GPS移動(dòng)定位與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位精度的分析

鄔群勇,張愛(ài)國(guó),許其鳳,2,張攀攀,查 靈

(1.福州大學(xué)福建省空間信息工程研究中心、數(shù)據(jù)挖掘與信息共享教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福建 福州 350002;2.信息工程大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,河南 鄭州 450052)

0 引 言

全球定位系統(tǒng)技術(shù)(GPS)和無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是移動(dòng)定位系統(tǒng)關(guān)鍵的兩個(gè)要素[1]。目前,移動(dòng)定位主要有GPS終端移動(dòng)定位和基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位的兩種定位方式。GPS終端移動(dòng)定位有兩種途徑:第一種是終端獨(dú)立定位的GPS途徑,它是在終端設(shè)備內(nèi)部加裝GPS接收機(jī)模塊,并將設(shè)備天線換成能夠同時(shí)接收GPS信號(hào)的多用途天線。終端接收GPS數(shù)據(jù),確定移動(dòng)臺(tái)的位置信息并將結(jié)果報(bào)給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò),第二種是聯(lián)合定位途徑,其典型代表是輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)A-GPS(Assistant Global Positioning System)定位技術(shù)。A-GPS與GPS方式一樣需要在終端內(nèi)增加GPS接收機(jī)模塊并改造終端天線,但A-GPS終端通過(guò)接收移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)由GPS參考網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的輔助數(shù)據(jù)可快速啟動(dòng)并捕獲衛(wèi)星?；谝苿?dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位計(jì)算,都在服務(wù)器端的定位平臺(tái)完成,根據(jù)計(jì)算方式的不同,又可以分為小區(qū)定位COO(Cell of Origin)、到達(dá)角定位AOA(Arrival of Angle)、抵達(dá)時(shí)間定位 TOA(Time of Arrival)、抵達(dá)時(shí)間差異定位技術(shù)TDOA(Time Difference of Arrival)和增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差定位EOTD(Enhanced Observed Time Difference)等。兩種定位方式在移動(dòng)定位方向都得到了廣泛的應(yīng)用,闡述了這兩者之間的區(qū)別與聯(lián)系,分析了各自的定位精度,并展望了移動(dòng)定位未來(lái)的發(fā)展方向。

1 GPS移動(dòng)定位概述

移動(dòng)終端的位置信息是移動(dòng)位置服務(wù)中的關(guān)鍵信息,利用移動(dòng)定位信息開(kāi)展的服務(wù)將是移動(dòng)通信上的一種特色服務(wù)。常見(jiàn)的移動(dòng)定位有GPS移動(dòng)定位和基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的定位,下面就它們的定位原理逐一介紹。

1.1 GPS系統(tǒng)簡(jiǎn)要介紹

全球定位系統(tǒng)(GPS)是20世紀(jì)70年代初在美軍“子午衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——NNSS系統(tǒng)”的技術(shù)上發(fā)展而來(lái)的,具有全球性、全能性(陸地、海洋、航空與航天)、全天候性優(yōu)勢(shì)的導(dǎo)航定位、定時(shí)、測(cè)速系統(tǒng)。GPS一般可采用4顆衛(wèi)星的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算一個(gè)移動(dòng)用戶的位置,即經(jīng)度、緯度和高度。原始數(shù)據(jù)可以由終端處理,也可以送到網(wǎng)絡(luò)端處理。GPS在天空晴朗時(shí),單點(diǎn)定位可以獲得5～40 m的精度。

1.2 GPS定位原理

GPS系統(tǒng)是利用衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)、測(cè)距的定位系統(tǒng)。按定位方式,GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位(差分定位)。單點(diǎn)定位方式就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)的位置,它只能采用偽距觀測(cè)量,可用于車、船等大眾導(dǎo)航定位。相對(duì)定位(差分定位)是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法,它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量。大地測(cè)量或工程測(cè)量等對(duì)精度要求特別高的應(yīng)用均采用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。

在單點(diǎn)定位中采用TOA(Time of Arrival)定位法,用偽距決定衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離。用戶可通過(guò)GPS接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)來(lái)測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)傳播的時(shí)間延遲或相位延遲,由此計(jì)算出接收機(jī)與GPS衛(wèi)星間的距離。采用3顆衛(wèi)星,利用三維坐標(biāo)中的距離公式,就可以組成3個(gè)方程式,從而解出觀測(cè)點(diǎn)的位置(X、Y、Z)?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差,實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)(X、Y、Z和時(shí)鐘偏差),因而需要引入第4顆衛(wèi)星,形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解,從而得到觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。利用接收機(jī)和4顆GPS衛(wèi)星之間的偽距,可以建立以下偽距方程:

式中:P1、P2、P3、P4分別為觀測(cè)到的偽距;(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)、(x4,y4,z4)為從導(dǎo)航電文得到的衛(wèi)星位置坐標(biāo);dT1、dT2、dT3、dT4為已知衛(wèi)星時(shí)鐘偏差,可從衛(wèi)星導(dǎo)航信息中取得;c為光速;dt為未知接收機(jī)時(shí)間偏差。通過(guò)求解以上偽距方程,就能得到接收機(jī)位置及時(shí)鐘偏差,由于接收機(jī)可以鎖定4顆以上的衛(wèi)星,因此接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組,每組4顆,然后通過(guò)算法挑選出誤差最小的一組用于定位,從而進(jìn)一步提高定位精度。

2 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位概述

移動(dòng)定位涉及移動(dòng)無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)。獲取移動(dòng)定位信息的定位技術(shù)及其定位系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。常見(jiàn)的基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)定位技術(shù)有如下幾種[3]。

1)COO(Cell of Origin)小區(qū)定位技術(shù)。

起源蜂窩小區(qū)(COO)定位技術(shù)是最簡(jiǎn)單的一種定位方式,它根據(jù)移動(dòng)臺(tái)所處的小區(qū)ID號(hào)來(lái)確定用戶的位置。移動(dòng)臺(tái)在當(dāng)前小區(qū)注冊(cè)后,在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中就會(huì)有相對(duì)應(yīng)的小區(qū)ID號(hào)。只要系統(tǒng)能夠把該小區(qū)基站設(shè)置的中心位置(在當(dāng)?shù)氐貓D中的位置)和小區(qū)的覆蓋半徑廣播給小區(qū)范圍內(nèi)的所有移動(dòng)臺(tái),這些移動(dòng)臺(tái)就能知道它處在什么地方,查詢數(shù)據(jù)庫(kù)即可獲取移動(dòng)臺(tái)的位置。

2)AOA(Arrival of Angle)到達(dá)角定位技術(shù)。

簡(jiǎn)單地說(shuō),AOA定位技術(shù)測(cè)量的是BTS(基站)和MS(移動(dòng)臺(tái))之間信號(hào)到達(dá)的角度,根據(jù)信號(hào)到達(dá)的角度,可以確定MS相對(duì)于BTS的角度關(guān)系。只要測(cè)量一個(gè)MS距2個(gè)BTS的信號(hào)的到達(dá)角度,就可得到從BTS到MS的軌跡直線,兩條直線的交點(diǎn)自然就是MS的位置。

3)TOA(Time of Arrival)抵達(dá)時(shí)間定位。

TOA方法是基于信號(hào)從移動(dòng)臺(tái)(MS)到達(dá)消息測(cè)量單元(三個(gè)或更多)的時(shí)間來(lái)測(cè)量的。因?yàn)殡姶挪ㄒ院闼賯鞑?信號(hào)傳播距離與傳播的時(shí)間成正比,所以只要知道測(cè)量基站與移動(dòng)臺(tái)之間信號(hào)傳播時(shí)間,就可以得到它們的間距。這樣,基站位置在已知的情況下,移動(dòng)臺(tái)的位置就可以被求出。與EOTD類似,TOA也通過(guò)計(jì)算信號(hào)從移動(dòng)設(shè)備到3個(gè)基站的傳輸時(shí)間差來(lái)獲得位置信息的。不同的是,TOA系統(tǒng)中沒(méi)有使用位置測(cè)量單元,而是通過(guò)與在基站上安裝了GPS或原子鐘的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的同步來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4)TDOA(Time Difference of Arrival)抵達(dá)時(shí)間差異定位技術(shù)。

TDOA定位的值是根據(jù)一對(duì)TOA相減而得來(lái)的,這樣,移動(dòng)臺(tái)的位置信息可以由雙曲線的三角測(cè)量得出。與 TA和OTD以移動(dòng)終端為主進(jìn)行時(shí)差測(cè)定的方法不同,它是根據(jù)在不同基站所接收到的同一移動(dòng)終端信號(hào)在傳播路徑上的時(shí)延差異實(shí)現(xiàn)終端定位的。在該方法中,處于不同位置的多個(gè)基站同時(shí)接收由移動(dòng)終端發(fā)出的普通信息分組(Normal Burst)或隨機(jī)接入分組(Random Access Burst),各基站將接收到的上述分組的時(shí)間信息傳送到移動(dòng)終端定位中心(MLC),MLC根據(jù)信號(hào)的抵達(dá)時(shí)間差異(TDOA)完成終端位置測(cè)算。

5)EOTD(Enhanced Observed Time Difference)增強(qiáng)型觀測(cè)時(shí)間差定位。

EOTD定位技術(shù)是基于OTD定位技術(shù)發(fā)展而來(lái)的技術(shù)。它需要用兩個(gè)BTS信號(hào)到達(dá)一個(gè)MS的時(shí)間差。其測(cè)量可以由手機(jī)完成而不需要增加任何硬件設(shè)備。OTD的測(cè)量方法可以用于同步、一般在偽同步網(wǎng)絡(luò)中,在同步網(wǎng)絡(luò)中,MS測(cè)量多個(gè)BTS信號(hào)的相對(duì)到達(dá)時(shí)間來(lái)進(jìn)行定位計(jì)算;而在不同步網(wǎng)絡(luò)中,還需要一個(gè)位置測(cè)量單元(LMU),MS的位置信息通過(guò)測(cè)量BTS發(fā)送給MS信號(hào)的地理時(shí)間延遲來(lái)推算。當(dāng)多個(gè)BTS的傳輸幀(bursts)不同步時(shí),網(wǎng)絡(luò)需要不同基站間的實(shí)際時(shí)間差(RTD),以得到正確的三角測(cè)量。對(duì)于非同步 BTS系統(tǒng)的OTD測(cè)量,其中所用的RTD還需最少3個(gè)在地理位置上獨(dú)立的BTS,如果所有的信息在MS里可用,在本地網(wǎng)絡(luò)的手機(jī)自己就可以完成所有的計(jì)算,所以該算法會(huì)由現(xiàn)有的手機(jī)輔助測(cè)量過(guò)渡到由手機(jī)自己進(jìn)行。

3 兩種定位方式在移動(dòng)定位中的應(yīng)用及其精度分析

從上面的敘述中,可以看出兩種定位方式所依據(jù)的原理差別很大,同樣,它們的定位適用情況和精度也存在較大的不同。下面將以實(shí)際的數(shù)據(jù)和例子對(duì)它們的定位精度進(jìn)行分析。

3.1 移動(dòng)GPS定位精度分析

移動(dòng)終端GPS定位可采用內(nèi)置的GPS模塊或者外接的手持GPS。移動(dòng)GPS的定位精度在市區(qū)約20 m,在郊外精度會(huì)高一些。下面為某地的兩位置點(diǎn)(兒童福利院和口腔醫(yī)院)的移動(dòng)GPS觀測(cè)記錄及其定位結(jié)果分析數(shù)據(jù)。經(jīng)線和赤道上1秒相當(dāng)于30.8 m,緯度線上1 s則相當(dāng)于30.8 m乘以其緯度的余弦值。

表1 時(shí)速10 km兒童福利院精度表

表2 時(shí)速20 km兒童福利院精度表

表3 時(shí)速40 km兒童福利院精度表

表4 時(shí)速10 km口腔醫(yī)院精度表

表5 時(shí)速20 km口腔醫(yī)院精度表

表6 時(shí)速40 km口腔醫(yī)院精度表

表7 靜態(tài)情況下兒童福利院精度表

表8 靜態(tài)情況下口腔醫(yī)院精度表

總結(jié)以上實(shí)驗(yàn)成果,得到如下的精度表:

表 9 精度表

該精度表也可以用如下的折線圖來(lái)直觀地表示。

圖1 移動(dòng)GPS的不同速度的精度圖

從上圖1可以看出,移動(dòng)GPS的定位精度隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加而精度降低,但精度變化不大。同時(shí),根據(jù)選定的兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的定位精度取其平均值得到基站定位區(qū)域圓的半徑閾值為30 m。

圖2為在ArcGIS中,1∶20000比例尺下移動(dòng)GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與現(xiàn)有的福州數(shù)據(jù)相比較的效果圖。

圖2 移動(dòng)GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與準(zhǔn)確數(shù)據(jù)比較效果圖

圖2中深色線條為移動(dòng)GPS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),其他顏色線條為現(xiàn)有的準(zhǔn)確道路數(shù)據(jù),從中可以看出,移動(dòng)GPS的觀測(cè)精度是比較高的,可以滿足城市導(dǎo)航定位的要求。

但是,移動(dòng)GPS第一次開(kāi)始定位的時(shí)間比較長(zhǎng),有的時(shí)候需要將近十分鐘來(lái)搜索衛(wèi)星。特別是當(dāng)遮擋比較嚴(yán)重時(shí),得不到準(zhǔn)確定位結(jié)果,同時(shí),也會(huì)因?yàn)槎嗦窂叫?yīng)的關(guān)系,定位的誤差很大。如果第一次定位成功,可以選擇持續(xù)搜星狀態(tài),但很明顯移動(dòng)GPS的耗電量很大。對(duì)于電容量有限的手機(jī)來(lái)說(shuō),這種定位方式不實(shí)用。

3.2 基于網(wǎng)絡(luò)的定位精度分析

移動(dòng)基站定位是依據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱,按照特定的算法進(jìn)行位置計(jì)算定位的,所以定位結(jié)果會(huì)有一個(gè)誤差。對(duì)應(yīng)不同情況下,定位誤差范圍大小不同,每次定位的結(jié)果都用一個(gè)扇形范圍來(lái)表示。該地理精度扇形范圍的面積計(jì)算公式

式中:n為扇形角度(Extent Angle);R為內(nèi)圓半徑;AW是扇形弧的寬度,即內(nèi)外圓之間的距離(ArcWidth)

運(yùn)用Ericsson的MPS系統(tǒng)模擬移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)定位[6],得到不同時(shí)刻,不同移動(dòng)終端定位結(jié)果如圖3所示。

三種情況下,終端定位結(jié)果的區(qū)域面積分別為:

(a):18 246.3701

(b):18 246.3701

(c):950 331.778

從圖3中(a)、(c)可以看出,相同移動(dòng)終端在不同時(shí)刻其定位結(jié)果所處區(qū)域不同,造成這個(gè)結(jié)果的原因在于移動(dòng)終端在不同時(shí)刻所處地理位置的基站布置密度不同,(a)中定位是在市中心,(c)的定位則發(fā)生在基站比較稀少的郊區(qū),所以,兩種情況下的定位半徑差別較大。相應(yīng)地移動(dòng)終端的定位精度差異較大。圖3中(a)、(b)表明了不同終端在相近時(shí)刻的定位結(jié)果區(qū)域也是不同。

4 結(jié) 論

兩種定位方式原理上差別很大,GPS定位方式主要發(fā)生在移動(dòng)終端,對(duì)終端設(shè)備的性能要求較高,能夠接收GPS衛(wèi)星信號(hào),其定位精度比較高。但其定位速度較慢,特別是首次定位時(shí)間很長(zhǎng),難于實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)定位。同時(shí),GPS定位受外界的影響比較明顯,比如多路徑效應(yīng)、惡劣天氣等的影響,而且,在室內(nèi)沒(méi)有信號(hào)?；诰W(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)定位的計(jì)算實(shí)現(xiàn)都在服務(wù)器端的定位平臺(tái)完成,只要能接收移動(dòng)信號(hào)的移動(dòng)終端都能滿足要求,所以,這種方式對(duì)移動(dòng)終端設(shè)備的要求很低,同時(shí),其定位速度很快,能實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)定位,并且能耗低。但是,這種方式的定位精度較低,受移動(dòng)基站的分布密度影響很大?？梢?jiàn),兩種定位方式的優(yōu)缺點(diǎn)明顯。為了更好地服務(wù)于移動(dòng)位置應(yīng)用,綜合應(yīng)用兩種定位方式是必然的選擇。當(dāng)前,已有的A-GPS、GPSOne就是兩者綜合應(yīng)用的技術(shù),同時(shí),對(duì)兩種定位方式的自適應(yīng)運(yùn)用也是一種值得推薦的方式。

[1]李德仁,李清泉,謝智穎,論空間信息與移動(dòng)通信的集成應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)信息科學(xué)版,2002,27(1):1-6.

[2]許其鳳,GPS衛(wèi)星導(dǎo)航與精密定位[M].北京:解放軍出版社,1989.

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