版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研 究 报 告 要 点 本研究报告针对物联网应用（例如，共享单车）的定位管理需求，同时考虑到物联网终端的规模巨大，由此带来的低成本、低功耗要求，结合已有的手机终端的辅助定位通信协议，进行研究。 针对现有定位技术和应用需求，在现有 OMA SUPL 协议基础上，提出针对物联网的用户面辅助定位协议要求，定制相关支持功能，简化物联网终端实现并兼容标准 SUPL 服务器配置。为后续的行标制定提供了参考。 研究单位 ： 北京展讯高科通信技术有限公司 、 北京北斗星通导航技术股份有限公司 、 中国信息通信研究院 、 中国移动通信集团公司 、 大唐电信科技产业集团（电信科学技术研究院） 、高通无线通信技术 (中国 )有限公司 、 华为技术有限公司 、 深圳华大北斗科技有限公司 、 北京东方计量测试研究所 项目参加人： 武海峰 、 张晨光 、 师延山 、 张正烜 、 胡昌军 、 王小旭 、 全海洋 、 杜志敏 、 张维良 、 邬泳 、 许丽丽 、 高静波 完成日期： 2018 年 6 月 目 录 1. 范围 . 1 2. 缩略语 . 1 3. 终端定位技术简介 . 3 3.1. 卫星系统 . 3 3.2. 无线网络的定位 . 4 3.3. A-GNSS . 4 3.4. DGNSS . 6 3.5. 惯导系统 . 6 3.6. 融合定位 . 6 4. 物联网的定位应用 . 8 4.1. 物联网的定位需求 . 8 4.2. 物联网的定位场景 . 8 4.3. 终端和服务器结构 . 9 4.4. 终端定位软件 . 9 4.5. OMA SUPL 协议 . 10 4.6. OMA 与 SUPL . 10 4.7. SUPL 的版本 . 11 4.8. 物联网 SUPL . 13 5. IOT SUPL 终端技术要求及其测试 . 14 5.1. 功能要求 . 14 5.2. 系统架构 . 15 5.3. 协议架构 . 18 5.4. 消息流程 . 18 5.5. ASN.1 消息描述 . 20 5.6. 测试用例 . 31 6. 参考文件 . 32 图 1 LTE 中 LPP 定位架构 . 5 图 2 A-GNSS 系统描述 . 8 图 3 辅助定位实现框架 . 9 图 4 定位终端软件模型 . 10 图 5 IOT SUPL 系统架构 . 16 图 6 SUPL 消息交互 层次模型 . 18 图 7 SUPL 消息交互 . 19 表 1 各版本 SUPL 协议的功能对比 . 11 表 2 IOT 终端 SUPL 功能要求与标准 SUPL 区别 . 14 表 3 SUPL 功能实现列表 . 16 表 4 IOT SUPL 终端功能 实现列表 . 17 表 5 Lup Location Service Management 消息 . 17 表 6 Lup Positioning Determination 消息 . 181 1. 范围 本 研究报告 针对当前 的 物联网 应用（例如：共享单车）的 定位 管理 需求， 同时 考虑到 物联网 终端的规模巨大，由此带来的 低成本 、 低功耗 要求 ， 结合已有的手机终端的辅助定位通信协议， 进行初步研究。 针对 现有定位技术和社会应用需求 ， 在现有 OMA SUPL 协议基础上， 提出 针对物联网的用户面 辅助定位 协议要求 ，定制相关支持功能，简化物联网终端实现并兼容标准 SUPL 服务器配置 。 2. 缩略语 3GPP 第三代合作伙伴计划 3rd Generation Partnership Project A-BDS 辅助北斗定位系统 Assisted Beidou System A-GANSS 辅助伽利略和其他卫星导航系统 Assisted Galileo and Additional Navigation Satellite Systems A-GNSS 辅助全球导航卫星系统 Assisted Global Navigation Satellite Systems A-GPS 辅助全球定位系统 Assisted Global Positioning System ASN.1 抽象语法标记 ASN.1 Abstract Syntax Notation One BDS 北斗卫星导航系统 BEIDOU Navigation Satellite System DGNSS 差分 GNSS Differential GNSS ECID 增强的小区标识 Enhanced Cell ID GIS 地理信息系统 Geographic Information System GLONASS 俄罗斯全球卫星导航系统 GLObal Navigation Satellite System GMLC 移动定位中心网关 Gateway Mobile Location Center GNSS 全球导航卫星系统 Global Navigation Satellite System GPRS 通用数据包无线服务 General Packet Radio Service GPS 全球卫星定位系统 Global Positioning System GSM 全球移动通信系统 Global System for Mobile Communication IOT 物联网、泛在网 Internet of Things LBS 基于位置的服务 Location Based Service LCS 定位服务 Location Service 2 LPP LTE 定位协议 LTE Positioning Protocol LPPe OMA LPP扩展协议 OMA LPP Extensions LTE 长期演进 Long Term Evolution M2M 机器通信 Machine to Machine OMA 开放式移动联盟 Open Mobile Alliance OTDOA 观测信号到达时间差 Observed Time Difference of Arrival RRC 无线资源控制协议 Radio Resource Control RRLP 无线资源定位服务协议 Radio Resource LCS Protocol SET 支持 SUPL的终端设备 SUPL Enabled Terminal SLC SUPL位置管理中心 SUPL Location Center SLP 支持 SUPL的位置服务器 SUPL Location Platform SMLC 服务移动定位中心 Serving Mobile Location Center SPC SUPL定位技术中心 SUPL Positioning Center SUPL 安全用户面定位 Secure User Plane Location TLS 安全传输层协议 Transport Layer Security TTFF 首次定位时间 Time To First Fix UMTS 通用移动通信系统 Universal Mobile Telecommunications System 3 3. 终端 定位 技术 简介 3.1. 卫星 系统 20 世纪 60 年代， 随着航天和无线电技术的发展，通过卫星 系统来代替基于 陆基 的导航系统，实现全天候定位导航，成为当时的 导航 技术发展潮流，于是第一个卫星导航系统 GPS诞生了。 3.1.1. GPS 基本介绍 GPS 作为 全球定位系统 的名称 已经深入人心。 它 是 20 世纪 70 年代由美国研制的空间卫星导航定位系统 ， 其主要目的是为 全球 范围 陆 、 海 、 空三大领域提供实时、全天候的导航 和授时 服务，并用于情报收集、应急通讯等 军事目的 。经过 40 余年的 实践 发展， 从最初的军事国防 用途 大规模 扩展 应用于 民用 、 商用 领域 。 伴随着 GPS 的 巨大 成功， GPS 系统成为各个国家实现自己 卫星 定位系统的参照 ， 与 后来的 俄罗斯的 Glonass、 中国的 BDS、 欧盟 的 Galileo 共同 构成 全球四大 卫星 导航系统。 3.1.1.1. GPS 定位 原理 GPS 的基本定位原理是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息 ， 定位 接收机 接收到 多颗 （ 4 颗及以上） 卫星 的上述 信息后 ， 参照卫星与接收机的距离的几何原理，通过特定方程组 计算 得 出接收机的三维位置、方向 、 速度和时间信息。 3.1.1.2. GPS 系统 GPS 系统 由三部分组成：空间 卫星 部分，地面监控系统和用户接收 机 。 空间 卫星 部分 标准的 GPS 卫星星座 由 24 颗卫星分布于 6 个轨道面上组成， 额外 还有备用工作卫星。这样 全球各地用户随时可见 4 颗以上的卫星， 并能接收卫星信息来 计算出自己的位置。 地面监控系统 地面监控系统由主控站、监测站、地面 天线 组成 ，主要负责监测、指挥、控制 GPS 卫星 。监测站负责接收卫星发出的信号，并将数据传送到主控站；主控站通过 数据处理 ，计算出每颗卫星的轨道和 偏差 、卫星星历和钟差等；经过处理的数据由主控站传到地面 上载 天线站 ，每天 配置 给卫星 以保持其正常工作 。 用户 接收机 用户接收机的功能是接收 当前可见 卫星的信号， 解算出 接收机的 PVT（位置、速度和时间） 。 3.1.2. 北斗 （ BDS） 卫星导航 定位 北斗卫星 导航 系统是中国自主研发、独立运行的 卫星导航系统 。 北斗卫星导航系统空间 段 由 5 颗 静止轨道卫星 和 30 颗非静止轨道卫星 构成。 2012 年底 北斗导航 区域组网 基本 完成 ， 具备了稳定连续的覆盖亚太地区的服务能力。今后我国还将陆续发射组网导航卫星，不断提升系统服务能力，扩大覆盖区域，到 2020 年，将建成由 30 余颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统。 3.1.3. 卫星导航定位 的特点 卫星导航系统突破了原来陆基导航系统只能服务于特定迫切导航需求的用户，比如：船舶，飞机等，可以为海、陆、空的全空间用户提供全天候、连续实时的位置、速度和 时间（ PVT）4 信息。 卫星导航系统区分了 军用 和民用 差别定位 需求，在不限制接收机数量的前提下，保持了接收机的低成本和低能耗。 随着卫星定位系统的投入使用， 和其他无线通信网络的发展， 为提高 其 定位精确度 和 实用性 ， 相关 新的 技术方案应运而生。 卫星导航的 定位 误差主要 分为 系统误差和无线传输误差。系统误差包括卫星运行轨道、参考站、卫星和接收机晶振误差等，这些误差可以通过建立参考地基站，通过 A-GNSS 方案提供给接收机，减小误差， 提高定位精度。无线信号传输误差 有 来自于电离层造成信号散射，对流层造成信号延迟和地面环境造成的多 径 干扰 。一般电离层误差通过接收机双频 接 收 剔除误差 ，建立温度、压力和相对湿度的模型可以降低 对流层 误差， 无线 多 径 接收 的问题可以通过设计更好的天线电路来避免。 电离层和对流层的误差可以通过 A-GNSS 传输的参数来改善。 另外对于大规模的用户 应用 来说， 采用无线网络的 A-GNSS 对于优化 TTFF 的 作用十分显著，对于用户感受十分重要。 3.2. 无线网络 的定位 在导航区域建立无线导航站是 应用于 无线导航 在航海和航空中的 最早的 应用，随着无线网络的发展，通过无线网络基站实现定位的想法便应运而生。 3.2.1. Cell-ID 定位技术 1996 年美国通信委员会 (FFC)颁布的行政命令 E911 具有极其重要的意义， Cell-ID是其当时主要使用的定位技术之一。 移动台 在移动网络的小区注册后， 就会 获得当前 Cell- ID，只要知道该小区基站的中心位置和该小区的覆盖半径，就能够获取移动台的 大致 位置。定位精度取决于： 小区半径；基站 天线 类型 （ 全向 /扇区 ） ；手机与小区中心的距离。 Cell-ID 定位方式的主要优点是有很好的覆盖性与可靠性 ； 缺点是定位精度较差且依赖于基站覆盖区域的大小，一般定位精度在数百米。 3.2.2. LTE 的 OTDOA 定位 LTE 网络中 OTDOA 技术 利用移动台接收当前服务基站和 邻区 基站 （至少 2 个） 的定位信标信号 时间差 ， 并 将此 时间差 上报位置服务器，服务器通过 基站间 的时间差 的相互 关系，计算出移动台位置。 OTDOA 的 优点是由于移动网络有较好的覆盖，可以 弥补 GPS 室内 不可用 的缺陷 ；缺点是通信网络基站和移动台都需要添加定位信标功能 。 3.3. A-GNSS 早期的辅助定位主要 针对 GPS， A-GPS 最早投入商用和完成 协议 标准化。 例如 GSM 和WCDMA 在 3GPP 的 R6 之前的 协议主要支持 A-GPS， 后在 R7 中 区分为 A-GPS 和 A-GANSS，后者是为了支持 Galileo 和 Glonass 等系统。对于 LTE 网络， 3GPP 的 R9 开始支持 A-GNSS，包括GPS， Galileo， Glonass。 3GPP R12 整体 加入 了 对 BDS 的 支持。 3.3.1. A-GNSS 基本介绍 移动 终端 注册到 无线 通信 网络 上， 通过提供 当前的 小区 信息给 A-GNSS 服务器 ，服务器据此 提供当前区域实时 有效的卫星信息 并 配置给 定位终端， 借助 此 辅助信息， 可以 显著 提高GNSS 定位速度和精度。 上述概念 在 LTE 的网络架构（ 3GPP TS 36.355） 的 示意如 图 1。 5 L o ca t i o n S e r v e r T a r g e t D e v i ce L P P L T E r a d i o si g n a l s ( A ) M e a su r e m e n t s ( A , B o r A + B ) o r L o ca t i o n A ssi st a n ce D a t a MS E - SM L C / SL P G N S S si g n a l s ( B ) GNSS R e f e r e n ce S o u r ce e N o d e B 图 1 LTE 中 LPP 定位架构 图 1 中 E-SMLC 为 Evolved Serving Mobile Location Center。 A-GNSS 定位功能由终端和服务器共同完成，根据定位 实现 主体可以分为基于终端定位（ MS Based）和终端辅助定位（ MS Assisted）两种模式。 前者的位置计算在终端设备完成 ；后者 的 位置 计算 在 定位 服务器完成。 A-GNSS 辅助数据 可以通过 无线通信网络的信令 或者 分组 数据 传输，据此 A-GNSS 又可分为 控制面 (Control Plane)和用户面 (User Plane)。 3.3.1.1. A-GNSS 控制面传输 A-GNSS 控制面 与 通信 网络信令紧密相关 ，比如 GSM 的 RRLP， CDMA 的 TIA.801， WCDMA的 RRC， LTE 的 LPP 等 。 由于通过信令层面在通信网络的相对底层传输， 体现了控制面 A-GNSS的高效 率 和健壮性，特别 针对于 E911 和 E112 之类的紧急定位服务，这种情况下，辅助定位数据通过 控制面 传输高效快捷 ，而且与用户资费 无关 。 然而 随着通信网络的 快速演进 ， 部署控制面的 A-GNSS 是很大的工程挑战，即 由于通信网络的专有性 ， 2G/3G/4G 等 多个 通信网络 和 对应的 终端都需要 改造 ，成本和工作量都 十分巨大 。 于是就有了 A-GNSS 数据在通信网络 承载 层进行传输的用户面 传输模式 。 3.3.1.2. A-GNSS 用户面传输 用户面的 A-GNSS数据 如同 TCP/IP数据一样作为负载进行传输 ，在通信网络的相对上层，对于通信网络兼容性强，工程实施方便。 OMA 组织 主持完成了用户面的 A-GNSS 相关协议规范， 这就是 以 SUPL 协议为核心 的 定位体系架构 。 SUPL从 2005年正式提出 1.0的版本以来， 已经完成了 SUPL1.0、 SUPL2.0、 SUPL3.0等系列的规范 制定和发布 。 3.3.2. A-GNSS 的特点 6 通过 A-GNSS，大大改善了 GNSS 卫星系统的 首次定位时间（ TTFF） 和定位精度， 显著 提高了 卫星定位的 实用性和适用性。 A-GNSS 服务器 通过实时传送当前卫星相关信息，如参考时间，参考位置， 捕获辅助数据 等关键参数， 这样 GNSS 接收机的 首次 搜索 卫星 只需针对特定几个频率、特定 几个卫星 延迟 码、较小的时间窗进行搜索，首次定位时间（ TTFF） 可以在 5-10 秒 内完成 。而 无辅助数据的 GNSS 接收机 即使 在最优的条件下， TTFF 也无法在 30-40 秒内实现 。 借助 A-GNSS 的导航模型以及差分 校正 数据等 辅助信息 ，定位 终端可以在相同的时间内来进行更精细的测量， 从而使接收机 灵敏度得以大幅 提升 。 3.4. DGNSS 除了 A-GNSS 作为 GNSS 扩展技术优化定位时间和提高定位精度外，另外一种 扩展 GNSS系统， 提高定位精度增强 的 技术就是 DGNSS DGNSS 利用一个或者 多个位置已知并配备 GNSS 接收机的 基准站，基准站通过 无线 通信网络给终端用户提供定位 校准 信息，包括：终 端用户原始伪距测量值的校正值，卫星提供的时钟和星历数据的校正值；基准站原始测量值，如伪距和载波相位； 卫星可用的完好性数据 ；卫星辅助数据，包括基准站的位置、健康状况和气象数据 。 通过这些数据 ，可以消除 GNSS 卫星 信号的 无线 传播误差 ， 改善 系统误差，比如 卫星星历误差、时钟误差 ，从而 提高卫星的定位精度，比如提高到 优于 10m 定位精度，授时优 于20ns。 DGNSS 系统的技术分类可以分为码基技术和基于载波 相位 的技术，前者依赖于 GPS 码测量值即伪距，而基于载波的 差分 系统依赖于载波相位测量值。载波相位测量值要比伪距测量值精确的多，但是包含的整数波长分量需要被算出。码基差分可以提供分米级定位精度，而载波相位可以提供到毫米级。 DGNSS 的 高精度也有局限性， 特别是 城市 高楼 区域导致的无线多径干扰等因素， 实践中的 定位 精度 效果 也 不是很理想。 3.5. 惯导 系统 高速 飞行器的稳定性需求 促使仪器仪表的发明和改进，特别是 陀螺仪 ，其应用最 广泛。 目前的惯导系统 主要分为陀螺仪和加速计， 它们是独立的两种 惯导系统 ， 相应的传感器经过 初始 的校准 ，根据自身的算法，应用于 计算 定位。 理论上 惯导 系统 除了初始的校准外，不需要外界的额外的信息，但是 通常 传感器 的 错误会随时间累积，所以惯导 定位 系统都需要 周期性 的 重新校准。 3.6. 融 合定位 实际定位产品中一般都是采用多种 定位技术，协同 发挥 各种 定位 技术 潜力。 通过 融合 多种 定位技术，可以更好的满足 更多场景的 定位需求 和定位精度 ，提高定位产品竞争力 。 一般来说目前的定位芯片方案都采用了 A-GNSS+GNSS+惯导传感器 联合 定位 方式 。A-GNSS 可以提高开机 TTFF，并提高定位 性能 ；通过惯导补偿 GNSS 卫星短期不可见（比如出入隧道），通过 GNSS 信号 辅助 惯导重新校准。 GNSS 定位 一般是指同时支持 GPS、 GLONASS、 BDS 卫星定位系统，这样的 好处 就是可以通过 GNSS 实现定位，提高定位的准确度。同时针对特定场景，可以显著提高卫星可见性。一般说来， 为了实现 单系统 GNSS 定位，终端需要能检测到至少 4 颗或 3 颗（当使用高度辅助数据时） GNSS 卫星的信号，但在浅度室内、城市峡谷、高架桥下等环境中终端可能看不见足够的卫星。随着 GLONASS、 BDS、 GALILEO 等其 它卫星系统可用性的提高 ， 由于不同卫星