個(gè)人定位：一切盡在掌握

個(gè)人定位：一切盡在掌握
      Hiroaki Koshima
    長(zhǎng)期以來(lái)，人們想象有一種隨身攜帶的微型裝置，能夠隨時(shí)報(bào)告一個(gè)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(shí)。
另外，由于及時(shí)尋找失蹤人員的迫切需要，個(gè)人定位系統(tǒng)（PLS）應(yīng)運(yùn)而生。
    目前，基于GPS或其他技術(shù)的個(gè)人定位系統(tǒng)正在全球范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，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(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)出售這些服務(wù)，
而其他一些公司正計(jì)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(guó)有72 ％的人能夠獲得這種服務(wù)。最
初，個(gè)人定位服務(wù)只是被設(shè)計(jì)用來(lái)幫助智力有障礙的人，進(jìn)而服務(wù)于兒童、老年
人、旅游團(tuán)及安全巡邏等。這種服務(wù)還可以用來(lái)跟蹤貴重物品并且找回被竊的車
輛。
    在美國(guó)，另外兩個(gè)因素促進(jìn)了這種定位系統(tǒng)的應(yīng)用：一個(gè)因素是對(duì)假釋和緩
刑的罪犯進(jìn)行有效監(jiān)視的需要，讓罪犯攜帶定位裝置將加強(qiáng)對(duì)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(gè)因素是人們希望利用
個(gè)人定位系統(tǒng)能夠?yàn)闊o(wú)線呼叫著提供增強(qiáng)的911（E911）應(yīng)急服務(wù)。對(duì)于固定電
話，撥打911電話的位置能夠自動(dòng)顯示在911接線員的計(jì)算機(jī)屏幕上，但是對(duì)于使
用移動(dòng)電話的呼叫者，除非將定位技術(shù)用于無(wú)線電話系統(tǒng)，否則呼叫者的位置是
無(wú)法確定的�！�
    自從80年代中期，車輛定位的無(wú)線服務(wù)已被用來(lái)防止汽車被竊和進(jìn)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(gè)人攜帶的定位器只能有
尋呼機(jī)大小，并且功率輸出必須小于1W，因?yàn)檫@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?yàn)槿藗冊(cè)谖輧?nèi)的時(shí)間很多，個(gè)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(gè)人定位系統(tǒng)由服務(wù)提供者、定位中心和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組成，其應(yīng)用場(chǎng)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(gè)人定位器的通信連接一經(jīng)建立，中心就向定位器詢問(wèn)信號(hào)強(qiáng)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(kù)信息，定位中心就能夠
計(jì)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(jì)算機(jī)上，
失蹤者的位置在街道圖上顯示出來(lái)，然后服務(wù)操作員將它報(bào)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(chǎng)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(xiǎn)境地
時(shí)，他按動(dòng)定位器應(yīng)急按鈕，定位器呼叫定位中心，后者計(jì)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(xiǎn)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(yǔ)音通話，費(fèi)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(jì)得多。在這種方式下，定位器每隔幾分鐘被詢問(wèn)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(shí)間定位器都處于待機(jī)狀態(tài)，這樣就
大大節(jié)約了電池容量。除此之外，即將到來(lái)的第三代移動(dòng)通訊時(shí)代的‘移動(dòng)電話
也將為數(shù)據(jù)包通信提供更大的可行性。
      六個(gè)關(guān)鍵技術(shù)
    個(gè)人定位系統(tǒng)使用了很多技術(shù)，其中最普遍的是信號(hào)到達(dá)角度和時(shí)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(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)
度和定位指紋技術(shù)。
    1.信號(hào)定向。最簡(jiǎn)單的方法是測(cè)量從發(fā)射點(diǎn)發(fā)出信號(hào)的方向，可以沿著最大
的信號(hào)強(qiáng)度方向安裝一根天線而達(dá)到達(dá)一目的，或者根據(jù)天線不同方向接收到的
信號(hào)到達(dá)時(shí)間的不同來(lái)確定信號(hào)方向。
    角度測(cè)量的精確度及發(fā)射裝置和接收天線的幾何形狀都會(huì)影響到位置計(jì)算的
準(zhǔn)確度。幸運(yùn)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(hào)到達(dá)時(shí)間。與之類似，利用不同位置的天線接收到信號(hào)的時(shí)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(shí)間，移動(dòng)定位器和接
收天線之間的距離就能被計(jì)算出來(lái)。
    由于1微秒的時(shí)間誤差將產(chǎn)生300米的距離誤差，所以精確的時(shí)鐘非常重要，
而且所使用的時(shí)鐘必須是同步的。但由于同步移動(dòng)定位器的時(shí)鐘通常不太現(xiàn)實(shí)，
所以為了計(jì)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(hào)
同步來(lái)確定位置，但移動(dòng)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(hào)，GPS接收器產(chǎn)生衛(wèi)星偽隨機(jī)噪聲碼的復(fù)制碼。只有當(dāng)復(fù)制碼和接收到的偽隨
機(jī)噪聲碼相匹配并同步時(shí)，GPS導(dǎo)航電文才被解調(diào)。通過(guò)匹配偽隨機(jī)噪聲碼和利
用衛(wèi)星導(dǎo)航電文，接收器不僅能計(jì)算出衛(wèi)星的坐標(biāo)，而且能計(jì)算出信號(hào)的發(fā)射時(shí)
間。
    GPS定位計(jì)算的準(zhǔn)確度部分依賴于測(cè)量精度和衛(wèi)星分布，而且測(cè)量時(shí)的GPS衛(wèi)
星的分布也將帶來(lái)誤差。另外，從觀測(cè)點(diǎn)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(diǎn)，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(guò)在覆蓋地區(qū)安裝固定的服務(wù)器來(lái)幫助移動(dòng)接
收器接收GPS信號(hào)。實(shí)際上，這些服務(wù)器是固定的GPS接收器，它們幫助移動(dòng)GPS
接收器將弱信號(hào)從衛(wèi)星傳送到定位器，從而加強(qiáng)了移動(dòng)GPS接收器的接收能力。
    利用輔助GPS方法時(shí)，由于無(wú)需連續(xù)跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，所以移動(dòng)接收器節(jié)省了
能量，而且移動(dòng)接收器只需跟蹤偽隨機(jī)噪聲碼而不必從信號(hào)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(hào)。除此
之外，這種輔助技術(shù)可以獲得更高的精確度。
    5.增強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)度。如果中間沒(méi)有障礙物，利用信號(hào)計(jì)時(shí)和信號(hào)強(qiáng)度方法來(lái)
計(jì)算移動(dòng)定位器的位置都是直截了當(dāng)?shù)�。�?dāng)采用信號(hào)強(qiáng)度方法時(shí)，兩點(diǎn)間的距離
可以通過(guò)它們之間售號(hào)的衰減來(lái)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(hào)衰減通常難以確定。
    同時(shí)，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(cè)。多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)計(jì)時(shí)法
有一些影響，對(duì)信號(hào)強(qiáng)度法的影響更大。除此之外，信號(hào)強(qiáng)度對(duì)天線方向、障礙
物引起的衰減和其他運(yùn)行條件非常敏感，相反，信號(hào)計(jì)時(shí)不受天線方向影響，對(duì)
衰減也不太敏感。
    6定位指紋。除了信號(hào)計(jì)時(shí)和信號(hào)強(qiáng)度方法外，一家美國(guó)無(wú)線公司開發(fā)了一
項(xiàng)新技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)依賴于信號(hào)的組成性質(zhì)，稱為定位指紋技術(shù)。它通過(guò)將多路
方式和其他信號(hào)性質(zhì)相結(jié)合，使每一個(gè)給定的位置都對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的標(biāo)記，這樣
多徑效應(yīng)反而變得有用了。
      無(wú)線的推動(dòng)
    在美國(guó)，為無(wú)線電話使用者提供應(yīng)急911服務(wù)是推動(dòng)個(gè)人定位技術(shù)發(fā)展的主
要?jiǎng)恿�。今天，遍布全美的增�?qiáng)911應(yīng)急呼叫被連結(jié)到公共安全應(yīng)答點(diǎn)（PSAP）
上，它將呼叫者的號(hào)碼和自動(dòng)定位信息數(shù)據(jù)庫(kù)的條目相比較。當(dāng)二者相匹配時(shí)，
數(shù)據(jù)庫(kù)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(huì)作出反應(yīng)。
    由于無(wú)線電話的移動(dòng)性，電話號(hào)碼和位置的關(guān)系在數(shù)據(jù)庫(kù)中并不容易確定。
事實(shí)上，對(duì)無(wú)線電話呼叫作出反應(yīng)所需的時(shí)間比對(duì)固定電話的反應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)10倍；
對(duì)于緊急情況這一時(shí)間就顯得太長(zhǎng)了。
    鑒于此，華盛頓特區(qū)的美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）下達(dá)了指示。命令為無(wú)
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(gè)階段：第一階段
要求在1998年4月前定位精確度達(dá)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(dá)到67%。第一個(gè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)只需要改變系統(tǒng)的軟件，
而第二個(gè)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(jí)。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(duì)現(xiàn)有的電話進(jìn)行改造。并不是所
有的移動(dòng)電話用戶都愿意將他們的電話進(jìn)行改造，這將使現(xiàn)有的電話支持系統(tǒng)大
大復(fù)雜化。
    實(shí)現(xiàn)E911服務(wù)的障礙不僅來(lái)自于技術(shù)方面，更大的障礙是成本，升級(jí)所有的
無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將花費(fèi)上億美元，而且如何收回成本是移動(dòng)電話服務(wù)供應(yīng)商面對(duì)的中心
問(wèn)題。盡管讓無(wú)線服務(wù)使用者來(lái)承擔(dān)這些費(fèi)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(guó)政府要求他們的無(wú)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(guó)是電信業(yè)的一個(gè)主要市場(chǎng)，因此很多無(wú)線電信設(shè)備制
造商也在發(fā)展這項(xiàng)技術(shù)來(lái)配合電信委員會(huì)的指示。
       為社會(huì)服務(wù)
    目前，無(wú)線E911只是幫助個(gè)人，但將來(lái)用于監(jiān)視精神病患者和罪犯可能對(duì)社
會(huì)的影響更大。在未來(lái)幾十年，年齡超過(guò)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(zhǎng)，同時(shí)，老年人的精神疾病也越來(lái)越多。在美國(guó)被診斷為早老性
癡呆的400萬(wàn)人中，大部分都在65歲以上。一種自動(dòng)輪詢系統(tǒng)將可以檢測(cè)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(gè)人定位系統(tǒng)能夠介入的另一個(gè)受社會(huì)關(guān)注的領(lǐng)域。通過(guò)引入個(gè)
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(qiáng)了對(duì)假釋和緩刑罪犯的監(jiān)視。
    這種個(gè)人定位器通常包括兩個(gè)部分：一個(gè)GPS單元和一個(gè)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(chǔ)器中，然后和數(shù)據(jù)庫(kù)中罪犯應(yīng)在的位置相比較，當(dāng)檢測(cè)到二者
位置存在沖突時(shí)，它通過(guò)無(wú)線呼叫向定位中心發(fā)出警報(bào)。在這種模式下，GPS單
元一天內(nèi)會(huì)和定位中心通話一兩次，用內(nèi)存中的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)它進(jìn)行更新。工作在自
治模式下避免了昂貴的連續(xù)語(yǔ)音無(wú)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(wú)繩電話連接（CDPD），GPS單元和定位中心保持連續(xù)
的實(shí)時(shí)連接。
        安全仍是問(wèn)題
    在定位技術(shù)中，個(gè)人行蹤信息的保密性是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題。數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)了
大量的個(gè)人信息，包括醫(yī)療數(shù)據(jù)、購(gòu)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(jìn)一步暴露個(gè)人行蹤，存取定位信息數(shù)據(jù)庫(kù)將使這一問(wèn)題
更加嚴(yán)重。
    和跟蹤定位過(guò)程一樣，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)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(wèn)題，定位信息可以進(jìn)行加密，或者使用CDMA這樣的擴(kuò)頻
技術(shù)來(lái)發(fā)射編碼信號(hào)。
    另外，隱私保護(hù)還依賴于技術(shù)上的進(jìn)步。例如，當(dāng)使用GPS或增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度
技術(shù)時(shí)，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(lái)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(cè)定位器的信號(hào)特征而不使
用附方配件，這時(shí)使用者對(duì)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(gè)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(wú)線電
頻率的經(jīng)濟(jì)利用等。除此之外，混合系統(tǒng)需要擴(kuò)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(fèi)用是定位服務(wù)推廣所面對(duì)的最大障礙。對(duì)于如何支付
E911服務(wù)費(fèi)用的關(guān)注正說(shuō)明了降低費(fèi)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(fèi)用，那么每一位服務(wù)使用者的費(fèi)用就可以降低。
新的定位技術(shù)及無(wú)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(kuò)大個(gè)人定位
服務(wù)提供了機(jī)遇。
    最近，輔助GPS技術(shù)的進(jìn)展加強(qiáng)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(shí)提供了在建筑物中跟蹤的能力。
    將來(lái)個(gè)人定位器可以帶來(lái)其他守良多好處：讓兒童們帶上個(gè)人定位器可以讓
父母?jìng)兏�放心；更小的定位器甚至可以用�?lái)跟蹤寵物；個(gè)人定位器對(duì)病人們也很
有幫助，將定位器和檢測(cè)器結(jié)合在一起可以監(jiān)視病人們的生命跡象，如果檢測(cè)器
發(fā)現(xiàn)了異常信號(hào)，它將向護(hù)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?yàn)椴∪颂峁└�多的自由�?br />    很顯然，技術(shù)和商業(yè)方面的因素將決定這項(xiàng)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(wèn)題。