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个人定位:一切尽在掌握

2/14/2005
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个人定位:一切尽在掌握 Hiroaki Koshima 长期以来,人们想象有一种随身携带的微型装置,能够随时报告一个人的行 踪。随着全球定位系统(GPS)的出现,只需按按钮就能确定某人位置已变成现实。 另外,由于及时寻找失踪人员的迫切需要,个人定位系统(PLS)应运而生。 目前,基于GPS或其他技术的个人定位系统正在全球范围内进行试验,日本已 经建立了一些这样的系统。一些电信公司利用其无线基础设施来出售这些服务, 而其他一些公司正计划为公众和商家提供更广泛的服务。 目前,日本的定位服务巳经商业化,全国有72 %的人能够获得这种服务。最 初,个人定位服务只是被设计用来帮助智力有障碍的人,进而服务于儿童、老年 人、旅游团及安全巡逻等。这种服务还可以用来跟踪贵重物品并且找回被窃的车 辆。 在美国,另外两个因素促进了这种定位系统的应用:一个因素是对假释和缓 刑的罪犯进行有效监视的需要,让罪犯携带定位装置将加强对他们的监督并且能 够确保公共安全,甚至能够减少监狱中的犯人数量;另一个因素是人们希望利用 个人定位系统能够为无线呼叫着提供增强的911(E911)应急服务。对于固定电 话,拨打911电话的位置能够自动显示在911接线员的计算机屏幕上,但是对于使 用移动电话的呼叫者,除非将定位技术用于无线电话系统,否则呼叫者的位置是 无法确定的。” 自从80年代中期,车辆定位的无线服务已被用来防止汽车被窃和进行车辆管 理。这种车辆定位装置不受体积大小和功率的限制,而个人携带的定位器只能有 寻呼机大小,并且功率输出必须小于1W,因为这些装置只能带一块电池并且不能 连续充电。更为重要的是,因为人们在屋内的时间很多,个人定位器必须能够在 建筑物这样的屏蔽区域中工作。 PLS的构成 个人定位系统由服务提供者、定位中心和无线网络组成,其应用场合有三种: 服务使用者可以确定定位器携带者的位置,定位器携带者可以向服务使用者寻求 帮助;还有一种特殊情况就是连续监视假释犯的行踪; 定位中心和个人定位器的通信连接一经建立,中心就向定位器询问信号强度 数据和周围所有基站的ID信息,根据应答和基站的数据库信息,定位中心就能够 计算出定位器的位置坐标。这些位置坐标很快被传回到服务提供者的计算机上, 失踪者的位置在街道图上显示出来,然后服务操作员将它报告给服务使用者。只 要定位中心和定位器保持呼叫连接,失踪者在服务提供者地图上的位置就能够不 断地被刷新。 第二种应用场合包含了应急模式,当定位器携带者迷了路或者处于危险境地 时,他按动定位器应急按钮,定位器呼叫定位中心,后者计算出呼叫者的位置坐 标,然后向服务提供者发出警告,服务提供者又向服务使用者发出警告:定位器 携带者正处于危险境地。 另外,三种定位模式都需要足够的带宽和电池功率。如果在系统和定位器之 间使用连续的语音通话,费用将非常高,而定位器和系统其他部分之间采用数据 包通话则要经济得多。在这种方式下,定位器每隔几分钟被询问一次,l秒内和 系统交换100字节左右的数据,而且大部分时间定位器都处于待机状态,这样就 大大节约了电池容量。除此之外,即将到来的第三代移动通讯时代的‘移动电话 也将为数据包通信提供更大的可行性。 六个关键技术 个人定位系统使用了很多技术,其中最普遍的是信号到达角度和时间的差值 技术,全球定位系统(GPS)技术和最近出现的辅助GPS技术,以及增强的信号强 度和定位指纹技术。 1.信号定向。最简单的方法是测量从发射点发出信号的方向,可以沿着最大 的信号强度方向安装一根天线而达到达一目的,或者根据天线不同方向接收到的 信号到达时间的不同来确定信号方向。 角度测量的精确度及发射装置和接收天线的几何形状都会影响到位置计算的 准确度。幸运的是,覆盖范围地区之内分布着多根天线,这使蜂窝系统能够选择 那些引入最小误差的天线。 2.信号到达时间。与之类似,利用不同位置的天线接收到信号的时间不同 (TDOA)可以确定位置。给定光速和已知的发射和接收时间,移动定位器和接 收天线之间的距离就能被计算出来。 由于1微秒的时间误差将产生300米的距离误差,所以精确的时钟非常重要, 而且所使用的时钟必须是同步的。但由于同步移动定位器的时钟通常不太现实, 所以为了计算至少需要三根接收天线。 3.全球定位系统。全球定位系统(GPS)依赖于24颗通信卫星。它使用信号 同步来确定位置,但移动定位器是接收者而轨道卫星是发射者。为了获得卫星信 号,GPS接收器产生卫星伪随机噪声码的复制码。只有当复制码和接收到的伪随 机噪声码相匹配并同步时,GPS导航电文才被解调。通过匹配伪随机噪声码和利 用卫星导航电文,接收器不仅能计算出卫星的坐标,而且能计算出信号的发射时 间。 GPS定位计算的准确度部分依赖于测量精度和卫星分布,而且测量时的GPS卫 星的分布也将带来误差。另外,从观测点到轨道发射器的视线不被阻碍很重要。 4.服务器辅助GPS。为了克服GPS的缺点,1998年出现了一种被称为服务辅 助GPS的新技术。其主要思想是通过在覆盖地区安装固定的服务器来帮助移动接 收器接收GPS信号。实际上,这些服务器是固定的GPS接收器,它们帮助移动GPS 接收器将弱信号从卫星传送到定位器,从而加强了移动GPS接收器的接收能力。 利用辅助GPS方法时,由于无需连续跟踪卫星信号,所以移动接收器节省了 能量,而且移动接收器只需跟踪伪随机噪声码而不必从信号中提取卫星导航。电 文,这使得接收器非常灵敏,甚至在多数建筑物中也能够接收到GPS信号。除此 之外,这种辅助技术可以获得更高的精确度。 5.增强的信号强度。如果中间没有障碍物,利用信号计时和信号强度方法来 计算移动定位器的位置都是直截了当的。当采用信号强度方法时,两点间的距离 可以通过它们之间售号的衰减来确定,但是在建筑物内部很少存在直接线路连接, 因此信号衰减通常难以确定。 同时,发射器和接收器之间存在多条通道,尽管有技术可以减弱这种多径效 应,但难以完全消除,而且它所产生的误差也难以预测。多径效应对信号计时法 有一些影响,对信号强度法的影响更大。除此之外,信号强度对天线方向、障碍 物引起的衰减和其他运行条件非常敏感,相反,信号计时不受天线方向影响,对 衰减也不太敏感。 6定位指纹。除了信号计时和信号强度方法外,一家美国无线公司开发了一 项新技术,这项技术依赖于信号的组成性质,称为定位指纹技术。它通过将多路 方式和其他信号性质相结合,使每一个给定的位置都对应一个独立的标记,这样 多径效应反而变得有用了。 无线的推动 在美国,为无线电话使用者提供应急911服务是推动个人定位技术发展的主 要动力。今天,遍布全美的增强911应急呼叫被连结到公共安全应答点(PSAP) 上,它将呼叫者的号码和自动定位信息数据库的条目相比较。当二者相匹配时, 数据库向PSAP提供呼叫者所在街道地址及在建筑物中的位置,通常急救工作人员 在5到7分钟内就会作出反应。 由于无线电话的移动性,电话号码和位置的关系在数据库中并不容易确定。 事实上,对无线电话呼叫作出反应所需的时间比对固定电话的反应时间要长10倍; 对于紧急情况这一时间就显得太长了。 鉴于此,华盛顿特区的美国联邦通信委员会(FCC)下达了指示。命令为无 线电话服务的E91服务必须能够定住呼叫者。这一指示分为两个阶段:第一阶段 要求在1998年4月前定位精确度达到在几公里内;第二阶段要求在2001年10月前 精确度到125米,并且成功率达到67%。第一个目标的实现只需要改变系统的软件, 而第二个目标需要采用新的定位技术。FCC第二阶段最初的指示需要现有电话的 支持,这意味着网络必须升级。但这将阻碍急救技术的使用,例如辅助GPS,因 为除了网络基础设施和软件的改变外,还需要对现有的电话进行改造。并不是所 有的移动电话用户都愿意将他们的电话进行改造,这将使现有的电话支持系统大 大复杂化。 实现E911服务的障碍不仅来自于技术方面,更大的障碍是成本,升级所有的 无线网络将花费上亿美元,而且如何收回成本是移动电话服务供应商面对的中心 问题。尽管让无线服务使用者来承担这些费用更合理一些,但政府至今未作出正 式决定。目前,只有美国政府要求他们的无线公司将呼叫者地理定位加入到其 E911服务中去。但由于美国是电信业的一个主要市场,因此很多无线电信设备制 造商也在发展这项技术来配合电信委员会的指示。 为社会服务 目前,无线E911只是帮助个人,但将来用于监视精神病患者和罪犯可能对社 会的影响更大。在未来几十年,年龄超过65岁的老龄人口数量占全世界总人口的 比例将飞速增长,同时,老年人的精神疾病也越来越多。在美国被诊断为早老性 痴呆的400万人中,大部分都在65岁以上。一种自动轮询系统将可以检测老人是 否在特定的多连形区域内并且向定位服务系统和他的家人发出警告。 弄事审判是个人定位系统能够介入的另一个受社会关注的领域。通过引入个 人定位系统这样的新技术可以大大削减用于惩处罪犯所消耗的人力和金钱。 这种系统还可能减少监狱中的犯人数量并且加强了对假释和缓刑罪犯的监视。 这种个人定位器通常包括两个部分:一个GPS单元和一个套在脚踩上的箍套。 GPS单元可以在两种模式下工作:自治模式和连线模式。在自治模式下,它将罪 犯的位置存入存储器中,然后和数据库中罪犯应在的位置相比较,当检测到二者 位置存在冲突时,它通过无线呼叫向定位中心发出警报。在这种模式下,GPS单 元一天内会和定位中心通话一两次,用内存中的数据来对它进行更新。工作在自 治模式下避免了昂贵的连续语音无线连接。在连续模式下,使用更便宜的基于数 据包的蜂窝数字数据包。无绳电话连接(CDPD),GPS单元和定位中心保持连续 的实时连接。 安全仍是问题 在定位技术中,个人行踪信息的保密性是一个严重的问题。数据库中存储了 大量的个人信息,包括医疗数据、购物喜好和贷款信息,如果安全性松懈的话将 导致这些数据被滥用。进一步暴露个人行踪,存取定位信息数据库将使这一问题 更加严重。 和跟踪定位过程一样,存储在数据库中的定位信息也需要保密。为了减少射 频通信可能产生的窃听问题,定位信息可以进行加密,或者使用CDMA这样的扩频 技术来发射编码信号。 另外,隐私保护还依赖于技术上的进步。例如,当使用GPS或增强信号强度 技术时,定位系统使用定位器捕获或发射信息。一些定位装置利用附加配件来阻 碍发射,使系统难以定位。但基于网络的定位系统检测定位器的信号特征而不使 用附方配件,这时使用者对其位置保密的推一方法就是关掉定位器。 下一步的工作 尽管近几年个人定位技术取得了很大发展,但仍有很多工作要做,其中包括 定位装置的精确性、小型化、电池寿命、多径效应、穿透建筑物的能力及无线电 频率的经济利用等。除此之外,混合系统需要扩大其覆盖区域共增加新的应用。 如何降低定位技术的费用是定位服务推广所面对的最大障碍。对于如何支付 E911服务费用的关注正说明了降低费用的必要性。如果很多的定位服务能够共同 承担所必需的额外基础设施的费用,那么每一位服务使用者的费用就可以降低。 新的定位技术及无线数据包服务正在全球范围内出现,它们为企业扩大个人定位 服务提供了机遇。 最近,辅助GPS技术的进展加强了基于GPS的罪犯监视系统,有效地减小了装 置的尺寸和功耗,提高了精确度,同时提供了在建筑物中跟踪的能力。 将来个人定位器可以带来其他守良多好处:让儿童们带上个人定位器可以让 父母们更放心;更小的定位器甚至可以用来跟踪宠物;个人定位器对病人们也很 有帮助,将定位器和检测器结合在一起可以监视病人们的生命迹象,如果检测器 发现了异常信号,它将向护士和医生发出有关医疗和定位信息的警告。这种服务 能够为病人提供更多的自由。 很显然,技术和商业方面的因素将决定这项技术能否成功,而使用者的隐私 和保密性将成为需要首先解决的问题。