移動定位技術(shù)的過去、現(xiàn)在和未來

高歆雅，楊 恒，張志榮

（中國電信股份有限公司北京研究院 北京100035）

1 位置服務(wù)簡介

從第一次美國開放GPS給公眾使用以來，短短20年間，伴隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，位置服務(wù)（location based service，LBS）已經(jīng)開始默默滲透到生活的一點(diǎn)一滴中。試想5年前，還不能想象迷路的時候不是打電話給朋友而是直接打開手機(jī)，也不能想象用手機(jī)就能查到附近的美食，更不能想象“搖一搖”手機(jī)就能找到志同道合的朋友。而今天，這一切不過是日常生活中的一種新的習(xí)慣?；ヂ?lián)網(wǎng)和位置服務(wù)的發(fā)展，讓這一切成為了可能。

所謂位置服務(wù)，就是利用定位技術(shù)確定移動設(shè)備的位置，并根據(jù)此位置信息提供相關(guān)應(yīng)用的增值服務(wù)。位置服務(wù)發(fā)展的最早期可以追溯至GPS在軍事、航空、航海上的專業(yè)性應(yīng)用，協(xié)助專業(yè)人員在航行上精確確定其位置，進(jìn)行導(dǎo)航。

隨著定位技術(shù)以及地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）技術(shù)的發(fā)展，位置服務(wù)在過去10年，經(jīng)歷了快速的發(fā)展?，F(xiàn)在用戶可通過手機(jī)、PDA、車載導(dǎo)航設(shè)備等快速查詢自己所在的位置，并透過電子地圖等展現(xiàn)途徑，體驗(yàn)位置的增值服務(wù)，包括個人導(dǎo)航、應(yīng)急救援、人身安全追蹤、車隊(duì)管理、物流監(jiān)控等，應(yīng)用層面非常廣泛。

位置服務(wù)按照其定位的目標(biāo)，可以分為人、動物、車輛、貨物等；按照行業(yè)分析，可分為安全、信息、導(dǎo)航、追蹤、生活、商業(yè)共六大類型，見表1。

表1 位置服務(wù)的類型及應(yīng)用案例

2 定位技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

自1996年美國FCC（U.S.Federal Communications Commission）提出E911法令，強(qiáng)制要求美國境內(nèi)的移動電話運(yùn)營商提供緊急救援的定位服務(wù)至今[1]，LBS的發(fā)展與日劇新。移動互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，讓業(yè)內(nèi)對LBS應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿Ω涌春?。對于眾多的?yīng)用來說，精確而可信任的定位信息是不可缺少的服務(wù)基礎(chǔ)。目前移動終端主要應(yīng)用的定位技術(shù)要包括3方面：GPS定位、基站定位和Wi-Fi定位能力。

2.1 GPS定位技術(shù)

GPS定位技術(shù)能夠使得使用者在全球各個地區(qū)、各種天氣條件下，獲得準(zhǔn)確的位置信息、速度及時間信息。由于持續(xù)不斷對GPS設(shè)備、生產(chǎn)方式的改進(jìn)，設(shè)備的成本已經(jīng)大大降低，使得GPS芯片已經(jīng)成為智能手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置之一。A-GPS示意如圖1所示[2]。

圖1 A-GPS示意

和傳統(tǒng)GPS導(dǎo)航儀不同，手機(jī)中的定位技術(shù)普遍引入了A-GPS技術(shù)。A-GPS將原有GPS終端的完整功能中的一部分改為由遠(yuǎn)程的GPS本地服務(wù)設(shè)備提供。這些遠(yuǎn)程設(shè)備提供給移動終端的內(nèi)容主要包括了衛(wèi)星的軌道信息、時鐘信息、最初的位置以及時間預(yù)計，衛(wèi)星選擇、范圍，甚至于位置計算等。而移動終端只需要一個非?；A(chǔ)的GPS信號接收芯片，用來獲得和衛(wèi)星的偽時差，并通過網(wǎng)絡(luò)將該信息傳送到服務(wù)器，即可完成定位[3]。有了A-GPS技術(shù)，移動終端無需再對每個衛(wèi)星傳送的GPS信息進(jìn)行解析，也無需再進(jìn)行視線范圍內(nèi)的衛(wèi)星搜索等復(fù)雜的內(nèi)容，因此大大節(jié)省了終端電池的能量消耗，并且可以縮短第一次定位時間。由于FCC要求設(shè)備必須支持67%以上的緊急電話定位誤差小于100 m，95%以上小于300 m[1]，所以大部分的運(yùn)營商也選擇了支持A-GPS能力，很多移動設(shè)備制造商也將A-GPS納入基礎(chǔ)能力之一。

盡管GPS（包括A-GPS）有自己的優(yōu)勢，然而其劣勢也是不能被忽略的。由于在城市中，視野中可視的衛(wèi)星有限，不論是GPS還是A-GPS，在高密度的城市區(qū)域定位能力都受到限制，且都幾乎無法在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，甚至無法實(shí)現(xiàn)定位能力。這導(dǎo)致GPS和A-GPS定位能力對于大部分時間在城市中的很多手機(jī)使用者是不可用的。

為了解決GPS的城市內(nèi)定位的問題，一部分手機(jī)廠商選擇采用了HSGPS（high sensitive GPS）芯片作為解決方案。HSGPS通過復(fù)雜的糾錯和計算，可以在極度微弱的GPS信號條件下完成定位。HSGPS盡管可以實(shí)現(xiàn)較好的定位成功率，但在室內(nèi)等條件下，其準(zhǔn)確度和首次定位時長都較理想情況要差得多，同時，即便是HSGPS也無法保證室內(nèi)的定位成功率，尤其在金屬較多的建筑物中，有時在建筑物的內(nèi)部幾乎是無法使用的[4]。

2.2 基站定位技術(shù)

基站定位技術(shù)是GPS的有效補(bǔ)充，也是基本上全球運(yùn)營商都可以支持的定位技術(shù)能力。

目前，面向公眾用戶的移動通信系統(tǒng)（如CDMA/GSM）是按照蜂窩網(wǎng)絡(luò)形式組織的，整個網(wǎng)絡(luò)被劃分成一個個的區(qū)域，每個基站的無線信號覆蓋一個區(qū)域。當(dāng)終端連接至一個基站上并通過這個基站進(jìn)行通信時，說明這個終端在這個基站的覆蓋范圍之內(nèi)。剛開始，cell ID定位技術(shù)是用來確定用戶從一個區(qū)域移動到另一個蜂窩的覆蓋區(qū)域時，基于用戶終端和網(wǎng)絡(luò)的雙向通信來確定用戶的位置。當(dāng)用戶檢測到該區(qū)域最強(qiáng)基站信號，并接入該基站時，即可認(rèn)為該用戶在該基站的覆蓋范圍內(nèi)[5]。由于cell ID技術(shù)的簡單、反應(yīng)時間短以及擴(kuò)展性好，可以支持大量用戶，終端只需要獲知它所連接的cell的信息，就可以獲得位置信息等眾多優(yōu)點(diǎn)，基站定位技術(shù)被大量支持。盡管cell ID有定位快速的優(yōu)勢，但由于相較于GPS和接下來提到的Wi-Fi定位的精度，cell ID定位精度較低，因而不是很令人滿意。

目前，基站定位除了cell ID方式，也有采用信號強(qiáng)度（RSSI）、信號到達(dá)時間差（time difference of arrival，TDoA)、信號到達(dá)角度（angle of arrival，AoA）技術(shù)進(jìn)行定位計算，針對基站定位技術(shù)的這些增強(qiáng)性技術(shù)被統(tǒng)稱為ECID（enhanced cell ID）[6]。但是這幾種ECID方式也會受到其他影響，比如信號強(qiáng)度和時差都會受到多徑、建筑物的阻擋衰減等影響，精度雖有提高，但并不十分理想。另外TDoA技術(shù)主要用于用戶可以接收到多于1個基站的情況，接收到基站的數(shù)量多少及時間測試的準(zhǔn)確性將會大大影響其定位精度。AoA和基站指紋也有部分移動運(yùn)營商在使用，然而，并沒有運(yùn)營商大規(guī)模的采用。

由于基站定位的精度極大地依賴于基站的密度，在城市中基站定位可以達(dá)到的最好的精度為100～200 m，在郊區(qū)可能會變成1 km以上。由于cell ID的低精確性，位置服務(wù)運(yùn)營商也在思考更多的方式來彌補(bǔ)現(xiàn)有兩種主流定位技術(shù)的不足。

2.3 Wi-Fi定位技術(shù)

為了解決GPS和基站的定位精度、穩(wěn)定性問題，定位技術(shù)提供商和學(xué)術(shù)界提出了多種輔助定位的方式，包括網(wǎng)絡(luò)信號、Wi-Fi、藍(lán)牙、紅外、超聲波等。由于其支持包括室內(nèi)、城市密集建筑群等GPS無法提供服務(wù)的多種定位區(qū)域，Wi-Fi定位方式已經(jīng)被Google、Apple等系統(tǒng)及設(shè)備制造商所采用，使得Wi-Fi在短時間內(nèi)就成為了主流的定位技術(shù)中的一種。

Wi-Fi定位技術(shù)主要是使用Wi-Fi的熱點(diǎn)信號（AP）來推測用戶的位置。由于城市中熱點(diǎn)的不斷增多，而這些裝在家中、學(xué)校、商場、商店、圖書館等建筑中的熱點(diǎn)，都會按照IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)，向周圍接近100 m范圍內(nèi)的各個方向廣播自己的AP信息。尤其在城市中心區(qū)域，由于在某一點(diǎn)能收到大量的AP廣播信號，通過比較這些信號的特征，就可以快速地計算得到設(shè)備的位置[7]。不論是屬于私人的還是作為公共設(shè)施而布設(shè)的AP，都能夠?yàn)閃i-Fi定位所用。在室內(nèi)，理論上Wi-Fi能夠提供非常好的定位效果。因而，在這些AP熱點(diǎn)覆蓋完全的地方，Wi-Fi定位的優(yōu)勢能夠得到最大的發(fā)揮。而相對于基站定位，這些優(yōu)勢讓W(xué)i-Fi定位成為GPS更加有效的補(bǔ)充手段。

Wi-Fi定位需要綜合地理信息技術(shù)、統(tǒng)計技術(shù)、指紋技術(shù)和特定的濾波技術(shù)。Wi-Fi指紋定位也可以被稱為一種特定的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。Wi-Fi指紋定位不需要接入任何AP，僅僅需要獲取該位置空中廣播的Wi-Fi信號及信號強(qiáng)度，就可以實(shí)現(xiàn)定位，即便是非常微弱的或者加密的AP信號，也可以被指紋定位所使用[8]。盡管該定位技術(shù)的最初提出是為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位，但現(xiàn)在已經(jīng)被大量地用于室外定位技術(shù)。

目前提供Wi-Fi定位服務(wù)的廠商，包括為蘋果提供服務(wù) 的Skyhook Wireless以 及Google、Navizon、WeFi和Place Engine。這些服務(wù)提供商不出意外地基本上都使用了指紋技術(shù)，即通過用戶手機(jī)的Wi-Fi芯片手機(jī)周圍的AP信號，和自有的定位數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較通過相似性獲取定位結(jié)果。很大一部分Wi-Fi定位服務(wù)提供商是通過用戶的主動上傳來豐富自己的定位數(shù)據(jù)庫的。

另外一個問題是，盡管大部分Wi-Fi定位服務(wù)商提出可以支持全球定位，但由于對用戶數(shù)量及用戶上傳信息的依賴較高，基本上除了Google和Skyhook外，其他的位置服務(wù)提供商呈現(xiàn)自成一隅的狀態(tài)，比如，Place Engine主要在日本提供服務(wù)。正如Place Engine[7]提出的，由于各地區(qū)的無線環(huán)境不同，且變化較快，確定Wi-Fi位置服務(wù)的精度是一件非常困難的事情。比如Skyhook、Navizon等公司，都聲稱自己能夠提供的精度為20～40 m，然而這幾家公司卻都并沒有提供更詳細(xì)的測試數(shù)據(jù)或報告支持自己的測試結(jié)果。

3 定位技術(shù)的新發(fā)展及未來的挑戰(zhàn)

3.1 定位技術(shù)的新發(fā)展

定位精度和覆蓋的發(fā)展是建設(shè)更好的位置信息服務(wù)、給用戶提供更好的位置信息服務(wù)能力的關(guān)鍵。目前，提高定位精度的方式，主要包括混合定位和新技術(shù)定位兩大類。

混合定位主要是基于已有的3種主流技術(shù)，通過一種和其他幾種信號的配合，實(shí)現(xiàn)定位精度和穩(wěn)定性的提高?；旌隙ㄎ恢饕ǘㄎ患夹g(shù)的混合和定位信號的混合。

定位技術(shù)的混合是針對已有的3種主流技術(shù)，針對用戶使用環(huán)境，選擇最合適的定位方式。目前，Apple、Google的混合定位主要采用的這種方式，而這種定位技術(shù)的混合也基本上有了較為統(tǒng)一的方式。由于研究和應(yīng)用普遍認(rèn)同，A-GPS的精度為10 m，Wi-Fi定位精度為30 m，而基站定位精度約為500 m，因而終端會先嘗試獲取AGPS或GPS信息，如果無法獲取，則改為Wi-Fi定位方式，如果無法檢測周圍的Wi-Fi則后退至基站定位。

定位信號的混合是另一個新的優(yōu)化發(fā)展方向，即混合定 位 系 統(tǒng)（Hybrid positioning system，HPS或XPS），通 過 混合衛(wèi)星信號、基站信號及Wi-Fi信號，獲得更優(yōu)越的定位結(jié)果[8]。Skyhook日前聲稱可以僅利用兩顆衛(wèi)星及輔助的基站和Wi-Fi實(shí)現(xiàn)定位能力，然而信號的混合技術(shù)方案并未公開[9]。

另一部分發(fā)展方向來自于采用新的通信技術(shù)用于定位，如藍(lán)牙、紅外、超聲波甚至磁場定位技術(shù)，如Nokia在2012年8月和高通、索尼、三星達(dá)成協(xié)議，組成室內(nèi)定位聯(lián)盟，主推Wi-Fi定位和HAIP（high accuracy indoor positioning）協(xié)議。目前HAIP協(xié)議已經(jīng)作為藍(lán)牙4.0的增強(qiáng)協(xié)議，得到了藍(lán)牙聯(lián)盟的支持，Nokia預(yù)計整體計算方案和標(biāo)準(zhǔn)將在18個月內(nèi)完成[10]。HAIP方案主要是通過利用在特定場所安裝Nokia的HAIP發(fā)射臺，發(fā)射藍(lán)牙信號，通過近場通信進(jìn)行定位。和一般的藍(lán)牙設(shè)備不同，HAIP發(fā)射臺可以提供100 m的信號覆蓋，除去計算信號的強(qiáng)度衰減外，信號臺也可以提供接收到的角度，從而給出更精確的定位結(jié)果。該設(shè)備支持由發(fā)射臺發(fā)起的定位和由移動設(shè)備發(fā)起的定位。根據(jù)安裝設(shè)備的多少，能夠?qū)崿F(xiàn)精度在30 cm～100 m的定位。多個HAIP發(fā)射臺可以解決3D定位，也可以提高定位精度和穩(wěn)定度。

3.2 定位技術(shù)未來的挑戰(zhàn)

（1）定位技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)推進(jìn)

盡管GPS和基站定位已經(jīng)有相當(dāng)長時間的發(fā)展，然而其他的定位技術(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)化仍然不足，包括位置服務(wù)的具體展現(xiàn)手段也缺乏標(biāo)準(zhǔn)。盡管Nokia、Wi-Fi和RFID的各個廠商都在積極地建設(shè)自有的標(biāo)準(zhǔn)，但國際上包括Wi-Fi、藍(lán)牙在內(nèi)的定位標(biāo)準(zhǔn),仍然沒有像cell ID定位那樣受到絕大多數(shù)服務(wù)提供商支持的標(biāo)準(zhǔn)。由于標(biāo)準(zhǔn)的參差不齊，很難實(shí)現(xiàn)不同定位算法之間的共通，對于應(yīng)用而言，需要支持多種多樣不同的定位方式，也需要花費(fèi)額外的能耗。如何盡快推進(jìn)新近定位算法的標(biāo)準(zhǔn)化是近來定位需要解決的首要問題。

（2）定位算法精確性和穩(wěn)定性

目前的各種定位技術(shù)，其實(shí)也可以算作一種位置傳感技術(shù)。而位置傳感技術(shù)相對于傳統(tǒng)感應(yīng)設(shè)備而言，不論是GPS、Wi-Fi、基站或者藍(lán)牙、傳感器，相對于如鼠標(biāo)、鍵盤等其他多種技術(shù)，位置傳感器的各項(xiàng)性能都不能稱為優(yōu)秀。位置傳感器的覆蓋范圍、準(zhǔn)確性以及空間和時間的穩(wěn)定性都有差距，也意味著還有巨大的發(fā)展空間，這也是近幾年，不論是企業(yè)界還是學(xué)術(shù)界都對定位技術(shù)投入巨大的精力和財力的重要原因。伴隨著產(chǎn)品和技術(shù)的更新，Wi-Fi、基站的定位算法都還有巨大的優(yōu)化空間。另外一方面，精確性和穩(wěn)定性也會極大地影響LBS應(yīng)用的用戶體驗(yàn)，因而對于定位算法的精確性和穩(wěn)定性的提高是未來發(fā)展的重中之重。

（3）設(shè)備一致性

由于定位技術(shù)種類繁多，同時，由于用戶或應(yīng)用選擇的定位方式的不同，可能涉及包括帶有各種傳感器的移動終端、網(wǎng)絡(luò)和與傳感器配套的各種設(shè)備。接入的設(shè)備除了傳統(tǒng)的手機(jī)，也包括了Pad、PDA、Tablet等移動設(shè)備以及接入物聯(lián)網(wǎng)的各種家用、公用設(shè)備等，如電冰箱、空調(diào)等，不同的設(shè)備具有不一樣的設(shè)備特性，即便使用同樣的定位方式，定位結(jié)果也會非常不同。如何使得不同設(shè)備的一致性問題對定位精度和穩(wěn)定性影響最小，是未來需要關(guān)注的另一個重要領(lǐng)域。

（4）隱私問題

2010年Google定位的隱私問題被曝光以來[11]，定位技術(shù)和用戶隱私保護(hù)的問題也變成了定位技術(shù)研究中不可忽視的一方面，是最近定位技術(shù)中不可回避的話題。由于定位技術(shù)的發(fā)展，移動終端可能實(shí)現(xiàn)100 m以內(nèi)精度的定位和存儲。如果沒有足夠的監(jiān)管或者被濫用，可能會造成極大危害。用戶隱私保護(hù)不僅僅涉及技術(shù)層次，更包括了用戶的社會習(xí)慣甚至法律問題。隱私保護(hù)除了如何適當(dāng)?shù)剡x擇定位算法保護(hù)用戶的定位信息不被過多地分享外，還包括如何保存用戶的定位信息，如何在位置應(yīng)用中讓用戶了解位置信息分享的益處和可能帶來的風(fēng)險。因而，對于定位技術(shù)提供商以及位置服務(wù)開發(fā)者而言，了解隱私可能造成的危害是重要的一點(diǎn)。對于運(yùn)營商而言，保護(hù)用戶的位置服務(wù)信息不被第三方獲得，也是重要的關(guān)注點(diǎn),是位置服務(wù)順利發(fā)展的關(guān)鍵。然而，慶幸的是，2012年的一份報告指出，在大多情況下，用戶對使用定位技術(shù)是抱有積極態(tài)度的，并不會過分擔(dān)心隱私問題。僅有2.75%的人表示會對位置服務(wù)使用定位技術(shù)而暴露自己的隱私表示非常擔(dān)心[12]。

1 Federal Communications Commission.Fact Sheet:FCC Wireless 911 Requiremeut.http://transition.fcc.gov/pshs/services/911-services/enhanced 911/archives/factsheet-requirements_012001.pdf,2011

2 Oficinadanet.http://www.oficinadanet.com.br/artigo/1185/o_que_e_a-gps

3 林佳譽(yù)，吳介騫.GPS輔助室內(nèi)定位技術(shù)之研究.高雄第一科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010

4 Gao G J,Lachapelle G.A novel architecture for ultra-tight HSGPS-INS integration.Journal of Global Positioning Systems,2008,7(1):46～61

5 陶海峰，張宗橙.3G系統(tǒng)中定位業(yè)務(wù)的分析.數(shù)據(jù)通信，2004（3）

6 鄧耀宇,鄧中亮.一種融合時延差與場強(qiáng)的無線定位算法.http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201201-55，2012-01-04

7 李麗，周彥偉，吳振強(qiáng).無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)研究.計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2011,21(10)

8 http://www.placeengine.com/

9 http://www.skyhookwireless.com/howitworks/

10 Accurate mobile indoor positioning industry alliance,called In-Location,to promote deployment of location-based indoor services and solutions.http://press.nokia.com/2012/08/23/accurate-mobileindoor-positioning-industry-alliance-called-in-location-to-promotedeployment-of-location-based-indoor-services-and-solutions/,2012

11 http://support.google.com/accounts/bin/answer.py?hl=cn&answer=112783

12 Barkhuus L,Dey A.Location-based services for mobile telephony:a study of users’privacy concerns.Proceedings of Interact,Zurich,Switzerland,2003:709～712