Symbian OS应用编程位置服务篇之基本概念

在学习Symbian/S60的位置服务模块之前，先来了解学习一下定位知识。关于定位有多种技术实现方法，不同定位方法采用不同的定位方式，当然定位的精度也不尽相同。下面是收集整理的关于定位的概念和知识。

一、无线定位的概念

a）无线定位是指利用无线电波信号确定一个移动台所在位置的能力。位置信息一般包括与移动台有关的坐标（二维或三维），通常指移动台所处位置的经度、纬度和高度信息。

b）定位系统的精度是定位的主要质量指标，一般定义为位于准确区域周围的不确定区域，经过多次定位测量得到一个百分比值。如67%的定位测量能够把移动台定位在距离实际位置50m的范围之内，95%的定位测量能够把移动台定位在距离实际位置150m的范围之内。

不同的定位服务对定位精度的要求不同，如天气预报、交通信息只要求达到200km，避免交通堵塞的车辆管理需要达到1km，而导航、设备定位则需要达到10～50m。

c）国际上对无线定位技术的研究与应用始于20世纪60年代的自动车辆导航系统（AVL），最早的定位服务源于1996年美国政府FCC对突发事件服务制定的强制性法规（E-911法规），明确规定了提供E-911定位服务将是今后各种蜂窝网络，特别是3G网络必备的基本功能。

二、定位方法及应用

对移动通信网络中移动台的定位方法主要包括两大类，当然也包括将二者结合起来的混合定位：

a）利用移动通信网络的基站（BS）和移动台之间传播的无线电波信号的特征参数进行定位；

b）利用移动台内置的GPS接收模块，接收GPS导航电文进行定位。

2.1利用无线电波信号的特征参数进行定位

此类方法是通过检测位于已知位置的基站和移动台之间传播的无线电波信号的特征参数，来确定移动台的距离或者方向或者全部。目前的移动通信网络都是蜂窝网络，蜂窝网络常用的移动台定位方法主要分为基于方向的定位和基于距离的定位。

2.1.1基于方向的定位技术

到达角（AOA）定位技术是基站利用接收机天线阵列测出移动台发射电波的入射角，即信号的方向，构成基站到移动台的径向连线，即方位线。如果测量方向的精度（大约是天线阵列的波束宽度）为±θs，则基站处的AOA测量可以把移动台限定在角度大约为2θs的视线路径上。2个基站的AOA测量就能够确定目标移动台的位置。

这种方法的原理非常简单，但在实际应用中存在一些难以克服的缺点，目前在移动台定位中用得不多。

对于处于城市的微小区来讲，引起射频信号反射的障碍物较多，且其到移动台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。

对于小区来讲，因为其基站一般处于比较高的位置，与小区半径相比，引起射频信号反射的障碍物多位于移动台附近，非视距传播（NLOS）引起的角测量误差比较小，所以测量信号到达角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精度。

2.1.2基于距离的定位技术

移动台和基站之间距离的估计可以通过接收信号的强度、到达时间、到达时间差和信号的相位来获得。估计确定移动台在二维空间的位置需要3次测量，确定移动台在三维空间的位置需要4次测量。

基站与移动台之间的距离估计值为d，则移动台可以被定位在以基站为中心、半径为d的圆上；第二次测量将其定位在2个圆相交的圆弧里；第三次测量就锁定了移动台的位置。

基于距离的定位技术包括起源蜂窝小区技术、基于时间或时间差的定位法、场强定位法、相位法和信号指纹数据库法，以下对其中几种定位方法作简单介绍。

1）起源蜂窝小区技术

起源蜂窝小区技术是根据移动台所处的小区标识号（CellID）来确定用户的位置。移动台在当前小区注册后，在网络中就会有相对应的CellID，只要系统知道该小区基站的中心位置（地图中的位置）和小区的覆盖半径，就能够获取移动台的位置信息。

这种技术一般只能定位到某个基站或者基站下面的某个扇区，它的定位精度取决于基站的密集程度，定位误差一般大于200m，属低精度定位，也可以利用RX、TA等参数进行优化。

目前中国移动和中国联通实施的粗定位服务基本上都采用这种定位方法。对CDMA网络，实现CellID定位技术要求核心网络支持IS41D和TIA／EIA／IS-848WINII Enhanced Charging Service或PN4747，并增加MPC、PDE设备；对GSM网络，实现Cell ID定位技术要求HLR支持Camel Phase II，MSC需支持MAP Phase II+，并增加GMLC、SMLC设备。

2）基于时间或时间差的定位法

基于时间或时间差的定位法包括上行链路信号到达时间法、上行链路信号到达时间差法和下行链路信号到达时间差法（增强观测时间差和到达观测时间差）。

（1）上行链路信号到达时间（TOA）法

如果移动台和基站处于可视的范围内，则其间的距离见式（1）。当已知3个移动台与基站的传播时延时，就可计算出移动台的位置。

di＝cΔti（1）

式中：

c－－光速

Δti－－无线电波信号在移动台和BSi之间的传播时延

当移动台与基站不处于直视范围，则对移动台位置的估计会产生误差，即图中的圆弧不能相交于一点。如此可采用移动台位置与TOA圆弧间的距离为均方误差最小的方法。如果有多于3个的TOA测量结果，则精度可以提高。

（2）上行链路信号到达时间差（TDOA）法

本方法是基于收到不同基站信号的时间差进行定位，常被归类为中精度定位技术。如果移动台收到的相邻BS1和BS2的信号的时间差为Δt，且移动台与基站处于可视范围内，则移动台的位置在一条双曲线上。采用3个不同的基站可以测到2个TDOA，移动台位于2个TDOA决定的双曲线的交点上。相邻2个基站的距离差见式（2）。

（d1-d2）=cΔt（2）

式中：

d1－－移动台到BS1的距离

d2－－移动台到BS2的距离

与TOA法相似，TDOA法可以采用移动台到双曲线距离均方误差最小的算法，条件是有2个以上可以用来计算的TDOA值。

TDOA法与TOA法比较优点之一是：计算TDOA值时，计算误差对所有的基站是相同的且其和为零，这些误差包括公共多径时延和同步误差。

（3）增强观测时间差（E－OTD）法

E－OTD法是通过在参考点上放置位置测量单元来实现的,这些参考点分布在区域较广的许多站点上，并有一个精确的定时源。当具有E－OTD功能的手机和位置测量单元接收到来自至少3个基站信号时，从每个基站到达手机和位置测量单元的时间差将被计算出来，这些差值可以产生几组交叉双曲线，由此可以估计出手机的位置。

a）在非同步网络（如GSM网络）中，为了能够进行精确的定位计算，至少需要移动台对3个不同的基站进行E-OTD测量，同时需要网络用位置测量单元测量基站之间的相对时间差（RTD）或绝对时间差（ATD）。

E-OTD为GSM网络常用的定位技术，可以提供的定位精度在50～125m之间，但它的响应速度比较慢，往往需要约5s的时间。同AOA一样，E－OTD也会受到市区多径效应的影响，导致E－OTD在决定信号观测点上比较困难。另外它也需要对手机软件进行改进，并增加定位测量单元。

b）在CDMA网络中，与此类似的定位技术称为AFLT（AdvancedForwardLink Trilateration）。这种技术充分利用了CDMA信号的特性，对网络和手机的改动都很小，但要求CDMA网络支持PN4747协议，并增加MPC、PDE设备。

在进行定位时，CDMA手机同时接收多个基站的导频信号，通过接收到的信号码片时延来确定到附近几个基站的距离，最后利用基站准确位置和距离确定手机位置。

AFLT定位精度与基站的密度相关，一般可以达到200m以内，属中精度定位技术。

3）场强定位法（SA）

这项技术利用移动台靠近或远离基站时所带来的信号衰减变化来估计移动台的方位。如果移动台发出的信号功率已知，那么在另一点测量信号功率时，就可以利用一定的传播模型估计出移动台与该点的距离。

然而，由于小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜以及无线系统的不断调整，发现传送功率这个过程可能会十分复杂；而且信号并不只因为传输距离而产生衰减，其他因素如穿越墙、植物、金属、玻璃、车辆等都会对信号功率产生影响；功率测量电路也无法区分多个方向接收到的功率（如直接的和反射的）。因此这项技术被认为是定位技术中最不可靠的一种，在移动通信网络的移动台定位时很少用到。

采用上述各种定位技术进行精确定位的前提是无线电波信号在收发信机之间能视距传播，然而，在实际蜂窝网络中，定位精度往往会受到非视距传播的影响。

2.2利用移动台接收的GPS导航电文进行定位

2.2.1GPS简介

GPS是美军20世纪70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展起来的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统，是目前惟一能够正常运行并向全球用户提供导航定位服务的系统。

GPS由3大子系统构成：空间卫星系统、地面监控系统、用户接收系统。

a）空间卫星系统由均匀分布在6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成，每颗卫星每12h（恒星时）沿近圆形轨道绕地球一周，由星载高精度原子钟（基频F=10.23MHz）控制无线电发射机在“低噪音窗口”附近发射L1、L2两种载波，向全球的用户接收系统连续播发GPS导航信号。

GPS卫星向用户发送的导航电文是一种不归零的二进制数据码D（t），码率fd=50Hz。为了节省卫星的电能，增强GPS信号的抗干扰性、保密性，实现遥远的卫星通信，GPS卫星采用伪噪声码对D码作二级调制，即先将D码调制成伪噪声码（P码和C／A码），再将上述2噪声码调制在L1、L2两载波上，形成向用户发射的GPS射电信号。因此，GPS信号包括2种载波（L1、L2）和2种伪噪声码（P码、C／A码）。这4种GPS信号的频率皆源于10.23MHz的基准频率。基准频率与各信号频率之间存在一定的比例。其中，P码为精确码，只供美国军方、政府机关以及得到美国政府批准的民用用户使用；C／A码为粗码，其定位和时间精度均低于P码，目前全世界的民用用户均可不受限制地免费使用。

GPS工作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4颗以上的卫星进行观测（无阻挡情况下最多可达11颗），实现连续、实时的导航和定位。

b）地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、1个主控站和3个注入站构成。该系统对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。

c）用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS卫星接收机和GPS数据处理软件构成。

GPS卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元2部分。天线单元的主要作用是，当GPS卫星从地平线上升起时能捕获、跟踪卫星，并接收、放大GPS信号；接收单元的主要作用是，记录GPS信号，并对信号进行解调和滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据或采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。

GPS数据处理软件对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平差计算、坐标转换及分析综合处理；解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。移动台内置的GPS天线和GPS芯片完成此部分功能。

2.2.2GPS定位的基本方法

GPS是以三角测量定位原理来进行定位的。它采用多星高轨测距体制，以接收机至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。当地面用户的GPS接收机同时接收到3颗以上卫星的信号后，通过使用伪距测量或载波相位测量，测算出卫星信号到接收机所需要的时间、距离，再结合各卫星所处的位置信息，将卫星至用户的多个等距离球面相交后，即可确定用户的三维（经度、纬度、高度）坐标以及速度、时间等相关参数。计算经度、纬度至少需要3颗卫星，再加一颗就可以计算高度。

目前在国内运用的移动台定位技术主要有两种，纯粹的GPS定位技术、A-GPS技术和gpsOne定位技术。其中纯粹的GPS定位技术多用于专用的GPS定位终端（如车载台）；A-GPS技术目前在中国移动部分省（市）的位置服务中采用，gpsOne定位技术在中国联通的“定位之星”等位置服务中采用。

1）基于终端的GPS定位技术

基于终端的GPS定位技术主要是利用移动台上的GPS接收机来实现GPS定位。定位方式是移动台需要接收4个以上的GPS卫星信号，并且解调卫星的导航电文，随后，移动台利用信号时延得出到各个卫星的伪距，利用这些信息就可以计算出移动台的精确位置。

基于终端的GPS定位技术的定位精度一般在几米到十几米，可以满足高端用户高精度定位的要求。但是受终端所在环境影响较大，如当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，定位精度将会大大降低，甚至无法完成定位。

目前大部分车载台采用纯粹的GPS定位，车载台内置GPS天线和GPS处理芯片，实现自定位，并通过GPRS／CDMA1x网络将定位信息传给后台，如车辆调度系统，实现车辆的调度等业务。

2）网络辅助GPS的定位技术（A-GPS）

利用纯粹的GPS定位，可能要求多至几分钟来提供冷定位，这在有生命危险的情况下是非常不适用的。为了解决以上问题，可采用A-GPS定位技术。由集成在移动台上的GPS接收机和网络中的GPS辅助设备（如接收卫星信息的RGPS站），利用GPS系统实现对移动台的自定位。

它的基本原理是：网络向移动台提供辅助GPS信息，包括GPS伪距测量的辅助信息（如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）和移动台位置计算的辅助信息（如GPS历书以及修正数据、GPS星历、GPS导航电文等）。利用这些信息，移动台可以很快捕获卫星并接收到测量信息，由此计算出移动台当前所处的位置或交后台定位中心计算位置。

A－GPS定位精度高，理论上，在室外等空旷地区，正常的GPS工作环境下，其精度可达5～40m。如果移动台处于城区环境，无遮挡并且多径不严重，定位精度将在30～70m；如果移动台在室内或其他多径和遮挡严重的区域，此时移动台难以捕获到足够的卫星信号，A-GPS 将无法完成定位，这是它的最大局限性。如果要提高在室内等GPS信号屏蔽地区的定位有效性，该方法还需要增添类似于E-OTD方案中的位置测量单元。

3）gpsOne定位技术

由于GPS及A-GPS技术中需要移动台实时跟踪4个以上的GPS卫星信号，而且还需要根据获得的位置信息完成当前位置的计算，这就造成了GPS终端体积较大、耗电较高的特点。

gpsOne技术是美国高通公司在GPS定位技术基础上，针对上述缺点进行优化，并融合了CellID、AFLT等蜂窝定位技术而形成的一项专利技术。

如果移动台处于比较空旷的区域，其上空可见的卫星数量比较多时，可以完全依靠卫星的一些参数进行定位，而不用借助地面网络中基站的一些参数。如果可视卫星数量不低于4颗，则采用GPS定位方式。当可视卫星数超过4颗时，还需要选择4颗合适的卫星。

如果移动台处于室内或其他复杂环境下，卫星完全不可见，只能完全依靠基站对移动台进行定位。根据可接收基站信号数目的多少，选择AFLT和CellID定位。

如果移动台位于高楼林立的城市繁华地带或者室内的情况下，只有一二颗卫星可见，这时可以采取卫星和基站数据相结合的方式。

a）3颗卫星和2个基站。当只有3颗卫星可见，则引入基站导频相位测量辅助定位计算，但同时也引入了基站与移动台间的时间误差，因此需要求解5个变量。

b）3颗卫星和1个基站。假设前反向链路传播时间相同，利用RTD方法，即记录移动台发射时间和基站捕获时间就可以消除基站与移动台间的时间误差。

c）2颗卫星和2个基站。利用RTD方法消除基站与移动台间的时间误差。

gpsOne定位技术需要专用的gpsOne定位终端和后台建设定位实体PDE来支持。

2.3不同定位技术的定位精度

不同的定位技术会有不同的定位精度，当然也会受到多种因素的影响，表1给出了通常意义上各种技术的定位精度。

目前，全球范围内应用较多的移动定位技术主要有基于网络或STK／UTK卡的CellID或COO（CellofOrigin）、TOA／TDOA技术， E-OTD技术以及A-GPS、gpsOne技术。国内GSM网络在现阶段多采用简单的Cell ID定位，CDMA网络则采用GPS、AFLT、Cell ID的混合定位gpsOne。

在WCDMA系统中提供了3种定位技术：基于CellID的定位技术、OTDOA-IPDL定位技术和网络辅助的GPS定位技术，这3种技术可以在不同情况下使用。

a）基于CellID的定位方法可以在定位精度要求较低时使用。

b）OTDOA方法可以在定位精度要求较高并且终端和网络无GPS接收装置时使用。 OTDOA-IPDL是一种应用于3G网络下的定位方式，在GSM网络中也有类似的定位方法，即前面介绍的E-OTD。OTDOA-IPDL的定位精度比CellID方法高，但会受到环境的影响。在郊区和农村可以将移动台定位在10～20m；在城区由于高大建筑物较多，信号一般要经过折射或反射才能到达移动台，因此定位精度受到影响，定位范围为100～200 m。一般情况OTDOA定位响应时间在3～6s。

c）网络辅助GPS定位方法则适宜定位精度要求高且终端和网络都配有GPS接收装置时使用。

三、定位误差

定位精度依赖于电波传播环境、接收器设计、噪声和干扰特性、同一位置冗余测量的数量、采用信号处理的复杂度。在实际的蜂窝系统中，TDOA／TOA测量误差通常由以下2部分组成：

a）由基站检测设备带来的误差，如移动台和基站的时钟同步误差、检测设备精度及检测过程时延带来的误差等。这部分误差随着定时技术及信号检测技术的发展而降低。

b）由信道，主要是由多径效应和非视距传播带来的误差。这部分误差主要取决于信道环境，可以利用相应算法减少其对定位精度的影响，是现在各国研究的重点。

3.1多径传播

无线信号的多径传播会对测量代表移动台和基站之间实际距离和方位的直射路径信号的角度和时延产生较大的干扰，使基于角度和时间测量的定位方法产生较大误差。窄带系统中各多径分量重叠将造成相关峰位置偏差，宽带系统能够在一定程度上实现对各多径分量分离，改善定位精度。但是若反射分量大于直达分量、干扰影响等均会引起精度降低。

目前已提出一些抗多径传播的有效方法，如高阶谱估计、最小均方估计及扩展的卡尔曼滤波（EKF）等。

3.2非视距传播

非视距传播是蜂窝网无线定位主要误差源，即使在无多径效应和采用高精度定时的情况下，非视距传播也会引起TOA或TDOA测量误差。因此，如何降低非视距传播的影响是提高定位精度的关键。

由于对非视距传播模型以及所带来的误差概率统计特性仍然缺乏足够的认识，因此至今还没有一个完全有效的方法来解决这一个问题。目前降低非视距传播影响的方法有：

a）利用测距误差统计的先验信息将一段时间内的NLOS测量值调节到接近LOS的测量值；

b）降低LS算法中NLOS测量值的权重，在LS算法中增加约束项等。

现在的定位产品也都适当地采用了一些算法来抵消一部分多径、非视距误差，从而提高定位精度。

四、定位系统分类

为了实现移动台定位，需要组建相应的定位系统。根据实际位置计算的网元不同，定位系统可分为以下几类。

4.1基于移动台的定位

移动台利用来自多个基站的信号或接收到的卫星信号计算出自己的位置，即由移动台执行测量并计算定位结果，也称移动台自定位系统。此种方式不需要建设后台定位系统，但移动台需内含定位模块。

4.2基于网络的定位系统

移动通信网络利用移动台传来的信号计算出移动台位置，即由一个或多个基站执行测量，在网络侧进行定位结果计算。定位测量一般只能对激活态下的移动台进行，对处于空闲态的移动台可采取寻呼或发空短信等方式实现位置更新。

基于网络的定位系统的优点在于无需改动现有移动台，但需要无线网和核心网设备的支持。目前中国移动和中国联通建设的粗定位系统采用了基于网络的定位系统。

4.3网络辅助的移动台定位系统

网络辅助的移动台定位系统是由网络中多个固定位置接收机同时检测移动台发射的信号，将各接收信号携带的某种与移动台的位置有关的特征信息从空中接口传送回移动台，由集成在移动台中的位置计算功能（PCF）计算出移动台的位置。

中国移动部分省（市）建设的A-GPS和中国联通建设的gpsOneV2（MS-BASE）可归于此类，即建立RGPS网络辅助终端自主定位。

4.4移动台辅助的网络定位系统

基于网络的移动台辅助定位方案，由移动台执行测量，测量结果发送到网络侧进行计算。其定位过程是由移动台检测网络中多个固定位置发射机同时发射的信号，将各接收信号携带的某种与移动台位置有关的特征信息由空中接口传送回网络，由集成在网络中的移动台定位中心（MLC）中的PCF计算出移动台的估计位置。

中国移动和中国联通建设的基于UTK／STK卡定位方式和联通建设的gpsOneV1也可归于此类。