Н.Б. Дворкина, Д.Е. Намиот, Б.А. Дворкин 

Предоставление пользователям сотовых телефонов дополнительной информации, которая связана с его расположением, в далеком прошлом считается перспективной услугой. Уже сейчас существует возможность построения занимательных сервисов для абонентов сотовых сетей. Возможно взять адреса близлежащих заправок, супермаркетов и других объектов, определить о том, где находится ребенок, либо привести к службе спасения.

Технологии, которые связаны с определением расположения в сотовых сетях, именуют Mobile Location Service (MLS) [1].

Операторы сотовых сетей используют MLS в коммерческих целях. Главными направлениями являются:

• определение собственного расположения мобильной станции (сотового телефона);
• определение расположения удаленной мобильной станции (ассоциируется с определением расположения другого абонента). [2].

Наряду с этим для одних одолжений нужно «определение правильного положения устройства (координаты х, у, location-based service — LBS), а для других хватает привязки к «местонахождению пользователя (район, область, location-dependent service). В первом случае это услуги по навигации, получению актуальной информации, которая связана с координатами, к примеру, отображение текущего положения мобильного устройства на карте. Во втором же знания правильных координат не нужно, совокупность оперирует понятием «район» (location).

Примером аналогичной услуги могут служить широковещательные сообщения, каковые изменяются в зависимости от расположения абонента, такие как «Столица» либо «Область» в МТС. Это несложная услуга, которая организована по территориальному принципу. Подобным же образом организован поиск ближайших заправок, поликлиник, кинотеатров и других нужных мест: с телефона запрос, наряду с этим на стороне оператора имеется информация, с какой базисной станции он поступил.

По базе данных объектов производится поиск ближайших, после этого в том либо другом виде они передаются на телефон пользователя [1].

Примером услуги, основанной на определении расположения удаленной станции, есть «Ребенок под присмотром» [3], предоставляемой MTC. Она разрешает определять, по какому адресу сейчас находится удаленная мобильная станция.

Дисплеи современных сотовых телефонов (в частности, смартфонов) имеют возможности отображать на экране электронные карты высокого качества, что со своей стороны, разрешает визуализировать данные, приобретаемую посредством сервисов, основанных на расположении, в следствии чего она делается только нужной и наглядной.

В качестве альтернативы коммерческим MLS-сервисам, обширно развиваются общедоступные услуги, распространяемые через Интернет. К примеру, Гугл Maps предлагает такие LBS-сервисы, как My Location [4] для показа текущего расположения мобильного устройства на карте, в большинстве случаев в пределах 1000 м,  Direction для прокладки маршрута от текущего расположения к пункту назначения и другие. Примером сервиса, основанного на знании «района», может служить GeoSMS от AbavaNet [5].

Пользователь отправляет sms-сообщение определенного формата с указанием собственного адреса на некий особый номер. Затем все остальные сообщения от него будут показываться на карте.

Подобные общедоступные сервисы становятся все более актуальными с развитием WAP-разработок. Помимо этого они смогут предоставлять больше информации, применяя более полные базы данных, чем у сотовых операторов.

Для получения некоммерческих сервисов, основанных на расположении пользователя, нужно для начала это расположение каким-то образом выяснить. При обрисованной выше услуги GeoSMS пользователь это делает сам явным образом. Чаще последующий определения запрос и процесс местоположения соответствующего сервиса производится программно прозрачно для пользователя.

Существует пара главных способов определения текущей позиции какого-либо передвигающегося объекта.

Навигационное счисление (пути) — текущее положение объекта рассчитывается довольно прошлого. В расчете употребляются:

• прошлая позиция;
• скорость перемещения;
• направление перемещения;
• промежуток времени;
• расстояние;
• траектория перемещения.

Расчеты расположения по чертям сигналов, приобретаемых этим объектом от известных источников. Позиция объекта считается такой же, как у ближайшего источника сигнала. Употребляются способы трилатерации и триангуляции.

Расчет позиции объекта создают по чертям сигналов, приобретаемых объектом от источников с известными координатами.

Трилатерация:

• Несложная трилатерация содержится в вычислении позиции объекта как точки равноудаленной от источников сигнала.
• Трилатерация с учетом силы сигнала. Расстояние от объекта до источника сигнала считается пропорциональным силе приходящего от нее сигнала.
• Трилатерация с учетом задержки сигнала (ТОА — Time of Arrival). Расстояние рассчитывается по времени задержки получения сигнала.
• Мультилатерация (TDOA — Time Difference of Arrival). Известна кроме этого как гиперболическая трилатерация. Позиция рассчитывается по отличию во времени получения сигналов. Данный способ подобен TOA, но не испытывает недостаток в синхронизации часов.

Триангуляция (AOA — Angels of Arrival). Позиция рассчитывается по сторонам  и углам треугольников, образованных источниками и объектом сигналов.

Способ навигационного счисления при определении положения мобильных устройств не употребляется. А при расчете позиции с применением сигналов, приобретаемых от известных источников, в качестве источников выступают базисные станции сотовой сети.

Концепция LBS

Для определения LBS вводятся следующие понятия:

• Позиция — географические координаты объекта. Позиция возможно представлена точкой в декартовых координатах.
• Расположение — конкретное место на Земле. В отличие от позиции расположение возможно трактовано для пользователя, как конкретный объект.
• LCS (Location Service) в отличие от LBS оперирует лишь с локализацией устройства совершает его расположение дешёвым для внешних участников процесса.
• LBS додаёт какую-либо значимую данные к данным о расположении мобильного устройства, возвращаемым LCS и предоставляет ее пользователю либо третьей стороне (рис. 1).

Рис. 1. Схема предоставления LBS-сервиса [6] Стандартизация LBS

Вопросами стандартизации позиционирования в сотовых сетях и сопутствующих сервисов занимаются следующие организации:

• 3GPP и 3GPP2 (3-rd Generation Partnership Project) —  консорциум, разрабатывающий спецификации для мобильной телефонии третьего поколения в составе ITU. Область заинтересованностей — позиционирование в сотовых сетях и соответствующие сервисы.
• OMA (Open Mobile Alliance) — организация, издающая открытые технические спецификации прикладного уровня и каркасы сервисов. Предоставляет интерфейсы и протоколы для обмена данными о расположении между разными сетями.
• IETF (Internet Engineering Task Force) — открытое интернациональное сообщество проектировщиков, ученых, провайдеров и сетевых операторов, которое занимается развитием архитектуры и протоколов сети Интернет. Специфицирует протоколы интеграции данных расположения с интернетом и WEB-приложениями.

Стандартизованные разработки определения расположения мобильного устройства в сотовых сетях

Все технологии позиционирования в сотовых сетях возможно поделить на три группы:

• Позиция определяется сотовым телефоном без участия сетевой инфраструктуры (Mobile-Assisted).
• Позиция определяется сотовым телефоном при помощи сетевой инфраструктуры. Мобильное устройство создаёт кое-какие вычисления и отправляет их оператору сотовой связи, что рассчитывает расположение и хранит эти сведенья у себя (Network-Based).
• Позиция всецело рассчитывается сетевой инфраструктурой (Mobile-Based).

Для сотовых сетей GSM в 1997 г. TIA (Ассоциация изготовителей средств связи США) инициировала процесс стандартизации разработок позиционирования мобильных устройств. В результирующий документ были включены 4 способа:

• Cell ID/TA (Cell Identification and Time Advanced )
• E-OTD (Enhanced Observed Time Difference)
• UL-TOA (UpLink Time Of Arrival)
• A-GPS (Assisted GPS)

В Европе за стандартизацию технологий определения позиционирования и сервисов местоположения в сетях UMTS отвечает ETSI. Релиз 99 UMTS специфицирует следующие методы позиционирования:

• Способы, базирующиеся на сотовом покрытии.

• CellID with RTT;
• CellID with RSPB.

Способы, основанные на оценке времени прибытия сигнала:

TDOA (Time Difference of Arrival);

TDOA with IPDL (Time Difference of Arrival);

TDOA with CVB (Time Difference of Arrival).

Assisted GPS.

Для сетей CDMA2000 были дополнительно выяснены технологии:

• EF
• AFLT, базирующийся на технологии TDOA.

Ниже будут кратко обрисованы все специфицированные разработки позиционирования в сотовых сетях. На рис.2. схематично продемонстрированы методы определения координат мобильного устройства для них.

Рис. 2. Технологии определения позиции мобильного устройства в сотовых сетях [6]

Cell ID (Cell Identification)

Несложный способ  вычисления координат абонента по таблице радиуса и расположения ячеек сотовой сети, в которой сотовый телефон обслуживается определенной базисной станцией (БС) [7]. Параметр Cell ID (идентефикатор ячейки/соты) присваивается оператором каждому сектору каждой БС, и помогает для его идентификации. Он в обязательном порядке передается на контрольном канале этого сектора и отображается в инженерном меню практически любого телефона.

Складывается из двух байтов. Из него возможно выделить номер БС и номер сектора. Точность определения расположения зависит от густоты сети базисных станций.

В центре большого города точность в большинстве случаев образовывает пара сотен метров, а на окраинах и в маленьких городах — около километра. В сельской местности точность понижается до 35 км. За пределами территории покрытия сотовой сети LBS недоступны.

  Способ не требует модификации клиентского терминала и сетевого оборудования, хватает установки программного комплекса и MLC (центр мобильной локализации) [2].

 Cell ID/TA (Cell Identification and Time Advanced )

Позиция мобильного устройства определяется по времени прохождения сигнала от телефона до БС. TA — параметр компенсации времени прохождения сигнала от телефона до БС, и практически свидетельствует расстояние до БС. Актуальное состояние поддерживается лишь на протяжении беседы, при сигнализации кроме этого обновляется, но может иметь некую погрешность.[2]

TA замеряется любым мобильным устройством и дешёв из инженерного меню. На начальной стадии определяется базисная станция, с которой трудится телефон, наряду с этим направление и расстояние до него малоизвестны. Посредством временной задержки рассчитывается удаление телефона и получается окружность, на которой может размешаться терминал. Учитывая, что базисные станции имеют антенны, расположенные по секторам, возможно определить, в каком секторе находится аппарат, другими словами его примерные координаты.

Неприятность в том, что сектор образовывает от 30 до 45 градусов, и разброс размеров остается большим (в среднем точность около 200–300 м) [1]. В дополнение к TA может употребляться параметр RXLEV — «уровень принимаемого по этому каналу радиосигнала на входе в приемник телефона. Измеряется в «децибеллах к милливатту» (dBm). Рассчитывается по формуле RxLev = 10lg Rx(мВт)/1 мВт. Так как мощность принимаемого сигнала намного меньше 1 мВт, оказавшееся значение отрицательно.

Причем чем оно численно меньше, тем сигнал лучше. В сотовых сетях стандарта GSM мощность принимаемого сигнала колеблется в пределах приблизительно ?35 dBm — ?111 dBm [2] (рис. 3).

Рис. 3. Cell ID/TA и Cell ID/TA+REXLV [5]

Cell ID with RTT — UMTS

По существу, способ подобен Cell ID/TA. Параметр RTT — время между получением ответа и отправкой запроса. При помощи него рассчитывается расстояние от БС либо LMU (модуль измерения расположения) до мобильного устройства и с применением модели распространения сигнала.

Точность измерения RTT в UMTS существенно выше.

Cell ID with RSPB — UMTS

Параметр RSPB — дает данные о утраты мощности сигнала передатчика БС. Разрешает определять расстояние до телефона по утрата мощности опорного сигнала

A-GPS (Assisted GPS)

Способ применяет совокупность глобального позиционирования с помощью от сетевой инфраструктуры. В сотовый телефон должен быть встроен модуль GPS, а часть вычислительных функции переносится на MLC для ускорения определения и снижения энергопотребления расположения [2].

Расчет координат происходит следующим образом. GPS-сигнал поступает на сотовый телефон, после этого он передается на БС, которая рассчитывает координаты телефона и передает их обратно. Базисные станции, принимающие сигнал радиотелефона, должны быть оснащены блоками определения расположения LMU. Процесс позиционирования инициируется абонентом и заканчивается передачей абоненту информации о месте его нахождения.

Наряду с этим сеть упрощает терминалу поиск спутников, показывая, какие конкретно как раз нужно искать. Точность расчетов может составить от 5 до 50 м, тогда как простой GPS снабжает от 0,1 до тридцати метров.

Более того, в некоторых сетях, (к примеру, CDMA) базисные станции смогут быть оснащены собственными GPS-антеннами и приемниками. Они смогут выступать в качестве ретранслятора сигнала от спутников, наряду с этим по понятным обстоятельствам появляется дополнительная погрешность, и точность определения координат значительно уменьшается (от 5 до 400 м). Так, достигается работа сервиса кроме того в том месте, где в прямой видимости нет спутников либо сигнал достаточно не сильный (помещения а также).

Время расчета текущих координат образовывает от 20 до 40 секунд, в среднем это все-таки 20 секунд.

Перекладывание части функций на сетевое оборудование разрешает снизить размеры телефонов, расширить их время работы — сейчас они фактически ничем не отличаются от простых сотовых аппаратов. Действительно, это модели высшего ценового диапазона, поскольку требуется не только изменение самой трубки, но и сетевой инфраструктуры [1].

На рис. 4 продемонстрирована сравнительная точность разных способов определения координат. Разумеется, что наилучшую точность дают классический GPS, и A-GPS.

Рис. 4. Сравнение точности разных способов позиционирования в сотовых сетях [1]Как видно из вышеприведенного обзора, лишь технологии позиционирования, основанные на знании покрытия (Cell Id и т. п.), не требуют дополнений в инфраструктуре усовершенствований и сети самих телефонов. Для них нужна установка программного комплекса  MLC.

Реализации разработок, основанных на расчетах временных задержек (E-OTD, TDOA и т.п.) подразумевает оснащение фактически всех базисных станций блоками LMU. Для обеспечения высокой точности нужна синхронизация работы этих блоков в пределах всей сети, что в большинстве случаев ведет к применению в составе каждого блока приемника GPS.

ПО сети кроме этого должно быть подвергнуто важной модификации для обеспечения приема сигнала мобильного телефона не меньше чем тремя базисными станциями [8]. Еще более сложные разработки осуществимы, по большому счету, лишь в самых современных сетях.

Получение текущей позиции  на JME устройстве

Концепция LCS, разумеется, обязана поддерживаться как со стороны сотовой сети, так и со стороны производителей мобильных устройств, каковые предоставляют соответствующие API чтобы получить координаты, независимо от разработки позиционирования.

Для JME (Java Micro Edition) устройств в 2002 г. в рамках  JCP (Java Community Process) была создана спецификация  JSR 179: Location API for JME. лидером и Инициатором группы экспертов есть "Нокиа".

Location API for JME есть дополнительным пакетом, разрешающим разработчикам писать LBS-приложения для устройств с ограниченными ресурсами.

Спецификация Location API определяет следующие положения:

• API должны возвращать данные о физическом расположении устройства для Java-приложения стандартизированным методом;
• Минимальная подходящая платформа — JME Connected, Limited Device Configuration (CLDC) v1.1.;
• Минимальная рекомендованная память: ROM — 20 kB, RAM — 2 kB;
• Наименование пакета — javax.microedition.location
• API дополняют профиль MIDP (Mobile Information Device Profile), специфицирующий группу мобильных устройств.

Спецификация JSR 179 определяет неспециализированные интерфейсы для позиционирования устройства, каковые должны трудиться с большинством способов позиционирования, таких, как  GPS либо E-OTD, скрывая особенности реализации от пользователя.

Возможность определения расположения пользователя затрагивает его безопасность. Исходя из этого приложения должны иметь разрешения на применение  Location API.

Так, все стандартизованные на сегодня методы позиционирования мобильного устройства подразумевают или наличие в нем GPS-оборудования, или участие оператора сотовой связи, предоставляющего данные о расположении. Также для JME производитель мобильного устройства обязан реализовать API,  специфицированные в JSR 179.

Использование РАЗРАБОТКИ OPENCELLID ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ LBS-СЕРВИСОВ

При, в то время, когда сотовый телефон не оснащен GPS-оборудованием и сетевая инфраструктура не поддерживает позиционирование терминала либо производитель конкретного устройства не предоставляет API получения координат,  для определения расположения устройства возможно воспользоваться общедоступной разработкой OpenCellId.

Мысль разработки OpenCellId подобна Cell ID. Но, в отличие от нее,  координаты абонента не вычисляются оператором сотовой связи, а возвращаются из общедоступной базы данных при помощи Интернет по запросу от мобильного устройства. Другими словами для ее применения достаточно, дабы телефон имел доступ в Интернет и «знал» номер ближайшей ячейки сотовой сети.

База данных OpenCellId

OpenCellId — проект с открытым исходным кодом. Целью данного проекта есть создание полной базы данных координат ячеек всех сотовых операторов в мире. Проект находится во глобальной паутине на сайте www.opencellid.org и предоставляет вольный доступ к данным и инструментам для получения информации и пополнения базы о размещении ячеек.

Проект курирует ведущий поставщик сервисов, основанных на расположении, 8Motions.

Недочётом разработки OpenCellId есть низкая точность определения координат мобильного устройства, которая может колебаться от нескольких сотен метров до нескольких километров. Это связано с разной плотностью сети на различных территориях. Такая точность возможно критична для задач правильного позиционирования, но в других случаях ее не редкость достаточно. Сейчас разработка OpenCellId собрала популярность, благодаря прозрачной интеграции с Гугл Map

К сожалению, сотовые операторы не открывают данные о расположении собственных ячеек по нескольким обстоятельствам. Во-первых, они не желают предоставлять данные о собственных башнях соперникам; во-вторых: они сами применяют эту информации для предоставления коммерческих одолжений. Исходя из этого база данных OpenCellId пополняется самими пользователями.

Позиция каждой ячейки определяется как среднее арифметическое между всеми измерениями, каковые для нее заносились.

Разработка OpenCellId разрешает любому пользователю сотовой связи написать и применять приложение, для расширения базы данных и получения информации о собственном расположении по текущей ячейке.

OpenCellId предоставляет API для работы с БД. Это простые REST API, каковые имеют два значительных вызова measure/add and get/cell и пара дополнительных.

Measure/add — додаёт параметры ячейки в базу данных и употребляется приложениями, расширяющими содержание базы данных. Для добавления данных в базу, нужен регистрационный ключ в OpenCellID. Данный ключ употребляется поставщиком API для предотвращения попадания в базу фальшивых данных. Вызов функции Measure/add  осуществляется следующим образом:

http://www.opencellid.org/measure/add?key=myapikeymnc=1mcc=2lac=200cellid=234lat=3.42lon=3.12

Параметры:

• myapikey: ключ, приобретаемый при регистрации в OpenCellID.
• mcc: мобильный код страны
• mnc: мобильный код сети
• lac: код региона
• cellid: номер ячейки в виде десятичного числа
• measured_at (optionnal): время занесения значений (необязательный)
• lat: широта
• lon: долгота

Функция возвращает итог ok либо nook.

При каждом добавлении измерений для ячейки, которая уже имеется в базе данных, ее позиция пересчитывается.

сell/get — употребляется чтобы получить местоположение текущей ячейки:

http://www.opencellid.org/cell/get?mcc=250mnc=99cellid=29513lac=0

Параметры:

• myapikey: ключ, приобретаемый при регистрации в OpenCellID.
• mcc: мобильный код страны.
• mnc: мобильный код сети.
• cellid: номер ячейки в виде десятичного числа.
• lac: код региона (есть необязательным параметром и употребляется для другого определения расположения, в случае если ячейка не нашлась.)

В качестве результата возвращается несложной xml-документ.

Получение CellId на JME устройстве

К сожалению, метод получения номера ячейки остальных параметров и сотовой связи, нужных для определения позиции ячейки на JME устройствах не специфицирован. В большинстве случаев производители мобильных устройств предоставляют эти сведенья через системные особенности. О заглавиях соответствующих системных особенностей нужно справляться в техдокументации конкретного производителя.

Получение позиции ячейки на JME устройстве из базы OpenCellID

Получение позиции мобильного устройства из базы OpenCellId происходит через HTTP-запрос. JME определяет комплект API Generic Connection Framework (GCF) для сетевых соединений, каковые являются упрощенную модель если сравнивать с JSE.

GCF — иерархия интерфейсов и классов для разных соединений. Базу GCF образовывает класс Connector. Интерфейсы определяют типы поддерживаемых соединений.

Помощь GCF осуществляется на уровне конфигурации. Комплект интерфейсов находится в пакете javax.microedition.io.

Интерфейс HttpConnection входит в GCF и есть частью профиля MIDP. Он специфицируется JSR 197 и должен быть реализован во всех мобильных устройствах, поддерживающих доступ в интернет. HttpConnection может открыть и применять один входящий поток для получения данных с сервера и один исходящий для передачи данных на сервер.

По окончании того как поток данных использован, соединение должно быть закрыто и, в случае если это нужно, создано новое. Эта схема соответствует HTTP парадигме запрос-ответ. На стадии установления соединения смогут быть заданы разные параметры, к примеру тип запроса (GET/POST) либо настройки заголовка.

Применение HttpConnection снабжает получение и отправление запроса данных из базы OpenCellID с мобильного устройства по окончании того, как все нужные параметры сети на нем взяты [9].

Так, в случае если производитель мобильного устройства предоставляет возможность получения данных сети и снабжает соединение с сетью Интернет, расположение устройства возможно выяснено методом запроса позиции текущей ячейки сотовой связи из общедоступной базы данных OpenCellID.

Перечень литературы:

1. http://www.mobile-review.com/standard/gps-in-nets.shtml
2. http://ru.wikipedia.org
3. http://www.rebenok.mts.ru/
4. http://www.гугл.com/mobile/gmm/mylocation/index.html
5. http://abava.blogspot.com/2007/11/geosms-beta-2.html
6. Location Based Services for Mobiles. :Technologies and Standards. Shu Wang, Jungwon Min, Byung K. Yi. LG Electronics Mobile Research, США …
7. http://www.gazeta.lv/story/4605.html
8. http://www.bnti.ru/showart.asp?aid=514lvl=01.01.15
9. http://www.mobilab.ru/articles/82/

Как работают навигационные системы GPS и ГЛОНАСС

Подобранные по важим запросам, статьи по теме:

• Инновационные возможности применения космических технологий в региональном управлении

  М. А. Элердова, С. А. Дудкин На современном этапе развития регионального и муниципального управления громаднейшее внимание уделяется проблемам…

• Использование мобильного ситуационного центра в борьбе с лесными пожарами

  №3(8), 2010 г. Р. С. Басков Мобильный ситуационный центр рекомендован для яркого приема, передачи и обработки пользователям данных космической съемки…

• Опыт использования космических технологий для нужд сельского хозяйства ставропольского края

  С.А. Антонов (Ставропольский НИИСХ) Окончил Ставропольский национальный университет, по профессии «информатик-географ». На данный момент — зав….

• Подсистема гис для решения задач сейсмического мониторинга и прогнозирования

  №3(8), 2010 г. И. В. Степанов ВВЕДЕНИЕ Неприятность прогноза землетрясений так же, как и прежде остается тайной за семью печатями, т. е. однозначного…

• Дистанционное зондирование: новые технологии – новые возможности поиска нефти и газа

  №1(2), 2009 г. Д. М. Трофимов Начавшееся неспециализированное падение добычи нефти и газа связано с тем что, ветхие нефтегазоносные регионы…

• Сергей добролюбов: «космические технологии проникли во все области физической географии»

  Источник: пресс-служба Региональной конференции Международного географического альянса О том, как технологии дистанционного зондирования Почвы…