移動定位技術的現狀與發展趨勢*

曹永升，梁勝祥，謝冠恒，鄭喜艷，趙書俊

（1.鄭州大學 物理工程學院，河南 鄭州450001；2.鄭州光力科技股份有限公司，河南 鄭州450001）

移動定位技術的現狀與發展趨勢*

曹永升1，梁勝祥1，謝冠恒2，鄭喜艷1，趙書俊1

（1.鄭州大學 物理工程學院，河南 鄭州450001；2.鄭州光力科技股份有限公司，河南 鄭州450001）

基于位置服務為人們的日常生活帶來了極大的方便，同時也推動了移動定位技術行業的快速發展。針對移動定位技術發展狀況，分析目前主流定位技術的優劣，并對取得的突破作簡單的總結歸納。

蜂窩網絡；WLAN；WSN；移動終端定位；GPS；BDS

0　引言

移動定位技術已經與緊急救援、醫療、航海等方面息息相關，在服務于大眾日常生活的同時，也為國家在某些領域帶來極大的便利。FCC(美國通信委員會)對E911的提出促進了 LBS(Location Based Service)的發展，同時近年來互聯網的高速發展在某種程度上加快了移動定位的發展。盡管如此，定位精度還遠遠不能滿足需求。不過可喜的是，當下互聯網、物聯網等的高速發展，以及全球化的定位系統，比如我國正在自主發展、獨立運行的全球導航系統——北斗衛星導航系統(BeiDou Navigation Satellite System)、美國軍方研制的 GPS(Global Positioning System)、俄羅斯的格洛納斯GLONASS(Global Navigation Satellite System)、歐盟的伽利略(Galileo Positioning System)等，說明定位技術在一個地區，乃至全球有著舉足輕重的作用。

目前，網絡、終端以及多種技術相互結合成為移動定位的技術主流。在移動定位方面主要的工作是提高定位的精度，不斷改進原有技術以及對新技術的研發，如對室內定位目前所存在的技術上的欠缺，是當下亟待解決的問題。在移動定位技術方面，已經基本上能夠滿足廣大用戶的需求，各種定位技術相互借鑒，揚長避短，定位精度日漸提高。

1　移動定位性能指標

評價移動定位性能的優略，主要對定位精度、響應時間、定位復雜度等進行評價。

1.1定位精度

定位精度是指空間實體位置信息坐標與真實位置坐標之間的差異，是定位性能最重要的指標。

(1)MSE與RMSE

其中，(x，y)為真實坐標位置，(x′，y′)為空間實體位置坐標。

(2)克拉美羅下界

克拉美羅下界(CRLB)對無偏估計規定了下界。用MSE或者RMSE對CRLB的逼近程度進行判定。

(3)累積概率函數

累積分布函數(CDF)是對概率密度函數(PDF)的積分，表征在某個范圍內隨機變量所能發生的概率。

(4)圓(球)誤差概率

圓(球)誤差概率(CEP)，又稱之為圓形公算誤差，表征事件發生于規定范圍內的概率。

(5)幾何精度因子

幾何精度因子(GDOP)指GPS測距誤差造成接收機與空間衛星間的距離矢量放大因子。表示為：

其中，A為系數矩陣。

在二維定位系統中，GDOP表示為：

(6)相對定位誤差

相對定位誤差(PRF)為定位范圍最大圓(球)半徑與定位精度的比值，表示為：

1.2響應時間

響應時間指從終端或網絡發出定位請求之后，到成功返回滿意結果所用時間。響應時間越小，定位性能越好。

1.3定位復雜度

定位復雜度分為定位算法復雜度和網絡建設復雜度。定位復雜度與響應時間相關，定位越復雜響應時間越長。

2　移動網絡定位技術

移動網絡定位技術是目前應用最為廣泛的定位方法，市場上大部分移動終端或者手持式移動設備都配備這種功能，比如全球移動通信系統GSM(Global System for Mobile communications)以及碼分多址CDMA(Code Division Multiple Access)這兩種無線通信技術。以Cell-ID、WLAN、WSN為媒介，根據網絡拓撲，對移動網絡定位有了劃分。

2.1基于蜂窩網絡定位技術

蜂窩網絡定位屬于無線電定位范疇，它所定位的對象是針對于靜止或者慢速移動的對象，比如手機或者其他手持式設備。MS、移動網絡，以及由衛星定位系統為定位基礎，結合前兩種而形成的定位方法。采取蜂窩網絡定位，主要是采取對信號到MS的時間、時間差、角度進行測量，通過適當合理的計算估計出地理位置[1]。

蜂窩網絡定位在很大程度上受到多徑[2]、NLOS[3]、多址接入[4]、BS數目的限制。為了降低這些因素的影響，針對NLOS采取校正、加權、幾何約束等方法；針對多址干擾，在改進算法的同時，還對網絡的物理層進行檢測，或者對應用干擾抵消的方法。

2.2基于WLAN定位技術

WLAN定位技術利用WiFi終端(如筆記本、PDA以及智能手機等)掃描無線局域網協議中定義的參數，主要使用接收信號強度或者信噪比信息進行定位。WLAN定位技術有兩種工作模式，一種利用工作基站(Access Point，也稱訪問點)，另外一種是Ad Hoc模式，前者應用最為廣泛，主要是因為具有更好的無線網絡覆蓋，網絡通信也更加穩固可靠，而后者比較方便，建立臨時對等無線網，靈活性比較強。

目前，基于WLAN定位[5]：一是RSSI技術的使用；二是對信號傳輸的衰減規律和信號強度等物理量的測量；三是借鑒了經驗信號強度測量值和基于信號傳播模型法。算法的改進，比如新型定位方法ABS(指紋識別定位)、GA(遺傳定位算法)、DANN(適應性神經網絡)等，均在一定程度上實現了預期的目的，減小了定位誤差。

2.3基于WSN定位方法

由于WSN兩個特點：一是傳感器節點，二是多跳自組織網絡，為WSN輔助定位提供了條件。借助WSN采集用于定位的相關數據，例如距離、角度等量，然后通過特定算法將數據轉化為坐標實現定位[6]。

基于WSN定位方法，主要取決于兩方面內容，一是WSN性能的提高，二是對數據轉化處理算法的優化和改進。WSN與傳感器技術、微機電系統、網絡和通信等技術息息相關，一方面硬件技術在改進，另一方面算法也得到了發展，三維定位算法擴展了WSN的應用領域，同時，隨著技術的改善（低功耗、FPGA等），智能算法也會被普遍使用。

3　移動終端定位技術

隨著3S(GPS、GIS、RS)技術的發展，并且伴隨LBS的出現，移動終端定位已經深入各行各業，為廣大用戶的日常生活帶來了極大的便利。由于移動終端定位有著廣泛的市場前景以及潛在應用價值，很多國家地區，以及部分高等院校、研究機構投入了大量人力物力進行了研發。我國移動通信市場已日趨國際化，信息產業如今在國民經濟所占比重尤為可觀，同時對于核心技術，知識產權也尤為重要。因此，該技術已經成為人們關注的熱點。

移動終端定位技術需要BS/LUM和MS的雙方參與，前者發送定位信號，后者接收信號，同時利用某些定位算法，從得到的數據中計算出MS的地理坐標，實現定位的目的。由于需要MS的參與，對提高定位精度方面，就必須對其本身的軟硬件進行改進，從某些程度上導致功耗的提高、體積的增加以及成本的提高。針對種種問題，主要采取 TDMA、E-OTD、OTDOA-IPDL、AGPS、GPSOne等[7-10]。

3.1E-OTD定位技術

E-OTD定位技術是在 GSM下發展起來的定位方式。E-OTD主要由3個量組成：觀察時間差OTD、RTD以及GTD，其中OTD是MS接收到兩個不同BTS信號的時間差；RTD是兩個BTS之間的系統時間差；GTD是兩個BTS到MS由于距離差而引起的傳輸時間差。三者之間數學關系是OTD=RTD+GTD[11]。

這種定位方法區別于同步網絡和異步網絡，在同步網絡中，通過測量信號由若干BTS到MS的到達時間差OTD，來進行定位；在異步網絡中，利用位置測量單元 LUM (Location Measurement Unit)，計算相對時間差RTD(Real Time Difference)，用來補償由于不同BTS的異步時鐘所產生的誤差，從而通過LUM和RTD兩者的結合，作出相應的定位。從而構成方程：

其中C表示系數矩陣，向量Δxy表示MS位置坐標增量，向量ΔD表示相對于Δxy的距離，通過變化得出：

在迭代求解過程中，為了減小誤差，可以使用加權最小二乘法，求解之前，首先選擇一個初始MS坐標位置，然后通過反復迭代直到逼近預先設置的臨界值，從而確定出MS的空間位置。

3.2OTDOA-IPDL定位技術

OTDOA-IPDL是TD-SCDMA系統下的一種定位方式，該定位方法是在OTDOA定位技術的基礎上，應用IPDL技術，目的是提高BS到MS之間測距準確性和可靠性。在IPDL期間，MS測量下行導頻信號，得到TOA，估算出MS與BS之間的距離。具體定位過程為：測距、距離校準和算法實現。具體實現過程如圖1所示[9]。

圖1　OTDOA-IPDL定位技術

3.3基于GPS的定位技術

隨著市場需求的不斷發展，廣大用戶對定位要求是越來越高，但是由于傳統GPS定位冷啟動時間長、功耗大、定位時間長等缺點的限制，從而 A-GPS、GPSOne等技術應運而生。其一是技術的進步和發展，其二是市場對定位的需求。

A-GPS定位技術[12]即輔助GPS定位技術，其原理如圖2所示。輔助與否的關鍵在于是否有移動互聯網參與定位環節。GPS定位關鍵在于GPS衛星發射信號，地面接收機接收并處理信號，通過特定算法解算出位置坐標。而A-GPS技術在此技術的基礎上，讓網絡參與定位，其實就是傳統概念的GPS定位與移動網絡定位的相互結合，集空間、地面、終端于一體，一是減小了首次定位的時間，二是很大程度上能夠克服地理環境上造成衛星信號無法正常接收的弊端。

圖2　A-GPS定位原理

輔助GPS定位技術目前在移動定位技術已經得到廣泛應用，但是難免存在瑕疵。在室內情況下，由于衛星信號比較弱，A-GPS仍然不能發揮其優勢，故而出現了GPSOne技術[13]。該技術是通過結合GPS衛星信號和CDMA網絡信號進行混合定位，其在利用輔助GPS定位的技術的基礎上，當移動終端處在室內這種不能接收較為穩定衛星信號時，可以通過移動網絡實現定位，改善了室內定位的效果。

3.4基于北斗導航系統的定位

北斗衛星導航系統(BDS)[14]是我國自主研發的導航定位系統，主要包括北斗一號和北斗二號兩代系統。目前，北斗一號已經在某些地區投入工作，北斗二號還處在建設當中。BDS的投入使用，不僅對我國的國防、經濟以及現代化建設有著舉足輕重的作用，而且以其開放、自主、兼容、漸進等特點，將會服務于周邊國家，將來也會服務于全球。

其主要由空間部分、地面中心控制系統、用戶終端三部分組成，形成完善的定位網絡。用戶需要定位時，通過終端發出的信號，由兩顆衛星轉發至地面控制中心，地面中心計算出終端與衛星之間的距離，各以衛星為球心，以得到的距離為半徑，終端所處與兩球面的交線上，并結合地面中心的高程地圖，即可做出定位。

4　移動定位技術的發展現狀

互聯網技術以及3S技術的發展為現代各行各業帶來了極大的便利，LBS技術服務于各行各業，移動定位技術得到了快速的發展，很多國家和地區、科研單位以及高校均投入大量的人力、物力、財力進行了研究，并且取得了可觀的成效。比如在車輛導航、游客指導、緊急救援或者搜救等方面都發揮了極其重要的作用。

目前而言，移動定位技術基本上以無線網絡作為基礎，以導航系統作為支撐，形成了無線網絡定位、定位設備定位以及兩者結合形成的定位技術，但是由于各種因素的制約，都在某種程度上影響著定位的精度和效率；再者，GPS、北斗等定位技術可以使精度上大大提高，不過一方面由于成本比較高，另一方面如果處在不能正常接收衛星信號的區域，其定位的能力在某種程度上也大打折扣。因此，對傳統的定位方式精度的提高主要工作是定位設備硬件設備的提高和定位算法的改進。

5　總結

移動定位技術已經深入人們的日常生活，如何快捷有效的實現實時定位已經是定位行業正在解決的問題。由于互聯網、無線電、全球定位系統的飛速發展，目前移動定位已經得到較為滿意的成果，但是還無法滿足某些場合或者條件下，存在的種種客觀條件的制約。隨著技術不斷進步，相信未來的移動定位技術會逐漸得以完善。參考文獻

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The situation and development tendency of mobile positioning technology

Cao Yongsheng1，Liang Shengxiang1，Xie Guanheng2，Zheng Xiyan1，Zhao Shujun1
(1.School of Physical Engineering,Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China；2.Zhengzhou Guangli Tech.Development Co.，LTD，Zhengzhou 450001，China)

Location Based Service brings the great convenience to people for their daily life,and promotes the great development of mobile positioning.In accordance with mobile positioning technology,the strengths and weaknesses of orthodox positioning technology are analyzed.

cellular network；WLAN；WSN；mobile terminal；GPS；BDS

TN9

A

0258-7998(2015)01-0017-04

10.16157/j.cnki.0258-7998.2014102903890

鄭州大學研究生暑期創新實踐課題

2014-10-29)

曹永升(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線定位技術。

趙書俊(1960-)，通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：無線定位技術，E-mail：zhaosj@zzu.edu.cn。