无处不在的定位技术

邱元阳

● 位置识别，由来已久

从《东周列国志》记载的“烽火戏诸侯”典故来看，至少早在周朝，我国就已经有了用“烽火台”来远距离定位和传输信息的先例。到现代，信号弹的使用仍然是与烽火台同样的原理，靠火光来传递位置信息或其他约定信息。

时至今日，位置识别对于现代人来说日益重要，从导航到查询，从侦察到搜救，应用范围越来越广，各种定位方法层出不穷，如生命探测仪、雷达、声纳、陀螺仪、GPS、IP定位、WiFi定位等，不一而足。

最初的位置识别，一般是单向的，用于识别对方的位置，或自己的位置，后来逐渐有了双向识别的需求，不仅需要知道自己在哪里，还需要让别人知道自己在哪里。

1993年一位美国女孩被绑架杀害的案件，直接催生了美国的E911法案，要求电信运营商无论何时何地都能追踪到用户位置。E911法案促使运营商投入大量资金和技术力量研究定位技术，并扩大了位置服务的市场。

得益于E911法案的实施，GPS开始在民间的各领域大力发展，定位功能也成为移动终端的标准配置。如今的位置服务已经在手机等智能终端上充分发挥作用，如苹果手机的防盗功能（被盗后换卡开机会导致发出一条信息至预设邮箱，告知手机当前物理位置和使用者的手机号码），微信摇一摇中的“附近的人”，移动梦网下的“找朋友”，手机QQ中的“我的位置”，等等。

● 网络规则，自觉遵守

在一些科幻影片中，经常有黑客利用IP地址来找到某人物理位置的描述，而在现实生活中，我们也会遇到网络上某人可以明确知道我们身处何方的情形。这都是利用了IP定位。

互联网是基于TCP/IP协议的广域网，在这一网络中，我们的身份就简化成了一个IP地址。TCP/IP协议规定了IP地址不能重复，也就是说，IP地址是相对唯一的，这就为利用IP地址进行网络定位提供了可能。

我们知道，网络设备中真正具有唯一性且不可更改的是设备的MAC地址，而IP地址虽然唯一，却有可能发生改变，因而利用IP地址进行定位可能会不准确。

在一些显IP版QQ中，或者能显示IP地址的论坛中，我们都能发现指示我们位置的IP地址对应的地理位置常常并不正确。一方面，可能是因为IP地址发生变动的结果；另一方面，这种地理位置的显示，是依赖于IP地址库来进行的，IP地址库错误或者没有更新，都会导致指示不正确。而对于网络高手而言，利用代理来伪装IP地址更是轻而易举。

不过，相对而言，企事业单位、宾馆、酒店、网吧以及其他一些营业性场所，其IP地址一般都是固定的（内网保留地址会由NAT转换为合法的固定外网地址），网络定位相当容易。而对于拨号上网的家庭用户而言，IP地址是动态获取的，每次拨号都不一样，这就给网络定位造成了一定困难。但是，因为家庭用户申请上网的ISP局端相对固定，获得的IP地址范围都是可以查到的，因此仍然可以大致定位ADSL用户的IP地址，如果再结合MAC地址记录，就可以准确确定当时IP地址是分配给哪台电脑了。

根据公安部82号令的要求，各联网单位都要记录并留存用户访问的互联网地址或域名，在公共信息服务中发现、停止传输违法信息，并保留相关记录，能够记录并留存发布的信息内容及发布时间，这些功能一般都在认证设备中完成，必要时可以查阅。因此在上网过程中，我们要自觉遵守网络规则，规范自己的言行，不要因为是在网络上没有人认识自己就恣意妄为或做出违法的事情。

● 天网恢恢，疏而不漏

IP定位有很大的局限，不够准确也不够精确，还可能被利用代理等方法进行IP欺骗。而GPS定准就真实且精确很多，因而能够在此基础上进行导航和搜救等工作。不仅是车载导航，很多手机也带有GPS模块。

GPS（Global Positioning System，全球定位系统）起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS，并于1978年发射了第一颗GPS卫星。到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座已布设完成，织成了一个“天网”，真可谓“天网恢恢，疏而不漏”。

GPS可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。要实现以上所有功能必须具备GPS终端、传输网络和监控平台三个要素。

GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成；二是空间部分，由24颗卫星组成，21颗工作星和3颗备用星工作在互成60度的6条轨道上；三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。

增加4颗备用卫星后，目前GPS卫星有28颗（如图1），距离地面约20000千米，已经实现单机导航精度约为10米，综合定位的话，精度可达厘米级和毫米级。但民用领域开放的精度约为10米。

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到。当用户接收到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟作对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文，利用原子钟计时系统，以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号。然而，由于用户接收机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标X、Y、Z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号（如图2）。endprint

由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入到国民经济、国防建设和社会发展的各个应用领域，在汽车导航、交通管理、工程勘测、电子巡更、人员搜救等领域都有着广泛的应用。

目前在全球范围内普遍使用的有四大导航系统：①美国全球定位系统（GPS）。由24颗卫星组成，精度约10米，军民两用。②俄罗斯“格洛纳斯”系统。由24颗卫星组成，精度10米左右，军民两用。③欧洲“伽利略”系统。由30颗卫星组成，定位误差不超过1米，主要为民用。④中国“北斗”系统。由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。“北斗一号”精确度在10米之内，而“北斗二号”可以精确到“厘米”之内。

2012年10月25日23时33分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”火箭，成功将第16颗北斗导航卫星送入预定轨道。这是我国二代北斗导航工程的最后一颗卫星，这是长征系列运载火箭的第170次发射。至此，我国北斗导航工程区域组网顺利完成。

● 快速精确，基站辅助

如果我们从本地来到另一个城市，手机上常常会收到一条短信，是当地运营商热情的欢迎词。为什么它能够知道我们到了什么地方？这就是基站定位技术。

移动通信运营商的通讯基站遍布城乡，形成一个庞大的网络，几乎覆盖了每一个可以使用手机的角落。因为手机是通过基站发射的无线信号进行通讯的，因而也就可以通过基站来快速定位手机的位置，即移动位置服务（Location Based Service，简称LBS）。

利用基站来确定位置的计算方法主要有两种：到达角原理和到达时间原理。

1.到达角原理（AOA，Angle of Arrival）

通过几个基站信号到达终端的夹角，根据三角公式（如图3），来计算移动终端的位置。

2.到达时间原理（TDOA，Time Difference of Arrival）

通过几个基站信号到达终端的时间，来计算各终端和基站间的距离，从而确定终端位置（如图4）。

在实际应用中，有可能将多种定位原理相结合，如移动运营商经常使用的“扇区定位”技术，就是通过测量终端收到的基站扇区前向链路的时延或信号强度来估算距离，再在基站位置数据的辅助下确定终端位置，综合了位置标记和到达时间原理。

当然，除了扇区定位，移动运营商也可以采用信令监测技术来进行定位，如前面提到的漫游欢迎短信，以及小区短信（向特定区域范围内的手机终端发送短信）等。通过网络中部署的信令检测仪，监控相关指令，运营商就能得到特定区域内手机的TMSI（临时识别码）、MSISDN（移动台识别号码，即手机号），再通过短信网关发送短信。这些定位技术都依赖于基站。

基站定位的精确度约为50～500米，这取决于基站的密度和小区切换阀值，偏僻地区的误差可能会超过一公里。美国联邦通信委员会（FCC）要求定位精度在50米以内的概率为67%，定位精度在150米以内的概率为95%。在侦察技术中，即常常用基站定位来确定嫌疑人的大致位置以及移动方向。

基站定位虽不够精确，但可以利用它的快速反应和传输带宽来辅助GPS定位，提高GPS定位的效率，这就是基站辅助定位，如A-GPS（Assisted GPS，即辅助GPS技术）、gpsOne等。

对于卫星定位来说，如果移动终端处于室内大型建筑物之间，可见卫星较少，则定位精度会降低或根本无法完成定位。这时也可以利用移动通讯的基站进行辅助定位。A-GPS的室内定位精度约为500米。

根据GPS接收机的工作原理，初次接收完整的导航电文需要12.5分钟，然后才开始计算终端位置，定位时延较长。如果利用基站辅助数据传输，几秒钟内就能完成导航电文的传递，大大优化了GPS的定位效率。

此外，星历有效期（4小时）、灵敏度、初次定位时间等GPS的局限都能在基站辅助定位的条件下得以优化和改进。在A-GPS下，通过移动通讯网络，辅助GPS服务器可将GPS定位计算所需要的参考位置、时钟、星历、可见星、多普勒频偏等信息传递给GPS接收机，辅助时间同步、频率同步、编码相位等信息，大大缩短计算时间，达到快速、准确定位的效果，室外定位精度可以达到15米（如图5）。

不过，由于A-GPS技术需要建设辅助GPS服务器，会增加运营商的运维成本，因而A-GPS在数据传输阶段产生的流量费用是收费的，在没有流量包月的情况下要谨慎使用。

● WiFi定位，逐渐成熟

WiFi是无线局域网（WLAN）的一种应用方式，基于IEEE 802.11协议，根据所支持的协议版本，又有IEEE 802.11a/b/g/n之分，其覆盖范围一般在90米以内（室内30米，室外300米）。

由于WiFi内的终端都是可移动的，就无法通过IP地址来进行定位，相比较而言就比有线网络中的终端定位困难得多。

在接收到的WiFi信号中，包含了MAC地址、SSID、RSSI等信息，再根据一定的算法原理，如位置标记（Location Signature），就可以将终端位置估算精确到100米甚至10米左右。

WiFi定位的算法，有中心点法、加权中心点法、AP-ID法等，这些算法简单易行，但精度不很高。如果再结合电磁学原理，根据信号强度和衰减过程，利用三角定位和指纹算法，可能会使WiFi定位的精度达到5米左右。

即便是无法确定WiFi中的移动终端，只要它所连接的无线AP的物理位置是固定的，就仍然可以根据AP的无线覆盖范围来定位终端的大致位置。

随着新技术的发展，ZigBee、蓝牙和射频识别技术开始在无线定位中运用，使得这一定位方法逐渐走向成熟，并在混合定位中发挥作用。

● 传感定位，有待研究

在苹果的引领下，移动终端中加入了很多传感器，如重力传感器、移动传感器、方向传感器、光线感应器、距离感应器、三轴陀螺仪、电子罗盘等，这些传感器极大地丰富了手机的功能和应用，也使得手机定位有了新的突破可能。

在一些公共厕所的自动冲水装置中，就应用了距离传感器，可以感知人体的靠近，而手机中同样可以用来检测人脸靠近从而锁定屏幕，避免灵敏的触屏动作形成误操作。自动门也使用了接近传感器，红外线、超声波都可以作为实现原理。屏幕翻转和体感游戏以及空中飞鼠则利用了重力传感器，可以感知智能终端的位置变化。

声纳和雷达系统，也应用了传感定位，就连私家车中的反雷达设备——电子狗，也是一种传感器。

在惯性导航系统中，更是充分利用了传感器的功能，如利用加速度传感器计算终端的移动速度，利用陀螺仪判断终端的运动姿态，再根据前面的定位数据得到终端的连续位置，进而判断终端的前进方向和速度。

如果缺少外来纠正信息，传感器定位的误差累计可能会越来越大，直到没有利用价值。如何进一步减小误差，提高精度，扩大探测范围，直至可以独立进行传感器定位，还有很长的研究道路要走。

定位技术的发展为人类的科技生活掀开了新的篇章，无处不在的定位技术也正无处不在地为我们服务。endprint