移动定位技术及在安全领域的应用解析

    一、移动定位技术的分类
    近年来，随着用户需求的增加，移动定位技术受到越来越多的关注，推动了对移动定位技术的研究及测距技术的发展。如何尽可能地利用现存网络资源，低成本地实现对用户的精确定位一直是研究的焦点。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。
     二、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)范围内区域确定为MS所在区域。
    时间提前量通过O？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范围内的所有移动台，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，同时告知手机号码和定位精度要求。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范围发送回应用。
    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内，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。 [Page]
    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内置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，如用户在室内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。这些参数有助于内置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。
    三、移动定位在安全领域的应用
    1、紧急救援和求助
    移动的不确定性给人们的安全带来了一定的威胁。随着活动范围的扩大，这种威胁也越来越大。因此，危险情况下的紧急求援就显得尤为重要。只要用户的手机支持移动定位业务，用户就可以拨打救援中心的电话，如中国的110、美国的911、日本的411电话。移动通信网络就会将获得的用户位置信息和用户的语音信息一并传送到救援中心。报警用户位置信息对于救援人员迅速到达现场很重要，救援中心接到呼叫后，根据得到的用户位置信息，就能采取迅速、高效地救援活动，大大提高了救援的成功率。
    2、车导航、车辆追踪、舰队追踪
    在人口密集的大城市里，交通阻塞的问题急待解决，对车辆导航、智能交通的要求越来越迫切。为此发展出了智能交通系统ITS。而自动车辆定位系统AVLS是智能交通系统的核心，提供诸如车辆及旅客位置、车辆的调度管理、监测交通事故、疏导交通等服务，从而实现动态交通流分配、定位导航、事故应急、安全防范、车辆追踪、车辆调度等功能。利用蜂窝定位系统实现的自动车辆定位系统将定位、通信、计算机信息处理与控制等构成一个有机整体，有利于多种信息的融合，并且在城市覆盖和灵活方便的漫游管理等方面具有优势。
    3、移动黄页查询、防止手机盗打
    移动互联网技术与移动定位业务相结合，可以轻而易举地实现移动黄页查询。移动网络首先定位出用户所处的位置，然后再根据互联网提供的信息选出用户所在地的相关信息，供用户查询。移动电话定位业务的开展，对制止移动电话的盗打非常有利。电信运营部门在发现盗打号码后，可以不必禁止移动电话的使用，而利用无线网络自动记录盗打的准确时间和地点，从而为司法部门执法提供最有力的证据。
    四、手机定位前景广阔
    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。该服务开通后，所有湖南移动用户无须换卡或更换手机，无论身在何处，都能使用这项服务。
    目前，上海联通只开放“自己定位自己”的服务，怀揣一部定位手机，你即便是到一个陌生的街区，也能通过手机定位，查看到自己所处的位置，并能够查看到周边交通、餐饮、银行等服务设施的位置信息。上海移动也已推出名为“手机地图”的手机定位服务，与上海联通一样，上海移动目前也不开放“手机用户间相互定位”。上海联通定位服务已经应用于某大型出租公司，用来对运营车辆的监控和调度。中国联通推出的“关爱之星”业务由于可使家长通过自己的手机和子女身上一部类似手机的终端“小爱星”，随时随地查询到孩子的实时位置，而引起家长的广泛关注。广州等地已推出针对出租车司机、盲人、老人的关爱服务，即当他们遇到意外情况时只需按求助键，求助中心就能够得到他们的位置信息，及时赶到他们身边，为他们提供必要的帮助。此外，在车辆调度、救援寻人业务、导航类业务和紧急求助业务等各个方面，定位服务都将大显身手。联通手机定位精度较高，在室外环境下的误差仅在5-50米的范围。该定位技术是借助CDMA1X网络、采用GPSOne定位技术，并结合GIS(地理信息系统)的地图数据信息来实现的，无论在室内还是室外，只要有CDMAlX网络覆盖的地方，都可以实现定位。
    据信息产业部电信研究院预测，到2005年，移动用户中将有55%左右使用位置服务，全球定位服务市场的年收入将是一个160亿美元的大蛋糕。目前国内此项业务2003年的营业收入为1600万美元，但未来3年内将驶入快车道，至2006年，手机定位服务收入将达到12.55亿美元。但从2003年7月推出位置服务以来，尽管增长比较快，但用户数量并不大。目前联通手机用户中只有3%到4%使用位置服务。其中广东经过半年多的努力，至今仅发展了不过200名用户。由此看来，手机定位要驶入快行线，尚需时日。目前使用手机定位服务的多为高校学生等“新锐一族”以及司机等。司机以此获取定位信息，从而在对路线的选择、中途停留地点的选择、对当地资源的利用等方面获得便利，家人也可以随时了解他们的位置，减少不必要的安全方面的担心。另外，手机定位对盲人也有极大的帮助，在迷路的情况下，盲人能通过手机知道并告知他人自己的方位。其实手机定位的应用远不止于个人定位、定位广告、人员及物流调度、位置游戏等增值服务，还可以为公众提供基于位置的公共安全服务，提高对各种灾害、事故和案件受害者的救助效率。