移动定位与位置管理

1、移动定位与位置管理移动定位与位置管理一、一、 什么是什么是移动定位？移动定位？二、二、 移动定位应用移动定位应用 （LBA）三、三、 全球卫星定位系统（全球卫星定位系统（GPS）四、四、 基于基于GSM的移动定位系统的移动定位系统 五、五、 移动定位应用实例移动定位应用实例移动定位技术及应用移动定位技术及应用移动定位移动定位(mobile positioning) 通过移动终端和无线网络的配合，确定出移动用户的实际地理位置，从而提供用户需要的，与位置相关的服务信息，如移动速度、时间等。一、什么是移动定位？ 据估计，移动运营商将占据无线门户市场50%到70%的份额。继手机短消息服务之后，移动定位

2、应用将成为又一项最重要的移动服务。 In US, industry analysts have forecasted that the location services marketplace will generate $4-8 billion annually by 2004.预计10的移动用户会使用定位服务。2005年，全球移动位置服务业务将可能会达到数百亿美元.p 美联邦通信委员会1996年提出E911，要求移动运营商确定所有移动紧急呼叫者位置。 1998年Phase I 生效，要求将用户定位在15英里范围内；2001年Phase II生效，67%的呼叫定位到125米的范围之内。p

3、为了推动移动定位技术应用，Motorola、Ericsson和NOKIA三家公司2000年9月正式建立了Location Interoperability Forum () 移动定位技术和定位服务的关系移动定位技术和定位服务的关系p 移动定位服务:p 能将有关移动用户位置信息或用户感兴趣的移动终端的信息信息发送给有关人员。同时它还可以移动终端进行定位，并其位置进行实时监测和跟踪。p 移动定位服务包括移动定位技术和移动定位应用；p 定位技术的不同，可以实现的定位服务也不同。p 在现在投入运营的服务当中，无线数据服务和基于移动定位技术的增值服务

4、无疑是除去话音和短信息等传统服务外最具有竞争力和前景最光明的增值服务。 定位与导航的历史定位与导航的历史p 最古老、最简单的导航方法星历导航，人类通过观察星座的位置变化来确定自己的方位；p 最早的导航仪是中国人发明的指南针，几个世纪以来它经过不断的改进而变得越来越精密；p 最早的航海表是英国人John Harrison经过47年的艰苦工作于1761年发明的；p 在其随后的两个世纪，人类综合地利用星历知识、指南针和航海表来进行导航和定位。 定位与导航的历史定位与导航的历史p 惯性导航技术，即通过对加速度计所记录的载体加速度进行积分来确定位置。 p 20世纪，人类从被动地利用宇宙中现存的参照物（如

5、星体）扩展到主动地建立和利用人为参照物来开发更精密的导航定位系统。由此地基电子导航系统诞生了，目前大约有100种地基电子导航系统在运行，最著名的有Loran C/D、Omega等 。但其缺陷是只能进行二维定位。 p卫星电子导航系统 应运而生。1973年美国防部联合研制第二代卫星导航定位系统-授时与测距导航系统/全球定位系统（Navigation System Timing and Ranging/Global Position System-NAVSTAR/GPS），简称全球定位系统（GPS） 二、 移动定位应用 (Location-Based Application)p 导航应用导航应用：

6、向用户提供从位置A到位置B的最佳路线。如导航查询离移动用户最近的餐馆，车队、物流等的调度和管理。 p 追踪应用追踪应用： 确定人员、交通工具的位置，当然被追踪者必须有具备定位功能的移动终端。如人员紧急救助。 与位置相关的信息服务：与位置相关的信息服务： 指通过用户的位置信息，向用户提供更精确、更实用的信息。 如移动广告、觅友。 三、全球定位系统全球定位系统(Global Positioning System) GPS利用低轨道卫星利用低轨道卫星(LEO)进行全球导航定位的系统。进行全球导航定位的系统。卫星处在距地面高度约卫星处在距地面高度约2万公里，万公里，相互间隔相互间隔55度的六条轨道上，

7、其度的六条轨道上，其目的是地球上任何一个用户都能目的是地球上任何一个用户都能同是看到同是看到4颗卫星，进行颗卫星，进行4颗卫星颗卫星的无源定位，获得三维空间的定的无源定位，获得三维空间的定时信息，时信息， 采用扩频采用扩频CDMA方式方式来区分各个卫星的地址。来区分各个卫星的地址。. . . . . . .GPS卫卫星星通信系统服务中心GPS差分台. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .智能车载终端. . . . . . . . . . . . .

8、. . . . . . . .通信系统服务中心. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .特定服务特定服务. . . . . . . GPS系统包括空间导航卫星，地面控制站，用户接收机等三部分构成。 GPS由美空军负责操作和维护。 空间导航卫星：目前，已有24颗卫星在轨道上运行，21颗基本星，3颗备用星。 用户接收机： 含主机、天线和电源三部分，运算单元可计算出用户所在位置。 全球定位系统(Global Positioning System) 全球地面连续覆盖。在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要

9、。 功能多、精度高。GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。 实时定位速度快。目前GPS接收机一次定位和测速工作在一秒甚至更少的时间内便可完成。 抗干扰性能好、保密性强。由于GPS系统采用了伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。 全球定位系统(Global Positioning System)p 服务级别（军事服务级别（军事/民用）：民用）： 标准定位服务(SPS)适于所有GPS用户，提供持续的、全球范围的，不直接收费。定位精度：10m。 精确定位服务(PPS)服务于军事，估计其单点实时定位精度约为3m 。p 第二代GPS，计划发射20

10、颗卫星，定位精度将达到1mm。俄罗斯卫星定位系统GLONASSGLObal NAvigation Satellite System p GLONASS系统由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度1.9万公里。p GLONASS系统采用FDMA方式，根据载波频率来区分不同卫星。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。p GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。 到目前为止，尚有10颗GLONASS卫星在运行。p 俄政府为进一步提高定位能力，开拓广大的民用市场，用4年时间将其更新。内容有：改进地面测控站设施；延长

11、卫星的在轨寿命到8年；实现系统高的定位精度：位置精度提高到1015m，定时精度提高到2030ns，速度精度达到0.01ms。 欧洲伽利略p 1999年欧洲提出伽利略计划，投资36亿欧元，在2.4万公里天空布置30颗卫星，用于导航与定位服务。 p 2005年12月首次发射，2015年全部发射完毕，30颗卫星组成通信导航系统。p 多种导航信号，如免费使用信号，安全性与准确性更高的加密信号。p 2004年10月中国签署加入协议，投入2亿欧元，拥有全部使用权。n背景：为克服GPS的缺点，1998年出现服务器协助GPS技术(A-GPS) 。在覆盖区域内布置静止的服务器以协助移动接收器接收GPS信号。实际

12、上，服务器就是静止的GPS接收器。n组成与定位过程：服务器包括一个射频接口-以同移动GPS接收器通信，静止GPS接收器-其天线可监视整个天空连续监测所有可视卫星信号。过程：服务器将卫星信息通过射频接口传输过来，信息包括可视GPS卫星的列表和其它能协助GPS接收器实现与卫星同步的数据。在大约1秒内，GPS接收器收集到足够的信息，计算自己的地理位置并将之传送回服务器。服务器然后结合卫星导航信息确定该移动设备的位置。服务器协助的GPS (A-GPS)n特点：节省了功耗：利用A-GPS方法，移动接收器不需连续追踪卫星信号，大大节省了功耗。而且，只需要同步伪随机噪声码而不需考虑信号中的卫星导航信号，结果

13、是其灵敏度足以在大多数建筑物内工作。高精度: 因为静止GPS接收器的实际位置是已知的，其实际位置与测量到的位置之差可以用来校正移动接收器位置的计算结果。也就是说， A-GPS本质上就是差分GPS（DGPS），部分抵消了民用GPS服务的一些不精确性。（最精确的GPS服务保留作军用）。 GPS系统定位 vs 基于GSM系统定位 GPS定位系统设备和服务费用昂贵，普通用户较难承受。建立在GSM基础上的移动定位服务，廉价、方便、易用，正在逐渐为普通用户所接受。（1）技术上不易受到控制；（2）定位终端设备价格低，甚至仅利用普通手机；（3）定位网络建设和维护费用都比GPS系统低廉；（4）定位精度虽然不及G

14、PS系统，但尚令人满意；（5）业务灵活，运行和使用成本低廉。 四、四、 基于基于GSM的移动定位系统的移动定位系统 p 在移动GSM服务中加入位置信息，不仅能够创建新的应用空间，而且能够提高应用价值，提高使用的安全性、生产力和信息质量。p 移动GSM定位服务因其投入小、建设周期短，方便实用，利润丰厚。p 为了移动定位服务，新的GSM系统中加入了包括移动定位中心(MLC) 、位置测量单元等新设备，根据定位方式的不同，对原有基站（含软件环境）也要进行适当改造。Omni Cell (左) 与 3-Sector Cell (右)，黑点表示BTS天线 在人口稀疏，用户容量不大的区域内，BTS（基站收发站

15、基站收发站)天线通常都放置于小区几何中心位置，天线信号无向地覆盖其周围360度范围内的区域（Omni Cell）；而对于人口稠密的城市，用户容量庞大，天线通常都被放置于几个小区的交界处，以三小区交界处天线为例，每个BTS天线负责与120度范围内的用户进行数据交换（Sector Cell）。Omni Cell能够使蜂窝小区的覆盖面积达到最大，而Sector Cell却具有很大的用户容量。 GSM移动定位移动定位系统结构系统结构 MSC:Mobile Switch CenterMPC:Mobile Positioning Centerp GSM移动定位系统除了原有GSM网络设备外，必须添加移动定位

16、中心等必要的网络硬件，并对现有网络软件系统进行更新。p 移动定位中心包含服务移动定位中心服务移动定位中心(SMLC)和移动定位中心网关移动定位中心网关(GMLC)两个部分。GMLC和SMLC是逻辑节点，在小型网络中，它们可以位于同一物理服务器上。 p 移动定位中心主要处理位置的测量与计算等工作，而移动定位中心网关主要处理定位服务请求和进行鉴权。 基于网络基于网络BTS移动定位技术移动定位技术Cell-ID (BTS:Base Transceiver Station 基站收发站基站收发站) Cell-ID技术是通过提取MS(Mobile Station移动终端)所处小区的Cell-ID，以作为获

17、取MS当前位置信息的定位方式。由于小区规划由运营商进行的，所以某小区的地理范围和基站的位置是已知精确参数。GSM移动网络建成并投运之后就可以提供位置服务了。 Cell-ID应当是所有定位技术中最简单，也是最容易实现的一种。其定位精度取决于小区的密度和范围。 时间前趋法时间前趋法TA (Timing Advance) TA是GSM系统中的特定参数之一。TA是由基站测量得到的结果，然后通知移动用户提前一段时间发送数据，使得到达数据正好落入基站的接收窗口中，TA的目的是为了扣除基站与移动用户之间的传输时间时延，因此利用TA可以估计移动台和基站之间的距离。 优点：无须对移动台作任何改动，而对基站的改动

18、也仅在切换规程控制软件，成本较低。 缺点：定位过程中移动台不能进行其它业务通信，同时也增加了信令负荷。 信号到达角定位法信号到达角定位法AOAp AOA方法是由两个或更多基站通过测量接收信号的到达角来估计移动用户的位置。AOA定位方法可唯一确定一个二维定位点。p 移动台发，基站1接收，测量可得一条基站到移动台的连线；基站2接收，测量得到另一直线，两直线相交产生定位角。而同时，两基站的地理座标位置已知，由此可获得以移动台、基站1和基站2为三顶点的确定三角关系。 此方法在障碍物较少的地区可以得到较高的准确度，但往往会受到由多径和其它环境因素所引起的无线信号波阵面扭曲的影响。 最大缺点是现有基站天线

19、并不适合，增加天线阵列不美观，管理不方便。AOA方法中，需要使用智能天线。 Time Difference of Arrival TDOA基本原理：利用精确的时钟测量移动台发送的射频信号到达不同蜂窝基站的时间差，判断移动台当前位置，移动速度和移动方向。在基站安装专用的定位测量单元。移动台必定位于以两个接收机为焦点的双曲线方程上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，两双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。 TDOA可以利用现有的诸如射频设备等蜂窝网络环境，但需要安装特定的接收器。TDOA定位原理示意图 多径分析多径分析(位置指纹位置指纹)-Multipath Analysis亦称

20、统计模式识别技术亦称统计模式识别技术基本原理：利用射频无线电信号传输的多径现象，结合特定地理位置的多径特征以及其它信号特征，可以创建出特定地点的独特指纹(一组信号多径特征)。其存储到专用的多径信息数据库中，就可以对移动台定位提供依据。 具体地，移动台经过某一监测站的覆盖区域，基站获得信号并提取每一位置格点(相邻采样点的距离为30米)的信号特征，然后存入数据库。多径分析定位系统通过将发射器信号特征与数据库中数据比较来定出移动发射器的位置。这种方法只要一个接收点就可决定位置对象的移动。 nE-OTD是TOA(Time of Arrival)应用于移动台的技术，该方法利用三个以上基站信号通过移动台自

21、行计算TOA参数。n利用GSM的Observed Time Difference功能。手机对邻近的多个BTS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他方式返回给网络中的定位服务器。时间差被用于计算移动台相对于基站的位置，要求移动台必须接收至少三个基站的信号以进行测量并且要求每个基站位于不同的地理位置。另外一个重要的要求是基站之间必须同步。最常用的方法是基站安装固定GPS接收机。 Enhanced Observed Time DifferenceE-OTD定位原理示意图定位方式CGI+TAE-OTDUL-TOANA-GPS定位精度100m1.1km50400m 50200m

22、550m是否升级MS？无须升级升级软件升级手机硬件无须升级升级硬件使用区域无限制乡村以上乡村以上城市以上建设成本低高十分高高建设周期短长长短常用的几种常用的几种GSM定位方式比较定位方式比较 MethodTime ToFirst FixAccuracyCoverageImpact: Infrasre;HandsetCell ID1 secondVaries with cell SizeNetwork wideLow;None.E-CGI1-5seconds500m-1kmNetwork wideMedium;LowE-OTD1-5secondsMedium,100mUrban & In-bui

23、lding,Good; Rural, PoorHigh;Medium.StandaloneGPS40-60secondsHigh, 30mUrban & In-building,Poor; Rural, GoodLow;High.BasicAssistanceA-GPS8-15secondsHigh, 10mUrban & In-building,Fair; Rural, GoodMedium;High.FullAssistanceA-GPS1-8secondsHigh, 10mUrban & In-building,Good; Rural, GoodHigh;High.常用的几种常用的几种G

24、SM定位方式比较定位方式比较 VoiceData/WAPSMSProvisioningBillingApplicationApplicationContentContentContentLocation GatewayGMLCEnd User and Mobile Device五、五、 移动定位应用实例移动定位应用实例n MPC(Mobile Postoining Center )包含两个逻辑实体MPC网关和网关和MPC服务器服务器，在小型网络中，它们可以位于同一物理服务器上。移动定位系统包括基于服务器的移动定位中心MPC和用于HLR、MSC/VLR和BSC的软件扩展功能。n MPC包括网关移

25、动定位中心网关移动定位中心( (GMPC) )和服务移动服务移动定位中心定位中心( (SMPC) )，它们位于同一物理服务器上。 MPC能够同时无缝集成多种定位方法，它具有可扩展性，可确保满足未来对定位服务的需求。n MPC故障保护系统保证运营商的网络永远不会超负荷。该系统支持本地协调系统以及不同地理信息数据格式。nMPC系统将小区ID和时间提前量（GGI+TA）移动定位信息通过GSM网络提供给MPC。然后MPC计算坐标，这些坐标会被运营商所提供的应用所使用或者被互联网上服务提供商所提供的应用所使用。 n通过结合定位机制和特定位置信息，可以提供通过移动电话或其它移动设备而得到真正个性化通信服务

26、。n系统管理通过MPC工具实现，该工具是一个友好、基于Java的图形用户界面。计费记录以ASN.1 /BER格式创建。技术优势与系统优点技术优势与系统优点nMPC与现有GSM兼容性好，对于已有GSM，仅需要对软件进行升级，并添加提供位置信息服务器。n与其它定位技术不同，MPS对移动端设备没有任何特殊要求，现有或未来设备都可以很好支持。n无需对已使用终端进行升级和改动, 快速进入市场。n应用开发：通过爱立信开发商，开放应用程序接口和一软件开发工具包，多极应用成为可能。n支持快速产出和系统不断扩充。 标准化: 一个完整的标准化系统。 爱立信是确保漫游和成功全球服务的定位技术发展和标准化的主要驱动者

27、之一。 适应未来发展： MPS的设计遵循面向未来的产品开发计划，其中包括E-OTD和辅助全球定位系统(AGPS)的定位方法。后者的精确度为10m，并符合紧急呼叫的法律要求。爱立信移动定位解决方案由三部分组成爱立信移动定位解决方案由三部分组成1 2 3定位过程和定位网关定位过程和定位网关n定位过程位于SMPC中，用于找出和发送终端的定位数据。定位过程包括需要与GMPC进行通信的信令以及不同网元之间的信令流程。nGMPC作为公用陆地移动网络(PLMN)和位置服务客户端(LCS客户端)之间的一个网关来使用。另外，GMPC还负责对移动位置服务客户端的授权处理。LCS(Location Service

28、Client) 位置服务客户端位置服务客户端 nLCS客户端装有使用定位信息的各个应用。它通过应用编程接口(API)与GMPC进行通信。基本上有两类LCS客户端： 1。由系统厂商、运营商和第三方应用开发商向系统提供的外部应用。这些应用通过标准TCP/IP和HTTP协议与MPC进行通信。这使MPC不仅可以从位于运营商自己的ISP域上的应用来接入，还可以从互联网上的应用来接入。这样做的目的是任何人都能轻松设计应用，只要符合API接口协议即可。 2。内部应用(用于即时紧急呼叫)。这些应用利用基于SS7协议或通过TCP/IP来与MPC进行通信。 n连接到GMPC的应用必须在GMPC中定义为一个LCS客

29、户端。PLMN操作员负责管理哪些客户端可以连接到GMPC的客户端。应用会找到自己,并利用LCS客户端ID和密码登录到GMPC上。 nGMPC检查客户端是否被定为紧急中心(EC)。EC是呼叫者拨打紧急号码后被连接到的地方。如果是EC,就不会对它进行检查,因为EC有权对所有终端进行定位。 n如果不是EC, GMPC就会检验是否授权给应用进行该用户定位信息的请求。LCS客户端资料由PLMN操作员管理, 包含关于每一LCS客户端允许对哪些终端进行定位的信息。 n在通过所有的检查后,GMPC向HLR请求路由信息, 然后向正在服务的MSC发送定位请求。 n在HLR中, 对定位许可标识符(PAI)进行检查。

30、如果PAI标识尚未被激活, HLR就会终止该定位过程。这一标识使终端用户可以确定是否许可对自己终端的定位。而对于EC这一标识则不起作用。n对于空闲的终端, MSC/VLR首先会建立一个传向终端的信令呼叫。这样, CGI和TA值就提供给了MSC。CGI和TA值随后被发送到定位请求中的服务MPC。 nSMPC将CGI值和TA值转换为具体的地理区域。定位数据然后通过MSC/VLR发送给GMPC。GMPC最后会根据API将终端定位信息发送给外部应用。 系系 统统 要要 求求MPS3.0的运行必须满足以下条件：n定位系统要求移动网络的所有节点安装爱立信GSMR8。由于存在无缝转出，该系统支持混合的R7/

31、R8网络并且可向下与R7兼容；n必须安装MPC节点；n必须在网络中安装MPS3.0附加软件，这些软件将涉及以下节点：MSC、MSC/VLR、BSC、HLR；n平台平台-MPC节点节点: Sun Ultra Enterprise 3500。系系 统统 性性 能能n可支持多家厂商的BSS环境； n无需改动手机，就可向网络中所有移动台提供定位服务； n自动从外部OMC输入小区数据； n保证最终用户隐私；n可在网络存在MPS3.0或任何其他GSM03.71适应系统下支持漫游；系系 统统 性性 能能n面向定位服务且基于XML的API; n由SSL提供安全保证；n支持基于TXF产生的报警； nMPC提供一

32、个广泛的统计； n权限控制； n每次请求及定位都生成计费数据，并以ASN.1 /BER格式存储； n在Java中开发的MPC工具易于MPC的配置和维护及对定位服务应用系统的管理，且提供多接口支持。实实 现现 技技 术术n应用层协议 MPP (Mobile Positioning Protocol)nJ2ME nEricsson MPS SDKGSM移动定位服务的实现移动定位服务的实现n手机利用短信息实现定位服务 n手持设备通过WAP方式实现利用短信息实现手机定位服务利用短信息实现手机定位服务n运营商申请或购买一张装载了LCS程序的STK卡，就可以在STK (SIM Application To

33、olkit)卡中内置程序的引导下完成从发送定位请求到获得位置信息的一系列操作。n短信息+STK的实现方式仅用于GSM、SMS和USSD传输的移动通信网络，定位应用均由SIM卡执行。nSTK卡是基于Java 语言的带有16KB或32KB的EEPROM存储器的智能卡片。STK包含一种小型编程语言的软件，可以固化在SIM卡中。它能够接收和发送GSM的短消息数据，同时, 它还允许SIM卡运行自己的应用软件。 nSTK 标 准 (1998年初ETSI-GSM 11.140)通过菜单驱动业务，提供对用户友好的移动增值业务接入。n对于移动定位服务，STK可以向定位服务器提供必要的信息，如当前小区号、邻小区号、BCCH List等信息，使定位服务器能计算出终端的位置n通过WAP方式实现定位技术原理与通过短信息没有明显的差别。在实用化的移动定位服务解决方案中， WAP MPP协议明确如何提交定位请求和获取位置信息。开发