移動通信終端定位技術自主可控發展研究

曲 明，趙金峰，史照平

（1.總參通信工程設計研究院，沈陽 110005； 2.解放軍65133部隊，沈陽 110043）

移動通信終端定位技術自主可控發展研究

曲 明1，趙金峰1，史照平2

（1.總參通信工程設計研究院，沈陽 110005； 2.解放軍65133部隊，沈陽 110043）

移動通信終端的位置信息是通信用戶的重要隱私信息。尤其在國防通信系統中，位置信息更是涉及到安全性和保密性問題，因此，移動終端定位技術的自主可控性顯得更為重要。本文介紹了目前常用的移動終端定位技術，分析了各種技術自主可控性，結合我國現狀，對移動終端定位技術的自主可控性提出了發展建議。

移動通信；移動終端；定位技術

1 引言

移動通信終端的定位技術主要有三種：一是基于GPS的定位，其原理是利用手機上的GPS定位模塊，自行搜索、捕獲衛星，進而完成位置解算。這種方式定位精度較高，但是在室內或者樓群等遮蔽環境下，定位精度很差，有時甚至不能使用。二是基于移動網絡基站的定位，其原理是利用基站對移動終端的測算距離來確定的移動終端位置。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。該技術綜合了兩種技術的優點，使定位功能的可用性和精確度得以提升。

目前，國內移動通信終端所采用的定位技術都是對國外的技術加以借鑒和利用，在一定程度上受制于人，因此，我國應該發展自主可控的終端定位技術，保證用戶信息的安全性。

2 常用的終端定位技術

2.1 GPS導航定位技術

在美國，由于FCC法案的存在，要求手機必須具備定位功能。GPS模塊成本很低，大約1美元不到。用戶可以下載一些應用程序來使用GPS功能，這樣的應用程序很多，可以在不同操作系統下使用。移動終端中集成的GPS模塊，因為受到手機本身體積的局限性，搜索和捕獲衛星信號的能力會有所下降，但對GPS定位精度不會產生太大影響。

2.2 網絡基站定位技術

基于網絡的定位是由多個基站（BS）同時接收移動終端（MS）發射的信號，通過處理各接收信號中攜帶的與移動終端位置有關的特征信號，計算出移動終端的位置。由于受非視距、蜂窩結構、各種干擾噪聲和多路徑效應的影響，定位精度不能得到保證。常用的定位技術有：蜂窩小區標識（CELLID）、到達角/到達方向定位（AOA/DOA，Angle of Arrival/Direction Of Arrival）、達到時間/到達時間差（TOA/TDOA，Time of Arrival）等[2]。

2.2.1 CELL-ID

CELL-ID技術是目前最簡單的定位技術，它能被現有蜂窩網絡支持。其原理是網絡通過移動終端當前的服務基站，獲得其所在的蜂窩小區ID，結合小區覆蓋范圍來定位移動終端的位置，提供給用戶。小區分為全向小區和扇形小區，全向小區是以服務基站為中心，半徑為小區覆蓋半徑的一個圓；扇形小區則是以服務基站為中心，半徑為小區覆蓋半徑的扇形區域。CELL-ID技術對終端和網絡不需任何修改，不需要移動終端提供任何定位測量信息，只要在網絡增加簡單的定位流程處理即可，因而最容易實現。目前這種技術已經在各移動網絡中廣泛采用，但這種技術只能將移動終端定位在服務小區的范圍內，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技術是利用多天線陣元來測量移動終端發出的信號的到達角，移動終端的位置必然處于該測得的DOA直線上。如果從兩處不同位置的天線上測得至少兩個DOA值，那么移動終端的位置就一定處于這兩個天線所在的兩條直線的交點上。在通常情況下，利用多個測的DOA值來提供冗余信息可以達到提高定位精度的目的。

通過兩個或兩個以上的基站，就可得到一組方程組，他們的交點即為待定移動終端的位置，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技術是先測量出從移動終端發出的信號到達基站i的時間ti，繼而算出移動終端與基站i之間的距離ci=cti。在利用到達時間進行定位的方法中，移動終端位置坐標和基站位置坐標之間存在如下關系：

從上式可以看出，移動終端的軌跡為一個以基站i為圓心，以距離ci為半徑的圓。只要能夠得到移動終端發出的信號分別到達三個不同基站的時間，就能確定三個這樣的圓。它們的交點就是移動終端所在的位置，通過聯立求解方程組就能得到移動終端的位置坐標，如圖2所示。

TOA技術要求基站在時間上精確同步，否則定位精度將大大降低。當基站間存在1微秒的誤差時，距離上會產生300米的誤差。

圖2 TOA定位原理圖

2.2.4 TDOA

TDOA技術是通過測量移動終端發出的信號到達多個接收基站的時間差來對移動終端進行定位，即各接收基站對來自同一移動終端的信號作到達時間TOA的測量，然后將各TOA值傳送到定位處理中心，中心根據TOA求出各基站間的TDOA并計算出移動終端的位置坐標。TDOA定位技術的基本原理是一組TDOA測量值確定一對雙曲線，該雙曲線以參與該TDOA測量的兩個接收基站為焦點，需要定位的移動終端就在這對雙曲線的某一條分支上。因此，通過求由兩組TDAO值確定的兩對雙曲線的交點就可以得到移動終端的精確位置。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），不需要對蜂窩通信的標準進行修改，精度不受距離影響，抗多徑效應和市區遮蔽效應強，延時時間小，但是系統精度的提升與時間精度有著極大的關聯性，而且必須保證三個基站接收手機信號。

2.2.5 AFLT

AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）技術是運用于CDMA系統中的一種基于前向鏈路的定位方法。在進行定位操作時，移動終端同時監聽多個基站（至少3個基站）的導頻信息。利用碼片時延來確定移動終端到附近基站的距離，最后用三角定位法算出移動終端的位置。

AFLT需要移動終端軟件升級，而且根據獲得導頻信息方式的不同決定移動終端是否需要支持IS-801協議和網絡一側是否需要支持IS-801協議。定位算法可以放在移動終端一側或者網絡一側，定位精度一般在200～400m，最高可達到100m。影響精度的主要因素是基站密度和地形環境。在大城市基站密集的地方，由于基站密度高，定位精度相對高。

2.3 混合定位技術

2.3.1 AGPS

AGPS（Assisted GPS）技術是一種GPS的運行方式。它是一種結合了網絡基站信息和GPS信息對移動終端進行定位的技術，可以在GSM/GPRS，WCDMA，CDMA2000網絡中使用。該技術需要在移動終端內增加GPS接收機模塊，并改造手機天線。移動終端發送定位請求時，通過移動無線網路得知屬于哪個基站，然后在所屬范圍內定位服務器開始搜星。搜到的星歷、輔助參數下傳給移動終端，移動終端借助這些數據開始信號測量和計算。

AGPS室外定位可達10米左右，而且大大縮小了GPS芯片捕獲GPS信號的時間，一般只需要幾秒。但是AGPS要占用大量的空中通信資源，需要無線網絡，多則可達六次單向傳輸。

2.3.2 GPSONE

GPSONE定位技術是將無線輔助AGPS和高級前向鏈路AFLT三角定位法兩種定位技術有機結合，實現高精度、高可用性和較快速定位。由網絡一側的定位服務器與終端相互配合完成定位工作，就是將衛星搜索及定位運算等最為繁重的工作從移動終端一側轉移到網絡一側的定位服務器完成。由于CDMA是惟一全網同步（通過GPS）網絡，因此定位精度很高。

采用了GPSONE技術的移動終端，同時從GPS衛星和移動網絡收集測量數據，然后通過組合這些數據生成精確的三維定位。在GPS衛星信號和無線網絡信號都無法單獨完成定位的情形下，GPSONE系統會組合這兩種信息源，只要有一顆衛星和一個小區站點就可以完成定位，解決了傳統方案無法解決的問題。另外，GPSONE系統的基礎設施輔助設備還提供了比傳統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建筑物的內部深處或市區的樓群間正常工作，而傳統GPS方案在這些地方通常是無法正常工作的。

3 自主可控分析

對于基于GPS的定位方式而言，由于GPS系統受美國政府控制，因此存在著自主可控弱的隱患，美國政府可以在任意時間關閉我國領土范圍內的GPS功能。對于基于網絡基站的定位方式而言，由于網絡的基礎設施屬于我國自主建設，因此具有自主可控性上的優勢，但是定位精度不高是其應用發展的一大難題。對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。

我國應根據現有的技術手段，研發出具有自主知識產權的終端定位技術才能從根本上把握自主可控的主動權。從前面介紹中可以發現，混合定位技術具有適應性強、定位精度較高等優勢，因此，我國的通信終端定位技術也應走混合定位技術之路。為了發展終端定位技術的自主可控，應發展我國自主的導航定位系統來替代GPS系統。可喜的是，我國政府早已發現這一問題并啟動了北斗導航系統工程。北斗導航系統是全球惟一具備通信功能的無源導航定位系統[3]。2004年8月31日批準立項，工程研制與建設分為兩個階段：第一階段建立區域衛星導航系統；第二階段建立全球衛星導航系統。2012年12月27日，北斗導航定位系統向亞太大部分地區正式提供連續無源定位、導航、授時和短報文等服務。系統的最終目標是完成由GEO，IGSO，MEO的35顆衛星組成混合星座。

4 下一步發展建議

可以預見，未來我國終端定位領域的發展趨勢必然是弱化GPS應用而增加對北斗導航系統的利用度。這樣才能從根本上把握自主可控權。為了解決GPS帶來的弱自主可控性問題，可采用以下兩種解決方案：

第一種方案，在現有網絡基站和移動終端不變的前提下，設立一些功能基站。這些功能基站的作用是接收GPS和北斗的導航信號，將獲得的導航信息進行融合，再以GPS信號的格式發送出去。由于功能基站與移動終端較近，因此信號功率較強。在移動終端處設置信號功率接收門限，則終端可以正確的選擇融合信號而不是GPS信號。這樣在特殊時期，即使GPS衛星服務關閉，也不會對移動終端定位帶來很大的影響。這些功能基站的作用類似于在地球表面上布置的GPS偽衛星。此種方法中導航信息融合的算法和程度將成為關鍵技術，同時需要建立很多的功能基站，數目巨大。功能基站網絡布置的合理性需要大量的研究和規劃，這將牽扯諸多的政府部門，協調難度大。

第二種方案，對現有網絡基站和移動終端進行改進。這里存在兩種方式：第一種是單一替換，即在網絡基站用北斗導航接收機替換GPS導航接收機，在移動終端用北斗導航手機套片替換GPS套片；另一種是采用雙模模式，即在網絡中采用北斗/ GPS雙模接收機，在移動終端采用北斗/GPS雙模套片。此種方法的好處在于接近商業化運作，無需協調諸多的政府部門，只需要運營商和芯片廠商參與其中。但存在著技術方面的難題，目前北斗導航芯片的價格較高，我國系統集成技術有待發展，另外，網絡基站中接收機的替換需要對內部傳輸協議和標準進行修改，同樣需要研究和規劃。

基于北斗的混合定位技術將從根本上解決我國終端定位領域中的自主可控性問題。同時，還將有利于解決時鐘同步、授時校準等領域的自主可控性問題，后者的問題同樣是依賴于GPS而產生的。

[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．基于蜂窩網絡的單基站定位技術[C]．北京：電子工業出版社，2004.

[3] 鄭睿．中國衛星導航的最新進展[J]．導航定位，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文獻標示碼：A

1672-7274（2014）08-0011-04