空间定位技术(第二讲)

课程主要内容（一）第一章绪论第二章现有空间定位方法分析比较第三章LBS简介第四章射线跟踪定位计算基础第五章射线跟踪定位理论与方法第六章Voronoi-图特点及其在空间定位中的应用第七章射线跟踪定位计算第八章4G定位系统第九章RFID(RadioFrequencyIdentification)系统第十章定位标准简介1主要内容1.1移动终端定位技术概述1.2蜂窝定位的概念和用途1.3蜂窝定位的基本技术和基本实现方式蜂窝定位的基本技术蜂窝定位的基本实现方式1.4蜂窝定位国内外研究现状及其技术难点蜂窝定位国内外研究现状蜂窝定位的主要技术难点21.3.2蜂窝定位的基本实现方式按照定位计算的主体是在移动终端还是在蜂窝通信基站，蜂窝定位的基本实现方式可以分为以下三种：31)自定位（Self-Positioning）因为研究蜂窝定位的目的是要确定移动终端的位置。所谓自定位，就是由移动终端完成对自身位置的计算和确定。移动终端接收处理来自多个基站的信号并估算自身的位置，然后将估算结果报告给基站，基站有可能根据更多的背景资料和数据（如电子地图和移动用户个性化资料）对移动终端报告的位置作进一步确定和修正，获得更为精确的位置信息。

42)遥测定位（RemotePositioning）遥测定位由专门的定位处理中心将多个基站测量到的移动终端信号进行综合处理，估算移动终端的位置，移动终端并不计算和知道自身位置。

53)非直接定位（IndirectionPositioning）

非直接定位则是自定位和遥测定位两种方式的综合，在此方式中移动终端只测量定位信号，但不计算位置，而是把与位置计算有关的数据经过通信链路传输至专用的位置计算中心，由位置计算中心完成对定位的估算。

6比较因基站发射信号的强度高于移动终端，移动终端更容易接收多个基站的信号，而多个基站同时能接收到移动终端发射的信号的可能性比较低,自定位的可靠性高于遥测定位。

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遥测定位无须改变移动终端的结构，任何系统都适用，处于正使用状态的移动终端可以获得基于位置的服务。但遥测定位要建立在可靠的传输系统基础上，才能将基站测量到的传输到定位处理中心。非直接定位是期望同时发挥自定位和遥测定位两种方式的优点而提出的。3G和4G中通常采用非直接定位。8小结每一种基本定位方法和实现方式都有两个必不可少的过程：参数测量和定位方程求解。其定位精度有高有低，定位方法有难有易。但是目前绝大多数正在使用的通信系统，当初设计时并没有考虑定位的需求。受系统基本结构和传输特性的制约，以上几种定位方法都受到一些共同因素如多径传播、NLOS和多址干扰等的影响，成为蜂窝无线定位技术的主要技术障碍和需要解决的主要技术难题，这些是目前蜂窝定位技术的关键和热点问题。91.4蜂窝定位国内外研究现状及其技术难点1.4.1蜂窝定位国内外研究现状自美国FCC1996年颁布E-911定位要求以来，受LBS的政府强制要求、社会需求和巨大的市场发展潜力的影响，为实现LBS，占领市场制高点，研究蜂窝定位的人越来越多，成立了一些专门的LBS组织和联盟.因此，国外掀起了移动终端定位研究的热潮，移动终端定位技术得到了高度重视和系统深入研究。

10主要表现论文显著增多发明专利大增专门从事定位技术研究与开发的公司（如Cellocate，Trueposition等）迅速增加11主要研究内容

在科研院所主要是进行定位理论、方法和技术的研究，包括定位算法、有关定位信号的检测技术，抗多径传播、非视距传播和多址干扰技术，数据融合技术等等。在各大跨国公司主要是从事定位技术的可用性、可行性、实施方法和定位系统性能评估的研究。12蜂窝系统移动终端定位技术具有代表性的文献（1）

JamesJ.Caffery在定位技术专著“WirelessLocationinCDMACellularRadioNetworks”及其博士论文中主要对CDMA网络采用DLL的TOA检测技术的研究，抗多径传播、非视距传播和多址干扰技术的研究，NLOS环境下高精度定位算法的研究。

13蜂窝系统移动终端定位技术具有代表性的文献（2）Pi-ChunChen在博士论文“MobilePositionLocationEstimationinCellularSystems”中侧重CDMA网络导频信号TDOA测量技术、移动终端定位跟踪技术、非视距传播误差消除技术等方面的研究。

14蜂窝系统移动终端定位技术具有代表性的文献（3）M.P.WylieandJ.Holtzman提出了一种在TDOA判断和抑制NLOS误差的经典方法，目前很多NLOS误差抑制的研究都是基于该方法的进一步深入。

15蜂窝系统移动终端定位技术具有代表性的文献（4）S.Manggold将基于隐马尔可夫模型(HMM)的模式识别技术应用于蜂窝系统移动终端的定位估计。XueminShen将模糊逻辑技术应用于移动终端定位估计。M.McGuire提出了一种估计函数，用于改善NLOS环境下对移动终端定位估计，还提出了一种基于时间差测量观测到的测量值的非参数近似的定位估计算法。16蜂窝系统移动终端定位技术具有代表性的文献（5）ThomasKleine-Ostmann把数据融合技术的应用范围进行扩充，提出了一种适用于移动终端定位估计的数据融合模型，拓宽了移动定位技术的研究范畴。Dong-HoShin对TOA和TDOA误差统计特性，GPS中的GDOP、定位估计和协方差矩阵的关系进行了研究，还对无线定位的误差统计特性进行了分析。17Cellocate，Trueposition等专门从事定位技术研究与开发的公司和各大有关的跨国公司如Motorola、Nokia、Errison和Samsong等对基于GSM、IS-95和正在发展的3G移动通信系统中的WCDMAH和CDMA2000移动终端定位技术的具体定位功能和实施方案进行研究。18这些公司在3GPP和3GPP2中提出了不少提案，有关于最新GSM系统的，也有关于WCDMA的。许多提案描述了3G中LBS的功能需求和LBS的体系结构。有些厂家开发的基于GSM网络的定位设备已经投入使用。中国电信和中国联通在GSM中对移动终端提供了一些最基本的基于位置的服务功能，移动梦网是一个应用实例。19尽管国内对车辆定位与导航、智能交通ITS（IntelligentTransportationSystems）等的研究已有多年，但基本的定位技术研究是基于GPS的。对利用陆基蜂窝系统定位的研究还在起步阶段。目前能够查阅到的与蜂窝定位直接有关的专著只有两本(包括我的这本)。20文献发表的数量来看，有关蜂窝系统移动终端定位的文献逐年增多，而且质量越来越高，但研究涉及的范围、广度和深度仍然有限。就发明专利而言，目前只有为数不多的与蜂窝定位的专利有关的归中国人拥有。211.4.2蜂窝定位的主要技术难点尽管无线定位技术历史悠久，各种基本的技术很早就在军事、测量等领域研究应用，特别随着汽车工业的发展，近几十年在车辆定位与导航、智能交通系统中得到了深入研究和广泛应用。但由于蜂窝通信系统不是面向定位的系统。22因此在蜂窝网络中实施移动终端定位技术有其特殊性，有许多技术难点需要突破，其中最为关键的是非视距（Nonlineofsight,NLOS）传播、多径传播（MultipathPropagation）、Hearability、多址干扰(MultpleAccessInterference)和几何淡化因子(GeometricDilutionofPrecision,GDOP）对定位精度的影响。231)非视距（Nonlineofsight,NLOS）传播（1）

各种基本蜂窝系统移动终端定位方法，除Cell-ID以外，其它方法，包括测距定位法和测向定位法，都是建立在基于视距传播的假设的基础上。视距传播是准确测量定位参数的必要条件。GPS定位系统在旷野地区定位精度高的主要原因是满足LOS传播的条件。因受到信号衰落和阴影效应的影响，接收台接收到的信号，可能不包含视距传播（直射）信号和视距传播信号微弱。241)非视距（Nonlineofsight,NLOS）传播（2）以视距传播信号的有无和所占的地位为标准，移动终端与基站间的无线信号传播可以分成三种情况：直射信号占支配地位（DominantDirectPath,DDP）、直射信号不占支配地位（NondominantDirectPath,NDDP）和接收不到直射信号（UndetectedDirectPath,UDP）。在DDP的情况下，定位精度最高，在UDP的情况下定位估计的精度就低。

251)非视距（Nonlineofsight,NLOS）传播（3）在蜂窝网路覆盖区内，特别是在城市、城市近郊这些移动用户多，移动通信量大，而对定位精度要求高的地区，移动终端和基站之间存在LOS传播的情况是非常少的。因此如何识别和利用这三种情况，提高在NDDP和UDP情况下的定位估算精度，是蜂窝定位研究的主要关键问题。262)多径传播(MultipathPropagation)多径传播是引起各种有关定位参数产生测量误差从而使移动终端定位不准确的基本原因。对基于时间的定位法（如TDOA、AOA）来说，即使在移动终端和基站之间电波存在LOS传播，多径传播也会引起时间测量误差，影响定位准确度和精确度。因为传统的时延估计的定位方法基于互相关技术，当多径时延相差较小时，多径使相关峰展宽，从而使定位误差加大。27在NDDP和UDP的情况下互相关函数三维主峰有可能丢失和小于旁峰，估计器崩溃，无法得到正确的估计值。多径对CDMA系统的移动终端定位的影响相对小一些，因为CDMA系统带宽宽，自相关特性好，相对容易区分多径。目前已经出现了一些抑制多径传播的影响定位的方法，但仍然没有从理论上解决这一问题。283)多址干扰(MultipleAccessInterference)所有蜂窝通信系统都存在多址干扰，CDMA通信系统表现得更为严重。基于时间和信号到达角的定位方法都需要多基站同时参与定位，因此多址干扰对定位的影响比对通信的影响更为明显。多址干扰严重影响TOA和TDOA的粗捕获，也严重影响延时锁相环的时间测量。29在CDMA系统中还通常采用功率控制的技术来克服远近效应问题。而功率控制只对服务基站作用，对参与定位的其它非服务基站不起作用，移动终端的信号仍然会收到严重的多址干扰，影响接收机测量TOA或TDOA参数。另外，功率控制的采用，会降低移动终端的Hearability，激化通信与定位的矛盾。304)Hearability（1）

蜂窝定位的四种基本技术中除了混合定位技术以外，其它基本定位方法都必须有多个基站或移动终端参与，参与的方式是移动终端同时能接收到多个基站的信号或者多个基站同时能收到某一个移动终端的信号。Hearability指的就是这个问题。

314)Hearability（2）影响Hearability的原因有两种，一种是发射信号过弱或移动终端与基站间的距离太远，以致信号强度小于接收机的接收灵敏度。这有以下两种可能：a)移动终端的发射功率通常较小，至多只能使一两个基站接收到它的信号；b)基站分布不均匀，移动终端离除本小区服务基站以外的其它基站很远，它只能收到服务基站的信号。

324)Hearability（3）另一种原因是移动终端离本小区基站太近，它的射频前端被强信号阻塞，无法接收其它基站的信号。图1-4给出了GraysonWirelessCellScopeTM在美国3个选定地区的测试结果，显示了Hearability的严重性。Hearability揭示了通信与定位的矛盾。334)Hearability（4）图1-4移动终端接收N个基站信号电平同时超过－85dBm的概率344)Hearability（4）蜂窝定位时要求有多个基站同时接收到一个移动终端的信号，而通信时有一个基站与移动终端间保证正常的电平信号就满足要求了。如果这个矛盾没有很好地解决，对通信和定位都有影响，降低系统的总体性能。所以Hearabil