基于卫星定位的位置服务分析及其应用研究

1、基于卫星定位的位置服务分析及其应用研究 基金项目：上海市国际合作基金（No.075107006和No.075907042），以及中国科学院知识创新工程青年人才领域前沿项目（07K2141W09）作者简历：易炯（1984 ），男，硕士研究生，研究方向：卫星定位与系统仿真。易炯1 张雷2 王建宇3 舒嵘4 1中国科学院上海技术物理研究所，上海（200083） 2中国科学院上海技术物理研究所，上海（200083） 3中国科学院上海技术物理研究所，上海（200083） 4中国科学院上海技术物理研究所，上海（200083）E-mail：摘要：全球导航卫星系统（GNSS）在位置服务领域发挥着巨大的技术支撑

2、作用。本文概括了GPS现代化、GALILEO、GLONASS和北斗导航系统的建设与发展情况，挖掘基于位置服务（LBS）的技术应用需求，并针对2008北京奥运会和2010年上海世博会的服务应用做技术推广研究和行业应用分析。关键词：基于位置服务，GNSS，定位，奥运会，世博会引言LBS（Location Based Services，基于位置服务）是定位技术的应用开发，它的工作原理是：用户终端设备（一般为手机、PDA、Laptop等移动终端）采用卫星定位获其它方式获取用户位置等信息，并实时地将这些信息通过移动通信方式传至服务器，服务器根据用户的请求做出响应，并将响应回馈到用户终端。LBS最早源于北

3、美。美国联邦通信委员会(FCC，Federal Communication Committee)于1996年6月通过一项强制规范，要求所有移动运营商提供位置服务功能，使紧急救援机构能够获得利用移动电话拨打911的求助人士的位置，这就是著名的E9I1强制规范1。位置信息在大众生活中占据着越来越重要的位置，尤其是从服务于人的信息应用发展到借助传感器的分布式网络，再到以机器自动装置为主的网络集群，真所谓位置信息无处不在。近年来，随着电子、计算机、信息等技术的飞速发展和交叉研究，位置信息服务不再局限于运营商的一项增值业务。它已经将电子地图、车载导航、无线导航、交通信息四个领域形成了产业模式，正带动着一

4、批国内传统家电企业向LBS产业转型。可以预测，位置服务已经由业务的概念逐步外延到产业发展层面上，2007年进入了快速发展期，2008年将迎来产业发展的高峰期。1全球导航卫星系统的发展概况1.1 GPS系统及其现代化GPS系统是目前发展最完善的，也是使用最广泛的导航卫星系统。1999年1月，美国总统科技顾问在一次GPS国际讨论会上首次提出了GPS现代化2。GPS现代化主要的目标有二个方面：一是要加强GPS对美军现代化战争中的保障作用；二是通过对民用GPS导航技术的改进，保持GPS在全球民用导航领域中的主导地位。它的具体内容包括：（1）中止GPS II/ IIA卫星的SA技术；（2）给GPS-M卫

5、星增设L2-C码、L1-M码和L2-M码；（3）给GPS II F卫星增设L2-C码、L1-M码、L2-M码和L5（1176.45MHz）导航定位信号3；（4）给GPS III卫星增设L2-C码、L1-M码、L2-M码、L1-C码和L5（1176.45MHz）导航定位信号。GPS的现代化提高了GPS卫星集成度，增强了GPS无线电信号强度，改进了导航电文，改善了导航、定位精度，同时也提高了可靠性并强化了GPS的抗干扰能力，能够提供更高质量的位置服务，必将极大地推动位置服务的技术发展和应用需求。1.2 GALILEO导航卫星系统Galileo计划始于2002年3月，计划发布30颗卫星。这30颗卫星

6、采用中等地球轨道，均匀地分布在高度约为2.3万公里的3个轨道面上。地面控制设施包括卫星控制中心和提供各项服务所必需的地面设施，负责卫星星座的测定、管理和播送集成信息。Galileo系统总的战略意图4是：（1）建立一个高效的民用导航及定位系统；（2）使之具备欧洲乃至世界运输业可以信赖的高度安全性，并确保任何未来系统安全置于欧洲人的控制之下；（3）为欧洲工业进军正在兴起的卫星导航市场的各个方面提供一个良好的机会，使他们能够站在一个合理的基础上公平竞争。Galileo卫星定位系统投入使用后定位的最高精度将比GPS高10倍，确定物体的误差范围能够控制在1米内。原定2011年完成的Galileo导航卫星

7、系统由于各种客观原因预计要推迟到2014年5。1.3 GLONASS系统GLONASS是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成（计划将于2009年建成），均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。与采用CDMA（码分多址）的GPS系统不同的是GLONASS系统使用FDMA(频分多址)，使用不同的载波频率来区分不同的卫星。GLONASS系统的最大优点是抗干扰能力强

8、。1.4 北斗导航卫星系统北斗卫星导航系统是我国的卫星定位技术进入独立自主研发新时代的里程碑，它是我国耗资23亿建成的第一代区域性导航卫星系统，负责我国及周边地区的导航定位，具有快速定位、短报文通信和精密授时三大功能。北斗二代导航卫星系统称为Compass（指南针）系统，它的区域性架构将于2008年完成，并于2010年建成一个全球导航卫星定位系统5。该系统在服务区内的任何时间和地点都能够精确的测定用户的坐标，并提供双向的短报文通信和精密授时。相比GPS系统、GLONASS系统和GALILEO系统，Compass系统的最大特点就是能够进行双向通信6。使用该系统用户不仅能够精确的确定自己的位置，还

9、可以将自己的位置等信息发送出去，非常适用于交通运输与调度、SOS搜救、地理信息实时查询等需要导航与移动数据通信结合的场合。因此，Compass系统在LBS服务上更据优势。2LBS的应用模式分析就目前LBS的发展状况，LBS的应用模式可以大致分为个人业务为主的LBS应用、行业业务为主的LBS应用和公共公益事业为主的LBS应用。2.1 个人业务为主的LBS应用目前以个人业务为主的LBS业务已经发展的比较成熟，它包括个人定位、黄页信息查询、路径查找、地址查找、广告和基于位置的手机游戏等。例如，小灵通位置查询服务，它通过小灵通网络获取用户的位置信息(经纬度坐标)，在电子地图上提供文字或图形化的位置服务

10、。通过查询可以十分快速的确定自己或者对方的位置。多边信息查询服务，无论用户在服务区内的任何地方，都能通过实际查询到用户当前所处位置周围的宾馆、饭店、车站、商场、医疗卫生、金融银行、文化教育、邮电通信和餐饮娱乐等信息7。2.2 行业业务为主的LBS应用LBS在行业上的应用一般包括公安、消防、交通、地理信息、工程机械控制和3G服务等。例如，杭州联通充分利用CDMA 1X技术优势，与杭州交通定位公司合作，构筑了全国最大的GPS+CDMA 1×卫星定位系统；在公安领域，杭州联通提供的CDMA 1X网络平台为杭州市公安局消防支队自行研制的全国第一辆流动119消防通讯指挥车保驾护航；在环保领域，

11、杭州联通运用CDMA1X网络的无线远程实时检测技术令杭州市环保局的汽车尾气排放和水污染监测攻关课题达到了国内一流水平；在运管领域，杭州联通自行研发的“运管查询系统”令杭州市运管局的稽征员们只要通过CDMA手机的WAP功能，便能连接到运管局养路费管理的数据库，随时在线查询过路车辆的养路费缴纳情况。此外，在城建领域、金融领域、农业领域及教育领域等杭州联通使用基于位置的服务也都有突出的表现。针对推土机作业控制与指导系统。一些国外有实力的企业采用了基于GPS技术和数字地技术的先进导航系统，在驾驶室内装有触摸计算机，可实时显示机器在作业区内的位置、作业区域实际值与设计值的差距及相关信息，即使是毫无经验的

12、驾驶员也能有效地完成诸如坡度作业等作业要求。一些新产品可实现坡度的精确控制，驾驶室内可视化显示系统指导驾驶员精确作业。精度可达厘米级。计算机故障诊断系统机载计算机。可根据各种传感器的检测信号，结合专家知识库对机器的运行状态进行评估，预测可能出现的故障并能在发生故障是定位出故障的位置及其状态，在出现故障时发出故障信息报警或指导驾驶员查找和排除故障。目前的3G移动位置服务应用平台，利用先进的计算机、通信及GIS技术，实现了LBS移动用户图形化的位置信息的显示。平台以SVG为主要地图表现形式，实现地图数据快速下载与更新，便捷地实现地图的平移、缩放与旋转，易于异构数据源间的融合；采用基于XML的通信应

13、用协议，易于扩充，便于不同平台问交互信息；具有特色的树型导航模型，简捷方便的用户操作界面，为用户的使用带来了诸多便利。2.3 公共公益事业为主的LBS应用LBS在公益事业上的应用包括110、119、120、122紧急业务处理，向危险地区的移动用户发布灾害信息、道路堵塞信息等。使用基于位置的服务，110可以查询市区内的警力分布情况，对发现某些区域无人值守或人员配备不够时，可以通知管辖该区域的警局进行人员调度。当110收到报警后，马上查询报警地区的值班警员位置，通知离事发地最近的警员赶赴现场，缩短出警时间。当用户通过移动终端向110求救时，可以马上查询用户所在位置并调配附近警员以最快的时间赶去救援

14、。遇到紧急灾害时，可以定位于讲发生灾情的局部地区，通过网络向用户的移动终端设备发送信息或留言的形式将灾情发布出去，并提示该采取怎样的应对措施。3LBS在奥运会和世博会中的应用牵引3.1 LBS在奥运会中的应用随着奥运会的即将召开，2008年将成为中国人民最期待、最自豪的一年，这一年也是LBS产业真正腾飞的一年。各种LBS业务都将应用到此次奥运会当中，其中以LBS在交通信息和服务指南方面的应用最为显著。这些应用包括：奥运车辆的交通诱导，重点车辆的定位和监控，实时交通运行状态及警告信息，以及为国外不熟悉地形的驾驶员提供指南服务。车队及车辆运输的智能调度，通过车辆定位技术，对奥运会服务的小汽车和大巴

15、车等车辆实施实时调度，指挥中心可以实时掌握车辆的动态信息，既可以减少所需车辆数量避免造成交通杜塞，又可以增加运行的可靠性，以及对突发事件的快速反应能力。对公共交通和奥运车辆优先服务，在为奥运服务的车辆上安装定位设备，通过与交通控制信号进行协调是这些车辆在交叉抠处获得优先信号，优先通过，从而提高公交运行效率和服务水平，这项措施其实在奥运结束后可以继续使用。通过多种媒体介质为观众和市民的出行提供信息服务，以获取出行路线、方式、时间、交通状况、停车场等信息，为出行提供决策支持。此外还包括为人们提供与比赛和出行有关的社会综合信息，比如餐饮服务、医院、警察局等信息8。3.2 LBS在世博会中的应用201

16、0年5月到10月底，以“城市让生活更美好”为主题的世博会将在上海举行。从整个世博会的需求来看，超过半数的应用与管理功能都是基于位置服务的。在这样的大型活动当中，对各种人群、车辆的定位显得非常重要。06年底，中国移动与上海世博会签署协议，这意味着除了广受关注的伽利略系统，上海世博会又多了一个可用于位置服务的解决方案9。，包括了园区管理、交通调度、现场管理、综合信息发布、导航等。世博人流的新纪录，对于城市交通系统也是一大考验。上海市城市综合交通规划研究所智能交通研究中心主任朱昊表示，未来将为园区内外的游客出行方式提供咨询，包括交通信息查询。同时，智能交通研究中心还通过与移动运营商合作，共同使用A-

17、GPS技术进行实时导航以及人流的统计与疏导，还能为园区内外的物流配送、交通导航、安全管理等问题提供解决方案。组织者首先要在门票中安装RFID芯片进行游客人数的统计，并根据电子订票系统对游客下一步的行程进行预测。其次是通过为志愿者配备支持A-GPS无线定位的终端，了解他们的位置并及时进行调度。紧随其后，世博会组织者还将对交通工具安装A-GPS模块，实时监控其具体位置并进行其到达时间的预告。最后则是建立信息采集平台，将实时交通信息集成在用户终端当中，实现动态导航。因此，世博的位置服务不仅需要个人定位系统，还需要结合电子票务系统、实时交通采集系统以及各类信息发布平台。4结束语LBS的发展已经进入了黄

18、金时期。面向数字化城市的基于位置服务的系统实现了定位、通信和GIS技术的集成以及生活指南信息的获取，为人们的生活带来了很多便利，在未来数字化工作和生活中也将发挥重要作用。LBS产业的前景是以LBS为基础的综合服务系统，以移动通信业务为主要发展方向。LBS将与各种信息系统综合，将位置信息与指挥调度系统、MIS系统、汽车安全系统、通信系统以及游戏等各行各业综合起来。参考文献1 丁海玲,位置服务业务发展介绍J.电信网技术,2005.(8):39-41.2 陈俊勇,GPS现代化和GPS信号重构技术的发展J.全球定位系统,2005.(1):1-4.3 张玉册,梁开龙.GPS的现代化计划与第三信号L5J.

19、测绘工程,2002.(3):23-31.4 陈秀万. 伽利略导航卫星系统M. 北京: 北京大学出版社,2005.5 刘基余,GNSS全球导航卫星系统的新发展J.遥测遥感,2008.(4):1-6.6 刘基余. GPS卫星导航定位原理与方法M. 北京:科学出版社, 2003.7 柳林，唐新明等.移动终端位置服务系统的实现J.计算机工程与设计,2007.(3):1069-1071.8 建山. 位置信息服务产业将迎来高峰期.9 城市让生活更美好2010上海世博会系统规划. 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