导航与位置服务国家测绘地理信息局重点实验室.docx

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导航与位置服务国家测绘地理信息局重点实验室

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科学研究年度综述

本实验室主要研究方向包括：

1）高精度导航定位理论、方法和软件；2）导航与位置服务体系结构分析；3）导航与位置服务网关键技术研究；4）导航与位置服务应用研究与推广。

（一）导航与位置服务体系结构

基于位置的服务（LBS,LocationBasedServices）是定位技术的应用开发，是指移动用户终端设备（一般为手机、PDA、Laptop等移动终端）采用卫星定位、无线网定位或其他方式获取用户位置信息，并实时地将这些信息通过移动通信方式（如GSM、CDMA）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。

1994年，美国学者Schilit提出了位置服务的3个目标，即3W—where、who和what，三者构成了LBS最基础的内容。

它是移动通信技术、空间定位技术、地理信息系统技术等多种技术融合发展到特定历史阶段的产物，是现代科学技术和经济社会发展需求的客观要求。

导航与位置服务网的建设正是以此为核心，它瞄准导航与位置服务网的总体需求，研究融合“导航定位网、移动通信网、数字广播网、互联网、物联网”的位置服务网络体系结构、网络技术协议和标准，形成导航与位置服务网总体实施方案、用户终端型谱、行业应用体系和测试认证标准，为导航与位置服务网的实现与应用提供总体技术基础。

目前与之相关的关键技术尚处于初步研究阶段。

1、系统结构

一个完整的LBS系统是由定位系统、位置服务中心、通信网络、移动智能终端4部分组成，如图11所示。

图11位置服务网结构

定位系统由全球卫星定位系统和基站定位系统2部分组成。

空间定位技术是整个LBS系统得以实现的核心技术，这一部分正在不断的完善当中，移动运营商可以选基于网络的定位技术或基于移动终端的定位技术或者它们的组合定位技术，来获得适当的定位精度，开展位置服务。

移动服务中心是定位服务系统的核心，负责与移动智能终端的信息交互和各个分中心（定位服务器，内容提供商）的网络互连，完成各种信息的分类、记录和转发以及分中心之间业务信息的流动，并对整个网络进行监控。

通信网络是连接用户和服务中心的，要求能实时准确地传送用户请求及服务中心的应答，通常可选用GSM、CDMA和GPRS等无线通讯手段，在此基础上依托LBS体系发展无线增值服务。

另外，国内已建成的众多无线通信专用网，甚至有线电话、寻呼网和卫星通讯、无线局域网、蓝牙技术等都可以成为LBS的通信链路，在条件允许或必须时可接入Internet网络，传输更大容量的数据或下载地图数据。

移动智能终端是用户唯一接触的部分，手机、PDA均有可能成为LBS的用户终端。

但是在信息化的现代社会，出于更完善的考虑，它要求有完善的图形显示能力，良好的通讯端口，友好的用户界面，完善的输入方式（键盘控制输入、手写板输入、语音控制输入等），因此PDA以及某些型号的手机将成为个人LBS终端的首选。

2、工作流程

3G终端与定位实体之间的定位信息是以ISO-801协议标准来承载，按ISO-801通信的发起方划分，通信流程分为MO和MT两种方式。

MO由3G终端发起，目前有WAP接入和BREW/JAVA接入；而MT方式由网络发起，MPC发一条特殊格式的短消息给3G终端，再由3G终端发起定位计算过程。

LBS工作的主要流程是：

用户通过移动终端发出位置服务申请，该申请经过移动运营商的各种通信网关以后，为移动定位服务中心所接受；经过审核认证后，服务中心调用定位系统获得用户的位置信息（另一种情况是，用户配有GPS等主动定位设备，这时可以通过无线网络主动将位置参数发送给服务中心），服务中心根据用户的位置，对服务内容进行响应，如发送路线图等，具体的服务内容由提供商提供。

图12就是该过程示意图。

图12位置服务工作流程

由此可见，建立LBS的技术基础应该包括以下4个方面：

（1）有效的、易使用的LBS终端设备：

手机、个人电子手簿等。

（2）稳定的、精确的定位技术：

应用GPS及移动通讯设备定位，例如E-OTD、TDOA、以及蜂窝小区信息等。

（3）客户端的整体应用方案：

实现LBS需要空间数据库和相应的工具及应用平台，通过GIS在时空间数据库建模、处理和应用方面的经验，LBS可以向用户提供范围更广的有意义的个性化的应用和信息服务。

（4）支持数据传输的高速通讯网络：

移动设备用户已可以通过WAP或SMS来获取信息，通讯的发展也进一步提高了LBS的服务质量，尤其是需要传输大量信息的服务。

（二）导航与位置服务网关键技术

广域分米级实时精密定位技术是导航与位置服务网关键技术的基础。

在广域分米级实时精密定位方面，目前只有国外少数公司掌握了相关核心技术，并能够提供商业化数据服务，如StarFire和Omnistar。

国内在“十一五”863支持下已经完成了广域亚米级实时精密定位原型系统的开发，关键技术得到突破，但存在定位精度相对较低和使用成本高等缺点。

我国已经具备较为完善的连续运行参考站（CORS）基准站系统资源，广东、江苏、福建、河南、河北、山西、上海、北京、天津等省市都已建设了省市级CORS系统，如中国地震局建设的中国地壳运动监测网络等，为建立我国分米级导航数据增强服务系统提供了基础设施。

兼容多种导航卫星终端芯片的研发也有较多成功经验，网络RTK技术与终端产品已成熟应用。

根据导航与位置服务网的体系结构和工作流程，可知其中涉及的关键技术包括地理无线标记语言（G-WML）标准、空间定位技术和地理信息服务系统三个方面，下面将其进行具体介绍。

1、地理无线标记语言（G-WML）标准

基于位置服务通过发送GIS服务和基于位置的信息，为移动用户提供所需的信息和服务，然而如何标记并存储和传输这些空间信息则是当前要解决的主要问题。

如何对地理空间信息进行快速的存储和传输已成为制约基于位置服务和无线应用发展的瓶颈，也是LBS建立的关键技术之一。

目前，国际上所进行的有关无线应用和地理空间信息的存储、传输的标记语言类型的研究主要集中在：

可扩展标记语言（XML）、地理标记语言（GML）、地理空间可扩展标记语言（G-XML）和地理无线标记语言（G-WML）。

GML是OpenGIS协会制定的一套基于XML的地理信息存储和传输的编码规范，解决了在网络环境下对地理数据的存储、传输及应用规范问题。

G-XML是日本数据库促进中心发布的一套通过网络在各种计算机系统，特别是各种移动设备上都能存储、传输和交换地理空间数据的编码方法。

尽管国际上已经制定了地理标记语言，但由于各区域各个国家在空间数据存储格式方面存在差异，国际标准只能是一个参考标准，各个国家还应根据自己的国情制定相应的标准。

2003年程承旗等（2003）在对各种标记语言进行分析对比的基础上，结合我国国情提出了建立支持LBS的中国地理无线标记语言标准（CG-WML）的设想，为我国移动位置服务建立统一信息标准奠定了基础。

CG-WML的技术框架由文档类型定义（DTD）、最小组件、复合模块、CGWML语法部分组成。

CG-WML标准的制定，使得各个网络和应用所提供的信息与服务的数据格式是一致的，可以直接在网络系统和应用终端之间进行信息和服务的存储与传输，无需网络中心进行不同系统之间的数据和标准的转换。

另外，CG-WML实现了内容数据和表现形式的分离，因而可以根据不同的终端设备而开发出不同的终端表现工具，从而使各种终端的用户都可以享受到个性化的空间信息和服务。

2、空间定位技术

LBS需要通过移动终端和无线网络的配合，确定出移动用户的实际地理位置，从而提供用户需要的与位置有关的信息服务。

LBS定位的过程大致包括测量和计算两个方面。

根据测量和计算的实体不同，定位技术可以分为基于网络的定位技术（反向链路定位）、基于移动终端的定位技术（反向链路定位）和多系统混合定位技术。

（1）基于网络的定位技术

在基于网络的定位技术中，位置解算功能由网络实现。

这时通常使用的定位技术有起源蜂窝小区（CellOfOrigin，COO）、到达时间（TimeOfArrival，TOA）、到达时间差分（TimeDifferenceOfArrival，TDOA）、增强观测时间差分（EnhancedObservedTimeDifference，E-TDOA）等。

COO定位技术是通过采集移动终端所处的小区识别号（Cell-ID）来确定用户的位置，其定位精度取决于终端所在基站小区的半径。

优点是无需对移动终端和网络进行改动，最经济。

缺点是与其它技术相比精度最低。

TDOA定位技术则通过测出电波信号从移动台传播到多个基站的传播时间或时间差来确定目标移动台的位置。

E-OTD技术通过放置位置接收器或参考点实现的，这些参考点分布在较广的区域内的许多站点上作为位置测量单元（LMU）以覆盖无线网络。

每个参考点都有一个精确的定时源，由于GSM网络不完全是一个同步网，多个基站发送的信号帧也不完全同步。

为了得到手机的位置信息，每个基站就组成一个方程：

DMB-DLB=V（MOT-LOT+ε）。

该方程涉及5个变量，其中V是无线电波的传播速度、MOT为信号从基站到达手机的时间、LOT为信号从基站到达LMU的时间、ε为手机和LMU内部时钟之间的时间偏移量、DMB为手机到基站之间的距离、DLB为手机到LMU之间的距离。

该方程中有3个未知参数，即手机的2维坐标（x，y）和时钟偏移量，所以需要至少3个基站确定的方程才可以解出手机的位置坐标和时钟偏移量。

E-OTD方案可以提供50~125m之间的定位精度，比COO高，但是它的响应速度较慢，往往需要约5s的时间。

（2）基于移动终端的定位技术

在这种定位系统中，定位解算的功能由移动终端来实现。

用户通过接收机来接收空中卫星的导航信号，接收机内置有位置解算软件，定位过程不需要网络参与，这种定位解决方案特别适合于导航应用（RozaT.D.，2003）。

最常用的是辅助GPS定位。

GPS定位是用卫星向接收机发送无线信号来确定接收机的位置，可以在全球范围内实现全天候、实时地为用户连续提供精确的位置、速度和时间的信息。

但是GPS接收机冷启动时间长、定位过程耗电量大、市内高楼林立及室内等区域卫星信号差导致无法定位，而且信息的传递是单向的，无法实现位置及相关信息的双向交互，从而限制了GPS定位技术在LBS中的应用。

利用辅助GPS（A-GPS，Assistant-GPS）可以大大改善传统GPS定位的缺点。

其基本思想是建立一个与移动通信网相连的GPS参考网络，定位时参考网络通过跟踪GPS卫星信号解调出GPS导航信号，并将这些辅助信息传送给手机内置GPS接收机，手机利用这些辅助信息快速地搜索到有效的GPS卫星，接收到卫星信号后，计算手机所在位置。

A-GPS定位精度可以达到5～50m，是目前定位技术中精度最高的一种，适用于多种移动通信网络。

辅助GPS定位有“以手机为辅”和“以手机为主”的两种方案。

手机为辅的辅助GPS定位方案是将传统GPS接收机的大部分功能移植到网络处理器，手机上需要增加一个天线、射频部分、数字信号处理器，用来产生码序列及完成与接收到的GPS信号的相关运算。

手机为主的辅助GPS定位方案要求手机拥有一个功能很全的GPS接收机，并且能计算卫星和手机自己的位置。

（3）混合定位技术

辅助GPS和基于网络的定位技术相结合的混合定位技术将是LBS系统中定位技术的主流与发展方向。

一方面，网络定位技术弥补了GPS可用性的不足，在GPS信号微弱的地方，比如说室内，或者市区，基于网络定位成为主要手段；另一方面，在移动通信网络中引进GPS参考网络，可以精确保证基站之间的时间同步，提高了网络定位的精度。

高通公司的GPSOne技术采用了其特有的专利技术，是目前性能最高的混合定位技术解决方案。

3、地理信息服务系统

地理信息服务系统包括不同区域和城市的基础的地图数据，以及对这些数据的管理和发布、地理分析、地理编码、路径搜索等模块。

地理信息服务系统可由LBS运营商自己搭建（一般对于行业LBS运营商而言，通常需要自己搭建地理信息平台）或者由LBS运营商以外的供应商提供。

一个LBS运营商可以与多个地理信息服务平台连接，可以有多个地图发布，地理编码与路径搜索引擎。

（1）地理信息系统服务框架

地理信息服务系统负责地理信息服务的数据分析、查询、获取、发布等功能。

系统分为数据库管理、地理信息引擎、地理信息服务3个层次（董振宇，2003）。

其中数据库管理负责管理运营平台的所有数据。

地理信息引擎实现对底层数据库的管理、操作，并支持基于平台的二次开发，一般采用成熟的地理信息平台软件和功能软件。

地理信息服务分为地理信息核心服务和地理信息应用服务框架两个部分，其中核心服务是在地理信息引擎的基础上提供的地理信息发布、地理信息分析、路径搜索、地理编码等核心服务功能；应用服务框架是在综合各种地理信息核心服务的基础上提供的应用服务框架，包括城市黄页服务、个人导航服务、公交换乘服务、朋友位置查找服务、地址查找服务等。

（2）空间数据库技术

空间数据库存储和管理是LBS服务平台的关键部分。

LBS空间数据可以在大型商用关系数据库管理系统的基础上构建，以便实现空间实体几何数据和属性数据的一体化存储，充分利用数据库本身的管理能力实现海量空间数据的存储和管理。

如中国联通的LBS服务平台采用了OracieSpatiai来管理和存储空间数据。

除了空间数据存储、空间分析、空间查询等基本功能外，空间数据库系统还必须实现以下功能：

1）多比例尺图库管理：

即建立金字塔型的多级比例尺区域索引和图层索引表。

2）元数据管理：

通过元数据管理实现分布在各个场所的信息资源的有效管理与共享。

3）数据安全管理：

数据中心能够在数据交换时保障数据安全。

4）数据远程协同工作管理与数据同步：

重点解决多级服务器之间的动态数据复制问题与数据远程调用问题，实现空间数据操作的主要功能。

数据版本控制。

（三）导航与位置服务应用研究与推广

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，正带动着一批国内传统家电企业向LBS产业转型。

现在的位置服务已经由业务的概念逐步外延到产业发展层面上（易炯，2008）。

1、导航与位置服务的应用

导航与位置服务的应用研究领域涉及到个人、行业和政府行为的很多方面。

按照应用市场划分，在行业市场上导航与位置服务主要提供的服务有：

公安行业人员和车辆的追踪、调度，交通行业车辆的导航疏散，物流行业人员和货物的调度，石油、电信等重要线路监控管理等。

在大众市场上导航与位置服务可以实现的服务有：

个人报警及急救服务，儿童、老人等特殊群体位置查询，目的地导航，个人车辆的安全监控，广告信息的自动获取，黄页信息的查询，交友和游戏娱乐功能等。

导航与位置服务的应用从功能需求特征上可分为三类：

某人/某物的定位：

以某人/某物为中心一定范围内的POI（PointofInterest，兴趣点）查询；如何抵达POI。

下面据此分类对导航与位置服务的应用研究现状分别论述。

（1）某人/某物的定位

携带定位平台的移动终端向服务器发送定位需求，服务器通过相关定位技术，确定终端所在的空间位置，把信息发给终端，或者发给终端的管理中心。

目前，导航与位置服务在此方面的应用较为广泛，相应研究也较为成熟，按照定位方式主要分为用户请求类型和触发类型。

在用户请求模式中，用户经过主动申请，获取位置信息并利用此信息进行相关的服务申请。

这种类型的服务通常包括个人定位（如确定用户的位置）、地物定位（利用门牌号查询周边地图）或者服务定位（如最近的饭店的位置）。

触发类型的导航与位置服务依赖于预先设定的规则，一旦满足规则，系统自动获取移动端的位置。

如基于位置的收费系统中用户跨越移动网络中的小区边界，或者在进行他人定位时，拨打特定的电话号码将自动触发定位申请。

（2）以某人/某物为中心一定范围内的POI查询

该功能需求根据服务方式分为移动黄页和位置广告。

移动黄页是指移动终端用户以自己的位置为中心查询一定范围内的POI，包括加油站、收费站、商场、餐饮和娱乐等设施。

POI包括名称、类别、经度和纬度四个信息，这些信息以文本的格式显示在移动终端上，或者在地图上显示出具体的位置。

位置广告作为POI的一项业务，主要是指导航与位置服务的服务商主动向移动终端用户发送所处位置附近的商业、餐饮等广告信息。

例如：

当手机支持该业务的顾客经过某时装商店的界限范围时，手机将自动收取该时装商店的广告折扣、商品目录，甚至电子优惠券等。

移动广告已经成为一种非常广泛广告形式，但如何利用好移动广告尚属一个争议问题。

大多数人都会把收到的陌生信息看作是对自己的侵犯。

如果这条信息并不适合用户，则会发生很大的反作用。

导航与位置服务业务的位置广告方式，使得移动广告具备了一下规则：

得到允许、迅速及时、提供增值、内容相关等，因此受到用户的认可。

（3）如何抵达POI

在获得最佳的POI以后，如何在短时间内顺利到达目的地是导航与位置服务又一项强大的功能。

移动终端用户基于自己所处的位置定位POI后，向服务器发送路线请求，服务器根据该区域的路况、交通等数据计算出两点之间最佳的路线、行程等，并把信息返回移动终端。

同时，移动终端进行定时定位，实现了实时导航功能。

按照服务对象的差异，导航服务分为个人步行/车辆导航和管理部门的调度管理两类。

在个人步行/车辆导航方面，徐斌（徐斌，2005）通过GIS、GPS和嵌入式技术的结合，研究开发的基于MobileGIS的车辆导航系统，实现了对车辆的智能导航功能。

唐卫涛等（唐卫涛，2006）以智能手机作为移动端平台，基于“C/S（客户端/服务器）模式”开发车辆导航监控系统，对车辆的进行实时导航服务，同时实现了较精确的定位和快速的数据传输。

在管理部门的调度管理方面，管理者通过定位平台确定所有外勤人员或车辆的实时位置，并显示在地图上，随时掌握他们的工作进展和移动方向，对他们进行及时调度和管理。

韩林芝等（韩林芝，2005）提出把导航与位置服务应用到人力资源管理中，实现对员工出勤、服从指令、遵守规则等情况的实时管理，可以在很大程度上实现信息获取的便捷性、可行性和经济性；而且极大的促进了人力资源管理理念的创新，更好的实现其管理目标，更充分保证方法和手段的科学性。

陈秋林等（陈秋林，2003）介绍了一个用于现代物流业的移动位置服务系统，针对现代物流的服务质量，要求对货物车辆进行指挥调度，优化配送路线，实现货物跟踪、到货时间预测等功能。

2、导航与位置服务的推广

导航与位置服务依靠成熟的技术支持和满足大众需求的实用性特点，具有良好的市场和发展前景。

美国、韩国、日本等国家在位置服务方面的发展速度都比较快，而我国自2001年开展基于位置服务业务以来，发展却并不令人满意。

其原因涉及很多方面，包括定位精度差、涉及个人隐私保护、移动定位无法漫游、缺乏产业规划和政策引导、消费者对LBS缺乏认识、地图资源缺乏和市场监管不到位等问题。

因此，为发展和壮大我国导航与位置服务产业、推动社会经济的发展、扩大社会需求，政府和产业部门需要采取措施，开展导航与位置服务的推广工作。

（1）导航与位置服务关键技术

导航与位置服务网对技术的依赖性非常强，位置服务从产生到现在仅20年左右，相关技术还不太成熟。

定位技术的不成熟导致用户在使用过程中不能满足定位精度要求，移动定位技术的不完善导致移动定位无法进行漫游服务，地理信息系统技术及更新速度的滞后导致位置服务查询结果出错或无法满足用户需求。

因此，需大力研究导航与位置服务的关键技术，保证服务网建设满足功能与性能服务需求。

（2）国家对LBS产业的宏观调控

政策是调控产业发展的重要保障，是产业发展的晴雨表。

国家各相关部门要以促进LBS产业发展为目标，加强政策理论研究，尽快研究制定有关LBS市场准入、产业布局、产业投资、信息安全、产权保护、质量监督、技术与标准化等相关政策规定，制定LBS产业发展振兴规划，加强LBS技术关键技术攻关，推广应用成熟的LBS技术成果，推动我国LBS产业发展。

（3）LBS产业发展市场环境

良好的市场环境是产业的基本条件，也是产业持续发展的重要保障。

一方面，国家要加大对LBS产业发展的投资支持力度，进一步整合各种移动通信、网络和空间信息资源，通过深化行政管理体制改革，加快结构调整、优化产业布局和出台税收、信贷等优惠扶持政策，推动LBS产业发展；另一方面，要通过产业推广、项目示范带动等多种方式，加强对LBS的宣传推广工作，提高企业和社会公众认知程度，引导社会消费和产业投资，不断扩大企业规模和产业发展能力；第三，要加强市场管理和政策引导，严格市场准入制度，规范市场行为，使企业在公平合理的竞争环境下发展，努力创建良好的LBS产业发展的市场环境和氛围。

（4）地理信息资源开发利用

目前我国LBS产业发展取得了一定的进步，但GPS手机、汽车导航等在地图实时更新、软件升级、交互功能和群组功能等方面与增值业务相比还存在一定的差距，地理信息资源还存在明显的不足。

长期以来，测绘部门生产的大量测绘成果由于涉及国家秘密，成果索取手段落后，测绘成果开放、开发利用程度低，地图更新速度慢，面对社会公众的地图产品单一，导航电子地图制作商起步晚，目前也只有11家单位，还未形成完整的产业链体系．推动和加快我国LBS产业发展，必须尽快处理好成果开发利用与成果保密管理的关系，以丰富地图资源为前提，加快测绘成果开发利用程度，为LBS产业发展提供空间信息资源保障。

（5）为用户提供信息服务平台的移动位置门户网站

建立门户网站，推出丰富的位置服务内容，对于引导社会公众、推动LBS产业发展具有十分重要的作用。

NTTDoCoMo推出的基于i-Mode品牌下的定位服务“iArea”，提供的内容包括WNI气象信息、iMapFan电子地图、美食家、ATIS交通信息、Zenrin携带式地图以及住宿信息等6项服务；KDDI推出的定位业务已达100多种，如电子地图、餐馆指南、火车时刻表、城市指南、天气和紧急信息等．为此，推动我国LBS产业发展，提升消费群体的认知程度，应当在充分整合移动通信、网络和空间信息资源的基础上，通过建立移动位置门户网站，为用户提供空间信息服务平台。