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GPS技术及其在移动定位中的应用研究2006-04-21 15:20:00

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王建民 顾虹

摘要 介绍了GPS网络组成及其测量原理,探讨了GPS技术在移动定位中的应用,最后详细介绍了A-GPS高精度定位技术的应用。

关键词 GPS A-GPS 移动定位

1、前言

  全球卫星定位系统(GPSNavigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System)20世纪70年代初在美军子午卫星导航定位系统——NNSS系统的技术上发展而来的具有全球性、全能性(陆地、海洋、航空与航天)、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。GPS一般可采用4颗卫星的测量数据来计算一个移动用户的位置,即经度、纬度和高度。原始数据可以由终端处理,也可以送到网络侧处理。GPS在天空晴朗时,可以获得5-40m的精度。

  目前,GPS和手机结合用于移动用户的定位主要有两种方式:第一种是手机独立定位的GPS方式,它是在手机内部加装GPS接收机模块,并将普通手机天线换成能够接收GPS信号的多用途天线。手机接收GPS数据进行计算,确定移动台的位置信息并将结果报给移动网络。第二种是联合定位方式,其典型代表是辅助全球卫星定位系统A-GPS(Assistant Global Positioning System)定位技术。A-GPSGPS方式一样需要在手机内增加GPS接收机模块并改造手机天线,但A-GPS手机通过接收移动网络由GPS参考网络所产生的辅助数据可快速启动并捕获卫星。按照手机是否独立负责完成位置计算,A-GPS又可以分为UE-AssistedUE-Based两种定位模式。

2GPS网络与基本测量原理

  2.1 GPS网络

  GPS定位系统由3部分组成:GPS卫星组成的空中部分、若干地面站组成的地面监控系统和以接收机为主体的用户设备。

  2.1.1 空中部分

  GPS空中部分由24GPS工作卫星组成,其中21颗为导航卫星,3颗为活动备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°、高度约为20OOOkm高空的轨道上绕地球运行。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号,GPS用户设备正是利用这些信号来进行工作的。

  2.1.2 地面监控部分

  GPS地面监控系统由分布在全球的若干个跟踪站所组成,根据其作用不同,这些跟踪站又分为主控站、监控站和注入站。

  (1)主控站拥有大型电子计算机,负责为主体的数据采集、计算、传输、诊断、编辑等工作,具体如下:

  主控站采集各监控站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钟和工作状态的数据、监测站自身的状态数据等;

  编辑导航电文(卫星星历、时钟改正数、状态数据及大气改正数)并送入注入站;

  诊断地面支撑系统的协调工作、卫星的健康状况并向用户发出指示;

  调整卫星误差。

  (2)监控站的主要任务是对每颗卫星进行观测并向主控站提供观测数据。每个监控站配有GPS接收机,对每颗卫星长年连续不断地进行观测,每6s进行一次伪距测量和积分多普勒观测,采集气象要素等数据。监测站是无人值守的数据采集中心,受主控站的控制,定时将观测数据送往主控站。

  (3)主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的3个注入站,定时将这些信息注入各个卫星,然后由GPS卫星发送给广大用户。

  2.1.3 用户接收部分

  GPS用户部分由GPS接收机(移动站、基准站等)、数据处理软件及相应用户设备等组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。

  为能实现准确定位,还需要有精确的坐标系统。国内GPS测量中常用到的坐标系统有WGS-84(World Geodical System-84,世界大地坐标系-84)1954年北京坐标系和1980年西安大地坐标系。其中,WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统,它是一个地心地固坐标系统,GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。

  2.2 GPS测量原理

  按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位方式就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机的位置,它只能采用伪距观测量,可用于车、船等大众导航定位。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量。大地测量或工程测量等对精度要求特别高的应用均采用相位观测值进行相对定位。

  在单点定位中采用TOA定位法,用伪距决定卫星与接收机之间的距离。用户可通过GPS接收机接收卫星信号来测定卫星信号传播的时间延迟或相位延迟,由此计算出接收机与GPS卫星间的距离。采用3颗卫星,利用三维坐标中的距离公式,就可以组成3个方程式,从而解出观测点的位置(XYZ)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数(XYZ和时钟偏差),因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。利用接收机和4GPS卫星之间的伪距,可以建立以下伪距方程:

  

  其中,P1P2P3P4为测到的伪距,(x1y1z1)(x2y2z2)(x3y3z3)(x4y4z4)为从导航电文得到的卫星位置坐标;dT1dT2dT3dT4为已知卫星时钟偏差,可从卫星导航信息中取得;c为光速;dt为未知接收机时间偏差。通过求解以上伪距方程,就能得到接收机位置及时钟偏差。由于接收机可以锁住4颗以上的卫星,因此接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而进一步提高精度。

  卫星运行轨道、卫星时钟的误差,大气对流层、电离层对信号的影响,以及人为的SA(Selective Availability)保护政策等因素,使得目前GPS系统提供的定位精度大约为10m。为得到更高的定位精度,可采用差分GPS(DGPS)技术,将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测,根据基准站已知精密坐标,计算出基准站到卫星的距离改正数并由基准站实时将这一数据发送出去;用户接收机在进行GPS观测的同时也接收到基准站发出的改正数,并据此对其定位结果进行改正,从而提高定位精度。

3GPS在移动定位中的应用

  在3G移动网络中,LCS设备标配一般需要支持Cell TD及其增强定位(Cell ID+RTT)方式、A-GPS定位方式及混合定位方式,而OTDOA-IPDL定位方式则一般为可选支持。GPS技术在上述几种定位方式中均有应用。

  3.1 GPS高精度测量技术应用

  3G移动定位业务如果采用Cell ID定位技术,那么,全向天线小区可以采用Cell ID的地理位置信息[即基站的地理位置(XY)],定向天线的小区也可以采用Cell ID+RTT来获得更精确的位置信息。基站物理位置(XY)的测量准确度将直接影响到定位精度的高低。考虑到3G基站半径一般都超过500m,即使采用RTT技术进行修正,其绝对误差仍较大,所以对基站物理位置的测量精度达到米级甚至更高都可以。但如果3G移动定位业务采用OTDOA-IPDL定位技术,则需要测量“SFN-SFN观察时间差,它和Node B的发射器地理位置信息(XY)以及实际发射下行信号的RTD一起用来计算UE的位置估计。位置精度依赖于定时测量的精度、Node B发射器的相对位置和多径效应的影响。由于OTDOA-IPDL定位技术的测量精度误差相对低一些,因此对Node B发射器地理位置的测量精度的要求相对较高,一般至少需要达到米级精度。

  为了达到米级的测量精度,一般需要建立GPS差分基准站系统用于对基站位置的精确测量,如图1所示。

1 GPS差分基准站系统简单示意图

  GPS差分基准站系统主要包括基准站、流动站、激光测距枪和软件系统等。其中基准站连续提供精确的观测数据用于处理差分或实时差分,流动站接收机则可相对于固定的基准站接收机进行差分改正,可得到<1m的位置精度。

  3.2 A-GPS高精度定位技术的应用

  A-GPS的基本思想是建立一个GPS参考网,该网络与移动通信网(WCDMAcdma2000)相连,通信网的移动台MS内置GPS接收机功能。移动通信网络将GPS参考网产生的辅助数据(如卫星运行状况等)传送给MS,再将移动通信网数据库中MS所在基站位置传送给MSMS得到这些信息后,根据自己所处的近似位置和当前的卫星状况可以很快地捕获卫星从而完成定位测量。其中,GPS参考网负责完成GPS信息的采集,包括一系列地理上分离的参考站(至少需要两个),每个参考站包括一个负责接收该站所有卫星信号的GPS接收机,可覆盖几百千米,但参考站覆盖的区域要保证冗余,由这些参考站构成的GPS参考网称为广域参考网(WARN)。参考站通过由DDN/FR/MPLS VPN等传输线路构成的数据通信专网连接到WARN数据网关。WARN数据网关作为所有参考站的数据集中点,将数据封装为UDP格式的IP包发送给WCDMA移动网络的SRNC/SMLC或是CDMA2000PDE里的WARN Manager

  当SRNC/SMLC/PDE接收到定位请求后,通过连续运行的WARN来获得GPS辅助信息,并计算得到相应的辅助数据;然后SRNC/SMLC/PDE将这些GPS辅助数据传送给MSMSGPS接收机在辅助数据的帮助下接收并捕获GPS卫星信号完成相应的伪距测量。整个A-GPS业务网络如图2所示。

2 A-GPS业务网络

  每个GPS接收机提供的每颗卫星数据内容主要有:没有经过修正的GPS数据(包括校验位)、伪距测量信息、多普勒测量信息、导频相位数据、从GPS信号1-3子帧内获取的卫星星历信息等。由这些接收机构成的GPS参考网为定位计算中心所提供的数据可用于保证其正常开展以下工作:

  (1)建立卫星历书信息表。

  (2)建立卫星星历信息表,即使接收机无法直接提供该信息。

  (3)确定所有卫星的计算修正,包括卫星不可用、未知的卫星时钟漂移、未知的卫星轨道漂移(卫星星历修正)

  (4)为手机提供辅助数据(灵敏度辅助、多普勒和接收窗口预测等)

  (5)为非同步网络提供时间同步功能。

  (6)为所有服务区内的卫星提供电离层偏差计算。

  (7)提供多径效应消除计算。

  (8)提供UTC时间到CPS时间的校正。

  (9)监控GPS卫星的可用信息。

  (10)从所有接收站的信息中确定和检验卫星数据。

  A-GPS定位的简单流程如图3所示。

3 A-GPS定位简单流程示意图

  图3描述的是最简单的情况下定位计算中心给终端发送定位测量消息,在请求消息中带有测量辅助信息,终端返回定位测量结果的过程。在步骤3中,如果是UE-Assisted AGPS定位,手机将GPS伪距测量结果上报给移动通信网络,由网络的定位计算中心进行位置计算;如果是UE-Based AGPS定位,手机将根据伪距测量结果完成位置计算,然后将计算出来的UE位置信息上报给定位计算中心。图3的定位流程忽略了很多细节的定位信息交互过程,实际上对CDMA定位的消息交互过程是遵循IS 801规范的,对WCDMA定位的消息交互过程是遵循RRLPRRC规范的。

  应用于WCDMAcdma20003G移动网络的A-GPS定位与传统的GPS定位相比,将在以下几个方面改善网络对MS的定位性能:

  (1)减少MS GPS启动和捕获时间。由于接入网中的GPS参考网一直在接收并测量GPS卫星信号,并将得到的辅助数据存放在数据库中,因此这些数据在各自的生命周期内会被更新。一旦需要启动MS中的GPS接收机,无线接入网就会通过高层信令将这些辅助数据传给MS,从而使得MS中的GPS接收机可以不必译码实际消息就可快速启动并捕获卫星信号来完成定位测量。

  (2)增加MS GPS灵敏度。定位辅助信息由UTRAN提供,LCS在一些信噪比比较低的情况下,即使无法解调某些GPS信号,凭借辅助数据MS内的GPS接收机也依然可以工作。

  (3)MS消耗比单独GPS接收机更小的功率。MS内的GPS接收机在不定位时可处于空闲状态,只有在收到定位请求并选择A-GPS定位方法时才启动GPS接收机,从而使MS的功耗大大降低。

4、结束语

  GPS技术目前最广泛的用途仍在军事领域,但随着GPS技术的发展,近年来GPS在大地测量、工程测量、车辆导航等民用专业领域也逐渐得到大量应用。但是GPS要在民用大众领域真正得到大规模应用,GPS技术和3G等移动通信技术的结合才是最有希望的发展方向。相信随着3G定位应用的普及,GPS技术将和人们的生活越来越近。

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