1、无线定位技术综述无线定位技术的综述无线定位技术是一项由来己久的技术。 国际上对无线定位技术的研究与应用 始于 20世纪 60年代的自动车辆定位 CAVL 系统，随后该技术在军事、 公共交通 管理、物流、出租车管理、犯罪跟踪和紧急医疗服务等有限范围内得到了应用。 80 年代以来，随着移动通信技术的发展，无线蜂窝网的覆盖面和用户量都已具 有相当规模并正在迅速增长， 由移动台发起的紧急报警呼叫数量在紧急呼叫中所 占的比例也随之上升， 而调查表明，约有 30%的移动用户在发起紧急呼叫时不知 道所处的确切位置， 这对及时合理的处理报警带来诸多限制。 由此可见， 利用现 有蜂窝网资源构建移动台定位系统是非
2、常必要的。基于用户位置的移动定位业务已经受到了世人的瞩目，据美国权威机构统 计:2004年，“移动定位业务” 产值在美国为 40 亿美元，而全世界为 300 亿美元。 欧洲统计报告指出 :2005 年定位业务市场为 43.8亿欧元。按照日本 NTTDOCOMO 无线增值业务的发展曲线，数据业务的 5%都与定位业务有关。由于政府的强制性要求和市场本身的驱动，各国主要大公司均就 GSM.IS-95CDMA 以及第三代移动通信系统开始制定各自的定位实施方案。 特别 是 3GPP 和 3GPP2 上对定位的要求更加具体化，促使国际上出现了基于蜂窝网 络的无线定位技术的研究热潮。 与此同时， 移动通信用
3、户对移动定位业务的需求 也变得日益迫切。 蜂窝网络无线定位技术能够在移动台处于空闲状态或通话状态 的情况下获取其地理位置等信息， 利用移动台的定位信息， 运营商可以向用户提 供各种增值业务，如位置环境信息查询、紧急救援、汽车导航、智能交通、团队 管理、广告咨询发布等等， 同时还可以作为移动通信网络运行、 维护和管理的辅 助数据。到目前为止， 基于蜂窝网络的无线定位技术的研究己经取得了很大的进 展。可以预见，在未来几年内， 基于蜂窝网络定位技术的移动业务将得到迅猛的 发展。一、 无线定位的概念和用途所谓定位，是指地球表面的确定特定物体在特定时间在某一种参考坐标系中 的具体位置。 所以，传统的定位
4、技术是与导航系统紧密联系在一起的。 这类设备 的使用受时间、天气和经验的制约。 20 世纪初，由于无线电波技术的兴起，出 现了应用无线电波信号确定某一移动台所在位置的定位技术。 位置信息通常指移 动台所处位置的经度、 纬度和高度信息， 一般包括与移动台有关的坐标 （二维或 三维）。蜂窝定位技术实现移动终端的位置估计需要依靠移动通信系统的结构和传输的信息。无线定位技术是基于封包无线数据服务 GPRS ( General PacketRadio Service)、全球移动通信系统 GSM ( Global System for Mobile Commu ni cati on )、通用无线通信系统
5、UTMS ( Un iversal Mobile Telecommu nication System)、码分多址 CDMA ( Code Divisio n Multiple Access ) 等移动通信系统或全球定位系统 GPS( Global Positioning System)、 GLONASS(Global Orbiting Navigation Satellite System )、我国的北斗双星等卫星定位系统 伽利略(Galileo)上,检测移动台和基站之间无线电波传播信号的号场强、 传播时间或时间差、 信号入射角等特定参数， 再结合相关的定位算法来确定出移动台 的几何位置。二、
6、无线定位系统分类无线定位技术的发展过程中出现了很多成功的商用系统，例如 Decca ,Loran. Omega, GPS以及GLONASS，它们在不同的历史时期和应用场合都发挥 了重要的作用。但是由于FCC关于E-911的特殊要求，人们开始将注意力投向 利用现有蜂窝网络的定位技术的研究。 当然，这其中也借鉴了很多上述系统的相 关技术。目前，在蜂窝网络中对移动台的定位需求主要是提供移动台的位置坐标信息 以及定位精度的估计、 时戳等辅助信息， 对速度、 运动方向等信息暂时还没有明 确要求。在移动通信网络的基础上实施定位功能应该充分利用蜂窝网络和 GPS 等已有的统资源， 并尽可能少地影响网络的原有
7、功能， 选择适当的定位类型、 相 应的定位技术及实施方案。无线定位系统中对移动台的定位是检测移动台和多个固定位置收发信机 (如 基站)之间传播信号的特征参数 (如电磁场强、 传播时间或时间差、 入射角等 )来估 计出目标移动台的几何位置。 在蜂窝网络中， 根据进行定位估计的位置、 定位主 体及采用的设备的不同可将对移动台的无线定位方案分为以下三类： 基于移动台 的定位方案、基于网络的定位方案及 GPS辅助定位方案。(1)基于移动台的定位系统也称为移动台的自定位系统或者前向链路定位系统， 采用基于移动台的定位 方案。其定位过程是由移动台接收到的多个已知位置收发信机携带的某种与移动 台位置相关的特
8、征信息 (如场强、传播时间、时间差等 )确定其与收发信机之间的 几何位置关系，再由集成在移动台中的位置计算功能 (PCF)根据有关定位算法计算移动台的位置估计值。(2)基于网络的定位系统也称为远距离定位系统或后向链路定位系统， 采用基于网络的定位方案。 其 定位过程是由多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号， 将接收信号携带 的某种与移动台位置有关的特征信息送到网络中的移动定位中心 ( MLC) 进行处 理，由集成在 MLC 中的 PCF 计算出移动台的位置估计值。(3)网络辅助定位系统也属于移动台自定位系统， 采用基于移动台的定位方案， 其定位过程是由网 络中多个固定位置接收机同时检测移
9、动台发射的信号， 将接收信号携带的某种与 移动台位置有关的特征信息由空中接口传送回移动台， 由集成在移动台中的 PCF 计算出移动台的位置估计值。(4)移动台辅助定位系统 这类系统采用的也是基于网络的定位方案，其定位过程是由移动台检测网 络中多个固定位置发射机同时发射的信号， 将各接收信号携带的某种与移动台位 置有关的特征信息由空中接口传送回网络， 由集成在 MLC 中的 PCF 计算出移动 台的位置估计值。(5)联合辅助定位系统联合定位的典型代表是 A-GPS(Assisted GPS)a A-GPS 需要在手机内增加 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
10、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(而GPS的首次捕获时间一般要2-3分钟时间)，并且 精度约为几米，高于GPS的精度。三、无线定位技术的基本方法1 .场强定位(SSOA技术电波场强定位技术根据移动台接收的信号强度与移动台至基站的距离成反 比关系，通过测量接收信号的场强值和已知信道衰落模型及发射信号
11、的场强值可 以估算出收发信机之间的距离，由多个距离测量值 (至少三个 )可以估算移动台的 位置。 SSOA 技术的关键在于如何建立一个能够准确的反映服务传播范围内的无 线电波传播模型， 这在实际应用中很难实现。 除此之外， 由于小区基站的扇形特 性、天线有可能倾斜、 无线系统的不断调整以及地理环境、 车辆等因素都会对定 位精度产生影响。 由于移动通信环境中电波传播的复杂性， 决定了这一技术在定 位精度上的局限性， 但是由于该技术比较简单易行， 在对精度要求不是很高的情 况下仍被采用。为了改善其性能， 人们开始研究利用电波传播中的射线跟踪方法 来进一步提高定位的精度。2.到达入射角（AOA）定位
12、技术电波到达入射角的定位技术利用基站的阵列天线来测出移动台来波信号的 入射角，构成从基站到移动台的径向连线， 即测位线， 这两条连线的交点即为目 标移动台的位置。由于两条直线只能相交于一点， 这种方法不会产生定位模糊性。 但是，它需要在每个小区基站上放置 4-12 组的天线阵，这些天线阵一起工作， 从而确定移动台发送信号相对于基站的角度。当有多个基站都发现了该信号源时， 那么它们分别从基站引出射线， 这些射 线的交点就是移动台的位置。 AOA 的优点在于它仅需要两个基站参与便可实现 移动台定位， 同时不存在移动台位置的模糊性问题。 但是，该技术需要在现有的 基站增加天线阵列， 由此增加了大量的
13、建设费用。 与此同时， 电波到达入射角估 计会受到由多径、非可视距以及其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影 响。当移动台距离基站较远时， 基站定位角度的微小偏差也会导致定位距离的较 大误差。3 .到达时间/到达时间差（TDOA/TOA定位技术到达时间 /到达时间差的定位技术是基于蜂窝网络的无线定位系统中应用最 广泛的一项技术。到达时间定位技术通过测量从目标移动台发出的信号以直线到 达基站的时间，根据电磁波在空中的传播速度得到移动台与基站之间的距离。到达时间定位技术通过码捕获和码同步来精确的获得 TOA 值，码捕获实现 接收扩频码和接收机本地扩频码的初始同步， 码同步则是进一步提高同步精度
14、并 保持这种同步。但是这种方法要求接收信号的基站知道移动台发送信号的时间， 并要求移动台和基站有非常精确的时钟。4.混合定位技术由于每种定位技术都有各自鲜明的优点和缺陷， 为了适应各种定位需求， 将 若干种技术综合以彼此取长补短成为一种良好的选择， 这样就构成了混合定位系 统，如 TOA/AOA 的混合定位方法、 TDOA/AOA 的混合定位方法等，将侧向定 位和测距定位有机结合。通过对上述定位方法特点的分析比较， 在蜂窝通信网络中， TDOA 定位方法 和 TOA 定位方法都相对容易实现，并且具有较高精度。所以它们目前在蜂窝网 络中受到广泛关注和深入的研究，特点是 TDOA 定位法，得到很多
15、学者的重视。 随着智能天线技术的发展， AOA 定位技术将会得到更多的关注。四、 定位精度的主要影响因素移动定位技术的发展方向目前主要是提高定位精度。电波传播所在的环境、 接收器的设计制造、 同一位置冗余测量的数量、 各种噪声和干扰特性以及信号处 理的复杂度等因素都会影响定位精度。 在实际的移动通信系统中， 定位技术的测 量误差通常由以下两部分组成： 由基站检测所采用的设备带来的误差， 如检测设 备精度、移动台和基站的时钟同步误差及检测过程中时延带来的误差等； 由信道， 主要是由非视传播和多径效应产生的误差。 由基站检测所采用的设备带来的误差 随着定时技术及信号检测技术等相关技术的改进和发展而
16、逐渐降低， 这部分误差 的产生主要取决于信道环境的复杂程度， 这也是目前无线定位技术研究方向， 其 重点是利用相应算法减少其对定位精度的影响。（1）多径传播对定位精度的影响 在移动通信中，多径传播是引起各种信号特征测量值出现误差的基本因素。 接收机接收到的信号为多个无线电信号的矢量和。 由于在收发信机周围存在各种 不同运动状态的物体， 所以无线电波达接收机需要经过反射、 折射和衍射等多个 途径才能到达。这对某些参数（如 TOA 、AOA 等）的估计精度影响很大。目前 已出现了很多应对多径传播的算法： 采用延迟锁相环分离时延小于一个码片时间 的多径分量、扩展卡尔曼滤波（EKF）算法以及Root-
17、MUSIC等。（2）定位精度由于NLOS传播的影响得到准确的信号特征测量值的必要条件是 LOS 传播。但是在城市与近郊地 区，由于建筑物和地形等物体的阻碍， 无线电波不能直线传播， 而是经过反射和 衍射等非直线传播， 从而影响了到达场强， 接收电波的到达方向， 以及电波传播 时间。在此情况下，信号传播的实际距离和传播的实际时间均比直线传播大许多。 所以，NLOS传播成为了影响各种蜂窝网络定位精度的主要原因， 而且建筑物和地形等物体的阻碍在很大程度上是不能人为改变的。为了抑制 NLOS 的影响， 可先测出在 NLOS 传播时多次距离测量值和直线距离的偏差值进行 NLOS 的识 别，然后修正 NL
18、OS 传播测量值，适用测量值的平滑与重构将 NLOS 测量校正 到 LOS 附近。3）多址干扰对定位测量的影响GSM 与 CDMA 等不同系统都存在多址干扰的问题，但由于在 CDMA 系统 中各用户通过不同的扩频码共用同一频带造成在 CDMA 系统中的多址干扰相对 大些，在 CDMA 信号的捕获上，多址干扰直接表现为远近效应近处工作的 CDMA 用户发射的信号对远处 CDMA 用户信号的淹没。由于多址干扰的影响， TOA 和 TDOA 的粗捕获对延时锁相环的时间测量也有很大偏差。虽然对移动台 进行功率控制能减小多址干扰， 但对非服务基站和移动台之间的信号还很弱， 控 制功率只对服务基站起作用，
19、因而还是会影响到常规接收机正确测量 TOA 或 TDOA 值的能力。对于这个问题，各种解决的方法被提出来，比如：将移动台发 射功率在定位瞬间提高到最大值，或是改进软切换等技术。（4）基站分布对定位覆盖的影响影响定位覆盖范围的重要因素之一是基站分布。 一般的定位技术需要至少两 个或三个以上基站的参与。 但是在基站稀疏的环境下很难同时存在多个基站参与 移动台定位， 或者是由于建筑物的遮挡而无法接收到视距传播的信号。 另外，由 于 CDMA 系统采用了功率控制技术来克服远近效应， 当移动台靠近服务基站时， 其它基站就很难接收到移动台发出的定位测量信号。 解决基站分布问题常采用的 是基于GPS定位方法
20、或者混合定位方法。农村地区基站分布稀少， GPS往往能较好地发挥出优秀的作用。 AOA 定位结合基于时间的定位有效地解决了基站分 布问题，在混合定位中即使是一个基站也能采用 AOA+TOA （到达角度和时延） 产生位置来进行位置估计。 再加上利用移动台先前位置、 运动轨迹、 运动速度和 方向、小区切换等信息辅助定位，使得这一定位方法更加准确和实用。另外，定位基站的几何空间分布也会影响到定位的精度， 如果有足够多的基 站参与定位估计， 在有多个基站参与定位时怎样选取最佳的基站组合， 解决这种 情况的办法需要基站选址算法，并且可以用于基站的架设设计和采用的系统设 计。所以，如何克服这些不利因素的影
21、响， 提高定位精度以到达各种商业增值服 务所要求的技术指标， 是决定无线定位在移动市场上蓬勃发展的前提， 也是当今 研究的热点。五、国内外的研究现状自 E-911 定位需求颁布以来， 移动台定位技术在国外受到高度重视和深入研 究，近来在 IEEE 的有关期刊和会议，特别是 VTC 上发表了大量研究论文，也 出现了不少定位技术的发明专利以及一些专门从事定位技术的研究与开发的公 司。各大跨国公司，如 Motorola, Nokia, Ericsson, QUALCOMM, Samsung 等也积 极开展对基于GSM, IS-95和第三代移动通信系统中的 WCDMA和CDMA2000 等网络采用的定
22、位技术的研究。 目前研究的内容涉及了蜂窝网络移动台定位技术 的方方面面，并且更侧重于基本定位方法和技术的研究，定位算法的研究，TDOA, TOA 检测技术的研究，抗非视距传播、多径和多址干扰技术的研究，数据融合 技术的研究，定位技术实施方法的研究，定位系统的性能评估等。各专门从事移动台定位技术研究公司及 Motorola, Nokia, Ericsson, Samsung 等跨国大公司侧重于对 GSM, IS-95 和第三代移动通信系统中的 WCDMA 和 CDMA2000 等网络采用的具体定位方法和技术及定位功能的具体实施方法的研 究，提出并制定了相应的定位实施方案。在 3GPP和3GPP2
23、中这些公司已提出了不少提案，在3GPP中既有基于GSM网络的3GTS03.71,04.31,04.3 5,04. 71, 08.31, 08.71, 09.31, 12.71 等提案，也有基于 WCDMA 网络的 3GTS22.071,23.012, 23.171, 24.030, 25.305等提案。这些提案描述了 3G 的 LGS 功能需 求和 LGS 网络体系结构，给出了采用的定位技术和方法、定位程序、信令协议 和接口。这些提案还在不断修改和完善， 部分提案在一些定位关键技术上已形成 共识。国内对蜂窝网络移动台定位技术的研究起步较晚，从事这项技术研究的人 也不不多， 主要有西南交通大学、
24、 中国科技大学、 电子科技大学、 北京邮电大学、 复旦大学等少数院校和华为、中兴等通信公司的部分科研人员从事这方面的研 究。从近年来各主要核心刊物的检索情况看， 公开发表的研究性论文数量相当有 限，对定位技术的研究大部分都是针对 GPS和差分GPS技术及其应用，而对基 于 CDMA 蜂窝网络的移动台定位技术的研究只能见到少量的研究结果发表。对 于发明专利，目前只有很少中国专利与移动台定位技术有关。参考文献1董海 . 基于网络的移动通信系统移动台定位技术研究 . 电子科技大学硕士学位论文 .2000:33-39 页2邓平 . 蜂窝网络移动台定位技术研究 .西南交通大学博士学位论文 .2002:3
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