 飞 ‘、 ,加 丁洲少尸 ‘交牲旦些笋夔夔夔拜 图 定位方式示意图 双曲线方式 与 一 计算相关的基本时间量有 个 · 即手机得到 网络上两个不 同 发来脉冲的时间间隔 。 时得到 的脉冲 , 时 得到 的脉冲 , 则 二 一 。 两个脉冲同 时得到 , 则 。 · 即 网上两个 的相对 同步时间 差 。若 在 时刻发送脉冲 , 在 时刻发 送脉冲 , 则 衬 一 。 若 网同步 , 则 在 同一时刻发送 , 不需要计算 , 此时 二 。 · 几何时间差 几何距离不等 , 导致手机 接收两个不同 发来的脉冲存在时间差 。 如果手 机到 的传播距离 为 , 到手机的距离 为 , 则 一 为 电磁波传播 速 度 。 若两个 到手机的距离相等 , 。 上述参数之间的关系为 。 位置信息从 计算出来 , 由 和 可用前面的推导 。 手机 中的 一 值为 恒量 , 这时可能的位置信息为双曲线 。手机位置则位 于 由三个基站和两个 得到 的两条双 曲线交界 处 见 图 。 图中直线代表确定 的 , 表示两个 之间的距离差 。 测量结果存在误差 , 灰色区域 为 测量结果可能的位置 。 双曲线交叉得到的 黑色 区域为手机的位置 。 圆弧方式 圆弧方式不测 量手机和 接收不 同 信号的时间差值 , 只测量那些信号各 自到达的时间 。 以下参数与 一 圆弧方式相关 · 信号到达手机的时间 , 以手机内部 时 · 钟为准 · 信号到达 的时间 , 以 内 部时钟为准 。 通常手机与 ’ 的内部时钟之间有 一个偏移量 图 一 定位方式示意图 图 一 双曲线方式 电信快报 专家论坛 手机与 之间的几何距离 与 之间的几何距离 。 参数之间的关系 一 一 为电磁波传播速度 。 以手机和 同时观察的 为圆心 画 圆 , 交叉就可得到手机的位置 见 图 。 由于存在 个 未知量 , 即手机位置 的 、 坐标和偏移量 , 所 以 与双 曲线方式相 同 , 至少需要 个 , 才能得到 手机的位置和偏移量 。 值 。 圆弧方式与双曲线方式 的主要 区别在 于手机测 量 误差 区 和 手机相 对 于 的几何位置 , 其它实现方式一致 。 一 计算与手机能收到足够多的 信息 密切相关 。 通常说来 , 网覆盖性能越好 , 定位精 度越高 。 手机在空闲和业务模式 通话时 下均可实 现定位 , 且可选择持续定位或单个定位 。持续定位更 适合于手机 自主方式 , 该方式不需要上行信令 。 若 能采用类似于短消息小区广播 一 的功 能来发送位置坐标和 信息 , 在空 闲模式时手机 就有足够的信息计算 自己 的位置 。采用 一 定位 方式时 , 和 的比例为 到 之间 。 一 原理 辅助定位方式 见图 实现步骤如下 网收到 辅助信息 网将辅助信息发 送到手机 手机得到 信息 , 计算并得出 自身精 确位置 手机将位置信息发送到 网 。 该方式有手机辅助方式和手机 自主方式两种 手机辅助 定位方式 这种解决方案是将传统 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 、 单元和数据处理器等设备 。 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 助于内置 模块减少 信号获得时间 。 辅助 数据来 自经手机 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 。 网增加必要的修正后 , 可提高定位精度 。 手机 自主 定位方式 这种手机包含一个全功能的 接收器 , 具有 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 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 必须特续 间隔约 向手机发差分 信号 。 信号在非常宽的地域范围有效 , 以一个 参考接收器为中心可服务于较宽的地域范围 。 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 。 种定位方式比较 优点 · 兼容现有手机 。 全球在用的数亿个手机 不必作任何改动就可一步到位实现定位 , 最大限度 保护现有手机用户的利益 , 是当前情况下实现 手机定位的一种理想实现方式 · 支持漫游 , 各种接 口 标准统一 · 定位精度可单独优化 。 通过提高 性能 , 可局部提高定位精度 。 缺点 · 初始投资高 。 整个网需要建立大量 , 投资 较大 。 现有 网要实现同步还需进行改造 · 业务量大时网络负担增加 。 当定位需求增 多 时 , 手机需频繁强制执行切换命令 , 使 网的信 令传输量增加 。 游 , , , · ⋯卯 信是 、、、、、、、 恤瘫宇 图 一 圆弧方式 图 一 定位方式示意图