移動定位系統開發

薛建勇，宋夙麗

（廣東省通信產業服務有限公司通建分公司，廣東 廣州 510060）

當前人們對信息的需求越來越強烈，據統計，有80%的信息與位置有關。為了尋找某個人、某個地點，常常耗去人們大量的精力，隨著社會的發展，生活節奏的加快，節省時間、提高效率已經成為一種很普遍的追求，位置信息因此也成為人們最渴求的信息之一。另一方面，空間定位技術和移動通信技術的迅速發展也使快捷傳遞人們的地理位置成為可能。在市場和技術雙重驅動之下，位置服務 LBS（Location-Based Service）隨之發展起來。移動位置服務通過一定的技術從移動網絡獲取移動終端用戶的位置信息（經緯度坐標），提供給該用戶或通信系統，或者提供給其他請求得到該用戶位置的機構或個人，為用戶提供相應服務的一種增值業務。

移動定位系統 MPS（Mobile Position System）是將移動位置服務和地理信息系統GIS（Geographic Information System）相結合，把移動終端的位置信息實時動態地傳遞給具體的地理信息應用系統，從而提供不同類型的服務。

目前國外已經開展了許多基于GSM的移動定位業務。如美國通用汽車公司的全資子公司OnStar公司使用全球定位系統 （GPS）和無線通信方式，研發了第一個“智能駕駛”的安全保障及信息系統。在歐洲，移動位置業務正在興起發展。愛立信的MPS可以在手機上指出目標的經度和緯度，利用GIS獲得的信息可以給出不同準確度的位置。MPS的核心是移動定位中心，該中心是設置在網絡上的定位網關，可支持大多數的電信標準。

在國內，中國移動和中國聯通兩大移動運營商都開通了移動位置服務功能，主要采用Motorola和Erission公司的位置服務設備，囿于沒能很好把握客戶需求、開發力度不夠以及網絡速度和終端設備等原因，目前用戶相對較少。相信3G實施后，會有所改觀。

1 移動定位技術

1.1 移動定位的分類

采用適當的定位技術獲得位置信息是實現位置服務的必要前提，根據不同的劃分準則，蜂窩網絡定位技術有以下幾種分類方法：

（1）根據定位系統所處的空間位置不同，可分為GPS、地基定位系統及混合定位系統三種。GPS以高精度、全天候等特點在全球廣泛應用，在車輛調度管理中發揮重要作用；傳統的廣域無線電測向定位系統屬于地基定位系統；A-GPS系統是GPS與蜂窩網絡結合的產物，定位精度高，克服了GPS在建筑物內和市區存在盲區的缺點，是未來蜂窩定位技術標準最有力的競爭者。

（2）根據定位參數測量位置不同，可分為基于網絡的定位及基于終端的定位兩種。基于小區標識的CELL_ID技術已經成熟應用。到達時間差 （TDOA）與CDMA系統相結合能提供50 m以內的定位，是當前發展最迅速的定位技術之一。增強觀測時間定位技術（EOTD）是目前GSM系統中最有發展潛力的基于終端的蜂窩定位技術，但采用該技術需要改變終端的軟硬結構，因此目前還沒有廣泛應用。

（3）根據定位所用參數不同，可分為場強測量法（SSOA）、增強型場強測量法/多徑指紋法（ESSOA/FingerPrint）、到達角度測量法 （AOA）、到達時間/時間差測量法（TOA/TDOA）及混合參數定位法等。

1.2 移動位置服務的原理

1.2.1 移動定位技術介紹

基于移動通信網絡的定位技術主要有以下幾種：

（1）CGI+TA+NRM （Cell Global Identify+Timing Advance+Network Measurement Report）定位技術。它是根據移動臺所處的蜂窩小區ID號來確定用戶的位置的，因此其定位精度取決于蜂窩小區的半徑。在此基礎上可根據無線網絡的蜂窩基本數據進行增強，從而進一步提高精度。TA是通過信號到達的時間提前量，在CELL_ID的基礎上進行位置計算，適用于大范圍覆蓋區域或郊區。NMR是手機端用來測定基站的場強信號的，此測量數據可以被用來估計手機端與基站的距離，又稱E-CGI。

（2）增強觀測時間差分/高級先向鏈路三角測量法E_OTD/AFLT（Enhanced Observed Time Difference/Advanced Forward Link Trilateration）。E－OTD定位技術是通過布置位置接收器或參考點實現的。這些參考點分布在較廣區域內的許多站點上，作為位置測量單元。每個參考點都有一個精確的定時源，當具有E－OTD功能的移動臺和位置測量單元接收到來自至少3個基站信號時，從每個基站到達移動臺和位置測量單元的時間差將被計算出來，這些差值可以被用來產生幾組交叉雙曲線，由此估計移動臺的位置。在這種定位模式下，每個BTS必須嚴格同步，如果不能做到這一點，則需要每個基站安裝一個LMU（Location Measurement Unit）進行輔助定位。

（3）輔助 GPS（A-GPS）定位技術。 GPS雖然定位精度比較高，但其響應時間比較長，這對于一些緊急應用是無法接受的。將GPS與通信網結合起來，實現一種精度高、定位快的方式——輔助GPS定位。其基本思想是建立一個GPS參考網絡，該網絡與移動通信網相連，通信網的移動臺內置一個GPS接收機。通信網將GPS參考網絡產生的輔助數據（如差分校正數據、衛星運行狀況）傳送給移動臺，并將通信網數據庫中移動臺的近似位置或小區基站位置傳送給移動臺。移動臺得到這些信息后，根據自己所處的近似位置和當前的衛星狀態可以很快地捕獲到衛星信號。

1.2.2 移動定位系統的實現方案

定位系統的物理結構主要有3種：

（1）基于移動臺（MS）的定位——自主定位系統，它分為有兩類：一類是將GPS接收機集成于MS中；另一類是MS接收不同 BTS（Base Transceiver Station）的信號，通過進行運算定位。

（2）基于網絡的定位——遠程定位系統，它是由不同的BTS接收MS發射的信號，進行參數測量，實現對MS的定位。

（3）混合定位系統——自定位系統與遠程定位系統相結合，是將測算位置所需要的定位函數放置在移動臺中，將混合函數放置于網絡系統中，測定計算過程由移動臺和網絡共同完成。

1.2.3 移動定位系統的組成

移動位置應用服務的主要技術手段是依據GIS和移動通信技術，主要方法是利用移動網絡的可定位功能、短消息服務功能以及地圖信息數據庫，由應用服務系統來完成所需的定位業務。

在系統實現上，主要由位置信息傳輸和接口單元、位置獲取和確定單元、基于位置信息的應用服務、城市地圖與信息數據庫及服務器共同組成，協調分工。

（1）位置信息傳輸和接口單元：GSM規范中稱為移動定位中心網關 （GMLC），CDMA規范中稱為移動定位中心（MPC），通過標準的軟硬件接口將 SMLC/PDE收到的定位數據傳送到提供定位服務或有定位需求的實體進行處理。

（2）位置獲取和確定單元：GSM規范中稱為移動定位中心 （SMLC），CDMA規范中稱為定位實體（PDE），SMLC/PDE可與多個定位單元（LMU）連接，當收到 MPC的位置請求時，PDE與MSC、BSC以及MS等相關設備交換信息，利用各種測量信息和各種數據通過特定的算法完成具體的定位計算，并將最后的計算結果報告給MPC。

（3）基于位置信息的應用服務：即定位服務客戶機（LCS Clients），主要與 GMLC或 MPC連接，提供移動用戶之間信息傳遞通路，完成移動用戶查詢請求及查詢結果的接收與發送工作。

（4）業務承載平臺：主要是地理信息系統集成，包括矢量地圖數據的采集、整理和更新，地理信息的拓撲查詢和拓撲分析，以及建立在其上的業務應用。

移動定位系統的常見組網方式如圖1所示。

1.3 移動定位系統接入方法

移動定位系統的接入方法主要有：網絡接入（包括Web、專網、PDA等）、短信接入、WAP接入和語音接入等幾種。不同的應用接入方式特指應用提供一方和MPC移動定位中心的連接。同一應用對幾種方式可能互有交叉，業務流向也是多種多樣的。

2 移動定位系統的開發思路

目前移動定位平臺已經是相當成熟的產品了，從硬件到軟件，各大移動設備制造商都提供了完善的解決方案。移動定位服務作為一項通信增值業務，其核心競爭焦點是GIS的服務能力、點信息（POI）收集能力和應用創新能力，因此，對于移動定位系統的應用開發，應集中以下3個方面：

（1）GIS服務的開發。其不僅包括傳統意義上C/S結構的GIS開發，也包括B/S結構的WebGIS開發。

（2）移動終端（MS）的應用開發。當定位服務提供地理信息的Web發布時，具有WAP上網功能的移動終端則可以獲取豐富的地圖信息，并可以和GIS服務器進行更直觀的交互，但要實現這些功能就要對移動終端進行應用開發。

（3）定位服務客戶機開發。主要指短信服務中心、WAP網關的開發。

2.1 GIS服務的開發

移動定位服務中關鍵的核心是位置與地理信息，兩者相輔相成，缺一不可。一個經緯度位置對于正常的使用來說并不代表任何意義，必須將其置于一個地理信息中來，才能代表為某個地點、標志和方位等，才能被人們所理解。因此，除了通過定位操作平臺獲取到終端的位置之外，必須通過GIS系統將經緯度轉換成用戶真正關心的地理信息，如地圖、路徑搜索結果等。

地理信息目前已經滲透到各行各業的信息系統中。從需求角度看，無論是宏觀上的決策支持、綜合經營分析，還是具體業務層面的一個目標的定位、一條線路的規劃，都離不開地理信息的支持。從技術角度看，隨著計算機信息技術的發展，尤其是近年來移動計算領域和空間數據庫領域技術的不斷更新，一些新建的地理信息系統開始在應用層滿足對各類終端設備的兼容，數據層提供對異構或分布數據的良好支持，應用上從傳統領域向所有領域的發展，用戶群上從少數專業用戶向大量普通用戶的發展，技術上是從簡單架構向多層模型的發展，因此GIS也在很多方面融入了新的特征。

2.1.1 地理信息數據庫的建立

地理信息數據的存儲經歷了文件存儲、文件/數據庫分別存儲和空間數據庫存儲。

地理空間信息是對地理空間實體的抽象描述，地理空間實體是指具有空間分布和一定集合形狀的事務和現象，它有空間要素和屬性要素兩個最基本的特征。地理空間信息的組織模型如圖2所示。

圖2 地理空間信息的組織模型

地理空間要素的表示有柵格方式和矢量方式。柵格數據結構簡單、操作簡便，但是精度低、數據存儲量大，難以建立實體間的拓撲關系，難以操作單個實體。而矢量方式則點、線、面來描述空間要素，它顯示了建立地理空間實體間的空間關系，其優點是精度高、易于完整地表達實體間的拓撲關系，容易操縱單個目標，數據存儲量小，但數據結構相對復雜。

2.1.2 C/S結構的地理信息系統

目前C/S結構是地理信息系統的傳統開發方式，大多數的地理信息系統都是C/S結構的。

目前地理信息系統的二次開發平臺相當豐富，都能實現復雜的空間查詢和空間查詢。最著名的是MapInfo公司和ESRI公司提供的二次開發平臺。其中有MapInfo公司的 MapX控件、MapInfoPro Ruantime以及 ESRI公司的MapObjects控件、ArcEngine組件庫。

2.1.3 WebGIS開發

WebGIS是地理信息系統發展的趨勢，它是GIS與互聯網的有機結合，是GIS在廣域網環境下的一種應用，最終目標是實現空間信息的網絡化。GIS通過國際互聯網在功能上得到了延伸，真正成為一種大眾使用的信息工具。從國際互聯網的任意一個節點，人們可以瀏覽網上的各種分布式的地理空間數據及屬性數據，進行地理空間分析、查詢，以支持智能輔助決策，WebGIS提供給用戶的信息不僅有矢量化的空間信息，還有遙感影像、動態視頻及文字說明等多種信息。

常見的WebGIS的結構體系是由數據庫、應用服務器和客戶端組成的三層結構體系。它把數據庫和地理信息系統的應用邏輯分開，相對于最初的兩層結構，數據庫的改變對應用的影響減少了。客戶向Web服務器通過HTTP協議請求數據服務，服務器返回HTML方式書寫的服務頁面。按照瀏覽器和服務器端功能多少，可以劃分為胖客戶器/瘦服務器和瘦客戶器/胖服務器兩種。胖客戶即基于Applet等有較多功能的客戶端，瘦客戶即基于瀏覽器等功能較少的客戶端。

WebGIS的開發平臺有 MapInfo公司的 MapXTreme、MapX Java版，ESRI公司的 IMS系列、ArcGIS Server和MapObjects Java版。

2.2 移動終端應用開發

隨著以高速數據傳輸為特征的2.5G和3G網絡的建設，以及智能手機等下一代移動裝置的出現，加之用戶對手機應用程序多樣性的期望以及運營商回收網絡建設高額投資的要求，移動數據業務正悄然升溫，而其中移動應用平臺的角色尤為關鍵。

移動終端的操作系統主要有80%的手機制造商支持的 Symbian OS、掌上電腦巨頭 Palm的 Palm OS、開放的Linux與微軟的Smartphone；移動終端上的應用開發平臺基本上是兩強爭霸，即Sun公司的J2ME（Java 2 MicroEdition）和高通公司的 BREW （BinaryRuntime Environment for Wireless）。J2ME和 BREW 性能比較如表1所示。

在各種移動平臺中，Java技術獲得了最廣泛的支持，而應用開發上J2ME與C++又是一個極好的的互補。

對于定位服務客戶機的開發，主要是基于短信服務（SMS）和WAP服務網關，在此不再做進一步介紹。

移動位置服務在中國已經開展了多年，但始終處于市場導入的初級階段，現有位置服務大都屬于“模糊定位”的初級位置服務，業務內容單一，加上主要角色推廣力度不夠，產品認知度低，致使用戶的潛在需求并沒有釋放出來。本文研究了移動定位技術的原理和實現方式的，探討了移動定位系統的開發思路和各子模塊的主要實現方法以及移動定位服務的業務類型和市場狀況。

表1 J2ME和BREW性能比較

[1]孫運動，劉長征，顧明.用 Java和 WebServices技術實現移動位置服務[J].計算機應用，2004（B12）：72-74.

[2]賈穎.移動位置服務的技術原理及市場前景[J].郵電規劃，2003（1）：14-18.

[3]楊宏林.基于CDMA交換網絡基礎上的定位業務[J].電子工程技術與標準化，2003（1）.

[4]郭金發，張龍.短信與 BREW開發技術及實踐[M].西安：西安電子科技大學出版社，2005.

[5]李瑞敏.在3G中實現LBS定位和GIS系統.[2005-03-02].www.techtarget.com.cn.

[6]朱琳.移動位置服務市場——暗流潛涌的冰河[R].網舟咨詢，2005：2-5.