移动通信终端定位技术自主可控发展研究

曲 明，赵金峰，史照平

（1.总参通信工程设计研究院，沈阳 110005； 2.解放军65133部队，沈阳 110043）

移动通信终端定位技术自主可控发展研究

曲 明1，赵金峰1，史照平2

（1.总参通信工程设计研究院，沈阳 110005； 2.解放军65133部队，沈阳 110043）

移动通信终端的位置信息是通信用户的重要隐私信息。尤其在国防通信系统中，位置信息更是涉及到安全性和保密性问题，因此，移动终端定位技术的自主可控性显得更为重要。本文介绍了目前常用的移动终端定位技术，分析了各种技术自主可控性，结合我国现状，对移动终端定位技术的自主可控性提出了发展建议。

移动通信；移动终端；定位技术

1 引言

移动通信终端的定位技术主要有三种：一是基于GPS的定位，其原理是利用手机上的GPS定位模块，自行搜索、捕获卫星，进而完成位置解算。这种方式定位精度较高，但是在室内或者楼群等遮蔽环境下，定位精度很差，有时甚至不能使用。二是基于移动网络基站的定位，其原理是利用基站对移动终端的测算距离来确定的移动终端位置。这种方法的定位精度很大程度依赖于基站分布以及覆盖范围的大小，定位误差较大。三是将前两种手段综合利用，称之为混合定位技术。该技术综合了两种技术的优点，使定位功能的可用性和精确度得以提升。

目前，国内移动通信终端所采用的定位技术都是对国外的技术加以借鉴和利用，在一定程度上受制于人，因此，我国应该发展自主可控的终端定位技术，保证用户信息的安全性。

2 常用的终端定位技术

2.1 GPS导航定位技术

在美国，由于FCC法案的存在，要求手机必须具备定位功能。GPS模块成本很低，大约1美元不到。用户可以下载一些应用程序来使用GPS功能，这样的应用程序很多，可以在不同操作系统下使用。移动终端中集成的GPS模块，因为受到手机本身体积的局限性，搜索和捕获卫星信号的能力会有所下降，但对GPS定位精度不会产生太大影响。

2.2 网络基站定位技术

基于网络的定位是由多个基站（BS）同时接收移动终端（MS）发射的信号，通过处理各接收信号中携带的与移动终端位置有关的特征信号，计算出移动终端的位置。由于受非视距、蜂窝结构、各种干扰噪声和多路径效应的影响，定位精度不能得到保证。常用的定位技术有：蜂窝小区标识（CELLID）、到达角/到达方向定位（AOA/DOA，Angle of Arrival/Direction Of Arrival）、达到时间/到达时间差（TOA/TDOA，Time of Arrival）等[2]。

2.2.1 CELL-ID

CELL-ID技术是目前最简单的定位技术，它能被现有蜂窝网络支持。其原理是网络通过移动终端当前的服务基站，获得其所在的蜂窝小区ID，结合小区覆盖范围来定位移动终端的位置，提供给用户。小区分为全向小区和扇形小区，全向小区是以服务基站为中心，半径为小区覆盖半径的一个圆；扇形小区则是以服务基站为中心，半径为小区覆盖半径的扇形区域。CELL-ID技术对终端和网络不需任何修改，不需要移动终端提供任何定位测量信息，只要在网络增加简单的定位流程处理即可，因而最容易实现。目前这种技术已经在各移动网络中广泛采用，但这种技术只能将移动终端定位在服务小区的范围内，定位精度较低，精度随着覆盖半径的减小而精确。

2.2.2 DOA/AOA

DOA/AOA技术是利用多天线阵元来测量移动终端发出的信号的到达角，移动终端的位置必然处于该测得的DOA直线上。如果从两处不同位置的天线上测得至少两个DOA值，那么移动终端的位置就一定处于这两个天线所在的两条直线的交点上。在通常情况下，利用多个测的DOA值来提供冗余信息可以达到提高定位精度的目的。

通过两个或两个以上的基站，就可得到一组方程组，他们的交点即为待定移动终端的位置，如图1所示。DOA定位方法的精度主要受限于基站天线/阵列的方向性，定位误差较大，而且误差随着距离增加而增大，主要用于粗定位。

图1 DOA/AOA定位原理图

2.2.3 TOA

TOA技术是先测量出从移动终端发出的信号到达基站i的时间ti，继而算出移动终端与基站i之间的距离ci=cti。在利用到达时间进行定位的方法中，移动终端位置坐标和基站位置坐标之间存在如下关系：

从上式可以看出，移动终端的轨迹为一个以基站i为圆心，以距离ci为半径的圆。只要能够得到移动终端发出的信号分别到达三个不同基站的时间，就能确定三个这样的圆。它们的交点就是移动终端所在的位置，通过联立求解方程组就能得到移动终端的位置坐标，如图2所示。

TOA技术要求基站在时间上精确同步，否则定位精度将大大降低。当基站间存在1微秒的误差时，距离上会产生300米的误差。

图2 TOA定位原理图

2.2.4 TDOA

TDOA技术是通过测量移动终端发出的信号到达多个接收基站的时间差来对移动终端进行定位，即各接收基站对来自同一移动终端的信号作到达时间TOA的测量，然后将各TOA值传送到定位处理中心，中心根据TOA求出各基站间的TDOA并计算出移动终端的位置坐标。TDOA定位技术的基本原理是一组TDOA测量值确定一对双曲线，该双曲线以参与该TDOA测量的两个接收基站为焦点，需要定位的移动终端就在这对双曲线的某一条分支上。因此，通过求由两组TDAO值确定的两对双曲线的交点就可以得到移动终端的精确位置。如图3所示。

图3 TDOA定位原理图

TDOA定位适用于多种通信体制（CDMA，AMPS，GSM等），不需要对蜂窝通信的标准进行修改，精度不受距离影响，抗多径效应和市区遮蔽效应强，延时时间小，但是系统精度的提升与时间精度有着极大的关联性，而且必须保证三个基站接收手机信号。

2.2.5 AFLT

AFLT（Advanced Forward Link Trilateration）技术是运用于CDMA系统中的一种基于前向链路的定位方法。在进行定位操作时，移动终端同时监听多个基站（至少3个基站）的导频信息。利用码片时延来确定移动终端到附近基站的距离，最后用三角定位法算出移动终端的位置。

AFLT需要移动终端软件升级，而且根据获得导频信息方式的不同决定移动终端是否需要支持IS-801协议和网络一侧是否需要支持IS-801协议。定位算法可以放在移动终端一侧或者网络一侧，定位精度一般在200～400m，最高可达到100m。影响精度的主要因素是基站密度和地形环境。在大城市基站密集的地方，由于基站密度高，定位精度相对高。

2.3 混合定位技术

2.3.1 AGPS

AGPS（Assisted GPS）技术是一种GPS的运行方式。它是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动终端进行定位的技术，可以在GSM/GPRS，WCDMA，CDMA2000网络中使用。该技术需要在移动终端内增加GPS接收机模块，并改造手机天线。移动终端发送定位请求时，通过移动无线网路得知属于哪个基站，然后在所属范围内定位服务器开始搜星。搜到的星历、辅助参数下传给移动终端，移动终端借助这些数据开始信号测量和计算。

AGPS室外定位可达10米左右，而且大大缩小了GPS芯片捕获GPS信号的时间，一般只需要几秒。但是AGPS要占用大量的空中通信资源，需要无线网络，多则可达六次单向传输。

2.3.2 GPSONE

GPSONE定位技术是将无线辅助AGPS和高级前向链路AFLT三角定位法两种定位技术有机结合，实现高精度、高可用性和较快速定位。由网络一侧的定位服务器与终端相互配合完成定位工作，就是将卫星搜索及定位运算等最为繁重的工作从移动终端一侧转移到网络一侧的定位服务器完成。由于CDMA是惟一全网同步（通过GPS）网络，因此定位精度很高。

采用了GPSONE技术的移动终端，同时从GPS卫星和移动网络收集测量数据，然后通过组合这些数据生成精确的三维定位。在GPS卫星信号和无线网络信号都无法单独完成定位的情形下，GPSONE系统会组合这两种信息源，只要有一颗卫星和一个小区站点就可以完成定位，解决了传统方案无法解决的问题。另外，GPSONE系统的基础设施辅助设备还提供了比传统GPS定位高出20dB的灵敏度，性能的改善使GPSONE混合式定位方式可以在现建筑物的内部深处或市区的楼群间正常工作，而传统GPS方案在这些地方通常是无法正常工作的。

3 自主可控分析

对于基于GPS的定位方式而言，由于GPS系统受美国政府控制，因此存在着自主可控弱的隐患，美国政府可以在任意时间关闭我国领土范围内的GPS功能。对于基于网络基站的定位方式而言，由于网络的基础设施属于我国自主建设，因此具有自主可控性上的优势，但是定位精度不高是其应用发展的一大难题。对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样存在缺乏自主可控性。

我国应根据现有的技术手段，研发出具有自主知识产权的终端定位技术才能从根本上把握自主可控的主动权。从前面介绍中可以发现，混合定位技术具有适应性强、定位精度较高等优势，因此，我国的通信终端定位技术也应走混合定位技术之路。为了发展终端定位技术的自主可控，应发展我国自主的导航定位系统来替代GPS系统。可喜的是，我国政府早已发现这一问题并启动了北斗导航系统工程。北斗导航系统是全球惟一具备通信功能的无源导航定位系统[3]。2004年8月31日批准立项，工程研制与建设分为两个阶段：第一阶段建立区域卫星导航系统；第二阶段建立全球卫星导航系统。2012年12月27日，北斗导航定位系统向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时和短报文等服务。系统的最终目标是完成由GEO，IGSO，MEO的35颗卫星组成混合星座。

4 下一步发展建议

可以预见，未来我国终端定位领域的发展趋势必然是弱化GPS应用而增加对北斗导航系统的利用度。这样才能从根本上把握自主可控权。为了解决GPS带来的弱自主可控性问题，可采用以下两种解决方案：

第一种方案，在现有网络基站和移动终端不变的前提下，设立一些功能基站。这些功能基站的作用是接收GPS和北斗的导航信号，将获得的导航信息进行融合，再以GPS信号的格式发送出去。由于功能基站与移动终端较近，因此信号功率较强。在移动终端处设置信号功率接收门限，则终端可以正确的选择融合信号而不是GPS信号。这样在特殊时期，即使GPS卫星服务关闭，也不会对移动终端定位带来很大的影响。这些功能基站的作用类似于在地球表面上布置的GPS伪卫星。此种方法中导航信息融合的算法和程度将成为关键技术，同时需要建立很多的功能基站，数目巨大。功能基站网络布置的合理性需要大量的研究和规划，这将牵扯诸多的政府部门，协调难度大。

第二种方案，对现有网络基站和移动终端进行改进。这里存在两种方式：第一种是单一替换，即在网络基站用北斗导航接收机替换GPS导航接收机，在移动终端用北斗导航手机套片替换GPS套片；另一种是采用双模模式，即在网络中采用北斗/ GPS双模接收机，在移动终端采用北斗/GPS双模套片。此种方法的好处在于接近商业化运作，无需协调诸多的政府部门，只需要运营商和芯片厂商参与其中。但存在着技术方面的难题，目前北斗导航芯片的价格较高，我国系统集成技术有待发展，另外，网络基站中接收机的替换需要对内部传输协议和标准进行修改，同样需要研究和规划。

基于北斗的混合定位技术将从根本上解决我国终端定位领域中的自主可控性问题。同时，还将有利于解决时钟同步、授时校准等领域的自主可控性问题，后者的问题同样是依赖于GPS而产生的。

[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] 聂颖，张德民．基于蜂窝网络的单基站定位技术[C]．北京：电子工业出版社，2004.

[3] 郑睿．中国卫星导航的最新进展[J]．导航定位，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文献标示码：A

1672-7274（2014）08-0011-04