基于移动通信网络的电动汽车位置估计.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文基于移动通信网络的电动汽车位置估计姓名：张海波申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：李晓竹20060312辽宁工程技术大学摘要本文针对现代物流中大量使用电动汽车的情况，结合基于移动通信网络的无线定位与导航技术，在最短的时间里以最佳的成本为客户提供最有效的服务，并获得最大的利润。为了精确定位，本文提出基于T D O A(到达时间差)，并考虑N L O S(非视距传播)影响，建立定位算法模型。在求解过程中引入类似T O A(到达时间)的计算方法，同时使用服从指数分布的随机变量来模拟T O A 定位算法的误差和服从高斯分布的均值为零的随机变量来模拟T D O A 定位算法的误差，再利用最大似然(M L)，估计法确定位置点坐标，进行校正，使定位误差达极小值。最后，用地图匹配技术进一步提高了定位精度。仿真试验验证了该思想的有效性。关键词：物流、电动汽车、到达时间差、非视距传播、到达时间、最大似然估计法、地图匹配。辽宁工程技术大学3 A b s t r a c tA i mt ou s ea b u n d a n c ee l e c t r o m o t i o nm o t o ri nt h em a t t e rf l o wo fm o d e mt i m e s，w ei n t e g r a t e dt h ew i r e l e s sl o c a t i o na n dn a v i g a t i o nt e c h n i ci n t oi tt om a k et h eo p t i m a lc o s tf o rs e r v i n gc u s t o ma n dg a i nt h em o s tp r o f i ti nb e s tt i m e s T oi m p r o v et h ep r e c i s i o no fl o c a t i o n，t h em a i ni d e ao ft h i sa r i t h m e t i ci sb a s i n go nal o c a t i o na r i t h m e t i co ft i m ed i f f e r e n c eo fa r r i v a l(T D O A)a n dc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fn o n-l i n e-o f-s i g h t(N L O S)。D u r i n gt h ep r o c e s sw ei n t r o d u c e dal o c a t i o na r i t h m e t i co ft i m eo fa r r i v a l(T O A)a n ds i m u l a t e dt h ee r r o r so fT O Ab yt h es t o c h a s t i cv a r i a b l eo fs u b m i t t i n gt oe x p o n e n td i s t r i b u t i n ga n ds i m u l a t e dt h ee r r o r so fT D O Ab yt h es t o c h a s t i cv a r i a b l eo fs u b m i t t i n gt oz e r oa v e r a g eo fg a u s sd i s t r i b u t i n gt h e ne s t i m a t e dc o o r d i n a t eb yu s i n gm a x i m u m l i k e l i h o o d(M L)e s t i m a t i o na n do b t a i n e dt h ea m e n d i n gv a l u e。S O，e r r o r so fl o c a t i o ni sap a r t i c l e。L a s t，w em o r ei m p r o v e dt h el o c a t i o np r e c i s i o nb ym a pm a t c h。T h i sf e a s i b i l i t yo ft h ei d e ai sp r o v e dt h r o u g hs i m u l a t i n ge x a m i n a t i o n。K e yw o r d s：M a t t e rF l o w,T i m eD i f f e r e n c eO fA r r i v a l，N o n l i n e o f-s i g h t，T i m eO fA r r i v a l，M a pM a t c h辽宁工程技术大学1 上j L 刚雷现代社会的发展让我们知道，任何学科决不能单独获得很好的应用前景。因为，社会本身就是一个错综复杂的结合体。社会的各个方面都息息相关，相辅相成。任何学科与学科之间并没有明确的界限，而往往是这个和那个学科交错在一起，一起进步或者停滞不前，再或者由某一学科的发展推动了另一学科的发展，而得到发展的学科又反过来带动前一学科。我们所涉及的项目正是这样一个实例。本文是基于电力电子技术、现代控制理论、移动通信网络和现代物流的综合性实际运用问题的研究。由于分工的不同，该项目的电力电子技术部分已经在导师指导下由师兄完成了一部分。而我所负责的是根据移动通信网络确定车辆的位置，并根据地图匹配技术使定位精度有所提高。至于精确控制、宏观和微观导航的内容将在以后的研究中由师弟师妹们完成。辽f：程技术大学硕士学位论文1 绪论引言很久以来，民族工业之一的汽车工业就是我们的薄弱环节。因为我们无法在短期内改变落后的现状。加入W T O 是值得让国人骄傲的，遗憾的是我们不得不对汽车工业进行保护。直到电动汽车的出现，让所有汽车人都看到了一丝曙光。于是，很多人都认为这是一个锲机，要以此为突破点，实现汽车史上的大逆转。并且对与其相关的各方面研究都进行得如火如荼。把车载手机定位和车辆导航与电动汽车相结合并用于现代物流便是其中之一。1 1 现代物流需要电动汽车【1 2】我国入世以后，服务业有关领域有的已经对外开放，有的即将开放，更多的跨国企业将进入中国参与市场竞争；今年也是我国物流业继续从传统物流向现代物流转化的一年，物流市场将出现一些新的变化和趋向。主要表现为：(1)专业化趋向。(2)规模化、集团化趋向。(3)多元化趋向。(4)国际化趋向。(5)传统的运输与仓储企业加快向第三方物流转变。(6)物流配送仍将是热点。(7)物流需求将首先从部分行业释放。(8)物流服务更加深入。(9)物流信息化建设步伐加快。其中，最为引入瞩目的是物流配送和物流信息化。只有实现物流信息化，才可能使物流配送最优化。而对交通运输工具的选择及其位置的正确估计和合理调度无疑是物流信息化和物流配送最优化的有力保障。就目前的形势来看，无污染的电动汽车和基于移动通信网络的无线定位相结合将推动现代物流达到一个更高的阶段。1 2 电动汽车是“未来汽车”【3】电动汽车分为三种：纯电动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车。纯电动汽车是指以车载电源蓄电池为动力，用电机驱动车轮行驶；燃料电池电动汽车是一种可以将燃料中的化学能直接转化为电能的能量转化装置，它的特点是能量转化效率高，约是内燃机的2 3 倍，生成物是水，不污染环境，缺点是造价太高，目前仅燃料电池辽宁工程技术大学硕士学位论文的价格就要2 5 万美元；混合动力电动汽车是装有两个以上动力源的汽车，最常见的是在城里用电机驱动，在城外用内燃机驱动。以氢为燃料、可实现零排放的新一代清洁汽车燃料电池公共汽车，即将出现在北京、上海街头。这是2 0 0 3 年3 月2 7 日在京召开的中国燃料电池公共汽车商用化示范项目启动会传出的信息。此举标志着由中国政府、全球环境基金(G E F)、联合国开发计划署(U N D P)共同支持、科技部和北京市、上海市共同组织实施的项目进入实施阶段。该示范项目总投入为3 2 3 6 万美元。近年来，提起电动汽车，中国汽车人都有一种特殊的亲切感，倒不是因为我们的研发、生产水平已经世界领先，而是基于以下几个深入人心的判断：如果说在传统汽车领域，我们比发达国家晚了几十年，那么，在电动汽车研发上，我们则基本与世界同步；电动汽车是中国汽车工业赶超世界先进水平的唯一机会。于是，在众多清洁燃料技术中，电动汽车被列为“十五”国家8 6 3计划重大专项。为此，国家计划投资8 8 亿元，加上地方和企业配套资金，总资金预计约2 4 亿元。此外，有报道说，2 0 0 8 年北京奥运会将为电动汽车提供价值约2 0 亿元的订单。电动汽车由此在中国掀起了一股空前的研发热潮。据介绍，电动汽车专项首批7 4 项课题于2 0 0 2年1 月开始攻关，全国几乎所有与此相关的企业、高校和研究所都已相继加入，目前，总投入3 亿多元。目前我国燃料电池发动机发展趋势很好，已从过去单电堆研究发展到带有支持系统和控制系统的燃料电池发动机系统研发能力。目前，参与研究的四个燃料电池研究所和高科技企业均已完成了它们的第一代样机。与此同时，还建立了燃料电池实验室和燃料电池发动机试验室。我国的高功率型动力蓄电池进展也很迅速。就目前的阶段成果与国外相比，有较大的价格优势。目前有关部门正组织力量对动力蓄电池进行集中测试，在可靠性、耐久性进一步研究的基础上，可以形成较为完善的汽车用动力蓄电池供应系统。在电机和驱动系统研究上也取得了相应的进展。我国政府重点鼓励稀土永磁电机的开发，因为我国在上述基础材料领域具有资源优势，可以降低将来产业化时车辆的造价。在电动汽车的四轮驱动方面也取得了一些进展。上海燃料电池汽2 辽宁工程技术大学硕士学位论文车动力系统公司和同济大学新能源汽车工程中心于20 02 年5 月试制成功了一辆四轮驱动微型汽车功能模型车。我国电动汽车重大科技专项总体组组长万钢说：“面对电动汽车未来年轻的客户群体，我和我的学生们发挥工业设计专业年轻学生的想象力，设计了各种不同外形的微型轿车。”然而，就在我们卯足了劲进行协同攻关的时候，通用汽车公司却因为电动汽车前途渺茫而宣布将其停产，这难免会引发人们的疑问：以往对电动汽车的认识是否存在误区?首先，从清洁燃料技术上看，电动汽车并非唯一选择，也非最佳选择。虽然美国各州对电动车的购买者实行种种优惠，比如获3 0 0 0美元补贴、免费泊车等，但丝毫掩盖不住其造价高、一次充电后行驶路程短的弊病。这也是近年来汽车清洁燃料技术从锂离子电池迅速过渡到燃料电池、氢动力技术的原因。其次，我们能在电动汽车技术上实现跨越的论断值得推敲。据报载，汕头南澳岛国家电动汽车试验示范区4 年多的试验表明，电动汽车是三项主要技术的综合体，与国外试验车相比，无论是电池、电机，还是整车，我们都有不小的差距。技术专家也承认，电动汽车不能脱离传统整车单独发展，没有传统整车研发能力，即使我们的电池技术有了突破，也找不到适当的整车来配套。当然，重新认识电动汽车，不是一味否定，而是希望能剔除其中的盲目、过热成分，使其更健康、更理性地发展，毕竟，这是一项资金、技术高度密集并且风险较高的研发项目。目前，虽然清洁燃料技术更新换代很快，但是，按照最乐观的估计，在未来10 年内，燃料电池或氢动力技术都很难实现完全的商业化，而内燃机与电动机双驱动的混合动力技术，将成为一段时间内清洁燃料汽车商业化的主导。因此，从电动汽车入手，逐步掌握清洁燃料技术，是我们的切实选择。借鉴国外经验，尽快在电池技术上取得突破，提高电机、整车设计水平，千方百计降低成本、提前进行相关设施及政策的研究。1 3 本文的研究目的及意义众所周知，现代物流作为一种先进的组织方式和管理技术，已成辽宁工程技术大学硕士学位论文为世界经济发展的热点之一。我国政府机构对物流产业在中国的健康发展给予了高度重视。今天物流在中国发生了巨大的变化，推动了我国的经济发展。对于现代物流主要的运输工具之一的电动汽车，如果能够准确把握其位置信息，那么在车辆调度方面将会游刃有余。要实现电动汽车位置估计，相对于G P S 定位而言，手机定位的成本低廉是其绝对优势，并且还可以不受国外控制。为了更好的发展电动汽车及与之相关各项目，本文通过移动通信网络确定出车载手机的位置，从而给电动汽车定位，并为其导航。然后将现代物流与车辆导航相结合，希望能在最短的时间里，让位置最佳的车辆为客户提供服务，以节约资源，提高服务效率和增强竞争力。辽宁工程技术大学硕士学位论文2 移动电话定位技术2 1 移动电话定位4 罐12 1 1 移动定位业务简述当今信息技术和通信技术的结合已经成为经济原动力。中国的手机用户和网络规模数已高居世界的第一位和第二位。西方的用户已经可以用手机完成各种复杂的工作，而国内针对手机的多种服务还刚月0开始。随着通信业的再次变革，产品也将从2 G 时代过渡到3 G 时代，中国的手机用户数在短时间内暴涨，人们使用手机的观念也有了质的变化，新的商机和新的市场正在形成。移动定位业务是一种根据用户所在位置信息提供的增殖业务基于移动通信网络的定位技术提供确定手机地理位置的方法并支持与手机位置有关的各种应用。因此，其可分解为两个相关的业务过程，即定位过程和提供与该定了位的位置相关的业务过程。，据研究报告，到2 0 0 5 年，全球运营商可从移动定位业务中获得2 5 0 亿美元左右的收益。移动定位业务在许多国家都显示出了越来越重要的作用，有关的管理机关明确要求运营商为紧急呼叫等业务提供定位服务。美国的F C C 的E 9 1 1 和欧洲的E 1 1 2 等己提出该项要求。因此，无论是运营商市场利益驱动，还是政府政策法规的要求，移动定位业务都势在必行。移动定位业务是基于移动用户位置信息的服务，它是指利用现有的移动通信网络资源对终端用户或设备进行位置查找确定的增值业务应用。手机定位服务有着极广泛的用途。目前移动定位技术已经使一系列激动人心的无线应用成为可能。我们可以设想到的应用在以下方面：(1)野外作、k 的探险家、采矿或地质勘探人员、登山运动员可以利用手机定位服务作为安全方面的技术保障措施之一。一旦发生意外的情况，便于救援人员及时救护。如美国的E 9 1 1 计划和欧洲的E 1 1 2计划，以及类似1 1 0 或1 2 0 的教助业务。(2)一些具有流动特性的工作，如警察可以随时与总部保持联系，(2)一些具有流动特性的工作，如警察可以随时与总部保持联系，2 移动电话定位技术2 1 移动电话定位【4 书】2 1 1 移动定位业务简述当今信息技术和通信技术的结合已经成为经济原动力。中国的手机用户和网络规模数已高居世界的第一位和第二位。西方的用户已经可以用手机完成各种复杂的工作，而国内针对手机的多种服务还刚刚开始。随着通信业的再次变革，产品也将从2 G 时代过渡到3 G 时代，中国的手机用户数在短时间内暴涨，人们使用手机的观念也有了质的变化，新的商机和新的市场正在形成。移动定位业务是一种根据用户所在位置信息提供的增殖业务，基于移动通信网络的定位技术提供确定手机地理位置的方法并支持与手机位置有关的各种应用。因此，其可分解为两个相关的业务过程，即定位过程和提供与该定了位的位置相关的业务过程。据研究报告，到2 0 0 5 年，全球运营商可从移动定位业务中获得2 5 0 亿美元左右的收益。移动定位业务在许多国家都显示出了越来越重要的作用，有关的管理机关明确要求运营商为紧急呼叫等业务提供定位服务。美国的F C C 的E 91 1 和欧洲的E1 l2 等已提出该项要求。因此，无论是运营商市场利益驱动，还是政府政策法规的要求，移动定位业务都势在必行。移动定位业务是基于移动用户位置信息的服务，它是指利用现有的移动通信网络资源，对终端用户或设备进行位置查找确定的增值业务应用。手机定位服务有着极广泛的用途。目前移动定位技术已经使一系列激动人心的无线应用成为可能。我们可以设想到的应用在以下方面：(1)野外作业的探险家、采矿或地质勘探人员、登山运动员可以利用手机定位服务作为安全方面的技术保障措施之一。一旦发生意外的情况，便于救援人员及时救护。如美国的E 911 计划和欧洲的E l l2计划，以及类似1 10 或12 0 的救助业务。(2)一些具有流动特性的工作，如警察可以随时与总部保持联系，5 辽宁工程技术大学硕士学位论文并可通过互联网查询信息，而总部可以随时知道每个警察的位置，便于总体上的警力调度。(3)开通了移动定位服务，手机用户就可以方便地获知自己目前所处的位置，并用手机查询或收取他附近公共设施的分布状况等。如离我最近的医院在哪儿、我周围有哪些银行。总之，移动位置服务的魅力在于能在正确的时间、正确的地点、把正确的信息发送给需要相关信息的人。(4)定位商务将是电子商务的新宠，它会使许多服务业的服务质量和水平大大提高。如美国的I n f o M o v e 公司主要为无线上网的汽车提供互联网服务，包括提供汽车所在地附近的实时交通状况报告。(5)广告作用。许多商家考虑将定位装置作为商店扩大影响、联系顾客的工具。此外，他们还预测移动电话和定位技术将与网上即时聊天系统结合起来，这样，人们不仅能知道自己的伙伴是否在网上，而且可以知道他们正在世界的哪个角落里。位置服务系统结合完备的地理信息数据和信息搜索引擎，可以提供给用户丰富的位置信息服务。该项业务具备两个相对独立的过程：定位过程和提供与该定位的位置相关的业务过程定位技术的应用广泛：如紧急救援、移动电话防盗打管理、车辆导航、智能交通系统I T S、工作调度和团队管理、移动黄页查询、与位置有关的计费、优化峰窝系统设计和资源管理等诸多方面。表2 1 给出了基于位置的服务和应用的4 种主要类别。因此，无线网络运营商提供的位置服务可包括安全服务到付帐、信息追踪、导航、数据及视频集成产品等。除了帐单服务和人体追踪服务外，已经看到了以上所有的服务形式。表2 1 基于位置的服务和应用的3 种主要类别安全信息追踪紧急服务生活信息舰艇追踪路边求助事件信息财产追踪交通信息人群追踪定位业务服务可提供与位置相关的各种信息服务。当用户在陌生地区需知道距离最近的商店、银行、书店、医院时只需数秒钟手机显示屏上便可出现你所需的位置信息。当你随时随地想购买自己喜欢的6 辽!j。：程技术人学硕士学位论文商品时，定位系统与信息数据库结合可引导你购买，还可和互连网站商合作，为用户提供丰富的信息服务。自无线定位服务提出以来，人们除了进行理论上的研究外，一些公司还开展了以第二代移动通信系统为平台的现场试验。如美国T r u e P o s i t i o n 公司，针对A M P S 体制，采用T D O A 方法，19 9 7 年在N e wJ e r s e y 地区用2 4 个基站进行试验，在3 0 0 0 实际91 1 呼叫和8 0 0 0 0 个试验呼叫中，定位误差为6 0 0 英尺。L u c e n t 公司针对I S-9 5C D M A 系统，利用T D O A 方法，l9 9 7 年在N e wJ e r s e y 和N e wY o r k 郊镇进行了实验，精度接近T r u e P o s i t i o n 的结果。19 9 9 年日本N T T 公司和T o h o K u大学合作，采用W C D M A 系统，在两基站环境下，利用三步法实现了准确率达9 0、基站搜索时间小于0 7 s 的基站搜索方法实验。表2 2 应用所需的下限精度和能被市场所接受的精度数据下限精度要广泛接受的设备定制的应用目的定位频率求精度要求要求具有竞争力基于位蜂窝小区2 5 0 米不需要具有竞争力的价格发置的记扇区的价格起呼叫、接帐收呼叫、中介呼叫路边求5 0 0 米1 2 5 米不需要发送求救发起呼叫助移动黄蜂窝小区2 5 0 米不需要我附近是什发起呼叫页扇区幺?交通信蜂窝小区蜂窝小区不需要交通情况如发起呼叫或息扇区扇区何?五分钟基于位短消息或数广告、报警、每5 分钟或置的消蜂窝小区1 2 5 米息扇区据通知按需服务舰队追蜂窝小区3 0 1 2 5 米不需要资源管理每5 分钟或踪扇区按需服务追踪包蜂窝小区蜂窝小区裹扇区扇区需要定位和指挥按需驾驶导1 2 5 米3 0 米需要指导每五秒引移动通信系统一般由移动台(M S)、基站(BS)、移动业务交换中心(M S C)以及与市话网(P S T N)相连接的中继线等组成。基站和移动台设有收发信机和天馈线等设备。每个基地站有可靠通信的服务范围，称辽宁工程技术大学硕士学位论文为基地站覆盖区。覆盖区的大小主要由发射功率和基地站天线高度决定，移动业务交换中心主要用来处理信息的交换和整个系统的集中控制管理。大容量移动电话系统可由多个基地站构成一个移动通信网。通过基地站、移动业务交换中心就可实现在整个服务区内任意两个移动用户之间的通信；也可通过中继线与市话局连接，实现移动用户和市话用户之间的通信，从而构成一个有线、无线相结合的移动通信系统。表2 2 给出了应用所需的下限精度和能被市场所接受的精度数据。2 1 2 移动电话定位技术概论无线电定位技术的起源可以追溯到上世纪初，第二次世界大战的军事需求和8 0 年代末开始推广的数字蜂窝移动通信系统分别推动了该项技术在军事和民用领域的发展。G P S 并 3L O R A NC 系统是典型的定位系统，它们采用无线电定位方法满足不同的定位精度要求。随着C D M A等原属于军事应用领域的先进技术快速民用化及蜂窝网络的迅猛发展，国外早已开始研究蜂窝移动通信系统定位技术。l9 9 6 年，美国F C C制定的E 91 1 规范要求所有的移动运营商必须以6 7 的概率提供优于12 5 m 精度的定位结果，保证系统能提供紧急救援服务，从而加速了该技术的进步及基于无线电定位技术的位置服务(L C S)在全球的发展。快速增长的中国移动通信市场为开展和普及移动定位系统在中国的建设奠定了坚实的基础。北京移动采用摩托罗拉公司的L C S 解决方案，在移动网中为个人和企业用户提供各种位置服务，主要包括亲友位置查询、用户位置授权及城市信息查询。从2 0 0 1 年初开始，福建移动、山西和云南的移动运营商先后与诺基亚签订了移动定位商用合同。最近，联通国脉与日本著名的位置服务内容解决方案提供商N a v i t i m e 签定合作协议，共同开发基于c d m a 2 0 0 0 1X 的位置服务。移动台定位一般要求同时与3 个或3 个以上基站相关处理。现有蜂窝系统用于通信设计时主要考虑移动台仅与一个基站联系，仅在小区边沿需要切换才与邻近几个基站联系。它尽量使移动台收到强的基站导引信号以保持相干接收，同时，在切换到另一基站前收到相邻基站导引信号尽量小。目前的网络在有些地区如乡村地区覆盖差，在城市地区由于多径等因素有时也可能难于保证移动台与3 个以上的基站的联系。无线定位与网络设计密切相关。8 辽宁工程技术大学硕士学位论文移动电话定位系统分为：自主定位系统、远程定位系统、间接自主定位系统和间接远程定位系统。自主定位系统，M S 可接收周围基站的信息并进行适当的信号参数测量，并利用这些测量值算出M S 的位置。远程定位系统，M S 发出的信号被一个或多个接收机接收、测量，测量值被送往定位中心(L C)进行运算求出该M S 的定位值，这些定位信息可在L C 应用，也可传给其它系统应用。间接定位系统，在实际应用中经常需要将主定位信息传给远端的应用中心(称作间接远程定位)或将远程定位中心算出的定位数据传给有关的M S(间接自主定位)应用，这就是所谓的间接定位。表2 3 给出了基于M S、基于网络和混合方式的定位系统比较。表2 3 基于M S、基于网络和混合方式的定位系统比较基于M S基于网络混合方式系统要求同步同步、L C(置于同步、L CM S C)、定位接收器定位现有M S不可以可以不可以参数测量位置M S定位接收器(B T S)M S自主定位可以通过S M S 间接定位通过S M S 间接定位远程定位通过S M S 向接可以可以定位同时定位的容无限制(与蜂窝取决于蜂窝网的数较大，主要决定于从量网M S 容量同)据传输能力和L C 的M S 采集T O A 测量信息处理能力值的能力连续定位可以可以，但有很大局限可以，但对定位容量性有影响对跳频和功率不敏感敏感不敏感控制的敏感性附加于蜂窝网少多多的数据信息量我们看到，基于蜂窝系统的无线定位技术虽然提出时间较短，但已在理论和实验上取得较大进展。在即将商用化的第三代移动通信系统中，如何实现高精度的定位，并将定位业务集成到网络中，是一个9 辽宁：J i 程技术大学硕士学位论文崭新的课题，有许多问题需要做进一步研究。这方面的课题包括：无线定位方法的研究；克服定位误差的方法的研究；针对不同系统的定位实施方案研究。在蜂窝无线定位技术研究中的一个基本的原则是希望增加定位业务不致于使网络基础设施改变和增加投资太大。定位要求及技术实现方法应该与标准研究相结合并确立统一标准，以更好地安排空中接口、网络结构和各种功能子系统组成。2 1 3 移动电话定位技术分类定位技术包括全球卫星定位系统G P S(G l o b a lP o s i t i o n i n gS y s t e m)辅助的定位技术和基于移动通信网络的定位技术。移动通信网络的定位技术有：小区识别号(C E L LI D)移动定位技术；小区识别号(C E L LI D)+时间提前量(T A)移动定位技术；增强型观测时间差分(E O T D)移动定位技术；到达时间(T O A)及到达时间差(T D O A)移动定位技术；到达角度(A O A)移动定位技术；F i n g e r P r i n tF P T 技术。C e l l I D 技术是从网络中提取手机用户C e l l I D，作为手机当前位置信息的方式。定位系统根据用户在网络内所处的小区或基站，标识终端位置。终端有可能在小区内的任何位置，因此定位精度完全取决于小区的大小。目前国内G S M 网基站密度很大，C E L L jD 小区定位的精度可高达10 0 15O m，这样级别的精度足以满足大部分应用服务的要求。郊区和农村地区的小区半径远大于城区的小区半径，因此城区C E L L _ ID的定位精度要远远高于郊区和农村。C D M A 系统不需要设置密集的基站，市内小区半径一般在l 2 k m 左右，此时C E L L I O 的精度不会优于5 0 0 m，这样的精度远远不能满足大部分应用服务的要求。因此在C E L L ID 基础上，出现了一些改进技术，如C E L L _ ID+S E C T O R I D、C E L L I D+T A 及C E L L j D+R T T 技术，虽然这些技术可在一定程度上提高定位精度，但改善效果并不明显。C E L L _ ID 及其改进技术是实现蜂窝网终端定位最简单的方法，所需投入的财力、人力和物力资源少，占用网络资源少，实施方便，响应时间短，可用于所有蜂窝网络，并得到G S M G P R S W C D M A c d m a 2 0 0 0等各种技术标准的支持，是性价比最高的定位技术。但C E L LID 技术的定位精度较低，随地理位置的不同定位精度有很大差异，一般将其作为辅助定位手段，为精确定位提供辅助信息，实现初始定位。1 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文F P T 又称射频信号模式匹配R Fp a tt e r nm a tc h，是美国无线公司U Sw i r e l e s s 开发的专利技术，已成功用于R a d i o C a n e r a 系统中。由于多径干扰的模式完全取决于反射环境，所以特定地区的干扰模式具有自己的特征。终端发射的无线电波经建筑物和其它障碍物的反射和折射，产生与周围环境密切相关的特定模式多径信号。基站天线阵列检测信号的幅度和相位特性，提取多径干扰特征参数，将该参数与预先存储在数据库中的模式进行匹配，找出最相似的结果，然后结合地理信息系统，找出与该模式相匹配的地区范围，以街道和城区的图形化形式输出定位结果。F P T 技术基本不受非视距传输效应(N L O S)影响，系统独立性强，结构简单。但F P T 技术实施的高度复杂性是推广应用的最大障碍，因为在F P T 定位系统投入实际使用前，必须建立庞大完整的位置指纹数据库，详细纪录城市每个可分辨最小区域的特征，并保持与城市建设同步更新，以保证指纹样本的有效性、可靠性和准确性，所以该项技术尚处于试运行阶段，没有大规模应用。2 1 4 两种无线定位方案对移动台的定位是通过检测移动台和基站之间传播信号的特征参数来获得其几何位置，根据进行定位估计位置不同将定位方案分为基于移动台的定位和基于网络的定位。(1)基于移动台的定位移动台利用来自基站的信号计算出自己的位置称为基于移动台的定位，也称前向链路定位。它根据接收到的多个已知位置基站发射信号携带的与移动台位置有关的特征信息来确定其与各基站之间的几何位置关系，再根据算法对移动台进行定位估计。移动台定位技术包括全球定位系统(G P S)、基于移动台发送、接收信号的定时或角度的覆盖三角技术(T O A、E O T D)以及起源蜂窝小区(C O O)。目前在无线网络广泛使用的技术是起源蜂窝小区，该方案已被用来满足美国第一阶段的“91 1”紧急服务需求、基于位置的付账和一些需要位置信息的服务。(2)基于网络的定位网络利用移动台传来的信号计算出移动台位置的定位称为基于网络的定位，这类系统在蜂窝网络中也叫做反向链路定位系统。其定位过程是由多个基站同时检测移动台发射的信号，并对这些信号进行精确辽宁工程技术大学硕士学位论文的到达时间(T O A)的测量，把各接收信号携带的与移动台位置有关的特征信息送到一个定位服务中心进行处理，得到移动台的位置估计。定位服务中心可看作事务处理器，它对来自不同移动台的位置测量请求，选择适当的定位接收机对指定的移动台进行所需定位区测量，收集来自定位接收机的定位区测量，将所有信息进行综合得到定位测量，并把该定位测量传送给发出请求的移动台。采用基于网络的定位系统优点是无需修改移动台。从上述各定位系统的基本特征可以看出，在蜂窝网络中采用基于移动台的前向链路定位方案必须对现有移动台进行适当修改，如集成G P S 接收机或能同时接收多个基站信号进行自定位的处理单元。基于网络的反向链路定位方案只需对蜂窝网络设备做适当扩充、修改。无需改动移动台，能利用现有蜂窝系统实现。2 2 蜂窝系统中的定位技术 9 1 2】在蜂窝系统中采用的定位技术主要有以下几类：2 2 1 场强定位信号场强(Sig n a ls t r e n g th)定位法通过检测接收信号的场强值，利用移动台接收的信号强度与移动台至基站的距离成反比关系，根据测量接收信号的场强值和已知信道衰落模型及发射信号的场强值可以估算出收发信机之间的距离，通过求解收发信机之间的距离方程组，即能确定目标移动台位置。对于基于信号场强的定位，主要的误差源是多径衰落和阴影效应。此外，小区基站的扇形特性、天线有可能倾斜、无线系统的不断调整以及地形、车辆等因素都会对信号功率产生影响，而且由于在C D M A 网络采用的功率控制技术来消除远近效应，T D M A 系统中采用功率控制以增强电池使用时间，因而信号强度定位系统必须知道M S 的发送功率，并且需要合理的精度控制，故这种方法的精度较低。2 2 2 起源蜂窝小区(C 0 0)C 0 0 的最大优点是它确定位置信息的响应时间快(3s 左右)，而且C 0 0 不用对移动台和网络进行升级就可以直接向现有用户提供基于位1 2 辽!卜：程技术大学硕士学位论文置的服务。但是，c o o 与其它技术相比，其精度是最低的。在这个系统中，基站所在的蜂窝小区作为定位单位，定位精度取决于小区的大小。2 2 3 增强观测时间差分(E-O T D)E 0 T D(E n h a n c e dO b s e r v e dT i m eD i f f e r e n c e)方式是G S M 规范中增强的功能。它利用G S M 网络中O b s e r v e dT i m eD i f f e r e n c e 功能，通过放置位置接收器实现的。位置接收器分布在较广区域内的许多站点上，作为位置测量单元以覆盖无线网络。手机对邻近的多个基站发送的无线脉冲到达的时间进行测量计算，并将测量结果以短消息或其它方式返回给网络中的定位服务器。所有的基站需要精确测量时间间隔R T D(R e a lT i m eD i f f e r e n c e s)，这样才能对脉冲到达时间差进行精密计算。每个参考点都有一个精确的定时源，当移动台和位置测量单元接收到来自至少3 个基站信号时，从每个基站到达移动台和位置测量单元的时间差将被计算出来，这些差值被用来产生几组交叉双曲线，由此估计出移动台位置。E O T D 会受到市区多径效应的影响。这时，多径使信号波形畸变并引入延迟，导致E O T D 在决定信号观测点上比较困难。E O T D 定位精度比C 0 0 高5 0 -1 2 5 m。但它的响应速度较慢(5 S)，且对各个基站的时间差的测量一般通过手机完成，因此手机中的相关硬件需要更新。2 2 4 到达时间(T O A)和时间差(T D O A)基于网络的定位系统中通常采用精度较高的基于时间的T O A或T D O A 定位算法。T O A 技术的原理是：电磁波在空间中是以光速传播，移动台与接收基站间的距离正比于其间的传输时间。设移动台与接收基站间电磁波的传输时间为t，则移动台与接收基站间的距离厂为：图2 1 理想的T O A 定位，-=C t。由此可知移动台在以接收基站为圆心以，为半径的圆周上，而1 3 辽宁i 2 程技术大学硕士学位论文若有3 个基站就可得3 个圆，3 圆交汇于一点M 就可确定出移动台的位置。如图2 1 所示(其中A 点、口点、f 点为3 个基站)。设C 为光速，移动台信号发射时刻为f，则可得到T O A 方程组如下：(x t)2+(y M)2 一c(一f)=0f=1，2，3(2 一1)式中各基站的位置为(薯，M)，移动台信号的第f 个路径的到达时间为r，i 为基站的编号。T O A 技术要求3 个基站在时间上精确同步(时间上1L s 的误差在距离上将产生3 0 0 m 的误差)，可用G P S对基站来精确校时，但这样就增大了系统的开销。而且，移动台的发射信号中须有时间标记，这样接收基站才能判断出电磁波传输所用的时间。T O A提供的定位精度比C O O 高，但是它的响应时间比C O O 或E-O T D 更长(约10 s)。在实际应用中由于多径干扰、噪声干扰、周围地形、建筑物的影响，3 个基站所确定的3 个圆并不交于一点，而是个区域D，如图2 2 阴影所示，这样就增加了算法的复杂度。由于以上原因，T O A技术在实际应用中较少。T D O A 技术是对T O A 技术的改进，T D O A 技术的主要思想是用多个基站接收到的移动台发射电磁波到达的相对时间差，而不是到达时间，来确定移动台的位置。T D O A 技术确定的移动台的位置将位于以两个接收基站为焦点的双曲线的某一分支上。如果移动台与所有接收基站是共面的，两维移动台可由3 个接收基站所生成的两个独立的双曲线分支的交汇点来确定出其位置。在某种情况下，两双曲线有两个交汇点，产生了令人迷惑的两个解，但利用第3 个T D O A 测量值和一些先知条件就可确定出真实解。如图2 3 所示。假设同T O A，T D O A 的方程组为：，-_=，_。4(x 一五)2+(y M)2 一(x 一也)2+(y 一坎)2 一c(一t 2)=0(x x 1)2+(y M)2 一(x 一b)2+(y-y 3)2-c(t I t 3)=0(2-2)(x X 3)2