長距離移動定位技術與室內(nèi)定位技術

　　美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)于1996年下達指示要求移動運營商為移動電話用戶提供E-911(緊急救援)服務，這就要求對所有移動電話用戶實現(xiàn)定位功能，同時，F(xiàn)CC又于1999年對定位精度做出新的要求。

　　FCC的這些舉措大大促進了關于定位技術及其服務業(yè)務研究的發(fā)展，很多國家開始致力于研究商用定位技術并推出了各具特色的商用定位服務。近幾年，全球移動用戶的數(shù)量迅猛發(fā)展，為商用位置服務提供了極其誘人的市場前景。有關報道預測，2006年全球移動用戶的半數(shù)有望成為位置服務用戶，其業(yè)務收入可達185億美元。相關的位置服務業(yè)務可包括：緊急求救電話服務、物流管理、商業(yè)求助電話服務、個人問詢服務、車輛導航服務、特定跟蹤服務等等。

　　1、移動定位技術

　　移動定位技術是利用無線移動通信網(wǎng)絡，通過對接收到的無線電波的一些參數(shù)進行測量，根據(jù)特定的算法對某一移動終端或個人在某一時間所處的地理位置進行精確測定，以便為移動終端用戶提供相關的位置信息服務，或進行實時的監(jiān)測和跟蹤。根據(jù)移動定位的基本原理，移動定位大致可分為兩類：基于移動網(wǎng)絡的定位技術和基于移動終端的定位技術，還有的把這兩者的混合定位作為第三種定位技術。

　　1.1　基于移動網(wǎng)絡的定位技術

　　基于Cell-ID的定位技術：該技術又稱起源蜂窩小區(qū)(Cell Of Origin)定位技術。每個小區(qū)都有自己特定的小區(qū)標識號(Cell-ID)，當進入某一小區(qū)時，移動終端要在當前小區(qū)進行注冊，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中就會有相應的小區(qū)ID標識。系統(tǒng)根據(jù)采集到的移動終端所處小區(qū)的標識號來確定移動終端用戶的位置。這種定位技術在小區(qū)密集的地區(qū)精度較高且易于實現(xiàn)，無需對現(xiàn)有網(wǎng)絡和手機做較大的改動，得到廣泛的應用。

　　到達時間TOA(Time Of Arrival)定位技術：移動終端發(fā)射測量信號到達3個以上的基站，通過測量到達所用的時間(須保證時間同步)，并施以特定算法的計算，實現(xiàn)對移動終端的定位。在該算法中，移動終端位于以基站為圓心，移動終端和基站之間的電波傳輸距離為半徑的圓上，三個圓的交點即為移動終端所在的位置。

　　到達時間差TDOA(Time Difference 0f Arrival)定位技術：移動終端對基站進行監(jiān)聽并測量出信號到達兩個基站的時間差，每兩個基站得到一個測量值，形成一個雙曲線定位區(qū)，這樣，三個基站得到2個雙曲線定位區(qū)，求解出它們的交結點并施以附加條件就可以得到移動終端的確切位置。由于所測量為時間差而非絕對時間，不必滿足時間同步的要求，所以TDOA備受關注。

　　增強型觀測時間差E-OTD(Enhanced-Observed Time Difference)定位技術：在無線網(wǎng)絡中放置若干位置接收器或參考點作為位置測量單元LMU，參考點都有一個精確的定時源，當具有E-OTD功能的手機和LMU接收到3個以上的基站信號時，每個基站信號到達兩者的時間差將被算出來，從而估算出手機所處的位置。這項定位技術定位精度較高但硬件實現(xiàn)也復雜。

　　角度達到AOA(Arrival of Angle)定位技術：這種定位技術的首要條件是基站需裝設陣列智能天線。通過這種天線測出基站與發(fā)送信號的移動終端之間的角度，進一步確定兩者之間的連線，這樣移動終端與兩個基站可得到兩條連線，其交點即為待測移動終端的位置。該定位技術的缺點是所需智能天線要求較高，且有定位盲點。

　　1.2　基于移動終端的定位技術

　　該定位技術的原理是：多個已知位置的基站發(fā)射信號，所發(fā)射信號攜帶有與基站位置有關的特征信息，當移動終端接收到這些信號后，確定其與各基站之間的幾何位置關系，并根據(jù)相關算法對其自身位置進行定位估算，從而得到自身的位置信息。具有較高的定位精度。但其致命的缺陷是需要手機參與定位參數(shù)的測量并進行坐標位置的計算，必須對手機和網(wǎng)絡的軟硬件加以改造或升級，目前傾向的做法是在手機內(nèi)集成GPS接收機，加大了手機的能耗，而且從商用角度來看很難做到大面積的推廣和使用。

　　目前已提出的基于移動終端的定位技術主要包括：下行鏈路觀測到達時間差(OTDOA)方法、基于GPS的定位技術，如差分GPS(DGPS)、輔助GPS(A-GPS)等。根據(jù)技術發(fā)展動態(tài)，我們把重點集中于DGPS和A-GPS上：(1)GPS定位技術經(jīng)過多年的發(fā)展，由于其定位精度高、覆蓋范圍廣的優(yōu)點，在軍事用途中發(fā)揮著巨大的作用，近幾年開始向各個領域滲透并得到廣泛的應用。差分GPS技術可以提高GPS系統(tǒng)的定位精度。原理是：基準接收機對自己實施定位，得到的定位結果與自己的確知的地理位置相比較得到差值，該差值被用作公共誤差修正值，對與基準接收處于同一區(qū)域且共用四顆衛(wèi)星進行定位的移動接收機來說，它們顯然具有相同的公共誤差。因此借助于公共誤差修正值可以修正移動接收機的定位結果，從而提高定位精度。 (2)采用GPS對移動臺直接定位時，首次定位需要較長的時間，這對于緊急救援的業(yè)務是不允許的。A-GPS可以有效地解決這個問題。利用輔助GPS進行定位時，GPS參考網(wǎng)絡可將輔助的定位信息通過無線通信網(wǎng)絡傳送給移動臺，可減小搜索時間，使定位時間降至幾秒鐘，而且輔助的定位信息也為在信號嚴重衰落的市區(qū)或室內(nèi)應用GPS定位技術提供了可能。另外，由于在兩次定位間歇期間GPS接收機可處于休眠狀態(tài)，所以可以降低手機的能耗。綜上所述，AGPS彌補傳統(tǒng)的GPS定位技術的缺陷，使得GPS突破定位界限實現(xiàn)室內(nèi)GPS定位。

　　2、室內(nèi)定位技術

　　2.1　光跟蹤定位系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)種類繁多，但都要求所跟蹤目標和探測器之間線性可視，這就把它的應用局限到了僅室內(nèi)的范圍且須保證所監(jiān)測的目標是不透明的。在視頻監(jiān)視系統(tǒng)中，往往采用在被監(jiān)控的環(huán)境中安裝多臺攝像設備，這些攝像設備可連接到一臺或幾臺視頻監(jiān)控器上，通過視頻監(jiān)控器，對觀察對象進行實時動態(tài)地監(jiān)控，有的甚至可以進行必要的數(shù)據(jù)存儲。光定位技術也被應用于機器人系統(tǒng)，通過固定的紅外線攝像機和很多紅外線發(fā)光二極管的一系列協(xié)同配合，達到定位的目的。由于其本身的特點，要實現(xiàn)高精度的光定位技術，其配備要求比較復雜。

　　2.2　室內(nèi)GPS定位技術

　　當GPS接收機在室內(nèi)工作時，由于信號受建筑物的影響而大大衰減到十分微弱的地步，要想達到室外一樣直接從衛(wèi)星廣播中提取導航數(shù)據(jù)和時間信息是不可能的。為了得到較高的信號靈敏度，就需要延長在每個碼延遲上的停留時間，A-GPS技術為這個問題的解決提供了可能性。室內(nèi)GPS技術采用大量的相關器并行地搜索可能的延遲碼，同時，也有助于實現(xiàn)快速定位。這種室內(nèi)GPS定位技術由于需要在手機內(nèi)集成GPS接收器，決定了它的應用受限性，為此，把具有該功能的手機價格降到人們可以承受的范圍內(nèi)成了室內(nèi)GPS技術追求的目標之一。普通GPS接收機正朝著單片機的方向發(fā)展，并努力實現(xiàn)把GPS的RF電路和多相關器電路集成人手機現(xiàn)存的RF芯片和綜合數(shù)字芯片中。

　　2.3　超聲波定位技術(Ultrasonic Positioning Technologies)

　　該技術由于其成本低、結構簡單易于實現(xiàn)而被人們廣泛采用。目前，市場上的超聲波收、發(fā)器技術成熟且價格低廉，因此應用較為廣泛。超聲波測距大都采用反射式測距法，即發(fā)射超聲波并接收由被測物產(chǎn)生回波，根據(jù)回波與發(fā)射波的時間差計算出待測距離，有的則采用單向測距法。超聲波定位系統(tǒng)可由若干個應答器和一個主測距器組成，主測距器放置在被測物體上，在微機指令信號的作用下向位置固定的應答器發(fā)射同頻率的無線電信號，應答器在收到無線電信號后同時向主測距器發(fā)射超聲波信號，得到主測距器與各個應答器之間的距離。當同時有三個或三個以上不在同一直線上的應答器做出回應時，我們可以根據(jù)相關計算確定出被測物體所在的二維坐標系下的位置。我們在無線傳感器網(wǎng)絡下基于超聲波技術的3D定位系統(tǒng)的研制中采用超聲波定位技術，為了克服超聲波聲吸收嚴重而影響其傳輸距離的缺陷，我們決定不采用反射測距法而是用單向測距法。

　　2.4　藍牙技術(Bluetooth)

　　該技術是一種短距離低功耗的無線傳輸技術，支持點到點、點到多點的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務?？梢詫崿F(xiàn)不同設備之間的短距離無線互聯(lián)。在室內(nèi)安裝適當?shù)乃{牙局域網(wǎng)接入點，把網(wǎng)絡配置成基于多用戶的基礎網(wǎng)絡連接模式，并保證藍牙局域網(wǎng)接入點始終是這個微微網(wǎng)(piconet)的主設備(master)，就可以獲得用戶的位置信息，實現(xiàn)利用藍牙技術定位的目的。采用該技術作室內(nèi)短距離定位其優(yōu)點是容易發(fā)現(xiàn)設備且信號傳輸不受視距的影響，缺點是目前藍牙器件和設備價格昂貴。

　　3、結束語

　　移動定位技術在近幾年取得了很大的發(fā)展，尤其是各種技術的混合研究和應用，我們可以揚長避短，加速技術突破的進程。但就其商業(yè)應用的開發(fā)來說，目前不過是剛剛起步，除了某些特定的跟蹤或監(jiān)測用途，作為民用的巨大商業(yè)潛力尚待進一步的開發(fā)，在未來的手機業(yè)務中，位置業(yè)務服務很可能帶來巨大的商機，并給人們帶來極大的便利。另外，室內(nèi)定位技術有待于進一步研究完善，一旦突破的屏障，定位技術將會出呈現(xiàn)珠聯(lián)璧合之勢，相關的位置服務業(yè)務也必將深人人們的生活。