GSM蜂窝基站定位基本原理浅析

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位置服务已经成为越来越热的一门技术，也将成为以后所有移动设备（智能手机、掌上电脑等）的标配。随着人们对BLS(Based Location Serices，基于位置的服务)需求的飞速增长，无线定位技术也越来越得到重视。GSM蜂窝基站定位，以其定位速度快、成本低（不需要移动终端上添加额外的硬件）、耗电少、室内可用等优势，作为一种轻量级的定位方法，也越来越常用。本文简单介绍一下各种基于GSM蜂窝基站的定位方法及基本原理，给开发人员作为参考。我将尽量尝试用开发人员熟悉的方式来描述问题。

预备知识：GSM蜂窝网络基础结构

1.COO（Cell of Origin）定位

从原理上我们可以看出，COO定位其精度是不太确定的。但是这却是GSM网络中的移动设备最快捷、最方便的定位方法，因为GSM网络端以及设备端都不需要任何的额外硬件投入。只要运营商支持，GSM网络中的设备都可以以编程方式获取到当前基站的一个唯一代码，我们可以称之为基站ID，或CellID。在一般的设备中，可能都存在一个类似如下的GetCurrentCellID()方法的接口来提供当前GSM蜂窝基站ID：

CellID = GetCurrentCellID();

Position=GetPosition(CellID);

2.七号信令定位

7.TOA/TDOA定位

如上图所示,TOA/DTOA定位方法都是通过三对[Positioni,Ti]（i=1,2,3）来确定设备的位置Location。二者的不同只是GetLocation（）函数的具体算法上的不同。

TOA电波到达时间定位基本原理是得到Ti(i=1,2,3)后，由Ti*c得到设备到基站i之间的距离Ri，然后根据几何只是建立方程组并求解，从而求得Location值。如下图所示。

由于图中距离的计算完全依赖于时间，因此TOA算法对系统的时间同步要求很高，任何很小的时间误差都会被放大很多倍，同时由于多径效应的影响又会带来很大的误差，因而单纯的TOA在实际中应用很少。

DTOA电波到达时间差定位是对TOA定位的改进，与TOA的不同之处在于，得到Ti后不是立即用Ti去求距离Ri，而是先对T1,T2,T3两两求差，然后通过一些巧妙的数学算法建立方程组并求解，从而得到Location值。如下图所示。

DTOA由于其中巧妙设计的求差过程会抵消其中很大一部分的时间误差和多径效应带来的误差，因而可以大大提高定位的精确度。

由于DTOA对网络要求相对较低，并且精度较高，因而目前已经成为研究的热点。

4.AOA定位

如上图所示，知道了基站1到设备之间连线与基准方向的夹角α1，就可以画出一条射线L1；同样知道了知道了基站2到设备之间连线与基准方向的夹角α2，就可以画出一条射线L2。那么L1月L2的交点就是设备的位置。这就是AOA定位的基本数学原理。用函数调用表达如下。

Location=GetLocation([Pisition1,α1],[Position2,α2]);

5.基于场强的定位

6.混合定位

A-GPS定位（辅助GPS定位）就是一种混合定位，是GPS定位技术与GSM网络的结合。A-GPS具有很高的定位精度，目前正被越来越广泛的使用。

GPS定位作为一种传统的定位方法，仍是目前应用最广泛、定位精度最高的定位技术。但是相对而言，GPS定位成本高（需要终端配备GPS硬件）、定位慢（GPS硬件初始化通常需要3~5分钟甚至10分钟以上的时间）、耗电多（需要额外硬件自然耗电多），因此在一些定位精度要求不高，但是定位速度要求较高的场景下，并不是特别适合；同时因为GPS卫星信号穿透能力弱，因此在室内无法使用（关于GPS的定位原理可参考GPS定位基本原理浅析）。相比之下，GSM蜂窝基站定位快速、省电、低成本、应用范围限制小，因此在一些精度要求不高的轻型场景下，也大有用武之地。关于在Windows Mobile环境下GPS定位和GSM蜂窝基站定位的相关开发技术，可参考为Windows Mobile设备创建位置感知的应用程序。