LBS中的定位技术.pptx
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第三章LBS中定位技术,1、AGPS定位技术2、网络定位技术3、WIFI定位4、Zigbee定位5、其他定位,A-GPS(AssistedGlobalPositioningSystem)即网络辅助的全球定位系统,这种方法需要网络和移动终端都能够接收GPS信息,是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动终端进行定位的技术,可以在2G和3G网络中使用。
此技术的优势主要在其定位精度上,在室外等空旷地区,正常工作环境下其精度可达510m,堪称目前定位精度最高的一种定位技术。
另一方面,利用网络传来的辅助信息可以增强TTFF(TimeToFirstFix),其首次捕获GPS信号的时间大大减小,一般仅需几秒,而不像GPS的首次捕获时间可能需要23min。
A-GPS定位响应时间为310s之间。
此外,为了解决终端在室内以及在城市中被建筑物遮挡而难以接收GPS信号的缺陷,一般A-GPS技术解决方案还考虑了CELL-ID定位技术作为备用方案,这样就大大提升了A-GPS的定位能力。
3.1AGPS定位技术,为什么AGPS捕获GPS信号的时间大大减小?
并且灵敏度大大提高?
先看看一般GPS的工作原理,多普勒效应指的是:
当一个信号源与观察者有相对运动时,观察者观察到的信号源的频率会发生变化。
当两者走近时观察到的信号频率增大,而两者走远时观察到的信号频率降低。
由于GPS信号和地球的运动造成地面观察到的GPS信号的频率大概有4.2KHz偏移,在GPS接收机中常取5KHz或6KHz。
(如果GPS在高速运动物体上,多普勒频移的最大值为10KHz),在传统的GPS接收机中,在捕获GPS信号阶段,实际上要搜索所有可能的频率和代码延迟空间,而由多普勒效应引起的频偏,使GPS接收机要搜索的频率范围远不止一个,而是要搜索整个多普勒频偏的范围。
为了在短时间能完成搜索,搜索程序的步进带宽不能很窄。
用窄步进进行搜索,就意味着需要许多步才能覆盖全部的频率范围,这样就耗费时间。
但用宽步进进行搜索,灵敏度相对就差一些。
捕获二维搜索的流程图如图所示。
先固定载波频率,检测最大积分值和对应的码相位;与捕获门限做比较,如果积分结果大于门限值则认为捕获成功,如果积分结果没有达到门限值,则按照一定的步进值和变化方式调整载波,重新进行码相位搜索。
最终得到符合条件的载波频率和码相位,完成GPS信号捕获。
如何调整载波,每调整一次频率的间隔是多少呢?
C/A码的码速是1.023MHz,当输入信号与本地产生的合成信号超过一周期时,两个信号就不相关。
还和数据的长度有关系(讲解),对于一个不具任何有效定位数据的GPS终端来说,最重要的是要收齐四颗卫星分别的星历及卫星时间数据,才能正确的计算定位。
同步收齐四颗卫星一个完整星历数据的时间,至少需要18秒,年历方面,由于每次更新的数据需用到25帧来传送更新的年历数据,因此要完整的下载,需要用掉12.5分钟。
在L1上所搭载的卫星信息以帧(Frame)为单位,每个帧下又分为五个子帧(Sub-Frame),它的内容包括星历(Ephemeris)数据、电离层参数及年历(Almanac)等,请参考表一。
其中星历为个别卫星本身的精确轨道位置,它每小时更新一次,每次更新的有效性约四小时;年历则为所有卫星在轨道上的概略位置及其状况等,它每天更新一次,有效时间可达数周。
A-GPS服务器主要的任务是提供GPS信号的近似的多普勒频偏,A-GPS服务器有一个参考的GPS接收机,能计算出卫星信号的多普勒频偏,A-GPS服务器将多普勒频偏信息发送给其他手持GPS接收机,这样手持GPS接收机的搜索空间大大减少,只对很少的几个频率区(Frequencybins)进行搜索,首次定位时间(TTFF)也就可以减小到只有几秒。
而传统的GPS接收机要在整个频率范围内进行搜索。
GPS接收机的运行程序,第一步是搜寻卫星信号、再接收星历,接着才能定位与跟踪。
如果能预先取得卫星信息,或以更快的速度来下载星历,那就能加速定位的速度,下图所示,A-GPS缺陷尽管AGPS拥有较传统GPS更好的性能,但其并没有完全弥补传统GPS的缺陷。
1、室内定位的问题目前仍然无法圆满解决。
虽然AGPS在启动的时候能够接收到GPRS传来的辅助定位信息,但是在室内无法接收到GPS卫星信号的情况下,还是无法完成精确定位。
2、AGPS需要通过GPRS来接收辅助定位信息,这样对于专业的车载导航仪来说,需要另外增加一个GPRS模块,势必会增加制造成本,同时GPRS的流量费也会增加用户的使用成本。
3、AGPS离不开移动运营商的支持。
作为一种高精度的移动定位技术,A-GPS通过移动终端和GPS辅助定位信息(由移动网络提供)共同获取移动终端的位置信息,因而需要在移动终端内增加A-GPS接收机模块(或者外接A-GPS接收机),同时要在移动网络上加建位置服务器等设备。
其定位流程如下:
(1)移动终端首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器(COO定位)。
3.1AGPS定位技术,3.1.1A-GPS的基本原理,
(2)位置服务器根据该终端的大概位置传输与该位置相关的GPS辅助信息(GPS捕获辅助信息、GPS定位辅助信息、GPS灵敏度辅助信息、GPS卫星工作状况信息等)和移动终端位置计算的辅助信息(GPS历书以及修正数据、GPS星历、GPS导航电文等)。
利用这些信息,终端的A-GPS模块可以很快捕获卫星,以提升GPS信号的第一锁定时间TTFF能力,并接收GPS原始信号。
(3)终端在接收到GPS原始信号后解调信号,计算终端到卫星的伪距(伪距即受各种GPS误差影响的距离)。
3.1AGPS定位技术,3.1.1A-GPS的基本原理,(4)若采用网络侧计算,终端将测量的GPS伪距信息通过网络传输到位置服务器,位置服务器根据传来的GPS伪距信息和来自其他定位设备(如差分GPS基准站等)的辅助信息完成对GPS信息的计算,并估算该终端的位置;若采用终端侧计算,终端根据测量的GPS伪距信息和网络传来的其他定位设备的辅助信息完成对GPS信息的计算,把估算的终端位置信息传给定位服务器。
(5)位置服务器将该终端的位置通过网络传输到应用平台。
3.1AGPS定位技术,3.1.1A-GPS的基本原理,3.1AGPS定位技术,3.1.1A-GPS的基本原理,A-GPS定位过程如下图所示。
整个方案以3G网络为传输数据方式。
辅助接收机实时地从卫星处获得参考数据(时钟、星历表、可用星座、参考位置等),通过网络提供给定位服务器。
当移动终端需要定位数据时,定位服务器通过无线网络给终端提供A-GPS辅助数据,以增强其TTTF,从而大大提高A-GPS接收模块的灵敏度。
3.1AGPS定位技术,3.1.1A-GPS的基本原理,目前,基于无线网络的A-GPS技术中,可以采用两种基本的网络拓扑结构:
控制平面(ControlPlane)和用户平面(UserPlane)。
(1)控制平面控制平面方式中,移动定位中心(SMLC,ServingMobileLocationCentre)与无线基站的无线网络控制器(RNC,RadioNetworkControllet)集成,GPS辅助信息通过信令的方式来交互。
移动定位网关(GMLC)位于无线网络的IP数据网上,负责外部定位请求的接入。
由于通过信令接口在核心网络内部传输辅助数据,因而该结构传输效率高且安全可靠,有利于位置服务的管理和控制。
其缺点是RNC需具有SMLC功能,会影响到核心网络,实现和维护复杂,成本较高。
3.1AGPS定位技术,3.1.2A-GPS的网络结构,
(2)用户平面用户平面方式利用现代无线网络的IP功能,通过IP数据网和移动定位中心SMLC交互辅助信息,移动终端的UE(UserEquipment)直接通过相应的标准接口实现定位信息从终端到移动定位网关(GMLC)的传递。
其相应的标准由开放式移动联盟(OMA)制定,称为安全用户层面定位(SUPL)。
这种方式的优点在于可以独立于无线网络部署,无需无线接入网和核心网中各节点的网络信令支持,无需对无线核心网络进行改造,且与2G网络兼容,易实现,成本低,因而推广迅速。
3.1AGPS定位技术,3.1.2A-GPS的网络结构,安全用户层面定位SUPL定位方式使移动终端直接建立从终端到移动定位网关(GMLC)的端到端对话,实现无线定位信息传递,并通过Le接口实现与服务提供商的互通。
SUPL的典型体系结构如图所示。
SUPL体系结构,3.1AGPS定位技术,3.1.2A-GPS的网络结构,从图中可以看出,SUPL定位平台(SLP)由SUPL定位中心(SLC)和SUPL位置中心(SPC)两部分组成,SUPL定位平台和SUPL终端(SET)之间的接口为LUP(LocationUserPlane),接口采用OMA的ULP(UserplaneLocationProtocol)协议。
3.1AGPS定位技术,3.1.2A-GPS的网络结构,SUPL定位平台(SLP)包含SUPL位置中心(SLC)和SUPL定位中心(SPC),SLC和SPC有可能集成在一个系统中。
Lup接口用于SLP和SET间的通信,该接口上传递SUPL业务管理和SUPL定位确定所需的消息,包括:
Lup业务管理消息:
终止于SLP中的SLC功能。
Lup定位确定消息:
终止于SLP中的SPC功能。
SET和SLP间有两种通信模式:
代理模式:
该模式下SPC不直接和SET通信,SET和SPC间的通信由SLC进行代理。
非代理模式:
该模式下SPC将和SET直接通信。
SLP中的SLC和SPC功能也可能被集成在不同的系统中,此时SLC和SPC间应支持开放的Llp接口。
SUPL位置中心(SLC)SLC系统协调网络中的SUPL操作,在和SET通过用户平面承载进行交互时执行下述功能:
SUPL隐私功能(SPF)SUPL发起功能(SIF)SUPL安全功能(SSF)SUPL漫游支持功能(SRSF)SUPL计费功能(SCF)SUPL业务管理功能(SSMF)SUPL定位计算功能(SPCF)SLC有可能将位置ID翻译成用经/纬度数据描述的地理位置,这种较粗的定位方式有可能已能满足SUPL代理所要求的QoP(定位质量要求),在MNO环境中,这通常被称作Cell-ID定位。
SUPL定位中心(SPC)SPC支持以下功能:
SUPL安全功能(SSF)SUPL辅助数据递送功能(SADF)SUPL参考位置取回功能(SRRF)SUPL定位计算功能(SPCF),SUPL终端(SET)SET支持在SUPL中定义的与网络之间通过用户平面承载的交互过程。
SET支持以下一种或者多种功能:
SUPL隐私功能SUPL安全功能SUPLSET预设功能SET支持SET-based和/或SET-assisted定位计算。
SET还可能支持以下的功能:
SUPL定位计算功能辅助数据递送功能,
(1)SUPLLUP接口定义LUP的功能从逻辑上可分为定位服务管理接口和定位计算接口。
其中,定位服务管理接口用来在SLP和SET之间建立会话并执行SLC的功能,其消息定义如表所示。
定位计算接口在SET和SLP之间传送位置计算信息,它执行SPC的功能,其消息定义如下表所示:
3.1AGPS定位技术,3.1.3SUPLA-GPS的网络通信过程,3.1AGPS定位技术,3.1.3SUPLA-GPS的网络通信过程表:
定位服务管理接口消息定义(代理模式),3.1AGPS定位技术,3.1.3SUPLA-GPS的网络通信过程表定位计算接口消息定义,
(2)网络通信过程在SUPL中,可分为代理模式和非代理模式。
在代理模式下,位置中心(SPC)不再直接与SET通信,而是由SLC作为代理完成SET和SPC之间的通信;在非代理模式下,位置中心(SPC)将直接与SET进行通信。
另外,由于终端归属地的不同,又可分为漫游和非漫游两种情况。
在这里为了便于讨论,只针对非漫游代理模式的通信过程做出分析。
网络端和SET均可发起网络通信,下图给出了由网络发起的定位通信过程:
3.1AGPS定位技术,3.1.3SUPLA-GPS的网络通信过程,
(2)网络通信过程,3.1AGPS定位技术,3.1.3SUPLA-GPS的网络通信过程,
(2)网络通信过程在图中:
(A)由SUPL代理向本地定位H-SLP(HomeSLP)发送一个MLPSLIR请求消息,该消息中包含ms-id(移动台ID)、client-id和qop(手机归属地数据)等;(B)本地定位H-SLP核实当前目标SET没有处于SUPL漫游当中且支持SUPL功能;(C)本地定位H-SLP使用WAPPUSH或SMS向SET发送一个SUPLINIT消息,该消息应该包括session-id、posmethod(定位方法)、SLPmode(定位平台模式)等;,3.1AGPS定位技术,3.1.3SUPLA-GPS的网络通信过程,
(2)网络通信过程在图中:
(D)SET收到SUPLINIT后,建立与H-SLP通信的安全数据连接;(E)SET向H-SLP发送一个SUPLPOSINIT消息来开始一个定位会话,该消息中包含有session-id、lid、SETcapabilities等,SET可能会在其中设置被请求的辅助数据;(F)H-SLP根据SUPLPOSINIT提供的定位协议选取相应的通信协议(RRLP/RRC/TIA-801)与SET进行连续的定位数据交换。
3.1AGPS定位技术,3.1.3SUPLA-GPS的网络通信过程,
(2)网络通信过程在图中:
(G)当位置信息计算结束时,H-SLP向SET发送SUPLEND消息通知SET定位会话结束,同时SET释放和H-SLP之间的安全IP连接和相关会话资源;(H)H-SLP向SUPL代理通过发送MLPSLIA消息返回SET位置信息,同时释放所有相关的会话资源。
3.1AGPS定位技术,3.1.3SUPLA-GPS的网络通信过程,
(2)网络通信过程(终端发起)由SET发起的定位通信过程与上图所示区别不大,从(E)开始的步骤与上图相同,只是在最后发送SUPLEND消息并释放相关资源后,整个通信过程结束。
不同的是SUPL代理可与SET集成,SET首先建立与H-SLP的安全数据连接,而后向H-SLP发送SUPLSTART消息,H-SLP在核实当前目标SET没有处于SUPL漫游当中且支持SUPL功能后,发送SUPLRESPONSE消息作为对SUPLSTART消息的回应。
由SET发起的定位通信过程如图所示:
3.1AGPS定位技术,3.1.3SUPLA-GPS的网络通信过程,
(2)网络通信过程非漫游代理模式下SET发起的定位通信过程,3.1AGPS定位技术,3.1.3SUPLA-GPS的网络通信过程,A-GPS的定位计算可以分为MS-Based方式和MS-Assisted方式。
在MS-Based方式中,计算由终端完成;而在MS-Assisted方式中,定位计算由网络基于SET提供的测量数据完成。
两种定位计算方法各有利弊:
MS-Assisted的优点是对终端的要求低,但具有时延较大、不适合高速行驶情况下的定位等缺点。
相比而言,MS-Based方法的优点是网络负担小且定位时延小;适合短时间内的连续定位情况;在网络不能提供辅助的情况下,可以使用自治的GPS功能来定位,因而可靠性高;此方式下无需核心网络作任何改进,成本较低。
总体而言,MS-Based方式是比较可取的定位方式。
3.1AGPS定位技术,3.1.4A-GPS的定位计算方法,gpsOne是美国高通公司为基于位置业务开发的定位技术,采用Client/Server方式。
它将无线辅助AGPS和高级前向链路AFLT三角定位法两种定位技术有机结合,实现高精度、高可用性和较高速度定位。
在这两种定位技术均无法使用的环境中,gpsOne会自动切换到CellID扇区定位方式,确保定位成功率。
传统GPS技术由于过于依赖终端性能,将卫星扫描、捕获、伪距信号接收及定位运算等工作集于终端一身,造成定位灵敏度低及终端耗电量大等缺陷。
gpsOne技术将终端的工作简化,将卫星扫描及定位运算等繁重的工作从终端一侧转移到网络一侧的定位服务器,提高了终端的定位精度、灵敏度和冷启动速度、降低终端耗电。
在GPS卫星信号和无线网络信号都无法单独完成定位的情形下,gpsOne系统会组合这两种信息源,只要有1颗卫星和1个小区站点就可以完成定位,解决了传统GPS无法解决的问题。
gpsOne系统的基础设施辅助设备还提供了比常规GPS定位高出20dB的灵敏度,性能的改善使gpsOne混合式定位方式可以在现代建筑物的内部深处或市区的楼群间正常工作,而两种传统方案在这些地方通常是无法正常工作的。
3.2网络定位技术,网络定位的理论依据是无线射频(RF)信息传播速度不变及传播的路径可预测。
3.2.1COO定位技术(小区定位cellID)COO即Celloforigin,COO定位法是各种定位方法中最简单的一种定位方法,它的基本原理是根据移动台所处的小区ID号来确定移动台的位置。
每个蜂窝小区都有一个唯一的小区ID号,又可称为CGI(CellGlobalIdentity)。
CGI由LAI(位置区识别)和CI(小区识别)构成LAI由MCC(移动国家代码)、MNC(移动网络代码)、LAC(位置区代码)构成即:
CGI=LAI+Cl=MCC+MNC+LAC+Cl。
3.2.1COO定位技术(小区定位cellID),移动台所处的小区ID号是网络中已有的信息,当移动台在某个小区注册后,在系统的数据库中就会将移动台与该小区ID号对应起来,我们只需要再知道该小区基站所处的中心位置和小区的覆盖半径,就能够知道移动台所处的大致范围。
COO定位法的定位精度就是小区的覆盖半径。
3.2.1COO定位技术(小区定位cellID),在我国目前的城市小区规划中,为了解决不断增加的话务量的要求,多采用了多层小区结构。
在用户比较少的地方,采用常规小区,覆盖半径大约400米;在话务量密集的地方,如商业街、写字楼,采用微微蜂窝,覆盖半径能达到100米;另外,在话务量高度密集的地方还采用了双层甚至多层的小区结构。
因此,在繁华的商业区,一个移动台至少可以处于一个微微小区的覆盖,定位精度不超过100米,如果处于多个小区的覆盖,定位精度就可以达到50米甚至更小。
在我国的郊区和农村,由于话务量小,因而基站密度较低覆盖半径也较大,采用COO定位法一般只能获得一到两公里的定位精度。
COO定位法是一种基于网络的定位技术。
3.2.1COO定位技术(小区定位cellID),其优点是实现简单,只需要建立关于小区中心位置和覆盖半径的数据库;定位时间短仅为查询数据库所需的时间;而且COO技术不用对现有的手机和网络进行改造就可以直接向用户提供移动定位服务。
其缺点为定位精度差,特别不适合在基站密度低、覆盖半径大的地区使用。
3.2.1COO定位技术(小区定位cellID),3.2.2TA定位,TA即TimingAdvance是GSM系统中的一个参数在现有的GSM系统中为了保证信息帧中各时隙的同步,基站必须利用移动台所发信息分组中的训练码序列获得该基站和移动台之间的信号传播时延信息,并通过慢速伴随信道将信号传播时延信息以TA参数的形式告知移动台,移动台利用TA参数就可以调整信息分组的发送时刻,以确保各移动台的信息分组到达基站时能避免时隙重叠。
基站和移动台之间的信号传播时延是无线电波在基站和移动台之间一个来回的传输时间。
3.2.2TA定位,我们利用TA可以估计出移动台和当前服务的基站之间的距离。
时间提前量是以比特为单位的,一个比特的时长定义为3.7us,故在一个比特的时间内电磁波传输的距离为:
3.7us*3*108m/s=1110m假设移动台到当前服务的基站之间的信号传播时延为Ta比特,那么我们可以得出移动台到基站的距离即为Ta*1110/2=555*Ta(m)。
3.2.2TA定位,由移动台获取的TA参数仅能够决定移动台和当前服务的基站的距离,由几何知识可知,平面上一动点到一定点的距离为一定值的轨迹为一个圆。
要想获得移动台更具体的位置,必须获得移动台相对于其他不同基站的TA参数。
这就需要通过基站指令,迫使移动终端进行呼叫切换,表现在现有的GSM系统中就是要对基站系统的控制软件进行改造。
3.2.2TA定位,易知,一个TA参数可以决定移动合位于一个圆上,两个TA参数可以决定移动台位于一点或者两点上,三个以上的TA参数可以决定移动台的具体位置于一个点。
如图,BTS3,BTS2,BTS1,3.2.2TA定位,图中BTS1、BTS2、BTS3为基站,X为移动台。
设TA1、TA2、TA3分别为测得的移动台X相对于基站BTS1、BTS2、BTS3的TA参数。
已知基站BTSI、BTS2、BTS3的坐标分别为(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3),假设移动台X的坐标(X,Y),则有位置关系表达式如下:
(x-x1)2+(y-y1)2=(555*TA1)2(x-x2)2+(y-y2)2=(555*TA2)2(x-x3)2+(y-y3)2=(555*TA3)2上式是一个关于(x,y)的非线性方程组,当TA存在一定误差时可能无解,可以采用最小平方误差和方法求解。
3.2.2TA定位,TA定位法是一种基于终端的定位技术。
该方法的优点在于无须对移动台作任何改动,而对基站系统的改动也仅需在切换规程的控制软件中进行。
其缺点在于采用了强制切换,在定位过程中移动台不能进行其它业务通信,同时也增加了更多的信令负荷;TA参数的准确性受到着多径效应的影响:
至少需要获得三个以上的TA参数才可以决定移动台的具体位置于一个点;定位时间较长。
3.2.3TOA定位,TOA即TimeofArrival。
TOA定位法的基本思想是测量移动台发射信号的到达时间,并且在发射信号中要包含发射时间标记以便接收基站确定发射信号所传播的距离,该方法要求移动台和基站的时间精确同步。
为了测量移动台的发射信号的到达时间,需要在每个基站处设置一个位置测量单元,为了避免定位点的模糊性,该方法至少需要三个位置测量单元或基站参与测量,如图所示:
3.2.3TOA定位,3.2.3TOA定位,图中BTS1、BTS2、BTS3为基站,X为移动台。
设T1、T2、T3分别为测出的移动台X的发射信号到达BTSI、BTS2、BTS3的相应基站时间。
移动台X发射信号的移动台时间为TS,基站时间分别为T01、T02、T03。
己知基站BTS1、BTS2、BTS3的坐标分别为(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3),假设移动台X的坐标为(X,Y),则有位置关系表达式如下:
(x-x1)2+(y-y1)2=C2*(T1-T01)2(x-x2)2+(y-y2)2=C2*(T2-T02)2(x-x3)2+(y-y3)2=C2*(T3-T03)2式中C为无线电波的传播速度。
在移动台与各个基站时间同步的基础上,T01=T02=T03=Ts,设移动台X发射信号的时间为T。
则有位置关系表达式如下:
(x-x1)2+(y-y1)2=C2*(T1-T)2(x-x2)2+(y-y2)2=C2*(T2-T)2(x-x3)2+(y-y3)2=C2*(T3-T)2,3.2.3TOA定位,式是一个关于(X,Y)的非线性方程组当TOA存在一定误差时可能无解可以采用最小平方误差和方法求解。
使基站同步最常用的方法是在基站上安装固定GPS接收机;移动台可通过基站的同步信道建立与蜂窝系统的同步。
3.2.3TOA定位,TOA定位法是一种基于网络的定位技术。
该方法的优点在于对现有的移动台无需作任何改造,定位精度较高并且可以单独优化,定位精度与位置测量单元的时钟精度密切相关。
该方法的缺点在于每个基站都必须增加一个位置测量单元并且要做到时间同步,移动台也需要与基站同步,整个网络的初期投资将会很高;发射信号中加上发射时间标记,会增加上行链路的数据量,当业务量大时网络的负担会加重;
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