個人定位：一切盡在掌握

個人定位：一切盡在掌握
      Hiroaki Koshima
    長期以來，人們想象有一種隨身攜帶的微型裝置，能夠隨時報告一個人的行
蹤。隨著全球定位系統(tǒng)（GPS）的出現(xiàn)，只需按按鈕就能確定某人位置已變成現(xiàn)實。
另外，由于及時尋找失蹤人員的迫切需要，個人定位系統(tǒng)（PLS）應(yīng)運而生。
    目前，基于GPS或其他技術(shù)的個人定位系統(tǒng)正在全球范圍內(nèi)進行試驗，日本已
經(jīng)建立了一些這樣的系統(tǒng)。一些電信公司利用其無線基礎(chǔ)設(shè)施來出售這些服務(wù)，
而其他一些公司正計劃為公眾和商家提供更廣泛的服務(wù)。
    目前，日本的定位服務(wù)巳經(jīng)商業(yè)化，全國有72 ％的人能夠獲得這種服務(wù)。最
初，個人定位服務(wù)只是被設(shè)計用來幫助智力有障礙的人，進而服務(wù)于兒童、老年
人、旅游團及安全巡邏等。這種服務(wù)還可以用來跟蹤貴重物品并且找回被竊的車
輛。
    在美國，另外兩個因素促進了這種定位系統(tǒng)的應(yīng)用：一個因素是對假釋和緩
刑的罪犯進行有效監(jiān)視的需要，讓罪犯攜帶定位裝置將加強對他們的監(jiān)督并且能
夠確保公共安全，甚至能夠減少監(jiān)獄中的犯人數(shù)量；另一個因素是人們希望利用
個人定位系統(tǒng)能夠為無線呼叫著提供增強的911（E911）應(yīng)急服務(wù)。對于固定電
話，撥打911電話的位置能夠自動顯示在911接線員的計算機屏幕上，但是對于使
用移動電話的呼叫者，除非將定位技術(shù)用于無線電話系統(tǒng)，否則呼叫者的位置是
無法確定的�！�
    自從80年代中期，車輛定位的無線服務(wù)已被用來防止汽車被竊和進行車輛管
理。這種車輛定位裝置不受體積大小和功率的限制，而個人攜帶的定位器只能有
尋呼機大小，并且功率輸出必須小于1W，因為這些裝置只能帶一塊電池并且不能
連續(xù)充電。更為重要的是，因為人們在屋內(nèi)的時間很多，個人定位器必須能夠在
建筑物這樣的屏蔽區(qū)域中工作。
     PLS的構(gòu)成
    個人定位系統(tǒng)由服務(wù)提供者、定位中心和無線網(wǎng)絡(luò)組成，其應(yīng)用場合有三種：
服務(wù)使用者可以確定定位器攜帶者的位置，定位器攜帶者可以向服務(wù)使用者尋求
幫助；還有一種特殊情況就是連續(xù)監(jiān)視假釋犯的行蹤；
    定位中心和個人定位器的通信連接一經(jīng)建立，中心就向定位器詢問信號強度
數(shù)據(jù)和周圍所有基站的ID信息，根據(jù)應(yīng)答和基站的數(shù)據(jù)庫信息，定位中心就能夠
計算出定位器的位置坐標(biāo)。這些位置坐標(biāo)很快被傳回到服務(wù)提供者的計算機上，
失蹤者的位置在街道圖上顯示出來，然后服務(wù)操作員將它報告給服務(wù)使用者。只
要定位中心和定位器保持呼叫連接，失蹤者在服務(wù)提供者地圖上的位置就能夠不
斷地被刷新。
    第二種應(yīng)用場合包含了應(yīng)急模式，當(dāng)定位器攜帶者迷了路或者處于危險境地
時，他按動定位器應(yīng)急按鈕，定位器呼叫定位中心，后者計算出呼叫者的位置坐
標(biāo)，然后向服務(wù)提供者發(fā)出警告，服務(wù)提供者又向服務(wù)使用者發(fā)出警告：定位器
攜帶者正處于危險境地。
    另外，三種定位模式都需要足夠的帶寬和電池功率。如果在系統(tǒng)和定位器之
間使用連續(xù)的語音通話，費用將非常高，而定位器和系統(tǒng)其他部分之間采用數(shù)據(jù)
包通話則要經(jīng)濟得多。在這種方式下，定位器每隔幾分鐘被詢問一次，l秒內(nèi)和
系統(tǒng)交換100字節(jié)左右的數(shù)據(jù)，而且大部分時間定位器都處于待機狀態(tài)，這樣就
大大節(jié)約了電池容量。除此之外，即將到來的第三代移動通訊時代的‘移動電話
也將為數(shù)據(jù)包通信提供更大的可行性。
      六個關(guān)鍵技術(shù)
    個人定位系統(tǒng)使用了很多技術(shù)，其中最普遍的是信號到達角度和時間的差值
技術(shù)，全球定位系統(tǒng)（GPS）技術(shù)和最近出現(xiàn)的輔助GPS技術(shù)，以及增強的信號強
度和定位指紋技術(shù)。
    1.信號定向。最簡單的方法是測量從發(fā)射點發(fā)出信號的方向，可以沿著最大
的信號強度方向安裝一根天線而達到達一目的，或者根據(jù)天線不同方向接收到的
信號到達時間的不同來確定信號方向。
    角度測量的精確度及發(fā)射裝置和接收天線的幾何形狀都會影響到位置計算的
準(zhǔn)確度。幸運的是，覆蓋范圍地區(qū)之內(nèi)分布著多根天線，這使蜂窩系統(tǒng)能夠選擇
那些引入最小誤差的天線。
    2．信號到達時間。與之類似，利用不同位置的天線接收到信號的時間不同
（TDOA）可以確定位置。給定光速和已知的發(fā)射和接收時間，移動定位器和接
收天線之間的距離就能被計算出來。
    由于1微秒的時間誤差將產(chǎn)生300米的距離誤差，所以精確的時鐘非常重要，
而且所使用的時鐘必須是同步的。但由于同步移動定位器的時鐘通常不太現(xiàn)實，
所以為了計算至少需要三根接收天線。
    3．全球定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)（GPS）依賴于24顆通信衛(wèi)星。它使用信號
同步來確定位置，但移動定位器是接收者而軌道衛(wèi)星是發(fā)射者。為了獲得衛(wèi)星信
號，GPS接收器產(chǎn)生衛(wèi)星偽隨機噪聲碼的復(fù)制碼。只有當(dāng)復(fù)制碼和接收到的偽隨
機噪聲碼相匹配并同步時，GPS導(dǎo)航電文才被解調(diào)。通過匹配偽隨機噪聲碼和利
用衛(wèi)星導(dǎo)航電文，接收器不僅能計算出衛(wèi)星的坐標(biāo)，而且能計算出信號的發(fā)射時
間。
    GPS定位計算的準(zhǔn)確度部分依賴于測量精度和衛(wèi)星分布，而且測量時的GPS衛(wèi)
星的分布也將帶來誤差。另外，從觀測點到軌道發(fā)射器的視線不被阻礙很重要。
    4．服務(wù)器輔助GPS。為了克服GPS的缺點，1998年出現(xiàn)了一種被稱為服務(wù)輔
助GPS的新技術(shù)。其主要思想是通過在覆蓋地區(qū)安裝固定的服務(wù)器來幫助移動接
收器接收GPS信號。實際上，這些服務(wù)器是固定的GPS接收器，它們幫助移動GPS
接收器將弱信號從衛(wèi)星傳送到定位器，從而加強了移動GPS接收器的接收能力。
    利用輔助GPS方法時，由于無需連續(xù)跟蹤衛(wèi)星信號，所以移動接收器節(jié)省了
能量，而且移動接收器只需跟蹤偽隨機噪聲碼而不必從信號中提取衛(wèi)星導(dǎo)航。電
文，這使得接收器非常靈敏，甚至在多數(shù)建筑物中也能夠接收到GPS信號。除此
之外，這種輔助技術(shù)可以獲得更高的精確度。
    5.增強的信號強度。如果中間沒有障礙物，利用信號計時和信號強度方法來
計算移動定位器的位置都是直截了當(dāng)?shù)�。�?dāng)采用信號強度方法時，兩點間的距離
可以通過它們之間售號的衰減來確定，但是在建筑物內(nèi)部很少存在直接線路連接，
因此信號衰減通常難以確定。
    同時，發(fā)射器和接收器之間存在多條通道，盡管有技術(shù)可以減弱這種多徑效
應(yīng)，但難以完全消除，而且它所產(chǎn)生的誤差也難以預(yù)測。多徑效應(yīng)對信號計時法
有一些影響，對信號強度法的影響更大。除此之外，信號強度對天線方向、障礙
物引起的衰減和其他運行條件非常敏感，相反，信號計時不受天線方向影響，對
衰減也不太敏感。
    6定位指紋。除了信號計時和信號強度方法外，一家美國無線公司開發(fā)了一
項新技術(shù)，這項技術(shù)依賴于信號的組成性質(zhì)，稱為定位指紋技術(shù)。它通過將多路
方式和其他信號性質(zhì)相結(jié)合，使每一個給定的位置都對應(yīng)一個獨立的標(biāo)記，這樣
多徑效應(yīng)反而變得有用了。
      無線的推動
    在美國，為無線電話使用者提供應(yīng)急911服務(wù)是推動個人定位技術(shù)發(fā)展的主
要動力。今天，遍布全美的增強911應(yīng)急呼叫被連結(jié)到公共安全應(yīng)答點（PSAP）
上，它將呼叫者的號碼和自動定位信息數(shù)據(jù)庫的條目相比較。當(dāng)二者相匹配時，
數(shù)據(jù)庫向PSAP提供呼叫者所在街道地址及在建筑物中的位置，通常急救工作人員
在5到7分鐘內(nèi)就會作出反應(yīng)。
    由于無線電話的移動性，電話號碼和位置的關(guān)系在數(shù)據(jù)庫中并不容易確定。
事實上，對無線電話呼叫作出反應(yīng)所需的時間比對固定電話的反應(yīng)時間要長10倍；
對于緊急情況這一時間就顯得太長了。
    鑒于此，華盛頓特區(qū)的美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）下達了指示。命令為無
線電話服務(wù)的E91服務(wù)必須能夠定住呼叫者。這一指示分為兩個階段：第一階段
要求在1998年4月前定位精確度達到在幾公里內(nèi)；第二階段要求在2001年10月前
精確度到125米，并且成功率達到67%。第一個目標(biāo)的實現(xiàn)只需要改變系統(tǒng)的軟件，
而第二個目標(biāo)需要采用新的定位技術(shù)。FCC第二階段最初的指示需要現(xiàn)有電話的
支持，這意味著網(wǎng)絡(luò)必須升級。但這將阻礙急救技術(shù)的使用，例如輔助GPS，因
為除了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和軟件的改變外，還需要對現(xiàn)有的電話進行改造。并不是所
有的移動電話用戶都愿意將他們的電話進行改造，這將使現(xiàn)有的電話支持系統(tǒng)大
大復(fù)雜化。
    實現(xiàn)E911服務(wù)的障礙不僅來自于技術(shù)方面，更大的障礙是成本，升級所有的
無線網(wǎng)絡(luò)將花費上億美元，而且如何收回成本是移動電話服務(wù)供應(yīng)商面對的中心
問題。盡管讓無線服務(wù)使用者來承擔(dān)這些費用更合理一些，但政府至今未作出正
式?jīng)Q定。目前，只有美國政府要求他們的無線公司將呼叫者地理定位加入到其
E911服務(wù)中去。但由于美國是電信業(yè)的一個主要市場，因此很多無線電信設(shè)備制
造商也在發(fā)展這項技術(shù)來配合電信委員會的指示。
       為社會服務(wù)
    目前，無線E911只是幫助個人，但將來用于監(jiān)視精神病患者和罪犯可能對社
會的影響更大。在未來幾十年，年齡超過65歲的老齡人口數(shù)量占全世界總?cè)丝诘?br />比例將飛速增長，同時，老年人的精神疾病也越來越多。在美國被診斷為早老性
癡呆的400萬人中，大部分都在65歲以上。一種自動輪詢系統(tǒng)將可以檢測老人是
否在特定的多連形區(qū)域內(nèi)并且向定位服務(wù)系統(tǒng)和他的家人發(fā)出警告。
    弄事審判是個人定位系統(tǒng)能夠介入的另一個受社會關(guān)注的領(lǐng)域。通過引入個
人定位系統(tǒng)這樣的新技術(shù)可以大大削減用于懲處罪犯所消耗的人力和金錢。
    這種系統(tǒng)還可能減少監(jiān)獄中的犯人數(shù)量并且加強了對假釋和緩刑罪犯的監(jiān)視。
    這種個人定位器通常包括兩個部分：一個GPS單元和一個套在腳踩上的箍套。
GPS單元可以在兩種模式下工作：自治模式和連線模式。在自治模式下，它將罪
犯的位置存入存儲器中，然后和數(shù)據(jù)庫中罪犯應(yīng)在的位置相比較，當(dāng)檢測到二者
位置存在沖突時，它通過無線呼叫向定位中心發(fā)出警報。在這種模式下，GPS單
元一天內(nèi)會和定位中心通話一兩次，用內(nèi)存中的數(shù)據(jù)來對它進行更新。工作在自
治模式下避免了昂貴的連續(xù)語音無線連接。在連續(xù)模式下，使用更便宜的基于數(shù)
據(jù)包的蜂窩數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)包。無繩電話連接（CDPD），GPS單元和定位中心保持連續(xù)
的實時連接。
        安全仍是問題
    在定位技術(shù)中，個人行蹤信息的保密性是一個嚴(yán)重的問題。數(shù)據(jù)庫中存儲了
大量的個人信息，包括醫(yī)療數(shù)據(jù)、購物喜好和貸款信息，如果安全性松懈的話將
導(dǎo)致這些數(shù)據(jù)被濫用。進一步暴露個人行蹤，存取定位信息數(shù)據(jù)庫將使這一問題
更加嚴(yán)重。
    和跟蹤定位過程一樣，存儲在數(shù)據(jù)庫中的定位信息也需要保密。為了減少射
頻通信可能產(chǎn)生的竊聽問題，定位信息可以進行加密，或者使用CDMA這樣的擴頻
技術(shù)來發(fā)射編碼信號。
    另外，隱私保護還依賴于技術(shù)上的進步。例如，當(dāng)使用GPS或增強信號強度
技術(shù)時，定位系統(tǒng)使用定位器捕獲或發(fā)射信息。一些定位裝置利用附加配件來阻
礙發(fā)射，使系統(tǒng)難以定位。但基于網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)檢測定位器的信號特征而不使
用附方配件，這時使用者對其位置保密的推一方法就是關(guān)掉定位器。
      下一步的工作
    盡管近幾年個人定位技術(shù)取得了很大發(fā)展，但仍有很多工作要做，其中包括
定位裝置的精確性、小型化、電池壽命、多徑效應(yīng)、穿透建筑物的能力及無線電
頻率的經(jīng)濟利用等。除此之外，混合系統(tǒng)需要擴大其覆蓋區(qū)域共增加新的應(yīng)用。
    如何降低定位技術(shù)的費用是定位服務(wù)推廣所面對的最大障礙。對于如何支付
E911服務(wù)費用的關(guān)注正說明了降低費用的必要性。如果很多的定位服務(wù)能夠共同
承擔(dān)所必需的額外基礎(chǔ)設(shè)施的費用，那么每一位服務(wù)使用者的費用就可以降低。
新的定位技術(shù)及無線數(shù)據(jù)包服務(wù)正在全球范圍內(nèi)出現(xiàn)，它們?yōu)槠髽I(yè)擴大個人定位
服務(wù)提供了機遇。
    最近，輔助GPS技術(shù)的進展加強了基于GPS的罪犯監(jiān)視系統(tǒng)，有效地減小了裝
置的尺寸和功耗，提高了精確度，同時提供了在建筑物中跟蹤的能力。
    將來個人定位器可以帶來其他守良多好處：讓兒童們帶上個人定位器可以讓
父母們更放心；更小的定位器甚至可以用來跟蹤寵物；個人定位器對病人們也很
有幫助，將定位器和檢測器結(jié)合在一起可以監(jiān)視病人們的生命跡象，如果檢測器
發(fā)現(xiàn)了異常信號，它將向護士和醫(yī)生發(fā)出有關(guān)醫(yī)療和定位信息的警告。這種服務(wù)
能夠為病人提供更多的自由。
    很顯然，技術(shù)和商業(yè)方面的因素將決定這項技術(shù)能否成功，而使用者的隱私
和保密性將成為需要首先解決的問題。