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GPS定位技术精确定位:是福音还是侵犯隐私?

    位置,位置,还是位置!它是一个决定性的因素,是它涉及到了不动产还是简单地表示你现在站在哪里。通过技术来判定位置并不是一个新的概念。多年以来,人们已经采用多种具有定向天线和三角测量的接收器(或者无线电定位)来追踪任何发射无线电波的物体。并且从第二次世界大战以来,雷达已经在军事行动中是必不可少的。目前,事情反过来了。当你的技术可以判定你自己位置的时候,会发生什么事呢?这些电子方法中的一部分已经存在多年了,例如用于船舶定位的远程导航系统(Loran,罗兰系统)。以及也已经运作过一段时间的24颗卫星的全球定位系统(GPS)。首先,GPS是为了军事目的而创建的。但是,目前存在着数以百计的民用设备,并且其正在成为许多新的商业定位技术系统的核心。  

    GPS 101

    事实上,GPS是庞大的定位技术。其24颗卫星工作在位于六个倾角与赤道为55度的轨道平面内。卫星位于20,000 km即大约11,000英里的高度,周期近12小时。每颗卫星广播信号在微波L频段(1.57542和1.2276GHz),其包含了代码和时间信息,全部信息可以被位于地球任何地方的接收器获取。

    在任何时候,四至六颗空中卫星允许接收器选择三至四个信号用于计算,依次产生纬度、经度、海拔高度以及速度信息。因为该信号被同步到卫星上装载的原子钟,它们提供超高精度的时间信息。

    定位精度的水平随精确的位置和接收器而变化,但一般在10到50米范围内。GPS系统通过在科罗拉多州Schriever空军基地(AFB)的美国空军第50作战大队第2空间行动中队进行维护。军用GPS用于导航、搜索和救援,以及炸弹和导弹的精确瞄准。民用包括导航、测量以及手机定位等。

    美国海岸警卫队的NAVCEN负责海岸警卫队海上差分GPS(DGPS)服务,其由两个控制中心和超过60个远程广播站点组成。它在海上无线电信标频率广播校正信号来改善GPS得出位置的精度。号称在全部确认的覆盖范围内具有10m的精度。然而,通常DGPS位置的定位误差在1到3米,极大地增强了海港入口和进港导航。此外,使用DGPS需要一个专用的接收器。

    一项新版本的GPS是辅助的或辅助GPS(A-GPS)。由Qualcomm公司首倡,其改善了GPS接收器生成高精度定位信息的能力,甚至当其在卫星无法达到的地方时也可以定位。一般,大多数GPS接收器不能获取室内信号或在城市的“峡谷”中获取信号。

    在许多具备Enhanced 911法案所要求功能的新式手机中采用了A-GPS。在本地手机载波附近的专用固定GPS接受器需要卫星数据,并将其通过网络发送给可以使用GPS的手机。这最终加速捕获和计算时间。起初,这些复杂的GPS接受器每个成本数千美元。目前,你可以花费少于200美元购买到基本的卫星接收器。而且,半导体生产商现在可以提供低于10美元的片上GPS接收器,使得其可能将GPS功能植入到其他项目中去。这已经能够使GPS用途扩大到广泛的定位服务中去。

    几十种不同的手持式GPS接收器提供了纬度和经度信息,目前其数量正在急速增长。但是,谁会随身带着有坐标的地图呢?因此,接收器生产商提供了依赖卫星数据的地图。接收器的LCD屏幕显示了标明你所在位置当前区域的地图。

    这些来自Garmin、TomTom以及其他生产商的接收器成本大于1000美元,但是如果你必须知道你在往哪里去的时候,它们是绝对必要的。某些接收器可以让你绘制出到你目的地的一条路经,并且接收器逐步地提供方向。这种功能目前也被安装到最新式的高端豪华汽车中。

    某些手机公司也提供GPS地图定位服务。Verizon的VZ导航服务价格是10美元/月。将你的手机用作GPS接收器,并在屏幕的地图上显示你的路线。Sprint Nextel公司以基本同样的价格提供相似的服务。所有运营商都提供具备GPS接收器功能的高端手机,这是由于联邦通讯委员会Enhanced 911法案的要求。你也可以在你自己的智能手机上安装类似ALK CoPilot LIVE、Destinator SP和TomTom Navigator 5等的导航软件。

    某些运营商甚至提供相似的服务来帮助父母定位他们孩子的位置。首先,孩子们需要带着配备来自Sprint Nextel或Verizon的具备GPS功能的cDMA2000手机。Sprint公司的家庭定位器(Family LOCator)服务对超过四部手机以上的价格大约是10美元/月。父母使用他们自己的手机来定制该服务,这项服务会使用孩子手机附近的地址和地面标志来报告孩子的位置。它也可以发送文本信息给手机来指明受追踪手机的位置,这是Nextel公司每月提供的一项类似的不受限制服务。Disney的移动家庭定位器服务也以类似方式运作。

    定位技术的推动力

    在1996年,FCC要求所有的手机包含只要拨打美国全国紧急服务电话911就可以定位其位置的技术。该法案被称为Enhanced 911(E911),其在手机拨打911号码之后变得很有必要。911公共安全应答点(PSAP)可以很容易地定位来自固定电话的报警,其地址是被自动定位的。当然,一个报警电话可能来自任何地方。

    FCC准备在2001年纠正这个问题。然而,运营商和手机生产商的原因,所以最后期限延长至2005年12月31日。但是,尽管如此还是没有全部符合要求,而导致许多运营商放弃以及被罚款。

    运营商可能具有两个解决方案,通过手机或者网络。手机解决方案采用内部GPS接收器来返回定位信息给网络,网络将该信息提供给PSAP。例如Verizon和Sprint Nextel,运营商提供cdma2000技术,采用Qualcomm公司的芯片来实现这种方法。这些芯也包含了A-GPS特性。最大的问题就是说服客户放弃其老式的手机,并购买具备新技术的新手机

    Cingular和T-Mobile选择了其GSM网络作为网络解决方案。它们采用被称为上行链路到达时差(UTDOA)的系统。该系统由TruePosition公司开发,在每个手机基站上使用被称为位置测量单元(LMU)的专用接收器,还包含已有的天线。

    U-TDOA系统采用类似于无线电测向三角测量的方法(见图)。其通过测量在不同的接收器基站,信号到达时间的差别来定位手机的位置。LMU检测信号时间,其是手机和每个LMU之间传输路径距离的函数。精确的时间信息必须被用于获得理想的精度。 

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大部分LMU结合了由GPS接收器在每个手机基站获得的高精度时钟。使用DSP,那么系统要与LMU的信号相匹配并决定接收时间的差值。三个LMU的测量值允许系统来计算手机的纬度和精度,其具有高于50 m的精度。然后信息被提交给PSAP。

    U-TDOA系统的一个好处就是不需要任何的手机手持附加物。其也可以用于GSM手机,同较老的模拟和TDMA手机与较新的WCDMA 3G手机一样。这一系统目前在全国范围内保留有超过50,000台的手机基站,但超过44,000台将在明年进行安装。

    联邦通讯委员会的目标是让运营商采用手持解决方案在50m之内定位911手机拨打的67%的报警电话,在150m内定位全部报警电话的95%。在网络解决方案中,运营商应该定位100m内的911报警电话的67%,而300m内是全部报警电话的95%。

    其它无线技术

    如果你用手机技术定位手机或其他设备,你也可以采用其他无线技术来非常好地实现它。例如,射频识别(RFID)正在快速取代条形码。大部分RFID标签是无源的,没有自身的电源。然而,当RFID阅读器或询问器单元发送问询信号时,标签采用该信号来提供电源并发送存储在其存储器内的唯一电子产品代码(EPC)给阅读器。对大部分标签而言阅读距离是很短的,从仅仅几英寸到新式的UHF标签的数百英尺。有源RFID标签采用内部电池提供电源来发送它们的代码和位置给几百英尺外的阅读器。

    标签的高成本阻碍了RFID的发展。但是目前,无源标签的价格在不断下降,与此同时,阅读距离在不断提高。有源标签更加昂贵,但它们仍然值得在较大的以及较昂贵的项目上采用。RFID主要用于货物追踪、资产管理以及海运和运输应用。它可以追踪动物和人,自动征收费用,并在允许其使用的油泵上对所加的汽油收费。

    由于其阅读距离较短,RFID是一项较难的定位技术。在理想的位置配备阅读器网络,采用某种三角测量方案在覆盖区域内对确定人或目标可能获得合理的精度。有源RFID标签改善了定位精度,由于其更长的阅读距离和要求更少的阅读器让该系统可以覆盖更大的范围。

    具备Wi-Fi功能的该项技术更有效。当设计802.11无线局域网(WLAN)标准用于无线进入LAN以及通过热点连入互联网时,它也可以被用于追踪笔记本电脑或其他设备。据有许多Wi-Fi入口点的组织可以利用它来找到特定的笔记本电脑、PC、PDA或手机。如果Wi-Fi设备出现在任何热点范围内,就可以识别它的位置。

    已经有数以万计的热点在机场、旅馆和其他公共场所联机,位置已经变得异常精确。由于许多市政Wi-Fi网状网络已经安装在全国的许多城市,进一步改善了位置的可能性。G2微系统公司开发了一款芯片,该芯片结合了低功耗802.11b收发器加上125kHz以及用于定位应用的新式有源标签的新900MHz RFID电路。

    定位技术可以采用许多新的形式。来自eTelemetry公司的系统由硬件和软件组成,这些硬件和软件用于识别交换端口、部门、物理地址以及分配给每个IP地址的人的电话数量。它可以将网络管理反馈用来定位网络故障,决定谁来使用最大的带宽,并且处理其他的监控应用。

    事实上,定位技术的发展已经产生了一个被称为实时定位系统(RTLS)的全新行业。它采用RFID和Wi-Fi或者其他技术创建无线系统,以此在任何时间来定位在人或物上的小型电子设备。通过采用RFID阅读器阵列和Wi-Fi接入点,它可能通过位置范围来覆盖确定的区域。

    可能的地点包括医院、主题公园、停车场、工厂和仓库以及邮局或其他海运设施。调查公司IDTechEx预测该行业将在2016年增加到27.1亿美元。该技术的核心不仅包括无线硬件,而且包含可以收集并明确由阅读器收集的全部标签和其它数据意义的软件。

    基于位置的信息服务(LBS)

    在适当的位置放置了如此巨大的定位系统,运营商已经考虑如何可以对其强制性的投资获得商业回报。手机运营商对补偿E911要求的巨大投资的方式有着极大的兴趣。但是,这些LBS又如何呢?“门卫”服务将会在餐厅、商场或无论什么地方进行识别。它可以使消费者随时就近找到服务设施。当你经过一家餐厅或商店的时候,它甚至可以广播广告,但这可能会引发相关问题。LBS行业尚未完全建立,但一旦E911服务接近完全实施,它就会立即开始行动。

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