無處不在的定位技術(shù)

邱元陽

● 位置識別，由來已久

從《東周列國志》記載的“烽火戲諸侯”典故來看，至少早在周朝，我國就已經(jīng)有了用“烽火臺”來遠(yuǎn)距離定位和傳輸信息的先例。到現(xiàn)代，信號彈的使用仍然是與烽火臺同樣的原理，靠火光來傳遞位置信息或其他約定信息。

時(shí)至今日，位置識別對于現(xiàn)代人來說日益重要，從導(dǎo)航到查詢，從偵察到搜救，應(yīng)用范圍越來越廣，各種定位方法層出不窮，如生命探測儀、雷達(dá)、聲納、陀螺儀、GPS、IP定位、WiFi定位等，不一而足。

最初的位置識別，一般是單向的，用于識別對方的位置，或自己的位置，后來逐漸有了雙向識別的需求，不僅需要知道自己在哪里，還需要讓別人知道自己在哪里。

1993年一位美國女孩被綁架殺害的案件，直接催生了美國的E911法案，要求電信運(yùn)營商無論何時(shí)何地都能追蹤到用戶位置。E911法案促使運(yùn)營商投入大量資金和技術(shù)力量研究定位技術(shù)，并擴(kuò)大了位置服務(wù)的市場。

得益于E911法案的實(shí)施，GPS開始在民間的各領(lǐng)域大力發(fā)展，定位功能也成為移動終端的標(biāo)準(zhǔn)配置。如今的位置服務(wù)已經(jīng)在手機(jī)等智能終端上充分發(fā)揮作用，如蘋果手機(jī)的防盜功能（被盜后換卡開機(jī)會導(dǎo)致發(fā)出一條信息至預(yù)設(shè)郵箱，告知手機(jī)當(dāng)前物理位置和使用者的手機(jī)號碼），微信搖一搖中的“附近的人”，移動夢網(wǎng)下的“找朋友”，手機(jī)QQ中的“我的位置”，等等。

● 網(wǎng)絡(luò)規(guī)則，自覺遵守

在一些科幻影片中，經(jīng)常有黑客利用IP地址來找到某人物理位置的描述，而在現(xiàn)實(shí)生活中，我們也會遇到網(wǎng)絡(luò)上某人可以明確知道我們身處何方的情形。這都是利用了IP定位。

互聯(lián)網(wǎng)是基于TCP/IP協(xié)議的廣域網(wǎng)，在這一網(wǎng)絡(luò)中，我們的身份就簡化成了一個IP地址。TCP/IP協(xié)議規(guī)定了IP地址不能重復(fù)，也就是說，IP地址是相對唯一的，這就為利用IP地址進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)定位提供了可能。

我們知道，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中真正具有唯一性且不可更改的是設(shè)備的MAC地址，而IP地址雖然唯一，卻有可能發(fā)生改變，因而利用IP地址進(jìn)行定位可能會不準(zhǔn)確。

在一些顯IP版QQ中，或者能顯示IP地址的論壇中，我們都能發(fā)現(xiàn)指示我們位置的IP地址對應(yīng)的地理位置常常并不正確。一方面，可能是因?yàn)镮P地址發(fā)生變動的結(jié)果；另一方面，這種地理位置的顯示，是依賴于IP地址庫來進(jìn)行的，IP地址庫錯誤或者沒有更新，都會導(dǎo)致指示不正確。而對于網(wǎng)絡(luò)高手而言，利用代理來偽裝IP地址更是輕而易舉。

不過，相對而言，企事業(yè)單位、賓館、酒店、網(wǎng)吧以及其他一些營業(yè)性場所，其IP地址一般都是固定的（內(nèi)網(wǎng)保留地址會由NAT轉(zhuǎn)換為合法的固定外網(wǎng)地址），網(wǎng)絡(luò)定位相當(dāng)容易。而對于撥號上網(wǎng)的家庭用戶而言，IP地址是動態(tài)獲取的，每次撥號都不一樣，這就給網(wǎng)絡(luò)定位造成了一定困難。但是，因?yàn)榧彝ビ脩羯暾埳暇W(wǎng)的ISP局端相對固定，獲得的IP地址范圍都是可以查到的，因此仍然可以大致定位ADSL用戶的IP地址，如果再結(jié)合MAC地址記錄，就可以準(zhǔn)確確定當(dāng)時(shí)IP地址是分配給哪臺電腦了。

根據(jù)公安部82號令的要求，各聯(lián)網(wǎng)單位都要記錄并留存用戶訪問的互聯(lián)網(wǎng)地址或域名，在公共信息服務(wù)中發(fā)現(xiàn)、停止傳輸違法信息，并保留相關(guān)記錄，能夠記錄并留存發(fā)布的信息內(nèi)容及發(fā)布時(shí)間，這些功能一般都在認(rèn)證設(shè)備中完成，必要時(shí)可以查閱。因此在上網(wǎng)過程中，我們要自覺遵守網(wǎng)絡(luò)規(guī)則，規(guī)范自己的言行，不要因?yàn)槭窃诰W(wǎng)絡(luò)上沒有人認(rèn)識自己就恣意妄為或做出違法的事情。

● 天網(wǎng)恢恢，疏而不漏

IP定位有很大的局限，不夠準(zhǔn)確也不夠精確，還可能被利用代理等方法進(jìn)行IP欺騙。而GPS定準(zhǔn)就真實(shí)且精確很多，因而能夠在此基礎(chǔ)上進(jìn)行導(dǎo)航和搜救等工作。不僅是車載導(dǎo)航，很多手機(jī)也帶有GPS模塊。

GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）起始于1958年美國軍方的一個項(xiàng)目，1964年投入使用。20世紀(jì)70年代，美國陸?？杖娐?lián)合研制了新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS，并于1978年發(fā)射了第一顆GPS衛(wèi)星。到1994年，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座已布設(shè)完成，織成了一個“天網(wǎng)”，真可謂“天網(wǎng)恢恢，疏而不漏”。

GPS可以提供車輛定位、防盜、反劫、行駛路線監(jiān)控及呼叫指揮等功能。要實(shí)現(xiàn)以上所有功能必須具備GPS終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控平臺三個要素。

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)是以全球24顆定位人造衛(wèi)星為基礎(chǔ)，向全球各地全天候地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。它由三部分構(gòu)成，一是地面控制部分，由主控站、地面天線、監(jiān)測站及通訊輔助系統(tǒng)組成；二是空間部分，由24顆衛(wèi)星組成，21顆工作星和3顆備用星工作在互成60度的6條軌道上；三是用戶裝置部分，由GPS接收機(jī)和衛(wèi)星天線組成。

增加4顆備用衛(wèi)星后，目前GPS衛(wèi)星有28顆（如圖1），距離地面約20000千米，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單機(jī)導(dǎo)航精度約為10米，綜合定位的話，精度可達(dá)厘米級和毫米級。但民用領(lǐng)域開放的精度約為10米。

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過記錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到。當(dāng)用戶接收到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘作對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。

可見GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文，利用原子鐘計(jì)時(shí)系統(tǒng)，以偽隨機(jī)碼（PRN）為基礎(chǔ)傳播衛(wèi)星測距信號。然而，由于用戶接收機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)X、Y、Z外，還要引進(jìn)一個Δt即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號（如圖2）。endprint

由于GPS技術(shù)所具有的全天候、高精度和自動測量的特點(diǎn)，作為先進(jìn)的測量手段和新的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入到國民經(jīng)濟(jì)、國防建設(shè)和社會發(fā)展的各個應(yīng)用領(lǐng)域，在汽車導(dǎo)航、交通管理、工程勘測、電子巡更、人員搜救等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

目前在全球范圍內(nèi)普遍使用的有四大導(dǎo)航系統(tǒng)：①美國全球定位系統(tǒng)（GPS）。由24顆衛(wèi)星組成，精度約10米，軍民兩用。②俄羅斯“格洛納斯”系統(tǒng)。由24顆衛(wèi)星組成，精度10米左右，軍民兩用。③歐洲“伽利略”系統(tǒng)。由30顆衛(wèi)星組成，定位誤差不超過1米，主要為民用。④中國“北斗”系統(tǒng)。由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成?！氨倍芬惶枴本_度在10米之內(nèi)，而“北斗二號”可以精確到“厘米”之內(nèi)。

2012年10月25日23時(shí)33分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號丙”火箭，成功將第16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。這是我國二代北斗導(dǎo)航工程的最后一顆衛(wèi)星，這是長征系列運(yùn)載火箭的第170次發(fā)射。至此，我國北斗導(dǎo)航工程區(qū)域組網(wǎng)順利完成。

● 快速精確，基站輔助

如果我們從本地來到另一個城市，手機(jī)上常常會收到一條短信，是當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商熱情的歡迎詞。為什么它能夠知道我們到了什么地方？這就是基站定位技術(shù)。

移動通信運(yùn)營商的通訊基站遍布城鄉(xiāng)，形成一個龐大的網(wǎng)絡(luò)，幾乎覆蓋了每一個可以使用手機(jī)的角落。因?yàn)槭謾C(jī)是通過基站發(fā)射的無線信號進(jìn)行通訊的，因而也就可以通過基站來快速定位手機(jī)的位置，即移動位置服務(wù)（Location Based Service，簡稱LBS）。

利用基站來確定位置的計(jì)算方法主要有兩種：到達(dá)角原理和到達(dá)時(shí)間原理。

1.到達(dá)角原理（AOA，Angle of Arrival）

通過幾個基站信號到達(dá)終端的夾角，根據(jù)三角公式（如圖3），來計(jì)算移動終端的位置。

2.到達(dá)時(shí)間原理（TDOA，Time Difference of Arrival）

通過幾個基站信號到達(dá)終端的時(shí)間，來計(jì)算各終端和基站間的距離，從而確定終端位置（如圖4）。

在實(shí)際應(yīng)用中，有可能將多種定位原理相結(jié)合，如移動運(yùn)營商經(jīng)常使用的“扇區(qū)定位”技術(shù)，就是通過測量終端收到的基站扇區(qū)前向鏈路的時(shí)延或信號強(qiáng)度來估算距離，再在基站位置數(shù)據(jù)的輔助下確定終端位置，綜合了位置標(biāo)記和到達(dá)時(shí)間原理。

當(dāng)然，除了扇區(qū)定位，移動運(yùn)營商也可以采用信令監(jiān)測技術(shù)來進(jìn)行定位，如前面提到的漫游歡迎短信，以及小區(qū)短信（向特定區(qū)域范圍內(nèi)的手機(jī)終端發(fā)送短信）等。通過網(wǎng)絡(luò)中部署的信令檢測儀，監(jiān)控相關(guān)指令，運(yùn)營商就能得到特定區(qū)域內(nèi)手機(jī)的TMSI（臨時(shí)識別碼）、MSISDN（移動臺識別號碼，即手機(jī)號），再通過短信網(wǎng)關(guān)發(fā)送短信。這些定位技術(shù)都依賴于基站。

基站定位的精確度約為50～500米，這取決于基站的密度和小區(qū)切換閥值，偏僻地區(qū)的誤差可能會超過一公里。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）要求定位精度在50米以內(nèi)的概率為67%，定位精度在150米以內(nèi)的概率為95%。在偵察技術(shù)中，即常常用基站定位來確定嫌疑人的大致位置以及移動方向。

基站定位雖不夠精確，但可以利用它的快速反應(yīng)和傳輸帶寬來輔助GPS定位，提高GPS定位的效率，這就是基站輔助定位，如A-GPS（Assisted GPS，即輔助GPS技術(shù)）、gpsOne等。

對于衛(wèi)星定位來說，如果移動終端處于室內(nèi)大型建筑物之間，可見衛(wèi)星較少，則定位精度會降低或根本無法完成定位。這時(shí)也可以利用移動通訊的基站進(jìn)行輔助定位。A-GPS的室內(nèi)定位精度約為500米。

根據(jù)GPS接收機(jī)的工作原理，初次接收完整的導(dǎo)航電文需要12.5分鐘，然后才開始計(jì)算終端位置，定位時(shí)延較長。如果利用基站輔助數(shù)據(jù)傳輸，幾秒鐘內(nèi)就能完成導(dǎo)航電文的傳遞，大大優(yōu)化了GPS的定位效率。

此外，星歷有效期（4小時(shí)）、靈敏度、初次定位時(shí)間等GPS的局限都能在基站輔助定位的條件下得以優(yōu)化和改進(jìn)。在A-GPS下，通過移動通訊網(wǎng)絡(luò)，輔助GPS服務(wù)器可將GPS定位計(jì)算所需要的參考位置、時(shí)鐘、星歷、可見星、多普勒頻偏等信息傳遞給GPS接收機(jī)，輔助時(shí)間同步、頻率同步、編碼相位等信息，大大縮短計(jì)算時(shí)間，達(dá)到快速、準(zhǔn)確定位的效果，室外定位精度可以達(dá)到15米（如圖5）。

不過，由于A-GPS技術(shù)需要建設(shè)輔助GPS服務(wù)器，會增加運(yùn)營商的運(yùn)維成本，因而A-GPS在數(shù)據(jù)傳輸階段產(chǎn)生的流量費(fèi)用是收費(fèi)的，在沒有流量包月的情況下要謹(jǐn)慎使用。

● WiFi定位，逐漸成熟

WiFi是無線局域網(wǎng)（WLAN）的一種應(yīng)用方式，基于IEEE 802.11協(xié)議，根據(jù)所支持的協(xié)議版本，又有IEEE 802.11a/b/g/n之分，其覆蓋范圍一般在90米以內(nèi)（室內(nèi)30米，室外300米）。

由于WiFi內(nèi)的終端都是可移動的，就無法通過IP地址來進(jìn)行定位，相比較而言就比有線網(wǎng)絡(luò)中的終端定位困難得多。

在接收到的WiFi信號中，包含了MAC地址、SSID、RSSI等信息，再根據(jù)一定的算法原理，如位置標(biāo)記（Location Signature），就可以將終端位置估算精確到100米甚至10米左右。

WiFi定位的算法，有中心點(diǎn)法、加權(quán)中心點(diǎn)法、AP-ID法等，這些算法簡單易行，但精度不很高。如果再結(jié)合電磁學(xué)原理，根據(jù)信號強(qiáng)度和衰減過程，利用三角定位和指紋算法，可能會使WiFi定位的精度達(dá)到5米左右。

即便是無法確定WiFi中的移動終端，只要它所連接的無線AP的物理位置是固定的，就仍然可以根據(jù)AP的無線覆蓋范圍來定位終端的大致位置。

隨著新技術(shù)的發(fā)展，ZigBee、藍(lán)牙和射頻識別技術(shù)開始在無線定位中運(yùn)用，使得這一定位方法逐漸走向成熟，并在混合定位中發(fā)揮作用。

● 傳感定位，有待研究

在蘋果的引領(lǐng)下，移動終端中加入了很多傳感器，如重力傳感器、移動傳感器、方向傳感器、光線感應(yīng)器、距離感應(yīng)器、三軸陀螺儀、電子羅盤等，這些傳感器極大地豐富了手機(jī)的功能和應(yīng)用，也使得手機(jī)定位有了新的突破可能。

在一些公共廁所的自動沖水裝置中，就應(yīng)用了距離傳感器，可以感知人體的靠近，而手機(jī)中同樣可以用來檢測人臉靠近從而鎖定屏幕，避免靈敏的觸屏動作形成誤操作。自動門也使用了接近傳感器，紅外線、超聲波都可以作為實(shí)現(xiàn)原理。屏幕翻轉(zhuǎn)和體感游戲以及空中飛鼠則利用了重力傳感器，可以感知智能終端的位置變化。

聲納和雷達(dá)系統(tǒng)，也應(yīng)用了傳感定位，就連私家車中的反雷達(dá)設(shè)備——電子狗，也是一種傳感器。

在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，更是充分利用了傳感器的功能，如利用加速度傳感器計(jì)算終端的移動速度，利用陀螺儀判斷終端的運(yùn)動姿態(tài)，再根據(jù)前面的定位數(shù)據(jù)得到終端的連續(xù)位置，進(jìn)而判斷終端的前進(jìn)方向和速度。

如果缺少外來糾正信息，傳感器定位的誤差累計(jì)可能會越來越大，直到?jīng)]有利用價(jià)值。如何進(jìn)一步減小誤差，提高精度，擴(kuò)大探測范圍，直至可以獨(dú)立進(jìn)行傳感器定位，還有很長的研究道路要走。

定位技術(shù)的發(fā)展為人類的科技生活掀開了新的篇章，無處不在的定位技術(shù)也正無處不在地為我們服務(wù)。endprint