基于衛(wèi)星定位的位置服務分析及其應用研究

1、基于衛(wèi)星定位的位置服務分析及其應用研究 基金項目：上海市國際合作基金（No.075107006和No.075907042），以及中國科學院知識創(chuàng)新工程青年人才領(lǐng)域前沿項目（07K2141W09）作者簡歷：易炯（1984 ），男，碩士研究生，研究方向：衛(wèi)星定位與系統(tǒng)仿真。易炯1 張雷2 王建宇3 舒嶸4 1中國科學院上海技術(shù)物理研究所，上海（200083） 2中國科學院上海技術(shù)物理研究所，上海（200083） 3中國科學院上海技術(shù)物理研究所，上海（200083） 4中國科學院上海技術(shù)物理研究所，上海（200083）E-mail：摘要：全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）在位置服務領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的技術(shù)支撐

2、作用。本文概括了GPS現(xiàn)代化、GALILEO、GLONASS和北斗導航系統(tǒng)的建設與發(fā)展情況，挖掘基于位置服務（LBS）的技術(shù)應用需求，并針對2008北京奧運會和2010年上海世博會的服務應用做技術(shù)推廣研究和行業(yè)應用分析。關(guān)鍵詞：基于位置服務，GNSS，定位，奧運會，世博會引言LBS（Location Based Services，基于位置服務）是定位技術(shù)的應用開發(fā)，它的工作原理是：用戶終端設備（一般為手機、PDA、Laptop等移動終端）采用衛(wèi)星定位獲其它方式獲取用戶位置等信息，并實時地將這些信息通過移動通信方式傳至服務器，服務器根據(jù)用戶的請求做出響應，并將響應回饋到用戶終端。LBS最早源于北

3、美。美國聯(lián)邦通信委員會(FCC，F(xiàn)ederal Communication Committee)于1996年6月通過一項強制規(guī)范，要求所有移動運營商提供位置服務功能，使緊急救援機構(gòu)能夠獲得利用移動電話撥打911的求助人士的位置，這就是著名的E9I1強制規(guī)范1。位置信息在大眾生活中占據(jù)著越來越重要的位置，尤其是從服務于人的信息應用發(fā)展到借助傳感器的分布式網(wǎng)絡，再到以機器自動裝置為主的網(wǎng)絡集群，真所謂位置信息無處不在。近年來，隨著電子、計算機、信息等技術(shù)的飛速發(fā)展和交叉研究，位置信息服務不再局限于運營商的一項增值業(yè)務。它已經(jīng)將電子地圖、車載導航、無線導航、交通信息四個領(lǐng)域形成了產(chǎn)業(yè)模式，正帶動著一

4、批國內(nèi)傳統(tǒng)家電企業(yè)向LBS產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型?？梢灶A測，位置服務已經(jīng)由業(yè)務的概念逐步外延到產(chǎn)業(yè)發(fā)展層面上，2007年進入了快速發(fā)展期，2008年將迎來產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高峰期。1全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展概況1.1 GPS系統(tǒng)及其現(xiàn)代化GPS系統(tǒng)是目前發(fā)展最完善的，也是使用最廣泛的導航衛(wèi)星系統(tǒng)。1999年1月，美國總統(tǒng)科技顧問在一次GPS國際討論會上首次提出了GPS現(xiàn)代化2。GPS現(xiàn)代化主要的目標有二個方面：一是要加強GPS對美軍現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的保障作用；二是通過對民用GPS導航技術(shù)的改進，保持GPS在全球民用導航領(lǐng)域中的主導地位。它的具體內(nèi)容包括：（1）中止GPS II/ IIA衛(wèi)星的SA技術(shù)；（2）給GPS-M衛(wèi)

5、星增設L2-C碼、L1-M碼和L2-M碼；（3）給GPS II F衛(wèi)星增設L2-C碼、L1-M碼、L2-M碼和L5（1176.45MHz）導航定位信號3；（4）給GPS III衛(wèi)星增設L2-C碼、L1-M碼、L2-M碼、L1-C碼和L5（1176.45MHz）導航定位信號。GPS的現(xiàn)代化提高了GPS衛(wèi)星集成度，增強了GPS無線電信號強度，改進了導航電文，改善了導航、定位精度，同時也提高了可靠性并強化了GPS的抗干擾能力，能夠提供更高質(zhì)量的位置服務，必將極大地推動位置服務的技術(shù)發(fā)展和應用需求。1.2 GALILEO導航衛(wèi)星系統(tǒng)Galileo計劃始于2002年3月，計劃發(fā)布30顆衛(wèi)星。這30顆衛(wèi)星

6、采用中等地球軌道，均勻地分布在高度約為2.3萬公里的3個軌道面上。地面控制設施包括衛(wèi)星控制中心和提供各項服務所必需的地面設施，負責衛(wèi)星星座的測定、管理和播送集成信息。Galileo系統(tǒng)總的戰(zhàn)略意圖4是：（1）建立一個高效的民用導航及定位系統(tǒng)；（2）使之具備歐洲乃至世界運輸業(yè)可以信賴的高度安全性，并確保任何未來系統(tǒng)安全置于歐洲人的控制之下；（3）為歐洲工業(yè)進軍正在興起的衛(wèi)星導航市場的各個方面提供一個良好的機會，使他們能夠站在一個合理的基礎(chǔ)上公平競爭。Galileo衛(wèi)星定位系統(tǒng)投入使用后定位的最高精度將比GPS高10倍，確定物體的誤差范圍能夠控制在1米內(nèi)。原定2011年完成的Galileo導航衛(wèi)星

7、系統(tǒng)由于各種客觀原因預計要推遲到2014年5。1.3 GLONASS系統(tǒng)GLONASS是前蘇聯(lián)從80年代初開始建設的與美國GPS系統(tǒng)相類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也由衛(wèi)星星座、地面監(jiān)測控制站和用戶設備三部分組成?，F(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成（計劃將于2009年建成），均勻分布在3個近圓形的軌道平面上，每個軌道面8顆衛(wèi)星，軌道高度19100公里，運行周期11小時15分，軌道傾角64.8°。與采用CDMA（碼分多址）的GPS系統(tǒng)不同的是GLONASS系統(tǒng)使用FDMA(頻分多址)，使用不同的載波頻率來區(qū)分不同的衛(wèi)星。GLONASS系統(tǒng)的最大優(yōu)點是抗干擾能力強

8、。1.4 北斗導航衛(wèi)星系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)是我國的衛(wèi)星定位技術(shù)進入獨立自主研發(fā)新時代的里程碑，它是我國耗資23億建成的第一代區(qū)域性導航衛(wèi)星系統(tǒng)，負責我國及周邊地區(qū)的導航定位，具有快速定位、短報文通信和精密授時三大功能。北斗二代導航衛(wèi)星系統(tǒng)稱為Compass（指南針）系統(tǒng)，它的區(qū)域性架構(gòu)將于2008年完成，并于2010年建成一個全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位系統(tǒng)5。該系統(tǒng)在服務區(qū)內(nèi)的任何時間和地點都能夠精確的測定用戶的坐標，并提供雙向的短報文通信和精密授時。相比GPS系統(tǒng)、GLONASS系統(tǒng)和GALILEO系統(tǒng)，Compass系統(tǒng)的最大特點就是能夠進行雙向通信6。使用該系統(tǒng)用戶不僅能夠精確的確定自己的位置，還

9、可以將自己的位置等信息發(fā)送出去，非常適用于交通運輸與調(diào)度、SOS搜救、地理信息實時查詢等需要導航與移動數(shù)據(jù)通信結(jié)合的場合。因此，Compass系統(tǒng)在LBS服務上更據(jù)優(yōu)勢。2LBS的應用模式分析就目前LBS的發(fā)展狀況，LBS的應用模式可以大致分為個人業(yè)務為主的LBS應用、行業(yè)業(yè)務為主的LBS應用和公共公益事業(yè)為主的LBS應用。2.1 個人業(yè)務為主的LBS應用目前以個人業(yè)務為主的LBS業(yè)務已經(jīng)發(fā)展的比較成熟，它包括個人定位、黃頁信息查詢、路徑查找、地址查找、廣告和基于位置的手機游戲等。例如，小靈通位置查詢服務，它通過小靈通網(wǎng)絡獲取用戶的位置信息(經(jīng)緯度坐標)，在電子地圖上提供文字或圖形化的位置服務

10、。通過查詢可以十分快速的確定自己或者對方的位置。多邊信息查詢服務，無論用戶在服務區(qū)內(nèi)的任何地方，都能通過實際查詢到用戶當前所處位置周圍的賓館、飯店、車站、商場、醫(yī)療衛(wèi)生、金融銀行、文化教育、郵電通信和餐飲娛樂等信息7。2.2 行業(yè)業(yè)務為主的LBS應用LBS在行業(yè)上的應用一般包括公安、消防、交通、地理信息、工程機械控制和3G服務等。例如，杭州聯(lián)通充分利用CDMA 1X技術(shù)優(yōu)勢，與杭州交通定位公司合作，構(gòu)筑了全國最大的GPS+CDMA 1×衛(wèi)星定位系統(tǒng)；在公安領(lǐng)域，杭州聯(lián)通提供的CDMA 1X網(wǎng)絡平臺為杭州市公安局消防支隊自行研制的全國第一輛流動119消防通訊指揮車保駕護航；在環(huán)保領(lǐng)域，

11、杭州聯(lián)通運用CDMA1X網(wǎng)絡的無線遠程實時檢測技術(shù)令杭州市環(huán)保局的汽車尾氣排放和水污染監(jiān)測攻關(guān)課題達到了國內(nèi)一流水平；在運管領(lǐng)域，杭州聯(lián)通自行研發(fā)的“運管查詢系統(tǒng)”令杭州市運管局的稽征員們只要通過CDMA手機的WAP功能，便能連接到運管局養(yǎng)路費管理的數(shù)據(jù)庫，隨時在線查詢過路車輛的養(yǎng)路費繳納情況。此外，在城建領(lǐng)域、金融領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域及教育領(lǐng)域等杭州聯(lián)通使用基于位置的服務也都有突出的表現(xiàn)。針對推土機作業(yè)控制與指導系統(tǒng)。一些國外有實力的企業(yè)采用了基于GPS技術(shù)和數(shù)字地技術(shù)的先進導航系統(tǒng)，在駕駛室內(nèi)裝有觸摸計算機，可實時顯示機器在作業(yè)區(qū)內(nèi)的位置、作業(yè)區(qū)域?qū)嶋H值與設計值的差距及相關(guān)信息，即使是毫無經(jīng)驗的

12、駕駛員也能有效地完成諸如坡度作業(yè)等作業(yè)要求。一些新產(chǎn)品可實現(xiàn)坡度的精確控制，駕駛室內(nèi)可視化顯示系統(tǒng)指導駕駛員精確作業(yè)。精度可達厘米級。計算機故障診斷系統(tǒng)機載計算機。可根據(jù)各種傳感器的檢測信號，結(jié)合專家知識庫對機器的運行狀態(tài)進行評估，預測可能出現(xiàn)的故障并能在發(fā)生故障是定位出故障的位置及其狀態(tài)，在出現(xiàn)故障時發(fā)出故障信息報警或指導駕駛員查找和排除故障。目前的3G移動位置服務應用平臺，利用先進的計算機、通信及GIS技術(shù)，實現(xiàn)了LBS移動用戶圖形化的位置信息的顯示。平臺以SVG為主要地圖表現(xiàn)形式，實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)快速下載與更新，便捷地實現(xiàn)地圖的平移、縮放與旋轉(zhuǎn)，易于異構(gòu)數(shù)據(jù)源間的融合；采用基于XML的通信應

13、用協(xié)議，易于擴充，便于不同平臺問交互信息；具有特色的樹型導航模型，簡捷方便的用戶操作界面，為用戶的使用帶來了諸多便利。2.3 公共公益事業(yè)為主的LBS應用LBS在公益事業(yè)上的應用包括110、119、120、122緊急業(yè)務處理，向危險地區(qū)的移動用戶發(fā)布災害信息、道路堵塞信息等。使用基于位置的服務，110可以查詢市區(qū)內(nèi)的警力分布情況，對發(fā)現(xiàn)某些區(qū)域無人值守或人員配備不夠時，可以通知管轄該區(qū)域的警局進行人員調(diào)度。當110收到報警后，馬上查詢報警地區(qū)的值班警員位置，通知離事發(fā)地最近的警員趕赴現(xiàn)場，縮短出警時間。當用戶通過移動終端向110求救時，可以馬上查詢用戶所在位置并調(diào)配附近警員以最快的時間趕去救援

14、。遇到緊急災害時，可以定位于講發(fā)生災情的局部地區(qū)，通過網(wǎng)絡向用戶的移動終端設備發(fā)送信息或留言的形式將災情發(fā)布出去，并提示該采取怎樣的應對措施。3LBS在奧運會和世博會中的應用牽引3.1 LBS在奧運會中的應用隨著奧運會的即將召開，2008年將成為中國人民最期待、最自豪的一年，這一年也是LBS產(chǎn)業(yè)真正騰飛的一年。各種LBS業(yè)務都將應用到此次奧運會當中，其中以LBS在交通信息和服務指南方面的應用最為顯著。這些應用包括：奧運車輛的交通誘導，重點車輛的定位和監(jiān)控，實時交通運行狀態(tài)及警告信息，以及為國外不熟悉地形的駕駛員提供指南服務。車隊及車輛運輸?shù)闹悄苷{(diào)度，通過車輛定位技術(shù)，對奧運會服務的小汽車和大巴

15、車等車輛實施實時調(diào)度，指揮中心可以實時掌握車輛的動態(tài)信息，既可以減少所需車輛數(shù)量避免造成交通杜塞，又可以增加運行的可靠性，以及對突發(fā)事件的快速反應能力。對公共交通和奧運車輛優(yōu)先服務，在為奧運服務的車輛上安裝定位設備，通過與交通控制信號進行協(xié)調(diào)是這些車輛在交叉摳處獲得優(yōu)先信號，優(yōu)先通過，從而提高公交運行效率和服務水平，這項措施其實在奧運結(jié)束后可以繼續(xù)使用。通過多種媒體介質(zhì)為觀眾和市民的出行提供信息服務，以獲取出行路線、方式、時間、交通狀況、停車場等信息，為出行提供決策支持。此外還包括為人們提供與比賽和出行有關(guān)的社會綜合信息，比如餐飲服務、醫(yī)院、警察局等信息8。3.2 LBS在世博會中的應用201

16、0年5月到10月底，以“城市讓生活更美好”為主題的世博會將在上海舉行。從整個世博會的需求來看，超過半數(shù)的應用與管理功能都是基于位置服務的。在這樣的大型活動當中，對各種人群、車輛的定位顯得非常重要。06年底，中國移動與上海世博會簽署協(xié)議，這意味著除了廣受關(guān)注的伽利略系統(tǒng)，上海世博會又多了一個可用于位置服務的解決方案9。，包括了園區(qū)管理、交通調(diào)度、現(xiàn)場管理、綜合信息發(fā)布、導航等。世博人流的新紀錄，對于城市交通系統(tǒng)也是一大考驗。上海市城市綜合交通規(guī)劃研究所智能交通研究中心主任朱昊表示，未來將為園區(qū)內(nèi)外的游客出行方式提供咨詢，包括交通信息查詢。同時，智能交通研究中心還通過與移動運營商合作，共同使用A-

17、GPS技術(shù)進行實時導航以及人流的統(tǒng)計與疏導，還能為園區(qū)內(nèi)外的物流配送、交通導航、安全管理等問題提供解決方案。組織者首先要在門票中安裝RFID芯片進行游客人數(shù)的統(tǒng)計，并根據(jù)電子訂票系統(tǒng)對游客下一步的行程進行預測。其次是通過為志愿者配備支持A-GPS無線定位的終端，了解他們的位置并及時進行調(diào)度。緊隨其后，世博會組織者還將對交通工具安裝A-GPS模塊，實時監(jiān)控其具體位置并進行其到達時間的預告。最后則是建立信息采集平臺，將實時交通信息集成在用戶終端當中，實現(xiàn)動態(tài)導航。因此，世博的位置服務不僅需要個人定位系統(tǒng)，還需要結(jié)合電子票務系統(tǒng)、實時交通采集系統(tǒng)以及各類信息發(fā)布平臺。4結(jié)束語LBS的發(fā)展已經(jīng)進入了黃

18、金時期。面向數(shù)字化城市的基于位置服務的系統(tǒng)實現(xiàn)了定位、通信和GIS技術(shù)的集成以及生活指南信息的獲取，為人們的生活帶來了很多便利，在未來數(shù)字化工作和生活中也將發(fā)揮重要作用。LBS產(chǎn)業(yè)的前景是以LBS為基礎(chǔ)的綜合服務系統(tǒng)，以移動通信業(yè)務為主要發(fā)展方向。LBS將與各種信息系統(tǒng)綜合，將位置信息與指揮調(diào)度系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)、汽車安全系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及游戲等各行各業(yè)綜合起來。參考文獻1 丁海玲,位置服務業(yè)務發(fā)展介紹J.電信網(wǎng)技術(shù),2005.(8):39-41.2 陳俊勇,GPS現(xiàn)代化和GPS信號重構(gòu)技術(shù)的發(fā)展J.全球定位系統(tǒng),2005.(1):1-4.3 張玉冊,梁開龍.GPS的現(xiàn)代化計劃與第三信號L5J.

19、測繪工程,2002.(3):23-31.4 陳秀萬. 伽利略導航衛(wèi)星系統(tǒng)M. 北京: 北京大學出版社,2005.5 劉基余,GNSS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的新發(fā)展J.遙測遙感,2008.(4):1-6.6 劉基余. GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法M. 北京:科學出版社, 2003.7 柳林，唐新明等.移動終端位置服務系統(tǒng)的實現(xiàn)J.計算機工程與設計,2007.(3):1069-1071.8 建山. 位置信息服務產(chǎn)業(yè)將迎來高峰期.9 城市讓生活更美好2010上海世博會系統(tǒng)規(guī)劃. The Location Services Analyse And Application Research Based On

20、Satellite PositioningYi Jiong1 Zhang Lei2 Wang Jiangyu3 Shu Rong41 Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai (200083)2 Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai (200083)3 Shanghai Institute of Technical Physics, Chinese Academy o