AW E100无线定位系统技术白皮书.docx
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AWE100无线定位系统技术白皮书
无线定位设备技术资料
E100无线定位设备技术白皮书
二O一二年六月
E100无线定位设备技术白皮书
版本V2.5
本资料未经著作权人书面许可,任何单位或个人不得以任何方式摘录、复制或翻译。
XX。
目录
第1章概述5
第2章产品亮点7
2.1产品优势7
2.1.1便携与车载一体化7
2.1.2诱导式定位7
2.1.3配置简单、易操作7
2.1.4静默式设备8
2.1.5频点动态调节8
2.1.6接收灵敏度高8
2.1.7侦控速度快、定位精度高8
2.1.8本地电子地图功能8
2.2领先的性能指标9
第3章功能介绍11
第4章E100定位系统架构13
4.1系统概述13
4.1.1场强定位的基本原理13
4.1.2系统结构概述14
4.2E100前端采集单元FAU介绍15
4.2.1E100前端采集单元FAU硬件介绍15
4.2.2E100前端采集单元FAU软件系统介绍16
4.2.3E100前端采集单元FAU功能介绍17
4.2.4E100前端采集单元FAU设备业务接口介绍18
4.3E100手持操作台BOC介绍18
4.4E100后端车载操作台VOC介绍19
4.4.1车载操作台功能19
4.4.2车载操作台产品形态19
第5章应用场景22
5.1单兵应用场景22
5.1.1设备形态22
5.1.2供电方案22
5.1.3天线选型23
5.2车载应用场景24
5.2.1设备形态24
5.2.2供电方案25
5.2.3天线选型25
缩略语25
图目录
图1:
E100工作方式6
图2:
E100场强逼近式定位工作示意图13
图3:
E100系统组成…………………………………………………………………………..14
图4:
E100单板组成16
图5:
基带算法模块组成16
图6:
电子地图用户界面20
图7:
位置单点显示和区域设防-卫星地图20
图8:
逼近式定位轨迹21
图9:
单兵设备形态22
图10:
单兵设备供电方案23
图11:
单兵设备天线方案23
图12:
车载设备形态24
图13:
车载设备供电方案25
第1章概述
随着3G无线通信网络的建设完善,3G上网变得日益普及。
为了满足某些特定需求,需要对3G上网用户与语音用户进行发现和无线精确定位。
充分研究了客户的迫切需求,采用业界最新软硬件技术,在完全自主研发的基础上量身定制了新一代无线空口定位设备—E系列产品。
E系列产品支持国内所有3G网络制式,包括CDMA20001x/EVDO、WCDMA和TD-SCDMA。
根据所具体支持的网络制式,E系列产品可以分为多种型号,其中,针对CDMA20001x/EVDO网络的产品型号为E100。
E100针对中国电信CDMA移动通信网内无线通信设备(主要为无线上网卡用户和手机用户),通过对空中无线信号的处理来实现对目标设备的侦测、监控和定位。
在设备的侦控范围内,高灵敏度的无线接收设备能获取空中800MHz频段CDMA20001x/EVDO信号。
在捕获通信终端的反向信号之后,进行多路径搜索、信道估计,得出信号强度,并根据信号强度对目标做逼近式定位。
设备指标先进、功能强大、操作简便,结构简单,测向定位迅速准确,性能稳定可靠,并可由电子地图直观显示设备所处位置。
系统有车载设备和单兵设备两种应用形式:
车载设备完成远距离侦测发现及方向判断,并逐渐逼近目标;单兵设备通过手持式逼近实现目标的最终定位,两者可以配合使用。
车载设备包括车载天线阵、E100主设备、手持操作台BOC(智能手机)、电源逆变器等,可安装于多种车型。
车辆改装合理,不影响原车性能。
单兵设备集成了高性能微带天线和E100主设备。
设备小巧,便于携带,测向效率高。
图1:
E100工作方式
设备采用被动式工作原理,只接收无线信号,不需发射,不会被运营商察觉,对运营商网络、周围手机、操作人员等均无干扰和辐射,同比系统功耗低。
下文将对E100无线定位设备产品进行详细的介绍。
第2章产品亮点
E100无线定位设备依据目前先进的被动式工作原理,对中国电信CDMA20001x/EVDO网络用户,通过相关参数的空中侦测匹配,对目标实施快速无线测向定位。
E100具有以下特点:
2.1产品优势
E100产品为CDMA20001x/EVDO数据上网用户或者语音用户目标的定位提供了解决方案,在产品信号覆盖范围内,捕获率可以达到100%。
E100采用车载和单兵协同式设计,应用范围广泛。
车载设备捕获目标大致范围后,可由单兵携带至任何需要侦控的室内场所使用。
2.1.1便携与车载一体化
车载设备和单兵便携设备的设备主体完全一样,区别在于车载设备安装有天线阵,可实时测量各方向上目标信号的强度,迅速判断出目标所在方位(精确到60度范围)。
车载设备可将目标定位到大楼,后通过单兵便携设备定位到目标所在房间。
2.1.2诱导式定位
当目标处于开机状态,但不产生流量时,可以在目标不感知的情况下诱导目标产生上行流量,从而测量目标的信号强度,对目标定位,诱导过程用户不被感知。
针对CDMA手机用户,只要目标用户开机,即可实现对目标用户的定位。
针对CDMA上网卡用户,只要目标上网卡上电,即可实现对目标用户的定位。
2.1.3配置简单、易操作
E100配置简单,设控目标可以是CDMA手机用户也可以是CDMA上网卡用户。
只需要知道目标的手机号码即可对目标的定位。
设备参数和定位目标通过手持操作台(运行于智能手机上)和/或车载操作台(运行于个人计算机上)配置,目标信息由设备同时返传至设备操作台和车载操作台并实时显示。
2.1.4静默式设备
E100设备为被动式设计,即只接收目标用户的信号,不发射信号,从而不会对目标用户及现网其他用户、基站等产生干扰,完全不被目标用户和现网基站所感知,且不会对设备使用者产生辐射影响。
2.1.5频点动态调节
E100设备支持频带范围824~849Mhz,覆盖中国电信所有7个频点。
E100设备可以自适应调整到目标终端所在频点,频点的调节不需设备重启即可完成。
2.1.6接收灵敏度高
E100设备具有很高的接收灵敏度,达到-117dbm,与现网基站类似。
因此,在与基站具有相同部署条件的情况下,覆盖范围(指信号接收范围)与基站相同。
实际使用中,E100设备接收信号的范围与目标发射功率的大小以及天线的架设高度,天线的类型有关。
当目标用户发射信号的导频功率为-15dbm,E100设备接平板定向天线,由单兵携带时,接收范围为视距200米。
2.1.7侦控速度快、定位精度高
E100设备具有很高的侦控率,在覆盖范围内,目标捕获率可以达到100%。
E100还具有侦控速度快的特点,一旦目标进入覆盖区,E100设备可立即检测到目标的存在,设备携带者可根据E100设备上报的目标信号强度指示信息逼近目标用户,定位到目标用户所在房间。
2.1.8本地电子地图功能
E100产品在车载操作台中提供本地电子地图,支持鸟瞰图、指北针、国家/城市列表、比例尺,以及拖拽、缩放等基本操作,最高缩放级别为19级(GoogleMap相应级别)。
电子地图同时支持普通地图和卫星地图,并可实时切换,更利于实景分辨地理位置。
可标示设备的实时运动路径和方向,并支持设备位置的历史轨迹显示。
用户可于特定地点增加自定义标记。
还可于地图中为敏感区域设定地理围栏,目标进入敏感区域时自动报警。
地图数据可手工更新。
2.2领先的性能指标
E100无线定位设备性能稳定,拥有业界领先的技术指标:
项目
车载指标
单兵指标
基本性能
工作频段
上行824~849MHz,下行869~894MHz
同时载频数
1
侦控范围
1500
300
接收灵敏度
-118dbm
定位精度
<5米
业务接口
以太网口
1个
串行口
1个
射频天线接口
4个
GPS天线接口
1个
USB接口
2个
可靠性
MTBF
>2000小时
MTTR
<30分钟
电源
功耗
电源条件
交流适配器供电:
输入100V~240V,50Hz~60Hz
专用电池供电
典型功耗
30W
电池续航时间
>12小时
3.5小时
物理参数
尺寸
(宽*深*高)
482mm*193mm*45mm
279mm*193mm*45mm
设备重量
<3kg
<2kg
天线尺寸
690mm*650mm*204.54mm
225mm*150mm*12mm
天线重量
<12kg
<0.4kg
环境要求
工作温度
-20℃~+55℃
储存温度
-40℃~+85℃
相对湿度
0%~90%,非凝结
E100性能指标
第3章功能介绍
E100是一款针对CDMA2000网络的空口定位设备,通过接收空口上行信号来探测目标终端,并实现对目标终端的定位。
其主要功能如下:
●手机用户定位
E100支持针对CDMA20001X网络中手机用户的定位,操作员只需要配置目标终端的MSISDN号码(手机号码)和ESN号,即可实现对目标的定位。
●数据上网卡用户定位
E100支持针对CDMA20001X/EVDO网络中数据上网卡用户的定位,操作员只需要配置目标终端的MSISDN号码(手机号码),即可实现对目标的定位。
●诱导式定位
由于手机用户在大多数情况下都处于空闲状态,不产生上行信号。
针对这种场景,E100提供流量诱导功能,只要手机开机,即可诱发目标手机产生上行信号,对目标进行信号强度测量从而定位到目标。
诱导过程不被目标用户所感知,且不会在运营商话单信息中体现。
对于处于空闲态的上网卡用户(即上网卡未拨号连接,但处于上电状态),同样可以使用诱导功能定位到目标上网卡并且目标用户不感知。
●单兵模式定位
单兵设备主要由E100主设备(内置电池)、便携平板定向天线、手持操作台(智能手机)几个部分组成。
单兵使用过程中,通过手持操作台对E100主设备进行配置,设控目标。
E100主设备探测到目标存在后,将实时上报目标的信号强度。
手持操作台与E100主设备之间通过蓝牙连接。
●车载模式定位
车载系统主要由E100主设备、车载天线阵、车载供电单元和手持操作台几部分组成。
车载天线阵由6个定向天线组成,经伪装后安装于车顶。
车载设备使用过程中,用户通过手持操作台对E100主设备进行配置,设控目标。
根据需要选择是否采用诱导式定位。
用户可以选择在1个或多个天线方向上测量目标的信号强度。
手持操作台实时显示每个天线方向上的信号强度。
手持操作台与E100主设备之间通过蓝牙互连。
●运行状态监控
E100主设备支持实时状态上报,用户可通过手持操作台或车载操作台观察设备当前温度、电池电量、运行状态等信息。
E100设备面板指示灯也指示了内部各模块当前运行状态。
●GPS定位
E100主设备内置GPS模块,可实时上报设备当前所在位置,便于后台指挥管理。
●电子地图
电子地图中实时显示设备的GPS位置,并标示运动轨迹。
电子地图具备缩放、拖拽、普通/卫星地图切换、地理围栏等功能。
第4章E100定位系统架构
4.1系统概述
4.1.1场强定位的基本原理
E100设备采用传统的场强定位方法,即根据目标终端发射信号的强度测量值(RSSI)来标定目标距离和方位,采取单个或多个设备逐步逼近的方式确定目标位置。
如图所示,距目标终端D1的距离的设备场强显示值应相近,如操作人员同向圆心方向行动,在D2处则场强显示值应均为趋升方向,表明逼近方向正确。
依此方向前进,逐步逼近至D1处再次确认方向。
至此可大致确认终端位置。
图2:
E100场强逼近式定位工作示意图
单设备独立工作时可使用定向天线,使用者通过对比各方向上信号的强弱来判断信号源的方位,据此逼近目标。
4.1.2系统结构概述
定位系统分为前端采集单元(FAU,Front-endSamplingUnit)、手持后端操作台(BOC,Back-endOperationConsole)和车载操作台VOC(VelicleOperationConsole),共三个网元,如下图所示。
其中,前端采集单元(FAU)即是E100主设备。
图3:
E100系统组成
✧FAU(Front-endAcquisitionUnit)为前端采集单元(即E100主设备)
负责接收移动终端(包括手机和上网卡)上行信号,从中查找目标用户,发现目标后,将目标用户的信号强度等测量数据上传至BOC和/或VOC。
✧BOC(Back-endOperationConsole)为手持后端操作台
BOC与FAU之间使用蓝牙通信。
BOC在登录到FAU时,有单兵和车载两种模式可选。
BOC负责配置单个前端采集单元的参数(包括射频参数、扇区参数和用户参数),同时直观显示前端采集单元上传的信号强度信息,给出视图和声音提示,指示设备使用者进行目标用户搜索。
✧VOC(VelicleOperationConsole)车载操作台
VOC可以配置多个前端采集单元(FAU)的参数,直观显示前端采集单元上传的信号强度,给出视图和声音提示,指示设备使用者进行目标用户搜索。
VOC同时提供离线电子地图功能,标示各前端采集单元(FAU)的地理位置。
4.2E100前端采集单元FAU介绍
4.2.1E100前端采集单元FAU硬件介绍
FAU为E100主设备,其硬件组成分为机框、一块单板以及两块子卡,它们分别是:
✧处理板(ProcessingBoard),简称PRB。
PRB主要完成对侦控目标无线信号的处理,向后端运算中心提供特定终端信号的物理层特性参数。
✧数据子卡1(DataChildCard1),简称CARD1。
用于语音、短信诱导以及与后台无线通讯。
✧数据子卡2(DataChildCard2),简称CARD2。
用于语音、短信诱导以及与后台无线通讯。
图4:
E100单板组成
4.2.2E100前端采集单元FAU软件系统介绍
FAU软件系统主要有基带算法模块,数据处理模块,参数配置模块,底层支持模块四个模块组成。
●基带算法模块
执行参数配置模块下发的配置命令,对接收到的I、Q数据,通过搜索反向信道(反向业务信道或反向接入信道)来发现目标用户。
在发现目标用户后,测量目标信号的信噪比、RSSI、信号到达时间等信息,上报给数据处理模块。
基带算法模块的组成如下图所示。
图5:
基带算法模块组成
基带算法中各模块完成的主要功能如下:
✧多天线处理子模块:
多天线处理子系统读取来自不同天线的I、Q数据,天线数据送到PN同步子系统做PN码的同步(搜索目标用户),并作多径搜索,之后送入信号处理子模块进行解析。
✧PN同步子模块
PN同步子模块主要完成目标用户的PN码搜索,即目标用户的搜索。
该子模块根据配置管理子模块配置的需要监听的目标用户信息进行PN捕获和PN跟踪,捕获之后把PN码相位连同物理层子类型信息一起反馈给多天线处理子模块。
✧信号处理子模块
信号处理子模块接收来自多天线处理子模块的目标用户各径数据,连同各径的时延、目标PN相位、物理层子类型等信息,将处理结果上报数据处理模块。
✧配置管理子模块
配置管理子模块的主要功能是接收参数配置模块的配置请求,完成包括添加/删除扇区、添加/删除用户、注册/注销回调函数等功能,维护和管理当前配置的扇区和用户信息等。
●数据处理模块
数据处理模块具备以下功能:
1)保存一定时长的历史数据;
2)将测量结果、设备状态等信息传递给手持操作台BOC显示;
3)将测量结果、设备位置、状态等信息传递给车载操作台VOC显示。
●参数配置模块
参数配置模块完成FAU各项参数的配置。
●底层支撑模块
底层支撑模块包括BSP和OSS部分
BSP主要分为三大模块:
CPU最小系统模块、设备驱动模块、单板控制模块。
OSS子系统在底层商用操作系统的基础上对上层应用提供完全的运行平台,提供线程运行必须的调度机制、定时器和线程通信等方面的支持。
4.2.3E100前端采集单元FAU功能介绍
Ø参数配置
完成FAU运行所需参数的配置,包含基带参数配置、车载/单兵模式配置、射频参数配置、目标用户设控等。
本次配置成功参数在FAU本地配置库中保存,下次上电启动时作为缺省参数使用。
在使用过程中,只有目标设控这一项配置是必须的,其他参数都提供缺省配置,缺省情况下,FAU子系统可对频点、基带搜索参数做自适应配置。
当使用车载天线阵时,默认为6个方向切换测量。
天线的切换也可由用户配置,在6个方向上选择任意几个方向进行信号测量,用户可以选择只测量一个方向上的信号强度,也可以选择在2~6个方向上循环测量各个方向的信号强度。
Ø天线切换
当用户配置在多个方向上接收天线信号,且启用了流量诱导功能时,FAU根据一定的策略切换天线,分时测量各个方向上的信号强度。
Ø目标信息获取
FAU提供通过MSISDN号码获取IMSI的功能,当用户获取到IMSI后,可根据IMSI对目标进行设控。
FAU可根据IMSI来搜索目标。
Ø目标流量诱导
FAU可以根据MSISDN号码,对目标进行流量诱导,诱导目标产生上行流量且不被目标感知。
只要目标开机或数据卡上电,即可完成诱导,利用诱导流量对目标进行信号强度测量。
4.2.4E100前端采集单元FAU业务接口介绍
FAU有两种业务接口:
✧FAU与手持后端操作台(BOC)之间为蓝牙通信;
✧FAU与车载操作台(VOC)之间可使用GPRS/EDGE/UMTS网络通信。
4.3E100手持操作台BOC介绍
E100手持操作台提供对FAU进行参数配置的人机界面。
BOC可以以单兵模式或车载模式登录FAU,配置目标终端手机号码,对目标终端进行IMSI获取功能,控制诱导功能的启动和停止等。
若以车载模式登录FAU,配置界面中还有对车载天线阵的配置,用户可选择测量1个或多个方向上天线接收信号的强度,从而快速判断出目标的方位。
当BOC以单兵模式登录到FAU时,BOC实时显示FAU测量到的目标终端信号强度,并给出语音提示,语音提示可通过蓝牙耳机播报。
当BOC以车载模式登录到FAU时,BOC实时显示FAU在天线阵各个天线方向上测量到的目标终端信号强度,给出显著指示。
通常,信号最强的方向为目标终端所在的方位。
4.4E100后端车载操作台VOC介绍
后端平台即车载操作台VOC,VOC为运行于个人计算机上的一套软件。
作为车载设备的本地控制中心,VOC控制附属于本车的前端采集设备,进行参数配置、目标设置、目标信息显示,以及接收设备返传的位置信息并在地图中显示。
4.4.1车载操作台功能
车载操作台包含以下功能:
●设备管理
管理本车附属的前端采集设备,包括设备增删、上下线管理和保活控制等。
●参数配置
配置各设备的射频参数等工作参数。
●定位发起和显示
发起定位任务至各设备,并接收设备返传的定位信息,予以图形和文字显示。
●电子地图
提供离线地图功能,显示设备位置,以及地理围栏等附加功能。
4.4.2车载操作台产品形态
对用户来说,直观的感受即为用户界面,包括操作界面和电子地图。
如下图所示,用户可通过用户界面发起和停止定位任务、配置设备参数、管理设备、查询历史数据,并可通过文字和地图实时查看设备位置。
图6:
电子地图用户界面
下图为卫星地图形式,用户可自行设定地理围栏(地理围栏即用户关注的重点建筑或区域,一般出于安全考虑,需注意和控制进出此区域的人员)。
一旦前端设备所示位置进入设防区域(因前端设备对目标的捕获范围有限,此时表明敏感目标即在设备附近),车载操作台产生文字或声音告警。
注意普通地图和卫星地图可即时切换。
图7:
位置单点显示和区域设防-卫星地图
下图为车载设备在实际使用中时逼近式定位的实时轨迹图。
图8:
逼近式定位轨迹
第5章
应用场景
5.1单兵应用场景
5.1.1设备形态
对于单兵便携式应用场景,整体设备包含一台E100设备,一个定向天线、一个后端操作台(智能手机)、电池和伪装背包。
设备和电池放置在背包当中,天线可以放置在背包侧面或者手持。
设备与后端操作台之间通过蓝牙进行通信,使用者通过操作台对设备进行参数配置,设备将测量到的目标信息上报给操作台,从而展现给使用人员。
图9:
单兵设备形态
5.1.2供电方案
单兵产品中,由于有便携移动的需求,因此采用电池供电。
同时当外部提供220V交流转直流+12V电源适配器时,单兵设备还可以使用该电源适配器进行工作。
图10:
单兵设备供电方案
电池使用标准+12VDC锂电池。
根据用户的需求,可以更换放电能力更强和安时数更大的电池,增强设备的性能和续航能力。
5.1.3天线选型
单兵设备使用的天线一般要求体积小、增益高、有一定的方向性等特征,比如有定向天线、对数周期天线、环形天线和平板天线、八木天线等。
另外,便携设备对伪装、携带、易用等特性要求较高。
图11:
单兵设备天线方案
经实际测试,本设备推荐使用小平板定向天线,天线可以放置在背包的侧面,通过身体转动调整天线方向,也可以采取手持的方式。
5.2车载应用场景
5.2.1设备形态
E100V2.5系统提供完整的车载解决方案。
对于车载应用场景,整体系统包含一台E100主设备(FAU)、定向天线阵(安装于车顶)、手持后端操作台(BOC)、后端平台(VOC)和车载电源。
E100主设备与BOC之间通过蓝牙通信,使用者通过BOC对E100主设备进行参数配置,设备将测量到的目标信息上报给操作台,从而展现给使用人员。
对于车载设备,FAU控制天线的切换,以时分的方式分别测量各方向上天线收到的信号强度,并在后台直观展示,使用者通过比较各个方向上信号强度的差别来确定目标的方位,逐步逼近目标,定位到目标所在楼宇。
对于较低的建筑物,可以定位到目标处在该建筑物的哪一层或哪一面。
车载设备还可以配备后端平台(VOC),用于管理一台或多台前端设备(包括工作于单兵模式的前端设备和工作于车载模式的前端设备),并通过电子地图实时显示前端设备的当前位置。
前端设备与后端平台之间通过WCDMA网络互联。
图12:
车载设备形态
5.2.2供电方案
车载应用中,设备可以使用汽车提供的直流电源;同时,考虑到车载系统供电的可靠性,车载设备还提供铅酸电池加逆变器的供电方式。
图13:
车载设备供电方案
对车载应用的供电,电源模块可以对车载输入直流进行稳压。
单板中使用DC/DC隔离电源,工作地引出到背板,各单板工作地在背板相连。
5.2.3天线选型
根据用户需求,车载设备的天线选定向阵列天线。
定向阵列天线是自研设计的一款阵列天线。
天线由6个定向天线组成的天线阵列、开关盒两部分组成。
每个定向天线分别有一路馈线与电源盒相连。
定向阵列天线以时分的方式分别测量各方向上天线收到的信号强度,并在后台展示。
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