Ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ 移动通信基站定位系统 郭英龙，赛景波，乐丽琴，杨善景，曹速成 （北京工业大学电控学院，北京１００１２４） 摘 要：介绍一种车载基站定位系统的结构、定位原理。系统硬件由ＧＳＭ模块、ＣＤＭＡ模块、ＧＰＳ 接收机和笔记本组成。基站目标位置最终在数字电子地图显示。分析了使用ＡＴ指令获取基站定位数 据的方法，给出了基站定位的原理及算法流程。 关键词：数字电子地图；基站定位；ＡＴ指令；算法 中图分类号：ＴＮ２４７ 文献标识码：Ａ Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ ＧＵＯ Ｙｉｎｇ ｌｍｎｇ，ＳＡＩ Ｊｉｎｇ Ｂｏ，ＹＵＥ Ｌｉ Ｑｉｎ，ＹＡＮＧ Ｓｈａｎ Ｊｉｎｇ，ＣＡＯ Ｓｕ Ｃｈｅｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｍｏｂｉｌｅ ＧＳＭ ｍｏｄｅｍ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｏｎ ＧＳＭ ｍｏｄｅｍ，ＣＤＭＡ ｍｏｄｅｍ，ＧＰＳ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ａｎｄ ｎｏｔｅｂｏｏｋ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ａｔ ｌａｓｔ，ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｄｅｐｉｃｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｍａｐ ｓｕｃｈ ａｓ ＭａｐＸ．Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ｆｏｒ ｈｏｗ ｔｏ ｇｅｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｖｉａ ＡＴ ｃｏｍｍａｎｄ．Ｔｈｅ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｂｒｏｕｇｈｔ ｏｕｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ ｅｌｅｃｔｉｒｃ ｍａｐ；ｂａｓｅ ｓｔａｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；ＡＴ ｃｏｍｍａｎｄ；ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 移动通信基站是组成通信网络的最小单元。如何规 划移动通信网络的拓扑结构，达到对基站数量与效率的 最优配置，对实现效率与经济优化配置尤为关键。对某 区域已建成的网络进行性能评估，根据实际情况对已有 的基站进行适当的调整，可以实现通信网络的合理布 局。本文介绍以ＧＳＭｔ卜。】和ＣＤＭＡｔ 】模块为基础构建一 个基站定位系统系统。 图ｌ 移动基站监测系统框图 １系统组成与简要工作流程 本系统由信号采集模块和信号处理模块组成。信号 息并将信息存人数据库，同时将基站监测点的经纬度信 采集模块分为基站信号收集模块和ＧＰＳ信号收集模块。 息作为基站信息存人数据库。应用程序内设定时器，每 基站信号采集模块由ＧＳＭ／ＣＤＭＡ模块构成；ＧＰＳ信号收 ５ Ｓ轮流访问１次基站；应用程序通过查询方式读取 集模块为串口的ＧＰＳ接收机。ＧＳＭ／ＣＤＭＡ模块和ＧＰＳ ＧＰＳ信息，如果ＧＰＳ对应串口输入缓冲区接收字符大 接收机通过串１３服务器与应用程序进行数据交换。系统 于１００，则读取１次ＧＰＳ信息，并将经纬度信息以位图 硬件结构如图ｌ所示。 的方式在数字电子地图上显示。（２）信号处理模块完成 系统工作流程：（１）数据收集和行车轨迹描绘部分［６１： 基站定位计算、基站定位显示、行车轨迹回放等功能。停 信号采集模块通过串口与应用程序通信。启动应用程 止信号基站和ＧＰＳ信号采集，选择待定位对象（移动ＧＳＭ 序，首先配置串口属性，初始化数字电子地图界面，应用 基站、联通ＧＳＭ基站、联通ＣＤＭＡ基站），读取数据库中 程序通过串１３向ＧＳＭ和ＣＤＭＡ模块发送ＡＴ指令，完成 监测信息，统计基站根据不同的定位原理计算基站实际 网络注册。返回基站信息。应用程序分析返回的基站信 经纬度，最后将基站位置在数字电子地图上显示。 ４２ 《微型机与应用》２０１０年第５期 ２应用程序读取基站信息流程 ２．１ ＡＴ指令 机的功率发射强度（Ｐｏｗｅｒ Ｌｅｖｅ１），显示范围为０～１９。移 动监测基站与ＧＳＭ基站的距离计算公式： Ｌ＝ＴＡ ｘ５ＯＯ＋ＲｘＬ× ＋ＴｘＰｗｒｘＮ （１） ＡＴ指令集是从终端设备或数据终端设备向终端适 配器或数据电路终端设备发送的。发送ＡＴ指令可控制 移动台，用户可以通过ＡＴ指令进行呼叫、短信、电话 本、数据业务、传真等方面的控制。本系统使用的ＡＴ＋ ＣＣＥＤ（ｄ￣区环境描述指令）如下： ｆ１１ＧＳＭ模块ＡＴ＋ＣＣＥＤ指令。指令功能为输出ＧＳＭ 式中， 为射频信号衰减系数；Ｎ为发射功率衰减系数。 地球表面任意两点 ，日）间的距离近似为： １（Ａ， ）＝（（ＬＪｏ －ＬｏｎＢ）ｘＫ） ＋（（ＬｏｎＢ—Ｌａ ） ） Ａ、曰两点的经纬度。 ３．１．２基于移动基站的三点法定位的原理 （２） 式中， 为地球半径，（Ｌｏ ，ＬａｔＡ）、（ＬｏｎＢ，ＬａｔＢ）分别为 基站对应小区环境信息。本设计采用ＡＴ＋ＣＣＥＤ＝０，１５， 输出ＧＳＭ基站小区所有信息。主小区信源信息： 应用三点定位法对ＧＳＭ基站定位。如图３所示，取 Ｍａｉｎ Ｃｅｌｌ：ＭＣＣ，ＭＮＣ，ＩＪＡＣ，ＣＩ，ＢＳＩＣ，ＢＣＣＨ Ｆｒｅｑ（ａｂ． ｓｏｌｕｔｅ），ＲｘＬｅｖ，ＲｘＬｅｖ Ｆｕｌｌ，ＲｘＬｅｖ Ｓｕｂ，ＲｘＱｕａｌ，ＲｘＱｕ￣ Ｆｕｌｌ，ＲｘＱｕａｌ Ｓｕｂ，Ｉｄｌｅ ＴＡ ｆ２）ＣＤＭＡ模块ＡＴ＋ＣＣＥＤ指令。功能为输出ＣＤＭＡ 基站对应小区环境信息。本设计采用ＡＴ＋ＣＣＥＤ＝０，９。 输出ＣＤＭＡ基站小区所有信息。主小区信源信息： Ｍａｉｎ Ｃｅｌｌ：ｂａｎｄ ｃｌａｓｓ，Ｃｈａｎｎｅｌ＃，ＳＩＤ，ＮＩＤ．Ｂａｓｅ Ｓｔａ— ｔｉｏｎ Ｐ Ｒｅｖ，Ｐｉｌｏｔ ＰＮ ｏｆｆｓｅｔ，Ｂａｓｅ Ｓｔａｔｉｏｎ ＩＤ，Ｓｌｏｔ ｃｙｃｌｅ ｉｎｄｅｘ．Ｒａｗ Ｅｃ／Ｉｏ，Ｒｘ ｐｏｗｅｒ，Ｔｘｐｏｗｅｒ，ＴｘＡｄｊ ２．２流程 应用程序通过定时的方式轮流访问移动ＧＳＭ基 站、联通ＧＳＭ基站、联通ＣＤＭＡ基站。应用程序通过串 口向ＧＳＭ／ＣＤＭＡ模块发送ＡＴ＋ＣＣＥＤ＝Ｘ，Ｘ，ＧＳＭ／ＣＤＭＡ 模块返回主小区及邻小区信息，应用程序分析返回信 息，抽取小区参数存人数据库。 基站数据读取流程如图２所示。 定时器开始 』 连接ｃｈｎｍｏｂｉｌｅＧＳＭ 连接ｃｈｎｎｕｉｏｎＧＳＭ 连接ｃｈｎｕｎｉｏｎＣＤＭＡ 』 ｌ 向ＧＳＭ发出请求信息 向ＧＳＭ发出请求信息 向ＣＤＭＡ发出请求信 ＡＴ＋ＣＣＥＤ＝０，ｌ５ ＡＴ＋ＣＣＥＤ＝０，１５ 息ＡＴ＋ＣＣＥＤ＝０．９ ｉ ＧＳＭ接收命令并 ＧＳＭ接收命令并 ＣＤＭＡ接收命令并 返回应答 返回应答 返回应答 』 』 解析ＧＳＭ信息、追加当 解析ＧＳＭ信息、追加当 解析ＣＤＭＡ信息、追加 时ＧＳＰ经纬度并存入 时ＧＳＰ经纬度并存入 当时ＧＳＰ经纬度并存人 ｃｈｎｍｏｂｉｌｅＧＳＭ数据库 ｃｈｎｕｎｉｏｎＧＳＭ数据库 ｃｈｎｍｏｈｉｌｅＧＳＭ数据库 』 』 ｃｈｎｍｏｂｉｌｅＧＳＭ完 ｃｈｎｕｎｉ０ｎＧＳＭ完 ｃｈｎｕｎｉｏｎＣＤＭＡ完 图２ 基站数据读取流程 ３基站定位原理 ３．１ ＧＳＭ三点法定位原理 ３．１．１ ＧＳＭ基站主小区主要参数描述 ＣＩＤ：某区域ＧＳＭ基站所对应的小区ＩＤ：ＴＡ：时间 前置量（Ｔｉｍｅ Ａｄｖａｎｃｅ），显示手机和基站间距离，该数值 乘以５００可换算为米，不过因受电波反射吸收等影响， 值仅供参考用， 值范围０～６３；ＲｘＬ：信号接收强 度，单位为ｄＢｍ，范围从一１１０～０；ＴｘＰｗｒ：显示通话中手 《微型机与应用》２０１０年第５期 ＧＳＭ基站任意小区内的３个点Ａ、Ｂ、Ｃ ｆ３个点要求不 在一条直线上），可知：３个点的位置信息（经纬度和 值１；３个点到基站的距离０Ａ、ＯＢ、ＯＣ；３个点之间的距 离 曰、ＡＣ、ＢＣ，通过ＸＹ坐标系可以求解基站的坐标。０ 为基站ｆＢＳ）所在的位置；Ｃｌ、Ｃ２、Ｃ３为基站ｆＢＳ）的３个小 区； 、 、Ｃ为小区内的任意不在一条直线上的３个点； Ａ、日、Ｃ三点处ＴＡ、ＲｘＬ、ｒｘｐｏｗｅｒ以及经纬度ｆＬｏ ， ＬａｔＸ）为可知量。由公式（１）、（２）得： ＯＡ＝ＴＡ（Ａ）１ｘ５００＋ＲｘＬ（Ａ）× ＋ＴｘＰｗｒ（Ａ）ｘＮ； ＯＢ＝ＴＡ（Ｂ）１ｘ５００＋ＲｘＬ（Ｂ）ｘＭ＋ＴｘＰｗｒ（Ｃ）ｘＮ； ＯＣ＝ＴＡ（Ｃ）１ｘ５００＋ＲｘＬｆＣ）ｘＭ＋ＴｘＰｗｒ（Ｃ）ｘＮ； ＡＢ＝Ｌ１（Ａ，Ｂ）；ＡＣ＝Ｌ１（Ａ，Ｃ）；ＢＣ＝Ｌ１（Ｃ，Ｂ）； 坐标变换如图４所示，经纬度坐标与平面ＸＹ坐标 进行变换。将Ａ点投影到平面直角坐标原点．有．ｘ２＝ （ＬｏｎＢ—Ｌｏ ）ｋ；ｙ２＝（Ｌａｔ８一Ｌａｔｆ４）ｋ；ｘ３＝（ＬｏｎＣ一【Ｊｏ ）ｋ；ｙ３＝ （ＬａｔＣ－ＬａｔＡ）ｋ；ｘ０＝（Ｌｏｎ－ＬｏｎＡ）ｋ；ｙＯ＝（Ｌａｔ—Ｌａ ）ｋ； 根据三角关系列出方程： （ｘＯｘｘＯ）＋（ｙＯｘｙＯ）＝ＯＡ ｘＯＡ （３） （ ２一 ０）×（ ２一 Ｏ）＋（），２一ｙＯ）ｘ（ｙ２一ｙｏ）＝ＯＢｘＯＢ （４） （ｘ３－ｘ０）ｘ（ｘ３－ｘ０）＋（ｙ３－ｙＯ）×（ｙ３一ｙＯ）＝ＯＢｘＯＢ （５） 由公式（３）、（４）、（５）解出： ｙＯ＝Ｏ．５ｘｌ，ｆｙ２ｘｘ３一ｙ３ｘｘ２）ｘ（ｘ３ｘ（ｘ２ｘｘ２＋ｙ２× ２＋ ６２ ５００ｘ（ＴＡ １一ＴＡ２）Ｘ（ＴＡ １＋ ４２））一ｘ２ｘ（ｘ３ｘｘ３＋（６） ｙ３ｘｙ３＋６２ ５００Ｘ（ＴＡ １＋ ３）Ｘ（ＴＡ １一ＴＡ３）） ｘ０＝０．５ｘｌ／（ｘ２ｘｙ３－ｘ３ｘｙ２）ｘ（ｙ３ｘ（ｘ２ｘｘ２＋ｙ２×ｙ２＋ ６２ ５００ｘ（ＴＡ ｌ一 ４２）×（ ４ ｌ＋ ４２））－ｙ２ｘ（ｘ３ｘｘ３＋（７） ｙ３ｘｙ３＋６２ ５００ｘ（ＴＡ １ ４－ＴＡ３）ｘ（ＴＡ Ｉ—ＴＡ３））） 因此，得到： Ｌｏｎ＝ｘ０／（６ ３５６ ０００ｘｌ０）＋ＬｏｎＡ （８） ＬＡＴ＝ｙＯ／（６ ３８７ Ｏ００ｘ１０）＋ｌａｔ （９） Ｂ （ｘ２，ｙ２） ｉ ３） ｒ Ａ （０，０） 图３ ＧＳＭ定位示意图 图４ 坐标转换 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｐｃａｃｈｉｎａ．ｃｏｍ ４３ 网络 Ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ３．２ ＣＤＭＡ基站四点定位原理 ＣＤＭＡ定位区别于ＧＳＭ定位。以ＣＤＭＡ基站为圆 心 认为在该圆心的等圆面上接收信号的强度是相同 的，从监测得到的数据中，取两组强度相同的同一基站 ，ｂ２） 的４个监测点。则基站必然在两组点的中垂线的交点 上。对于二维平面上的２条直线，交点处的坐标可以通 过解线性方程的方法来得到交点的坐标。 基站数据库中保存了基站的有用信息，如基站身份 识别ＳＩＤ、监测点信号强度、经纬度等数据。通过查询数 据库找到同一基站下强度两两相等的两组经纬度信息， 图５ ＣＤＭＡ基站定位原理示意图 然后经过计算得到基站的位置。对这两组信息的处理有 基站位置显示在电子地图的永久图层上。因此要确定一 ２种方式： 个基站的位置，必须是同一个基站的两两强度相同的经 （１１将得到的经纬度信息投影到平面坐标上，将经纬 纬度数据。 度坐标转换为平面坐标，然后计算出基站的实际位置的 通过加载不同数字电子地图，本基站监测系统可对 平面坐标，再将平面坐标转换为经纬度，最后将基站的 全国各地的基站进行定位，通过注册可以监测边境 经纬度描绘在电子地图上。 基站。采用多组数据定位计算求取均值可减小定位误差。 （２１将经纬度坐标近似为平面坐标。因为在很小的 参考文献 范围内，可以视经纬度的变化是线性的，然后直接应用 ｆ１】张鹤高．基于ＧＰＳ／ＧＳＭ双模移动定位技术的研究和实 公式进行计算得到基站的经纬度。理论上应将高斯一克 现『Ｄ１．贵州：贵卅ｌ大学，２００６． 吕格投影坐标转换为高斯平面投影坐标，然后通过坐标 【２】徐鹏，邓平．基于蜂窝网的车载定位导航系统设计【ｊ１． 转换，旋转、缩放，转换为电子地图平面直角坐标。最 ＩＣＥ’０６．２００６（９）：４８７－４９１． 后，将平面直角坐标转换成计算机所需显示的像素点坐 【３ Ｊ ｈ｛：＝『．旗于ＣＤＭＡ１Ｘ网络的车载定位终端的设计【Ｊ】．应 标。但是经过实际编程测试，由高斯正变换转化完成的 川科技２００７，３４ｆ１７）：２６—３０． 坐标点，再由高斯反变换转化回去，与实际值误差相距 ｆ４］杨大成．ＣＤＭＡ２０００技术［Ｍ］．北京：北京邮电大学出版 太大。由于监测面积占全世界地图的比例很小，本系统 社．２００１． 把监测点所覆盖的面近似为ＸＹ直角坐标平面，将经纬 【５１周国顺，姚玉斌．基于ＣＤＭＡ模块实时无线数据传输的 度信息认为是该平面上的坐标，通过解线性方程解出基 设计【Ｊ】．嵌入式系统应用，２００９（１）：４—６． 站的坐标。由Ｘ—Ｙ坐标系上４个点的列坐标方程，解出 『６】俞侃．ＧＰＳ车载定位中断的设计与实现【Ｄ】．武汉：华中 基站的位置坐标，这里直接给出结果： 科技大学，２００５． （１ｏｌｏ－ｌｌｌｌ＋ｂｏｂｏ－ｂｌｂ１）（ｂｚ－ｂ３）－ｆ收稿日期：２００９—０８—０５） 一——（１ｌｆ２－１３１３＋ｂｉｂ２－ｂ３ｂ３）（ｂｏ－ｂ１）ｆ１０） 一 ２（／ｏ－１ ）（６：一ｂ３）－２（ｂｏ－ｂ，）（２厂 、 作者简介： 郭英龙，男，１９８３年生，硕士，主要研究方向：无线通信 、，一—（１２１２－１３１３＋ｂ￣ｂ２－ｂ３ｂ３）（１ｏ－１，）－（１ｏｌｏ－ｌ，ｌ，＋ｂｏｂｏ－ｂ，ｂ，）（１２－１３） ｒ１ １、 —２（１ｏ－－ｆ１）（Ｉ６ｚ—ｂ３）－２（ｂｏ－ｂ－）（ ｆ３） 、 联系 式（１０）、式（１１）中， 、ｆ 、ｆ 、 以及ｂ。、６ 、ｂ：、６，分别为同一 赛景波，男，１９６５年生，副教授，主要研究方向：无线通 基站两两强度相同的经纬度如图５所示。由２Ｇ１Ｃ模块 信、移动ＩＰ及嵌入式系统。 收到的数据，经过数据处理，将与基站相关的数据存人 乐丽琴，女，１９８１年生，硕士，教师，主要研究方向：计 到数据库Ｂ中，经过线性方程组解出基站的位置，并将 算机网络与电力电子。 （上接第４１页） 应传输控制策略研究【Ｄ】．武汉：华中科技大学，２００４： ｆ６］ＳＴＥＶＥＮＳ Ｗ Ｒ．ＴＣＰ／ＩＰ详解，卷１［Ｍ】．北京：机械工业 ２９—３４． 出版社．２００６：１０７． 【１１】孙哲．基于ＭＰＥＧ一４的运动估计和码率控制技术的研 【７］ＳＣＨＵＬＺＲＩＮＮＥ Ｈ，ＣＡＳＮＥＲ Ｓ．ＲＴＰ：Ａ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｐｒｏｔｏｃｏｌ 究【Ｄ］．北京：电子科技大学，２００５：３５－３９． ｆｏｒ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ａｐｐ“ｃａ￡ｉ０ｎｓ［ＥＢ／０Ｌ／．ｆ２００９一Ｏ８—１５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ． （收稿日期：２００９—０９—１５） ｉｅｔｆ．ｏｒｇ／ｒｆｃ／ｒｆｃ １ ８８９．ｔｘｔ． 作者简介： 【８】高东日，魏海平，姜东．网络自适应传输控制策略研究 刘国柱，男，１９６５年生，硕士，副教授，主要研究方向： 【Ｊ】．计算机工程，２００６，３２（２２）：１４１—１４３． 计算机网络与安全。 【９］王继先．视频传输控制方法的研究（基于ＲＴＰ）［Ｄ］．北京： 王洪林，男，１９８４年生，硕士研究生，主要研究方向：计 电子科技大学，２００４：２４—２５ 算机网络视频传输。 ｆｌ０１严德汗．城域网数字视频监控系统设计实现及其自适 ４４ 《微型机与应用》２０１０年第５期
