什么是室內定位技術(shù)與長(cháng)距離移動(dòng)定位技術(shù)

美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC)于1996年下達指示要求移動(dòng)運營(yíng)商為移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)提供E-911(緊急救援)服務(wù)，這就要求對所有移動(dòng)電話(huà)用戶(hù)實(shí)現定位功能，同時(shí)，FCC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(jìn)了關(guān)于定位技術(shù)及其服務(wù)業(yè)務(wù)研究的發(fā)展，很多國家開(kāi)始致力于研究商用定位技術(shù)并推出了各具特色的商用定位服務(wù)。近幾年，全球移動(dòng)用戶(hù)的數量迅猛發(fā)展，為商用位置服務(wù)提供了極其誘人的市場(chǎng)前景。有關(guān)報道預測，2006年全球移動(dòng)用戶(hù)的半數有望成為位置服務(wù)用戶(hù)，其業(yè)務(wù)收入可達185億美元。相關(guān)的位置服務(wù)業(yè)務(wù)可包括：緊急求救電話(huà)服務(wù)、物流管理、商業(yè)求助電話(huà)服務(wù)、個(gè)人問(wèn)詢(xún)服務(wù)、車(chē)輛導航服務(wù)、特定跟蹤服務(wù)等等。

1、移動(dòng)定位技術(shù)

移動(dòng)定位技術(shù)是利用無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)對接收到的無(wú)線(xiàn)電波的一些參數進(jìn)行測量，根據特定的算法對某一移動(dòng)終端或個(gè)人在某一時(shí)間所處的地理位置進(jìn)行精確測定，以便為移動(dòng)終端用戶(hù)提供相關(guān)的位置信息服務(wù)，或進(jìn)行實(shí)時(shí)的監測和跟蹤。根據移動(dòng)定位的基本原理，移動(dòng)定位大致可分為兩類(lèi)：基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的定位技術(shù)和基于移動(dòng)終端的定位技術(shù)，還有的把這兩者的混合定位作為第三種定位技術(shù)。

1.1基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的定位技術(shù)

基于Cell-ID的定位技術(shù)：該技術(shù)又稱(chēng)起源蜂窩小區(CellOfOrigin)定位技術(shù)。每個(gè)小區都有自己特定的小區標識號(Cell-ID)，當進(jìn)入某一小區時(shí)，移動(dòng)終端要在當前小區進(jìn)行注冊，系統的數據中就會(huì )有相應的小區ID標識。系統根據采集到的移動(dòng)終端所處小區的標識號來(lái)確定移動(dòng)終端用戶(hù)的位置。這種定位技術(shù)在小區密集的地區精度較高且易于實(shí)現，無(wú)需對現有網(wǎng)絡(luò )和手機做較大的改動(dòng)，得到廣泛的應用。

到達時(shí)間TOA(TimeOfArrival)定位技術(shù)：移動(dòng)終端發(fā)射測量信號到達3個(gè)以上的基站，通過(guò)測量到達所用的時(shí)間(須保證時(shí)間同步)，并施以特定算法的計算，實(shí)現對移動(dòng)終端的定位。在該算法中，移動(dòng)終端位于以基站為圓心，移動(dòng)終端和基站之間的電波傳輸距離為半徑的圓上，三個(gè)圓的交點(diǎn)即為移動(dòng)終端所在的位置。

到達時(shí)間差TDOA(TimeDifference0fArrival)定位技術(shù)：移動(dòng)終端對基站進(jìn)行監聽(tīng)并測量出信號到達兩個(gè)基站的時(shí)間差，每?jì)蓚€(gè)基站得到一個(gè)測量值，形成一個(gè)雙曲線(xiàn)定位區，這樣，三個(gè)基站得到2個(gè)雙曲線(xiàn)定位區，求解出它們的交結點(diǎn)并施以附加條件就可以得到移動(dòng)終端的確切位置。由于所測量為時(shí)間差而非絕對時(shí)間，不必滿(mǎn)足時(shí)間同步的要求，所以TDOA備受關(guān)注。

增強型觀(guān)測時(shí)間差E-OTD(Enhanced-ObservedTimeDifference)定位技術(shù)：在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中放置若干位置接收器或參考點(diǎn)作為位置測量單元LMU，參考點(diǎn)都有一個(gè)精確的定時(shí)源，當具有E-OTD功能的手機和LMU接收到3個(gè)以上的基站信號時(shí)，每個(gè)基站信號到達兩者的時(shí)間差將被算出來(lái)，從而估算出手機所處的位置。這項定位技術(shù)定位精度較高但硬件實(shí)現也復雜。

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

1.2基于移動(dòng)終端的定位技術(shù)

該定位技術(shù)的原理是：多個(gè)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(guān)的特征信息，當移動(dòng)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(guān)系，并根據相關(guān)算法對其自身位置進(jìn)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的測量并進(jìn)行坐標位置的計算，必須對手機和網(wǎng)絡(luò )的軟硬件加以改造或升級，目前傾向的做法是在手機內集成GPS接收機，加大了手機的能耗，而且從商用角度來(lái)看很難做到大面積的推廣和使用。

目前已提出的基于移動(dòng)終端的定位技術(shù)主要包括：下行鏈路觀(guān)測到達時(shí)間差(OTDOA)方法、基于GPS的定位技術(shù)，如差分GPS(DGPS)、輔助GPS(A-GPS)等。根據技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)，我們把重點(diǎn)集中于DGPS和A-GPS上：(1)GPS定位技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，由于其定位精度高、覆蓋范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，在軍事用途中發(fā)揮著(zhù)巨大的作用，近幾年開(kāi)始向各個(gè)領(lǐng)域滲透并得到廣泛的應用。差分GPS技術(shù)可以提高GPS系統的定位精度。原理是：基準接收機對自己實(shí)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域且共用四顆衛星進(jìn)行定位的移動(dòng)接收機來(lái)說(shuō)，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(dòng)接收機的定位結果，從而提高定位精度。(2)采用GPS對移動(dòng)臺直接定位時(shí)，首次定位需要較長(cháng)的時(shí)間，這對于緊急救援的業(yè)務(wù)是不允許的。A-GPS可以有效地解決這個(gè)問(wèn)題。利用輔助GPS進(jìn)行定位時(shí)，GPS參考網(wǎng)絡(luò )可將輔助的定位信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )傳送給移動(dòng)臺，可減小搜索時(shí)間，使定位時(shí)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或室內應用GPS定位技術(shù)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彌補傳統的GPS定位技術(shù)的缺陷，使得GPS突破定位界限實(shí)現室內GPS定位。

2、室內定位技術(shù)

2.1光跟蹤定位系統

該系統種類(lèi)繁多，但都要求所跟蹤目標和探測器之間線(xiàn)性可視，這就把它的應用局限到了僅室內的范圍且須保證所監測的目標是不透明的。在視頻監視系統中，往往采用在被監控的環(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控器上，通過(guò)視頻監控器，對觀(guān)察對象進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監控，有的甚至可以進(jìn)行必要的數據存儲。光定位技術(shù)也被應用于機器人系統，通過(guò)固定的紅外線(xiàn)攝像機和很多紅外線(xiàn)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(diǎn)，要實(shí)現高精度的光定位技術(shù)，其配備要求比較復雜。

2.2室內GPS定位技術(shù)

當GPS接收機在室內工作時(shí)，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星廣播中提取導航數據和時(shí)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(cháng)在每個(gè)碼延遲上的停留時(shí)間，A-GPS技術(shù)為這個(gè)問(wèn)題的解決提供了可能性。室內GPS技術(shù)采用大量的相關(guān)器并行地搜索可能的延遲碼，同時(shí)，也有助于實(shí)現快速定位。這種室內GPS定位技術(shù)由于需要在手機內集成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(jià)格降到人們可以承受的范圍內成了室內GPS技術(shù)追求的目標之一。普通GPS接收機正朝著(zhù)單片機的方向發(fā)展，并努力實(shí)現把GPS的RF電路和多相關(guān)器電路集成人手機現存的RF芯片和綜合數字芯片中。

2.3超聲波定位技術(shù)(UltrasonicPositioningTechnologies)

該技術(shù)由于其成本低、結構簡(jiǎn)單易于實(shí)現而被人們廣泛采用。目前，市場(chǎng)上的超聲波收、發(fā)器技術(shù)成熟且價(jià)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，根據回波與發(fā)射波的時(shí)間差計算出待測距離，有的則采用單向測距法。超聲波定位系統可由若干個(gè)應答器和一個(gè)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(wú)線(xiàn)電信號，應答器在收到無(wú)線(xiàn)電信號后同時(shí)向主測距器發(fā)射超聲波信號，得到主測距器與各個(gè)應答器之間的距離。當同時(shí)有三個(gè)或三個(gè)以上不在同一直線(xiàn)上的應答器做出回應時(shí)，我們可以根據相關(guān)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )下基于超聲波技術(shù)的3D定位系統的研制中采用超聲波定位技術(shù)，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(shù)(Bluetooth)

該技術(shù)是一種短距離低功耗的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的話(huà)音和數據業(yè)務(wù)?？梢詫?shí)現不同設備之間的短距離無(wú)線(xiàn)互聯(lián)。在室內安裝適當的藍牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)，把網(wǎng)絡(luò )配置成基于多用戶(hù)的基礎網(wǎng)絡(luò )連接模式，并保證藍牙局域網(wǎng)接入點(diǎn)始終是這個(gè)微微網(wǎng)(piconet)的主設備(master)，就可以獲得用戶(hù)的位置信息，實(shí)現利用藍牙技術(shù)定位的目的。采用該技術(shù)作室內短距離定位其優(yōu)點(diǎn)是容易發(fā)現設備且信號傳輸不受視距的影響，缺點(diǎn)是目前藍牙器件和設備價(jià)格昂貴。

3、結束語(yǔ)

移動(dòng)定位技術(shù)在近幾年取得了很大的發(fā)展，尤其是各種技術(shù)的混合研究和應用，我們可以揚長(cháng)避短，加速技術(shù)突破的進(jìn)程。但就其商業(yè)應用的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，目前不過(guò)是剛剛起步，除了某些特定的跟蹤或監測用途，作為民用的巨大商業(yè)潛力尚待進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)，在未來(lái)的手機業(yè)務(wù)中，位置業(yè)務(wù)服務(wù)很可能帶來(lái)巨大的商機，并給人們帶來(lái)極大的便利。另外，室內定位技術(shù)有待于進(jìn)一步研究完善，一旦突破的屏障，定位技術(shù)將會(huì )出呈現珠聯(lián)璧合之勢，相關(guān)的位置服務(wù)業(yè)務(wù)也必將深人人們的生活。

作者：馬玉秋 龍承志 沈樹(shù)群

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