摘 要: 研究了移動(dòng)定位技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)方式,探討了移動(dòng)定位系統(tǒng)的開發(fā)思路、各子模塊的主要實(shí)現(xiàn)方法以及移動(dòng)定位服務(wù)的業(yè)務(wù)類型和市場(chǎng)狀況。
關(guān)鍵詞: MPS;GIS;移動(dòng)通信;空間定位
當(dāng)前人們對(duì)信息的需求越來越強(qiáng)烈,據(jù)統(tǒng)計(jì),有80%的信息與位置有關(guān)。為了尋找某個(gè)人、某個(gè)地點(diǎn),常常耗去人們大量的精力,隨著社會(huì)的發(fā)展,生活節(jié)奏的加快,節(jié)省時(shí)間、提高效率已經(jīng)成為一種很普遍的追求,位置信息因此也成為人們最渴求的信息之一。另一方面,空間定位技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展也使快捷傳遞人們的地理位置成為可能。在市場(chǎng)和技術(shù)雙重驅(qū)動(dòng)之下,位置服務(wù)LBS(Location-Based Service)隨之發(fā)展起來。移動(dòng)位置服務(wù)通過一定的技術(shù)從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)獲取移動(dòng)終端用戶的位置信息(經(jīng)緯度坐標(biāo)),提供給該用戶或通信系統(tǒng),或者提供給其他請(qǐng)求得到該用戶位置的機(jī)構(gòu)或個(gè)人,為用戶提供相應(yīng)服務(wù)的一種增值業(yè)務(wù)。
移動(dòng)定位系統(tǒng)MPS(Mobile Position System)是將移動(dòng)位置服務(wù)和地理信息系統(tǒng)GIS(Geographic Information System)相結(jié)合,把移動(dòng)終端的位置信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地傳遞給具體的地理信息應(yīng)用系統(tǒng),從而提供不同類型的服務(wù)。
目前國(guó)外已經(jīng)開展了許多基于GSM的移動(dòng)定位業(yè)務(wù)。如美國(guó)通用汽車公司的全資子公司OnStar公司使用全球定位系統(tǒng)(GPS)和無線通信方式,研發(fā)了第一個(gè)“智能駕駛”的安全保障及信息系統(tǒng)。在歐洲,移動(dòng)位置業(yè)務(wù)正在興起發(fā)展。愛立信的MPS可以在手機(jī)上指出目標(biāo)的經(jīng)度和緯度,利用GIS獲得的信息可以給出不同準(zhǔn)確度的位置。MPS的核心是移動(dòng)定位中心,該中心是設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)上的定位網(wǎng)關(guān),可支持大多數(shù)的電信標(biāo)準(zhǔn)。
在國(guó)內(nèi),中國(guó)移動(dòng)和中國(guó)聯(lián)通兩大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商都開通了移動(dòng)位置服務(wù)功能,主要采用Motorola和Erission公司的位置服務(wù)設(shè)備,囿于沒能很好把握客戶需求、開發(fā)力度不夠以及網(wǎng)絡(luò)速度和終端設(shè)備等原因,目前用戶相對(duì)較少。相信3G實(shí)施后,會(huì)有所改觀。
1 移動(dòng)定位技術(shù)
1.1 移動(dòng)定位的分類
采用適當(dāng)?shù)亩ㄎ患夹g(shù)獲得位置信息是實(shí)現(xiàn)位置服務(wù)的必要前提,根據(jù)不同的劃分準(zhǔn)則,蜂窩網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)有以下幾種分類方法:
(1)根據(jù)定位系統(tǒng)所處的空間位置不同,可分為GPS、地基定位系統(tǒng)及混合定位系統(tǒng)三種。GPS以高精度、全天候等特點(diǎn)在全球廣泛應(yīng)用,在車輛調(diào)度管理中發(fā)揮重要作用;傳統(tǒng)的廣域無線電測(cè)向定位系統(tǒng)屬于地基定位系統(tǒng);A-GPS系統(tǒng)是GPS與蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的產(chǎn)物,定位精度高,克服了GPS在建筑物內(nèi)和市區(qū)存在盲區(qū)的缺點(diǎn),是未來蜂窩定位技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最有力的競(jìng)爭(zhēng)者。
?。?)根據(jù)定位參數(shù)測(cè)量位置不同,可分為基于網(wǎng)絡(luò)的定位及基于終端的定位兩種?;谛^(qū)標(biāo)識(shí)的CELL_ID技術(shù)已經(jīng)成熟應(yīng)用。到達(dá)時(shí)間差(TDOA)與CDMA系統(tǒng)相結(jié)合能提供50 m以內(nèi)的定位,是當(dāng)前發(fā)展最迅速的定位技術(shù)之一。增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)間定位技術(shù)(E-OTD)是目前GSM系統(tǒng)中最有發(fā)展?jié)摿Φ幕诮K端的蜂窩定位技術(shù),但采用該技術(shù)需要改變終端的軟硬結(jié)構(gòu),因此目前還沒有廣泛應(yīng)用。
(3)根據(jù)定位所用參數(shù)不同,可分為場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量法(SSOA)、增強(qiáng)型場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量法/多徑指紋法(ESSOA/FingerPrint)、到達(dá)角度測(cè)量法(AOA)、到達(dá)時(shí)間/時(shí)間差測(cè)量法(TOA/TDOA)及混合參數(shù)定位法等。
1.2 移動(dòng)位置服務(wù)的原理
1.2.1 移動(dòng)定位技術(shù)介紹
基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)主要有以下幾種:
?。?)CGI+TA+NRM(Cell Global Identify+Timing Advance+Network Measurement Report)定位技術(shù)。它是根據(jù)移動(dòng)臺(tái)所處的蜂窩小區(qū)ID號(hào)來確定用戶的位置的,因此其定位精度取決于蜂窩小區(qū)的半徑。在此基礎(chǔ)上可根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)的蜂窩基本數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng),從而進(jìn)一步提高精度。TA是通過信號(hào)到達(dá)的時(shí)間提前量,在CELL_ID的基礎(chǔ)上進(jìn)行位置計(jì)算,適用于大范圍覆蓋區(qū)域或郊區(qū)。NMR是手機(jī)端用來測(cè)定基站的場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)的,此測(cè)量數(shù)據(jù)可以被用來估計(jì)手機(jī)端與基站的距離,又稱E-CGI。
?。?)增強(qiáng)觀測(cè)時(shí)間差分/高級(jí)先向鏈路三角測(cè)量法E_OTD/AFLT(Enhanced Observed Time Difference/Advanced Forward Link Trilateration)。E-OTD定位技術(shù)是通過布置位置接收器或參考點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的。這些參考點(diǎn)分布在較廣區(qū)域內(nèi)的許多站點(diǎn)上,作為位置測(cè)量單元。每個(gè)參考點(diǎn)都有一個(gè)精確的定時(shí)源,當(dāng)具有E-OTD功能的移動(dòng)臺(tái)和位置測(cè)量單元接收到來自至少3個(gè)基站信號(hào)時(shí),從每個(gè)基站到達(dá)移動(dòng)臺(tái)和位置測(cè)量單元的時(shí)間差將被計(jì)算出來,這些差值可以被用來產(chǎn)生幾組交叉雙曲線,由此估計(jì)移動(dòng)臺(tái)的位置。在這種定位模式下,每個(gè)BTS必須嚴(yán)格同步,如果不能做到這一點(diǎn),則需要每個(gè)基站安裝一個(gè)LMU(Location Measurement Unit)進(jìn)行輔助定位。
?。?)輔助GPS(A-GPS)定位技術(shù)。GPS雖然定位精度比較高,但其響應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng),這對(duì)于一些緊急應(yīng)用是無法接受的。將GPS與通信網(wǎng)結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)一種精度高、定位快的方式——輔助GPS定位。其基本思想是建立一個(gè)GPS參考網(wǎng)絡(luò),該網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)相連,通信網(wǎng)的移動(dòng)臺(tái)內(nèi)置一個(gè)GPS接收機(jī)。通信網(wǎng)將GPS參考網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的輔助數(shù)據(jù)(如差分校正數(shù)據(jù)、衛(wèi)星運(yùn)行狀況)傳送給移動(dòng)臺(tái),并將通信網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中移動(dòng)臺(tái)的近似位置或小區(qū)基站位置傳送給移動(dòng)臺(tái)。移動(dòng)臺(tái)得到這些信息后,根據(jù)自己所處的近似位置和當(dāng)前的衛(wèi)星狀態(tài)可以很快地捕獲到衛(wèi)星信號(hào)。
1.2.2 移動(dòng)定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案
定位系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)主要有3種:
?。?)基于移動(dòng)臺(tái)(MS)的定位——自主定位系統(tǒng),它分為有兩類:一類是將GPS接收機(jī)集成于MS中;另一類是MS接收不同BTS(Base Transceiver Station)的信號(hào),通過進(jìn)行運(yùn)算定位。
?。?)基于網(wǎng)絡(luò)的定位——遠(yuǎn)程定位系統(tǒng),它是由不同的BTS接收MS發(fā)射的信號(hào),進(jìn)行參數(shù)測(cè)量,實(shí)現(xiàn)對(duì)MS的定位。
?。?)混合定位系統(tǒng)——自定位系統(tǒng)與遠(yuǎn)程定位系統(tǒng)相結(jié)合,是將測(cè)算位置所需要的定位函數(shù)放置在移動(dòng)臺(tái)中,將混合函數(shù)放置于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,測(cè)定計(jì)算過程由移動(dòng)臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)共同完成。
1.2.3 移動(dòng)定位系統(tǒng)的組成
移動(dòng)位置應(yīng)用服務(wù)的主要技術(shù)手段是依據(jù)GIS和移動(dòng)通信技術(shù),主要方法是利用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的可定位功能、短消息服務(wù)功能以及地圖信息數(shù)據(jù)庫(kù),由應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)來完成所需的定位業(yè)務(wù)。
在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上,主要由位置信息傳輸和接口單元、位置獲取和確定單元、基于位置信息的應(yīng)用服務(wù)、城市地圖與信息數(shù)據(jù)庫(kù)及服務(wù)器共同組成,協(xié)調(diào)分工。
?。?)位置信息傳輸和接口單元:GSM規(guī)范中稱為移動(dòng)定位中心網(wǎng)關(guān)(GMLC),CDMA規(guī)范中稱為移動(dòng)定位中心(MPC),通過標(biāo)準(zhǔn)的軟硬件接口將SMLC/PDE收到的定位數(shù)據(jù)傳送到提供定位服務(wù)或有定位需求的實(shí)體進(jìn)行處理。
?。?)位置獲取和確定單元:GSM規(guī)范中稱為移動(dòng)定位中心(SMLC),CDMA規(guī)范中稱為定位實(shí)體(PDE),SMLC/PDE可與多個(gè)定位單元(LMU)連接,當(dāng)收到MPC的位置請(qǐng)求時(shí),PDE與MSC、BSC以及MS等相關(guān)設(shè)備交換信息,利用各種測(cè)量信息和各種數(shù)據(jù)通過特定的算法完成具體的定位計(jì)算,并將最后的計(jì)算結(jié)果報(bào)告給MPC。
?。?)基于位置信息的應(yīng)用服務(wù):即定位服務(wù)客戶機(jī)(LCS Clients),主要與GMLC或MPC連接,提供移動(dòng)用戶之間信息傳遞通路,完成移動(dòng)用戶查詢請(qǐng)求及查詢結(jié)果的接收與發(fā)送工作。
?。?)業(yè)務(wù)承載平臺(tái):主要是地理信息系統(tǒng)集成,包括矢量地圖數(shù)據(jù)的采集、整理和更新,地理信息的拓?fù)洳樵兒屯負(fù)浞治?,以及建立在其上的業(yè)務(wù)應(yīng)用。
移動(dòng)定位系統(tǒng)的常見組網(wǎng)方式如圖1所示。
1.3 移動(dòng)定位系統(tǒng)接入方法
移動(dòng)定位系統(tǒng)的接入方法主要有:網(wǎng)絡(luò)接入(包括Web、專網(wǎng)、PDA等)、短信接入、WAP接入和語(yǔ)音接入等幾種。不同的應(yīng)用接入方式特指應(yīng)用提供一方和MPC移動(dòng)定位中心的連接。同一應(yīng)用對(duì)幾種方式可能互有交叉,業(yè)務(wù)流向也是多種多樣的。
2 移動(dòng)定位系統(tǒng)的開發(fā)思路
目前移動(dòng)定位平臺(tái)已經(jīng)是相當(dāng)成熟的產(chǎn)品了,從硬件到軟件,各大移動(dòng)設(shè)備制造商都提供了完善的解決方案。移動(dòng)定位服務(wù)作為一項(xiàng)通信增值業(yè)務(wù),其核心競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)是GIS的服務(wù)能力、點(diǎn)信息(POI)收集能力和應(yīng)用創(chuàng)新能力,因此,對(duì)于移動(dòng)定位系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā),應(yīng)集中以下3個(gè)方面:
?。?)GIS服務(wù)的開發(fā)。其不僅包括傳統(tǒng)意義上C/S結(jié)構(gòu)的GIS開發(fā),也包括B/S結(jié)構(gòu)的WebGIS開發(fā)。
?。?)移動(dòng)終端(MS)的應(yīng)用開發(fā)。當(dāng)定位服務(wù)提供地理信息的Web發(fā)布時(shí),具有WAP上網(wǎng)功能的移動(dòng)終端則可以獲取豐富的地圖信息,并可以和GIS服務(wù)器進(jìn)行更直觀的交互,但要實(shí)現(xiàn)這些功能就要對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。
?。?)定位服務(wù)客戶機(jī)開發(fā)。主要指短信服務(wù)中心、WAP網(wǎng)關(guān)的開發(fā)。
2.1 GIS服務(wù)的開發(fā)
移動(dòng)定位服務(wù)中關(guān)鍵的核心是位置與地理信息,兩者相輔相成,缺一不可。一個(gè)經(jīng)緯度位置對(duì)于正常的使用來說并不代表任何意義,必須將其置于一個(gè)地理信息中來,才能代表為某個(gè)地點(diǎn)、標(biāo)志和方位等,才能被人們所理解。因此,除了通過定位操作平臺(tái)獲取到終端的位置之外,必須通過GIS系統(tǒng)將經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成用戶真正關(guān)心的地理信息,如地圖、路徑搜索結(jié)果等。
地理信息目前已經(jīng)滲透到各行各業(yè)的信息系統(tǒng)中。從需求角度看,無論是宏觀上的決策支持、綜合經(jīng)營(yíng)分析,還是具體業(yè)務(wù)層面的一個(gè)目標(biāo)的定位、一條線路的規(guī)劃,都離不開地理信息的支持。從技術(shù)角度看,隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展,尤其是近年來移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域和空間數(shù)據(jù)庫(kù)領(lǐng)域技術(shù)的不斷更新,一些新建的地理信息系統(tǒng)開始在應(yīng)用層滿足對(duì)各類終端設(shè)備的兼容,數(shù)據(jù)層提供對(duì)異構(gòu)或分布數(shù)據(jù)的良好支持,應(yīng)用上從傳統(tǒng)領(lǐng)域向所有領(lǐng)域的發(fā)展,用戶群上從少數(shù)專業(yè)用戶向大量普通用戶的發(fā)展,技術(shù)上是從簡(jiǎn)單架構(gòu)向多層模型的發(fā)展,因此GIS也在很多方面融入了新的特征。
2.1.1 地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建立
地理信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)經(jīng)歷了文件存儲(chǔ)、文件/數(shù)據(jù)庫(kù)分別存儲(chǔ)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。
地理空間信息是對(duì)地理空間實(shí)體的抽象描述,地理空間實(shí)體是指具有空間分布和一定集合形狀的事務(wù)和現(xiàn)象,它有空間要素和屬性要素兩個(gè)最基本的特征。地理空間信息的組織模型如圖2所示。
地理空間要素的表示有柵格方式和矢量方式。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便,但是精度低、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大,難以建立實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系,難以操作單個(gè)實(shí)體。而矢量方式則點(diǎn)、線、面來描述空間要素,它顯示了建立地理空間實(shí)體間的空間關(guān)系,其優(yōu)點(diǎn)是精度高、易于完整地表達(dá)實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系,容易操縱單個(gè)目標(biāo),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量小,但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。
2.1.2 C/S結(jié)構(gòu)的地理信息系統(tǒng)
目前C/S結(jié)構(gòu)是地理信息系統(tǒng)的傳統(tǒng)開發(fā)方式,大多數(shù)的地理信息系統(tǒng)都是C/S結(jié)構(gòu)的。
目前地理信息系統(tǒng)的二次開發(fā)平臺(tái)相當(dāng)豐富,都能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的空間查詢和空間查詢。最著名的是MapInfo公司和ESRI公司提供的二次開發(fā)平臺(tái)。其中有MapInfo公司的MapX控件、MapInfoPro Ruantime以及ESRI公司的MapObjects控件、ArcEngine組件庫(kù)。
2.1.3 WebGIS開發(fā)
WebGIS是地理信息系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì),它是GIS與互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)結(jié)合,是GIS在廣域網(wǎng)環(huán)境下的一種應(yīng)用,最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)空間信息的網(wǎng)絡(luò)化。GIS通過國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)在功能上得到了延伸,真正成為一種大眾使用的信息工具。從國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn),人們可以瀏覽網(wǎng)上的各種分布式的地理空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù),進(jìn)行地理空間分析、查詢,以支持智能輔助決策,WebGIS提供給用戶的信息不僅有矢量化的空間信息,還有遙感影像、動(dòng)態(tài)視頻及文字說明等多種信息。
常見的WebGIS的結(jié)構(gòu)體系是由數(shù)據(jù)庫(kù)、應(yīng)用服務(wù)器和客戶端組成的三層結(jié)構(gòu)體系。它把數(shù)據(jù)庫(kù)和地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用邏輯分開,相對(duì)于最初的兩層結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)庫(kù)的改變對(duì)應(yīng)用的影響減少了??蛻粝騑eb服務(wù)器通過HTTP協(xié)議請(qǐng)求數(shù)據(jù)服務(wù),服務(wù)器返回HTML方式書寫的服務(wù)頁(yè)面。按照瀏覽器和服務(wù)器端功能多少,可以劃分為胖客戶器/瘦服務(wù)器和瘦客戶器/胖服務(wù)器兩種。胖客戶即基于Applet等有較多功能的客戶端,瘦客戶即基于瀏覽器等功能較少的客戶端。
WebGIS的開發(fā)平臺(tái)有MapInfo公司的MapXTreme、MapX Java版,ESRI公司的IMS系列、ArcGIS Server和MapObjects Java版。
2.2 移動(dòng)終端應(yīng)用開發(fā)
隨著以高速數(shù)據(jù)傳輸為特征的2.5G和3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè),以及智能手機(jī)等下一代移動(dòng)裝置的出現(xiàn),加之用戶對(duì)手機(jī)應(yīng)用程序多樣性的期望以及運(yùn)營(yíng)商回收網(wǎng)絡(luò)建設(shè)高額投資的要求,移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)正悄然升溫,而其中移動(dòng)應(yīng)用平臺(tái)的角色尤為關(guān)鍵。
移動(dòng)終端的操作系統(tǒng)主要有80%的手機(jī)制造商支持的Symbian OS、掌上電腦巨頭Palm的Palm OS、開放的Linux與微軟的Smartphone;移動(dòng)終端上的應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)基本上是兩強(qiáng)爭(zhēng)霸,即Sun公司的J2ME(Java 2 Micro Edition)和高通公司的BREW(Binary Runtime Environment for Wireless)。J2ME和BREW性能比較如表1所示。
在各種移動(dòng)平臺(tái)中,Java技術(shù)獲得了最廣泛的支持,而應(yīng)用開發(fā)上J2ME與C++又是一個(gè)極好的的互補(bǔ)。
對(duì)于定位服務(wù)客戶機(jī)的開發(fā),主要是基于短信服務(wù)(SMS)和WAP服務(wù)網(wǎng)關(guān),在此不再做進(jìn)一步介紹。
移動(dòng)位置服務(wù)在中國(guó)已經(jīng)開展了多年,但始終處于市場(chǎng)導(dǎo)入的初級(jí)階段,現(xiàn)有位置服務(wù)大都屬于“模糊定位”的初級(jí)位置服務(wù),業(yè)務(wù)內(nèi)容單一,加上主要角色推廣力度不夠,產(chǎn)品認(rèn)知度低,致使用戶的潛在需求并沒有釋放出來。本文研究了移動(dòng)定位技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)方式的,探討了移動(dòng)定位系統(tǒng)的開發(fā)思路和各子模塊的主要實(shí)現(xiàn)方法以及移動(dòng)定位服務(wù)的業(yè)務(wù)類型和市場(chǎng)狀況。
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