移動(dòng)通信終端定位技術(shù)自主可控發(fā)展研究

曲 明，趙金峰，史照平

（1.總參通信工程設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110005； 2.解放軍65133部隊(duì)，沈陽(yáng) 110043）

移動(dòng)通信終端定位技術(shù)自主可控發(fā)展研究

曲 明1，趙金峰1，史照平2

（1.總參通信工程設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110005； 2.解放軍65133部隊(duì)，沈陽(yáng) 110043）

移動(dòng)通信終端的位置信息是通信用戶的重要隱私信息。尤其在國(guó)防通信系統(tǒng)中，位置信息更是涉及到安全性和保密性問(wèn)題，因此，移動(dòng)終端定位技術(shù)的自主可控性顯得更為重要。本文介紹了目前常用的移動(dòng)終端定位技術(shù)，分析了各種技術(shù)自主可控性，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)狀，對(duì)移動(dòng)終端定位技術(shù)的自主可控性提出了發(fā)展建議。

移動(dòng)通信；移動(dòng)終端；定位技術(shù)

1 引言

移動(dòng)通信終端的定位技術(shù)主要有三種：一是基于GPS的定位，其原理是利用手機(jī)上的GPS定位模塊，自行搜索、捕獲衛(wèi)星，進(jìn)而完成位置解算。這種方式定位精度較高，但是在室內(nèi)或者樓群等遮蔽環(huán)境下，定位精度很差，有時(shí)甚至不能使用。二是基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站的定位，其原理是利用基站對(duì)移動(dòng)終端的測(cè)算距離來(lái)確定的移動(dòng)終端位置。這種方法的定位精度很大程度依賴于基站分布以及覆蓋范圍的大小，定位誤差較大。三是將前兩種手段綜合利用，稱之為混合定位技術(shù)。該技術(shù)綜合了兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，使定位功能的可用性和精確度得以提升。

目前，國(guó)內(nèi)移動(dòng)通信終端所采用的定位技術(shù)都是對(duì)國(guó)外的技術(shù)加以借鑒和利用，在一定程度上受制于人，因此，我國(guó)應(yīng)該發(fā)展自主可控的終端定位技術(shù)，保證用戶信息的安全性。

2 常用的終端定位技術(shù)

2.1 GPS導(dǎo)航定位技術(shù)

在美國(guó)，由于FCC法案的存在，要求手機(jī)必須具備定位功能。GPS模塊成本很低，大約1美元不到。用戶可以下載一些應(yīng)用程序來(lái)使用GPS功能，這樣的應(yīng)用程序很多，可以在不同操作系統(tǒng)下使用。移動(dòng)終端中集成的GPS模塊，因?yàn)槭艿绞謾C(jī)本身體積的局限性，搜索和捕獲衛(wèi)星信號(hào)的能力會(huì)有所下降，但對(duì)GPS定位精度不會(huì)產(chǎn)生太大影響。

2.2 網(wǎng)絡(luò)基站定位技術(shù)

基于網(wǎng)絡(luò)的定位是由多個(gè)基站（BS）同時(shí)接收移動(dòng)終端（MS）發(fā)射的信號(hào)，通過(guò)處理各接收信號(hào)中攜帶的與移動(dòng)終端位置有關(guān)的特征信號(hào)，計(jì)算出移動(dòng)終端的位置。由于受非視距、蜂窩結(jié)構(gòu)、各種干擾噪聲和多路徑效應(yīng)的影響，定位精度不能得到保證。常用的定位技術(shù)有：蜂窩小區(qū)標(biāo)識(shí)（CELLID）、到達(dá)角/到達(dá)方向定位（AOA/DOA，Angle of Arrival/Direction Of Arrival）、達(dá)到時(shí)間/到達(dá)時(shí)間差（TOA/TDOA，Time of Arrival）等[2]。

2.2.1 CELL-ID

CELL-ID技術(shù)是目前最簡(jiǎn)單的定位技術(shù)，它能被現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持。其原理是網(wǎng)絡(luò)通過(guò)移動(dòng)終端當(dāng)前的服務(wù)基站，獲得其所在的蜂窩小區(qū)ID，結(jié)合小區(qū)覆蓋范圍來(lái)定位移動(dòng)終端的位置，提供給用戶。小區(qū)分為全向小區(qū)和扇形小區(qū)，全向小區(qū)是以服務(wù)基站為中心，半徑為小區(qū)覆蓋半徑的一個(gè)圓；扇形小區(qū)則是以服務(wù)基站為中心，半徑為小區(qū)覆蓋半徑的扇形區(qū)域。CELL-ID技術(shù)對(duì)終端和網(wǎng)絡(luò)不需任何修改，不需要移動(dòng)終端提供任何定位測(cè)量信息，只要在網(wǎng)絡(luò)增加簡(jiǎn)單的定位流程處理即可，因而最容易實(shí)現(xiàn)。目前這種技術(shù)已經(jīng)在各移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中廣泛采用，但這種技術(shù)只能將移動(dòng)終端定位在服務(wù)小區(qū)的范圍內(nèi)，定位精度較低，精度隨著覆蓋半徑的減小而精確。

2.2.2 DOA/AOA

DOA/AOA技術(shù)是利用多天線陣元來(lái)測(cè)量移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)的到達(dá)角，移動(dòng)終端的位置必然處于該測(cè)得的DOA直線上。如果從兩處不同位置的天線上測(cè)得至少兩個(gè)DOA值，那么移動(dòng)終端的位置就一定處于這兩個(gè)天線所在的兩條直線的交點(diǎn)上。在通常情況下，利用多個(gè)測(cè)的DOA值來(lái)提供冗余信息可以達(dá)到提高定位精度的目的。

通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上的基站，就可得到一組方程組，他們的交點(diǎn)即為待定移動(dòng)終端的位置，如圖1所示。DOA定位方法的精度主要受限于基站天線/陣列的方向性，定位誤差較大，而且誤差隨著距離增加而增大，主要用于粗定位。

圖1 DOA/AOA定位原理圖

2.2.3 TOA

TOA技術(shù)是先測(cè)量出從移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)到達(dá)基站i的時(shí)間ti，繼而算出移動(dòng)終端與基站i之間的距離ci=cti。在利用到達(dá)時(shí)間進(jìn)行定位的方法中，移動(dòng)終端位置坐標(biāo)和基站位置坐標(biāo)之間存在如下關(guān)系：

從上式可以看出，移動(dòng)終端的軌跡為一個(gè)以基站i為圓心，以距離ci為半徑的圓。只要能夠得到移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)分別到達(dá)三個(gè)不同基站的時(shí)間，就能確定三個(gè)這樣的圓。它們的交點(diǎn)就是移動(dòng)終端所在的位置，通過(guò)聯(lián)立求解方程組就能得到移動(dòng)終端的位置坐標(biāo)，如圖2所示。

TOA技術(shù)要求基站在時(shí)間上精確同步，否則定位精度將大大降低。當(dāng)基站間存在1微秒的誤差時(shí)，距離上會(huì)產(chǎn)生300米的誤差。

圖2 TOA定位原理圖

2.2.4 TDOA

TDOA技術(shù)是通過(guò)測(cè)量移動(dòng)終端發(fā)出的信號(hào)到達(dá)多個(gè)接收基站的時(shí)間差來(lái)對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行定位，即各接收基站對(duì)來(lái)自同一移動(dòng)終端的信號(hào)作到達(dá)時(shí)間TOA的測(cè)量，然后將各TOA值傳送到定位處理中心，中心根據(jù)TOA求出各基站間的TDOA并計(jì)算出移動(dòng)終端的位置坐標(biāo)。TDOA定位技術(shù)的基本原理是一組TDOA測(cè)量值確定一對(duì)雙曲線，該雙曲線以參與該TDOA測(cè)量的兩個(gè)接收基站為焦點(diǎn)，需要定位的移動(dòng)終端就在這對(duì)雙曲線的某一條分支上。因此，通過(guò)求由兩組TDAO值確定的兩對(duì)雙曲線的交點(diǎn)就可以得到移動(dòng)終端的精確位置。如圖3所示。

圖3 TDOA定位原理圖

TDOA定位適用于多種通信體制（CDMA，AMPS，GSM等），不需要對(duì)蜂窩通信的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，精度不受距離影響，抗多徑效應(yīng)和市區(qū)遮蔽效應(yīng)強(qiáng)，延時(shí)時(shí)間小，但是系統(tǒng)精度的提升與時(shí)間精度有著極大的關(guān)聯(lián)性，而且必須保證三個(gè)基站接收手機(jī)信號(hào)。

2.2.5 AFLT

AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）技術(shù)是運(yùn)用于CDMA系統(tǒng)中的一種基于前向鏈路的定位方法。在進(jìn)行定位操作時(shí)，移動(dòng)終端同時(shí)監(jiān)聽(tīng)多個(gè)基站（至少3個(gè)基站）的導(dǎo)頻信息。利用碼片時(shí)延來(lái)確定移動(dòng)終端到附近基站的距離，最后用三角定位法算出移動(dòng)終端的位置。

AFLT需要移動(dòng)終端軟件升級(jí)，而且根據(jù)獲得導(dǎo)頻信息方式的不同決定移動(dòng)終端是否需要支持IS-801協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)一側(cè)是否需要支持IS-801協(xié)議。定位算法可以放在移動(dòng)終端一側(cè)或者網(wǎng)絡(luò)一側(cè)，定位精度一般在200～400m，最高可達(dá)到100m。影響精度的主要因素是基站密度和地形環(huán)境。在大城市基站密集的地方，由于基站密度高，定位精度相對(duì)高。

2.3 混合定位技術(shù)

2.3.1 AGPS

AGPS（Assisted GPS）技術(shù)是一種GPS的運(yùn)行方式。它是一種結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)基站信息和GPS信息對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行定位的技術(shù)，可以在GSM/GPRS，WCDMA，CDMA2000網(wǎng)絡(luò)中使用。該技術(shù)需要在移動(dòng)終端內(nèi)增加GPS接收機(jī)模塊，并改造手機(jī)天線。移動(dòng)終端發(fā)送定位請(qǐng)求時(shí)，通過(guò)移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)路得知屬于哪個(gè)基站，然后在所屬范圍內(nèi)定位服務(wù)器開(kāi)始搜星。搜到的星歷、輔助參數(shù)下傳給移動(dòng)終端，移動(dòng)終端借助這些數(shù)據(jù)開(kāi)始信號(hào)測(cè)量和計(jì)算。

AGPS室外定位可達(dá)10米左右，而且大大縮小了GPS芯片捕獲GPS信號(hào)的時(shí)間，一般只需要幾秒。但是AGPS要占用大量的空中通信資源，需要無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，多則可達(dá)六次單向傳輸。

2.3.2 GPSONE

GPSONE定位技術(shù)是將無(wú)線輔助AGPS和高級(jí)前向鏈路AFLT三角定位法兩種定位技術(shù)有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)高精度、高可用性和較快速定位。由網(wǎng)絡(luò)一側(cè)的定位服務(wù)器與終端相互配合完成定位工作，就是將衛(wèi)星搜索及定位運(yùn)算等最為繁重的工作從移動(dòng)終端一側(cè)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)一側(cè)的定位服務(wù)器完成。由于CDMA是惟一全網(wǎng)同步（通過(guò)GPS）網(wǎng)絡(luò)，因此定位精度很高。

采用了GPSONE技術(shù)的移動(dòng)終端，同時(shí)從GPS衛(wèi)星和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)收集測(cè)量數(shù)據(jù)，然后通過(guò)組合這些數(shù)據(jù)生成精確的三維定位。在GPS衛(wèi)星信號(hào)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)都無(wú)法單獨(dú)完成定位的情形下，GPSONE系統(tǒng)會(huì)組合這兩種信息源，只要有一顆衛(wèi)星和一個(gè)小區(qū)站點(diǎn)就可以完成定位，解決了傳統(tǒng)方案無(wú)法解決的問(wèn)題。另外，GPSONE系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施輔助設(shè)備還提供了比傳統(tǒng)GPS定位高出20dB的靈敏度，性能的改善使GPSONE混合式定位方式可以在現(xiàn)建筑物的內(nèi)部深處或市區(qū)的樓群間正常工作，而傳統(tǒng)GPS方案在這些地方通常是無(wú)法正常工作的。

3 自主可控分析

對(duì)于基于GPS的定位方式而言，由于GPS系統(tǒng)受美國(guó)政府控制，因此存在著自主可控弱的隱患，美國(guó)政府可以在任意時(shí)間關(guān)閉我國(guó)領(lǐng)土范圍內(nèi)的GPS功能。對(duì)于基于網(wǎng)絡(luò)基站的定位方式而言，由于網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施屬于我國(guó)自主建設(shè)，因此具有自主可控性上的優(yōu)勢(shì)，但是定位精度不高是其應(yīng)用發(fā)展的一大難題。對(duì)于混合定位方式而言，由于加入了GPS功能，使得混合定位方式同樣存在缺乏自主可控性。

我國(guó)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)手段，研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的終端定位技術(shù)才能從根本上把握自主可控的主動(dòng)權(quán)。從前面介紹中可以發(fā)現(xiàn)，混合定位技術(shù)具有適應(yīng)性強(qiáng)、定位精度較高等優(yōu)勢(shì)，因此，我國(guó)的通信終端定位技術(shù)也應(yīng)走混合定位技術(shù)之路。為了發(fā)展終端定位技術(shù)的自主可控，應(yīng)發(fā)展我國(guó)自主的導(dǎo)航定位系統(tǒng)來(lái)替代GPS系統(tǒng)?？上驳氖牵覈?guó)政府早已發(fā)現(xiàn)這一問(wèn)題并啟動(dòng)了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)工程。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是全球惟一具備通信功能的無(wú)源導(dǎo)航定位系統(tǒng)[3]。2004年8月31日批準(zhǔn)立項(xiàng)，工程研制與建設(shè)分為兩個(gè)階段：第一階段建立區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；第二階段建立全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2012年12月27日，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)向亞太大部分地區(qū)正式提供連續(xù)無(wú)源定位、導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文等服務(wù)。系統(tǒng)的最終目標(biāo)是完成由GEO，IGSO，MEO的35顆衛(wèi)星組成混合星座。

4 下一步發(fā)展建議

可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)我國(guó)終端定位領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)必然是弱化GPS應(yīng)用而增加對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的利用度。這樣才能從根本上把握自主可控權(quán)。為了解決GPS帶來(lái)的弱自主可控性問(wèn)題，可采用以下兩種解決方案：

第一種方案，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基站和移動(dòng)終端不變的前提下，設(shè)立一些功能基站。這些功能基站的作用是接收GPS和北斗的導(dǎo)航信號(hào)，將獲得的導(dǎo)航信息進(jìn)行融合，再以GPS信號(hào)的格式發(fā)送出去。由于功能基站與移動(dòng)終端較近，因此信號(hào)功率較強(qiáng)。在移動(dòng)終端處設(shè)置信號(hào)功率接收門限，則終端可以正確的選擇融合信號(hào)而不是GPS信號(hào)。這樣在特殊時(shí)期，即使GPS衛(wèi)星服務(wù)關(guān)閉，也不會(huì)對(duì)移動(dòng)終端定位帶來(lái)很大的影響。這些功能基站的作用類似于在地球表面上布置的GPS偽衛(wèi)星。此種方法中導(dǎo)航信息融合的算法和程度將成為關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)需要建立很多的功能基站，數(shù)目巨大。功能基站網(wǎng)絡(luò)布置的合理性需要大量的研究和規(guī)劃，這將牽扯諸多的政府部門，協(xié)調(diào)難度大。

第二種方案，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基站和移動(dòng)終端進(jìn)行改進(jìn)。這里存在兩種方式：第一種是單一替換，即在網(wǎng)絡(luò)基站用北斗導(dǎo)航接收機(jī)替換GPS導(dǎo)航接收機(jī)，在移動(dòng)終端用北斗導(dǎo)航手機(jī)套片替換GPS套片；另一種是采用雙模模式，即在網(wǎng)絡(luò)中采用北斗/ GPS雙模接收機(jī)，在移動(dòng)終端采用北斗/GPS雙模套片。此種方法的好處在于接近商業(yè)化運(yùn)作，無(wú)需協(xié)調(diào)諸多的政府部門，只需要運(yùn)營(yíng)商和芯片廠商參與其中。但存在著技術(shù)方面的難題，目前北斗導(dǎo)航芯片的價(jià)格較高，我國(guó)系統(tǒng)集成技術(shù)有待發(fā)展，另外，網(wǎng)絡(luò)基站中接收機(jī)的替換需要對(duì)內(nèi)部傳輸協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修改，同樣需要研究和規(guī)劃。

基于北斗的混合定位技術(shù)將從根本上解決我國(guó)終端定位領(lǐng)域中的自主可控性問(wèn)題。同時(shí)，還將有利于解決時(shí)鐘同步、授時(shí)校準(zhǔn)等領(lǐng)域的自主可控性問(wèn)題，后者的問(wèn)題同樣是依賴于GPS而產(chǎn)生的。

[1] J. J. Spilker Jr. Fundamentals of Signal Tracking Theory in Global Positioning System: Theory and Application [M], Vol. I,B. Parkingson, etc, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996.

[2] 聶穎，張德民．基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的單基站定位技術(shù)[C]．北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3] 鄭睿．中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航的最新進(jìn)展[J]．導(dǎo)航定位，2009.82(4): 60-63.

Study on the Technology Development of Mobile Communication Terminal Location Independent Controllable

Qu Ming1, Zhao Jinfeng1, Shi Zhaoping2
(1.Communication engineering design and Research Institute of PLAs,Shenyang, 110005; 2.Unit 96105 of PLAs, Shenyang, 110043)

The location information of the mobile communication terminal is an important privacy information of communication user. Especially in the military communication system, position information is related to the safety and security problems, so the independent controllable mobile location technology is more important. This paper introduces the mobile location technology, analysis of the various independent controllable, combined with the status quo in China, the development suggestions on the independent controllable mobile location technology put forward.

Mobile communication; mobile terminal; positioning technology

10.3969/j.issn.1672-7274.2014.08.003

TN96文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2014）08-0011-04