第1章 定位技术引论
本章导读：
本章简要介绍位置服务和定位技术的产生和发展过程。定位计算是位置服务与其他信息服务的主要区别所在。而用于计算终端位置的定位技术也经历了日新月异的大发展，从卫星定位、基站定位、移动网络辅助卫星定位、IP定位、WiFi定位和混合定位到传感器定位等，定位技术已经从尖端军事技术走进了人们的日常生活中，成为移动互联网的基础能力之一。
在阅读本章内容时，需要了解位置服务和定位技术的发展过程，从而能理解每一种定位技术产生的原因和发展的背景，为在后续章节中更进一步地了解定位技术打下良好的基础。
本章要点：
◎ 位置服务
◎ 定位技术
1993年11月，美国一名叫做詹尼弗·库恩的女孩遭绑架之后被杀害，在这个过程当中，库恩用移动终端拨打了911电话，但是911呼救中心无法通过移动终端信号确定她的位置。这个事件导致美国通信委员会在1996年推出了一个行政性命令E911。E911要求电信运营商强制性构建一个公众安全网络，无论在任何时间和地点，都能追踪到用户的位置。这个事件也让公众认识到位置服务的重要性。从某种意义上来说，是E911法案促使移动运营商投入大量的资金和力量来研究位置服务，从而催生了位置服务（Location Based Service，LBS）的市场。
在位置服务发展的初期，位置服务应用以地图查询应用和导航应用为主。例如在日本，NTT DoCoMo在i-mode套餐中提供了i-Area业务，用于周边日常信息的查询和检索。KDDI则采用gpsOne技术提供高精度的定位服务，其基于高通gpsOne®技术开发的EZNaviWalk步行导航应用在日本市场大获成功。中国移动在2002年11月首次开通位置服务，例如移动梦网品牌下面的业务“我在哪里”、“你在哪里”、“找朋友”等。2003年，中国联通在其CDMA网上推出“定位之星”业务，其用户可以体验下载地图、导航等位置服务。
随着技术发展，定位功能逐步成为移动终端的一个标准配置。到2008年初，支持全球卫星定位系统GPS定位功能的移动终端已经占到移动终端总销量的25%以上。定位能力作为一个标准能力，与各种应用相结合，给客户提供了丰富多彩的应用。将定位能力与游戏结合，Bell在2004年9月发布了全球首款基于GPS定位的移动游戏Swordfish。将定位能力与分享技术结合，Foursquare在2010年推出了鼓励移动用户分享自己当前所在地理位置等信息的业务，仅用一年时间就发展了100万的用户。
随着业务的发展，位置相关的行业应用也逐步发展起来，例如针对老人和学生等特殊人群的监护服务、对外勤巡逻人员的考勤管理和对贵重物品的跟踪服务等，其中发展最快的业务是在交通运输领域针对车辆的跟踪和信息服务。2004年初期，在政府部门的参与和指导下，交通安全管理与应急联动领域逐渐引入了GPS定位与移动通信结合的技术，在公共运营车辆如公交、出租、货运、长途客运、危险品运输和内陆航运等交通运输领域提供运输监控管理服务。2011年，国家强制要求对市内公交车、长途客运汽车和危险品运输车辆进行全程跟踪和调度管理，这其中包括车辆位置跟踪、车速管理、油耗管理、车况监控、车辆排班和调度等应用。有的应用还要求在车辆内部安装摄像头，实现对车辆运行的全程视频跟踪。大部分的大型物流企业也基本实现了对车辆的GPS定位和调度管理。
随着乘用车市场的发展，私家车的GPS定位应用市场也得到爆发性增长。初期的民用车辆的位置服务应用以车辆导航为主，车辆导航应用所采用的车载导航仪或便携式导航仪并没有联网功能，每年需要车主到4S店等地方手工更新地图等信息。随着业务发展和用户体验的改善，导航仪也由单一提供设备的商业模式向给车主提供导航和信息服务的车载信息服务（Telematics）的商业模式发展。例如在丰田提供的GBook业务中，用户能通过与GBook服务后台的语言交互，由后台对GBook导航仪进行目的地设置等远程配置，避免了车主在开车过程中设置导航仪等不安全因素，提升了用户感知。通用提供的安吉星系统使车主在出现故障和事故时，可以一键报警，安吉星服务后台可以对报警车辆状况进行远程检查，并联系附近的汽车4S店对报警车辆进行现场救援、维修等相应的服务。
当前，移动位置服务市场的个人应用发展迅速，但商务模式仍以免费提供为主。根据Frost&Sullivan等机构的分析，2010年国内移动位置服务市场的应用业务收入规模达到28.13亿元，其中，个人应用市场规模为9.98亿元，政企行业应用为18.15亿元。虽然政企客户的位置服务用户数量远远小于个人位置服务的用户数量，政企客户位置服务应用收入却是个人应用收入的两倍。
针对个人的位置服务应用发展呈现以下三种趋势。
◎ 便携式GPS导航设备市场发展迅速。便携式GPS导航设备不依赖运营商的定位能力和数据通道。2010年国内便携式GPS销量达到523.1万套。
◎ 互联网定位服务商通过收集基站、WiFi热点等信息自建位置信息数据库，借助GPS、扇区定位和WiFi热点定位等定位技术，面向公众提供几乎免费的位置服务。运营商在个人位置服务应用中被“管道化”。
◎ 电信运营商在发展个人收费位置服务方面，面临以Google地图及诺基亚免费地图为代表的第三方位置服务应用带来的挑战。以国内某运营商在2007年推出移动终端导航为例，包月使用的费用为15元，按次使用收费2元（4小时为单位时间），至今注册用户约200万，发展较缓慢。
针对这种市场环境，运营商一般都选择了自建定位能力平台及开放定位能力平台接口的模式，同时利用对产业链的影响力和对移动终端的定制能力，实现在移动终端提供定位能力的标准应用程序编程接口API，供合作伙伴调用并方便合作伙伴开发相应的应用。运营商针对政企客户和公众客户采取了不同的市场策略。面向公众客户，运营商向位置服务提供商开放定位能力，以合作方式与位置服务提供商一起向用户提供位置服务应用。面对政企客户，运营商积极参与研发基于位置的行业应用服务，例如KDDI、丰田汽车与Navitime推出的移动终端与车载导航系统联动平台。国内某运营商由其辽宁分公司统一建设位置服务基地，位置服务基地面向集团客户开发和提供了“车务通”业务。截至2010年5月，“车务通”共发展客户4000余家，入网车辆约12万。
总的来说，针对位置服务的定位和信息服务两个环节，运营商一般选择独立提供定位能力、参与或合作提供信息服务的策略。
随着1993年全球卫星定位系统（GPS）投入商业应用，GPS成为最便捷的终端位置计算方法。但通过全球卫星定位系统进行定位存在着接收灵敏度要求高、定位时间长且室内无法定位等问题，无法满足所有的位置服务场景需求。1996年，美国的E911法案给移动网络引入了定位能力。E911有有线方案和无线方案之分。有线方案由ISUP协议进行了保证，主要与有线网络有关。而美国联邦无线委员会定义的无线E911有两个版本：第一个版本要求在用户拨打本地报警电话时，电信运营商能获取主叫用户的号码并确定主叫用户的基站位置；第二个版本要求运营商提供主叫用户精确到50～300m的位置信息。无线E911第二版主要采用的技术方案就是通过卫星定位和无线网络定位相结合的技术对移动用户进行定位。美国Sprint PCS和Verizon分别在2001年10月和2001年12月推出了基于gpsOne技术的定位业务，并通过该技术来满足FCC对E911第二阶段的要求。2001年，产生了AGPS的概念，即将GPS与移动通信在芯片级进行结合。2002年，高通及其子公司SnapTrack推出了gpsOne芯片，更是打通了GPS与CDMA的桥梁。2009年，Google在正式发布的定位能力中引入了基于WiFi的能力。
位置计算方法的原理有以下几种方案。目前主要的定位能力也是基于这几种方法发展而来的。
◎ 到达角原理（AOA，Angle of Arrival）。指通过几个基站信号到达移动终端的夹角来获取移动终端的位置。
◎ 到达时间（TDOA，Time Difference of Arrival）。指通过几个基站信号到达终端的时间差来确定终端和基站的距离，从而计算出终端的位置。
◎ 位置标记（location signature）。指将整个地区分成不同的小区域，并对每个小区域进行位置标记。通过判断终端所在的小区域中的位置标记来对终端进行定位。最典型的例子就是扇区定位方法或者基于WiFiAP的定位方法。
◎ 卫星定位。即通过GPS定位或辅助GPS定位技术得到终端的位置。
这几种位置计算的技术和目前成熟的通信网络相结合，形成了以下几种常见的商用定位系统和定位能力。
1.完全由移动通信网络计算位置的定位技术——扇区定位技术
扇区定位是一种利用运营商的移动网络对终端进行定位的技术，通过测量终端收到的基站扇区前向链路的时延或者信号强度来估算终端与基站的距离，进而在基站位置数据的辅助下确定终端的位置。
扇区定位方法有两种：一种是利用单个基站数据进行定位；另一种是利用多个基站数据进行定位。单扇区定位方法获取终端当前所在的服务扇区的ID，把服务扇区ID转换成为用户当前位置。但扇区定位方法的定位精度为扇区覆盖范围，能够满足对精度要求不高的信息搜索、路径查找等服务要求。扇区定位一般作为最基础的移动网络定位方法。多扇区定位方法测量终端到多个基站的信号并计算终端到多个基站的距离信息。多扇区定位方法利用三个以上的距离信息，在基站数据库的辅助下利用三角算法计算出终端的位置，这可以极大地提高定位精度，定位精度通常能够达到150m的定位范围，可满足大部分位置应用需求，一般作为扇区定位的增强方式来采用。
2.移动网络辅助的GPS定位（AGPS）
目前使用比较广泛的卫星定位技术是网络辅助定位技术，它使用固定接收机持续跟踪卫星获取服务区域内卫星的年历、星历等辅助参考信息，通过运营商的通信网络把这些辅助信息发送给定位终端，使得终端迅速捕获当前环境下能够为它提供服务的卫星，缩短卫星定位的启动时间。CDMA网络广泛使用的gpsOne技术就是一种网络辅助定位技术。
3.WiFi定位系统
基于IEEE 802.11a/b/g/n通信协议、具有较为灵活的拓扑架构的无线局域网WiFi系统在机场、校园、医院、商业区、餐饮娱乐场所和住宅小区等场景中广泛分布。WiFi系统具有成本低、覆盖广、精度高等优势。一般情况下，WiFi接入点（AP）信号的传播范围在室内30m及室外300m的范围内。WiFi AP向周围连续发射信号，信号中包含WiFi AP的ID（包括AP的MAC地址、SSID等参数）等信息。移动终端侦听周围的WiFi AP信息，选择信号最强的AP进行连接。由于WiFiID具有唯一性，WiFi定位系统可以根据WiFi AP的位置信息计算出终端用户的当前位置。一般而言，WiFi定位的精度在100m左右，主要应用于机场、咖啡厅和会所等热点地区，能够满足大多数位置服务的室内定位要求。随着支持WiFi的终端的普遍化，WiFi上网将会变成一种常见方式，WiFi定位的应用也会越来越普及。
此外，还有基于IP地址提供的定位服务。根据TCP/IP协议的规定，互联网上的计算机、移动终端及其他设备都有唯一的IP地址，这些IP地址由32位二进制数组成，正是由于IP地址有这种唯一性，人们可以利用IP地址来判断当前使用者的位置，通过建立一个IP地址库将IP地址与实际地理位置相对应来实现IP定位。在实际操作中，为避免泄露用户隐私，一般会提供基于IP地址段的定位服务，把定位精度控制在某一范围内。由于运维系统维护着精确的ADSL端口配置地址表，运营商可以利用为用户使用ADSL/FTTx/PON上网时分配的IP地址获取用户的ADSL端口配置地址，从而对用户进行定位。
随着无线通信技术的发展，一些新型的无线网络技术和相关的定位技术产生了，例如ZigBee、蓝牙和射频识别技术等。这些定位技术将会更进一步地拓展位置服务的领域，为办公室、家庭和工厂等多种场合提供丰富多样的服务。
本书其余章节是这样安排的。第2章介绍GPS定位技术；第3章描述完全由移动通信网络提供的定位技术和网络定位能力；第4章介绍通信网络辅助GPS的定位技术和终端自定位能力；第5章介绍IP定位的原理；第6章介绍WiFi定位等室内定位技术；第7章是对目前定位方式和定位技术的比较；最后，第8章介绍产业链对定位技术的支持情况。