移动定位技术的过去、现在和未来

高歆雅，杨 恒，张志荣

（中国电信股份有限公司北京研究院 北京100035）

1 位置服务简介

从第一次美国开放GPS给公众使用以来，短短20年间，伴随着互联网和移动互联网的发展，位置服务（location based service，LBS）已经开始默默渗透到生活的一点一滴中。试想5年前，还不能想象迷路的时候不是打电话给朋友而是直接打开手机，也不能想象用手机就能查到附近的美食，更不能想象“摇一摇”手机就能找到志同道合的朋友。而今天，这一切不过是日常生活中的一种新的习惯。互联网和位置服务的发展，让这一切成为了可能。

所谓位置服务，就是利用定位技术确定移动设备的位置，并根据此位置信息提供相关应用的增值服务。位置服务发展的最早期可以追溯至GPS在军事、航空、航海上的专业性应用，协助专业人员在航行上精确确定其位置，进行导航。

随着定位技术以及地理信息系统（geographic information system，GIS）技术的发展，位置服务在过去10年，经历了快速的发展。现在用户可通过手机、PDA、车载导航设备等快速查询自己所在的位置，并透过电子地图等展现途径，体验位置的增值服务，包括个人导航、应急救援、人身安全追踪、车队管理、物流监控等，应用层面非常广泛。

位置服务按照其定位的目标，可以分为人、动物、车辆、货物等；按照行业分析，可分为安全、信息、导航、追踪、生活、商业共六大类型，见表1。

表1 位置服务的类型及应用案例

2 定位技术的发展现状

自1996年美国FCC（U.S.Federal Communications Commission）提出E911法令，强制要求美国境内的移动电话运营商提供紧急救援的定位服务至今[1]，LBS的发展与日剧新。移动互联网的出现，让业内对LBS应用的发展潜力更加看好。对于众多的应用来说，精确而可信任的定位信息是不可缺少的服务基础。目前移动终端主要应用的定位技术要包括3方面：GPS定位、基站定位和Wi-Fi定位能力。

2.1 GPS定位技术

GPS定位技术能够使得使用者在全球各个地区、各种天气条件下，获得准确的位置信息、速度及时间信息。由于持续不断对GPS设备、生产方式的改进，设备的成本已经大大降低，使得GPS芯片已经成为智能手机的标准配置之一。A-GPS示意如图1所示[2]。

图1 A-GPS示意

和传统GPS导航仪不同，手机中的定位技术普遍引入了A-GPS技术。A-GPS将原有GPS终端的完整功能中的一部分改为由远程的GPS本地服务设备提供。这些远程设备提供给移动终端的内容主要包括了卫星的轨道信息、时钟信息、最初的位置以及时间预计，卫星选择、范围，甚至于位置计算等。而移动终端只需要一个非常基础的GPS信号接收芯片，用来获得和卫星的伪时差，并通过网络将该信息传送到服务器，即可完成定位[3]。有了A-GPS技术，移动终端无需再对每个卫星传送的GPS信息进行解析，也无需再进行视线范围内的卫星搜索等复杂的内容，因此大大节省了终端电池的能量消耗，并且可以缩短第一次定位时间。由于FCC要求设备必须支持67%以上的紧急电话定位误差小于100 m，95%以上小于300 m[1]，所以大部分的运营商也选择了支持A-GPS能力，很多移动设备制造商也将A-GPS纳入基础能力之一。

尽管GPS（包括A-GPS）有自己的优势，然而其劣势也是不能被忽略的。由于在城市中，视野中可视的卫星有限，不论是GPS还是A-GPS，在高密度的城市区域定位能力都受到限制，且都几乎无法在室内实现精准定位，甚至无法实现定位能力。这导致GPS和A-GPS定位能力对于大部分时间在城市中的很多手机使用者是不可用的。

为了解决GPS的城市内定位的问题，一部分手机厂商选择采用了HSGPS（high sensitive GPS）芯片作为解决方案。HSGPS通过复杂的纠错和计算，可以在极度微弱的GPS信号条件下完成定位。HSGPS尽管可以实现较好的定位成功率，但在室内等条件下，其准确度和首次定位时长都较理想情况要差得多，同时，即便是HSGPS也无法保证室内的定位成功率，尤其在金属较多的建筑物中，有时在建筑物的内部几乎是无法使用的[4]。

2.2 基站定位技术

基站定位技术是GPS的有效补充，也是基本上全球运营商都可以支持的定位技术能力。

目前，面向公众用户的移动通信系统（如CDMA/GSM）是按照蜂窝网络形式组织的，整个网络被划分成一个个的区域，每个基站的无线信号覆盖一个区域。当终端连接至一个基站上并通过这个基站进行通信时，说明这个终端在这个基站的覆盖范围之内。刚开始，cell ID定位技术是用来确定用户从一个区域移动到另一个蜂窝的覆盖区域时，基于用户终端和网络的双向通信来确定用户的位置。当用户检测到该区域最强基站信号，并接入该基站时，即可认为该用户在该基站的覆盖范围内[5]。由于cell ID技术的简单、反应时间短以及扩展性好，可以支持大量用户，终端只需要获知它所连接的cell的信息，就可以获得位置信息等众多优点，基站定位技术被大量支持。尽管cell ID有定位快速的优势，但由于相较于GPS和接下来提到的Wi-Fi定位的精度，cell ID定位精度较低，因而不是很令人满意。

目前，基站定位除了cell ID方式，也有采用信号强度（RSSI）、信号到达时间差（time difference of arrival，TDoA)、信号到达角度（angle of arrival，AoA）技术进行定位计算，针对基站定位技术的这些增强性技术被统称为ECID（enhanced cell ID）[6]。但是这几种ECID方式也会受到其他影响，比如信号强度和时差都会受到多径、建筑物的阻挡衰减等影响，精度虽有提高，但并不十分理想。另外TDoA技术主要用于用户可以接收到多于1个基站的情况，接收到基站的数量多少及时间测试的准确性将会大大影响其定位精度。AoA和基站指纹也有部分移动运营商在使用，然而，并没有运营商大规模的采用。

由于基站定位的精度极大地依赖于基站的密度，在城市中基站定位可以达到的最好的精度为100～200 m，在郊区可能会变成1 km以上。由于cell ID的低精确性，位置服务运营商也在思考更多的方式来弥补现有两种主流定位技术的不足。

2.3 Wi-Fi定位技术

为了解决GPS和基站的定位精度、稳定性问题，定位技术提供商和学术界提出了多种辅助定位的方式，包括网络信号、Wi-Fi、蓝牙、红外、超声波等。由于其支持包括室内、城市密集建筑群等GPS无法提供服务的多种定位区域，Wi-Fi定位方式已经被Google、Apple等系统及设备制造商所采用，使得Wi-Fi在短时间内就成为了主流的定位技术中的一种。

Wi-Fi定位技术主要是使用Wi-Fi的热点信号（AP）来推测用户的位置。由于城市中热点的不断增多，而这些装在家中、学校、商场、商店、图书馆等建筑中的热点，都会按照IEEE 802.11标准，向周围接近100 m范围内的各个方向广播自己的AP信息。尤其在城市中心区域，由于在某一点能收到大量的AP广播信号，通过比较这些信号的特征，就可以快速地计算得到设备的位置[7]。不论是属于私人的还是作为公共设施而布设的AP，都能够为Wi-Fi定位所用。在室内，理论上Wi-Fi能够提供非常好的定位效果。因而，在这些AP热点覆盖完全的地方，Wi-Fi定位的优势能够得到最大的发挥。而相对于基站定位，这些优势让Wi-Fi定位成为GPS更加有效的补充手段。

Wi-Fi定位需要综合地理信息技术、统计技术、指纹技术和特定的滤波技术。Wi-Fi指纹定位也可以被称为一种特定的数据挖掘技术。Wi-Fi指纹定位不需要接入任何AP，仅仅需要获取该位置空中广播的Wi-Fi信号及信号强度，就可以实现定位，即便是非常微弱的或者加密的AP信号，也可以被指纹定位所使用[8]。尽管该定位技术的最初提出是为了实现室内定位，但现在已经被大量地用于室外定位技术。

目前提供Wi-Fi定位服务的厂商，包括为苹果提供服务 的Skyhook Wireless以 及Google、Navizon、WeFi和Place Engine。这些服务提供商不出意外地基本上都使用了指纹技术，即通过用户手机的Wi-Fi芯片手机周围的AP信号，和自有的定位数据库进行比较通过相似性获取定位结果。很大一部分Wi-Fi定位服务提供商是通过用户的主动上传来丰富自己的定位数据库的。

另外一个问题是，尽管大部分Wi-Fi定位服务商提出可以支持全球定位，但由于对用户数量及用户上传信息的依赖较高，基本上除了Google和Skyhook外，其他的位置服务提供商呈现自成一隅的状态，比如，Place Engine主要在日本提供服务。正如Place Engine[7]提出的，由于各地区的无线环境不同，且变化较快，确定Wi-Fi位置服务的精度是一件非常困难的事情。比如Skyhook、Navizon等公司，都声称自己能够提供的精度为20～40 m，然而这几家公司却都并没有提供更详细的测试数据或报告支持自己的测试结果。

3 定位技术的新发展及未来的挑战

3.1 定位技术的新发展

定位精度和覆盖的发展是建设更好的位置信息服务、给用户提供更好的位置信息服务能力的关键。目前，提高定位精度的方式，主要包括混合定位和新技术定位两大类。

混合定位主要是基于已有的3种主流技术，通过一种和其他几种信号的配合，实现定位精度和稳定性的提高。混合定位主要包括定位技术的混合和定位信号的混合。

定位技术的混合是针对已有的3种主流技术，针对用户使用环境，选择最合适的定位方式。目前，Apple、Google的混合定位主要采用的这种方式，而这种定位技术的混合也基本上有了较为统一的方式。由于研究和应用普遍认同，A-GPS的精度为10 m，Wi-Fi定位精度为30 m，而基站定位精度约为500 m，因而终端会先尝试获取AGPS或GPS信息，如果无法获取，则改为Wi-Fi定位方式，如果无法检测周围的Wi-Fi则后退至基站定位。

定位信号的混合是另一个新的优化发展方向，即混合定 位 系 统（Hybrid positioning system，HPS或XPS），通 过 混合卫星信号、基站信号及Wi-Fi信号，获得更优越的定位结果[8]。Skyhook日前声称可以仅利用两颗卫星及辅助的基站和Wi-Fi实现定位能力，然而信号的混合技术方案并未公开[9]。

另一部分发展方向来自于采用新的通信技术用于定位，如蓝牙、红外、超声波甚至磁场定位技术，如Nokia在2012年8月和高通、索尼、三星达成协议，组成室内定位联盟，主推Wi-Fi定位和HAIP（high accuracy indoor positioning）协议。目前HAIP协议已经作为蓝牙4.0的增强协议，得到了蓝牙联盟的支持，Nokia预计整体计算方案和标准将在18个月内完成[10]。HAIP方案主要是通过利用在特定场所安装Nokia的HAIP发射台，发射蓝牙信号，通过近场通信进行定位。和一般的蓝牙设备不同，HAIP发射台可以提供100 m的信号覆盖，除去计算信号的强度衰减外，信号台也可以提供接收到的角度，从而给出更精确的定位结果。该设备支持由发射台发起的定位和由移动设备发起的定位。根据安装设备的多少，能够实现精度在30 cm～100 m的定位。多个HAIP发射台可以解决3D定位，也可以提高定位精度和稳定度。

3.2 定位技术未来的挑战

（1）定位技术的标准推进

尽管GPS和基站定位已经有相当长时间的发展，然而其他的定位技术，其标准化仍然不足，包括位置服务的具体展现手段也缺乏标准。尽管Nokia、Wi-Fi和RFID的各个厂商都在积极地建设自有的标准，但国际上包括Wi-Fi、蓝牙在内的定位标准,仍然没有像cell ID定位那样受到绝大多数服务提供商支持的标准。由于标准的参差不齐，很难实现不同定位算法之间的共通，对于应用而言，需要支持多种多样不同的定位方式，也需要花费额外的能耗。如何尽快推进新近定位算法的标准化是近来定位需要解决的首要问题。

（2）定位算法精确性和稳定性

目前的各种定位技术，其实也可以算作一种位置传感技术。而位置传感技术相对于传统感应设备而言，不论是GPS、Wi-Fi、基站或者蓝牙、传感器，相对于如鼠标、键盘等其他多种技术，位置传感器的各项性能都不能称为优秀。位置传感器的覆盖范围、准确性以及空间和时间的稳定性都有差距，也意味着还有巨大的发展空间，这也是近几年，不论是企业界还是学术界都对定位技术投入巨大的精力和财力的重要原因。伴随着产品和技术的更新，Wi-Fi、基站的定位算法都还有巨大的优化空间。另外一方面，精确性和稳定性也会极大地影响LBS应用的用户体验，因而对于定位算法的精确性和稳定性的提高是未来发展的重中之重。

（3）设备一致性

由于定位技术种类繁多，同时，由于用户或应用选择的定位方式的不同，可能涉及包括带有各种传感器的移动终端、网络和与传感器配套的各种设备。接入的设备除了传统的手机，也包括了Pad、PDA、Tablet等移动设备以及接入物联网的各种家用、公用设备等，如电冰箱、空调等，不同的设备具有不一样的设备特性，即便使用同样的定位方式，定位结果也会非常不同。如何使得不同设备的一致性问题对定位精度和稳定性影响最小，是未来需要关注的另一个重要领域。

（4）隐私问题

2010年Google定位的隐私问题被曝光以来[11]，定位技术和用户隐私保护的问题也变成了定位技术研究中不可忽视的一方面，是最近定位技术中不可回避的话题。由于定位技术的发展，移动终端可能实现100 m以内精度的定位和存储。如果没有足够的监管或者被滥用，可能会造成极大危害。用户隐私保护不仅仅涉及技术层次，更包括了用户的社会习惯甚至法律问题。隐私保护除了如何适当地选择定位算法保护用户的定位信息不被过多地分享外，还包括如何保存用户的定位信息，如何在位置应用中让用户了解位置信息分享的益处和可能带来的风险。因而，对于定位技术提供商以及位置服务开发者而言，了解隐私可能造成的危害是重要的一点。对于运营商而言，保护用户的位置服务信息不被第三方获得，也是重要的关注点,是位置服务顺利发展的关键。然而，庆幸的是，2012年的一份报告指出，在大多情况下，用户对使用定位技术是抱有积极态度的，并不会过分担心隐私问题。仅有2.75%的人表示会对位置服务使用定位技术而暴露自己的隐私表示非常担心[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 林佳誉，吴介骞.GPS辅助室内定位技术之研究.高雄第一科技大学硕士学位论文，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，张宗橙.3G系统中定位业务的分析.数据通信，2004（3）

6 邓耀宇,邓中亮.一种融合时延差与场强的无线定位算法.http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201201-55，2012-01-04

7 李丽，周彦伟，吴振强.无线网络定位技术研究.计算机技术与发展,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