原来你在这里

当我们去到一个陌生的地方，不管是户外开阔的公园或是室内封闭的商场，随时知道自己所在的位置是一件非常重要的事情。只要稍微用心回忆一下，你一定会有这样的印象：某个指示地图上标记“我的位置”的那个红点，在无数路人的触摸下，已经褪掉了颜色——每个人，都想明确自己的定位，只有知道我在哪里，才好根据要抵达的目标，规划路线，不至于迷失。

文／肖忠民    插图／岑骏

十二年前，我拿着大学通知书，一个人坐火车来到北京，北京西站就是我熟悉北京的起点。从下火车到学校这个过程，对于一个农村孩子来说，真是一场探险。爸妈担心我在路上的安全，他们送我的金玉良言是：路在嘴上。

出发前在县城的新华书店，我早早地买好了一本地图册。入学须知里有关于校车位置的描述，还告知了公交路线。但西客站这个“亚洲第一大站”，占地51万平米的建筑怪物，内部结构错综复杂，还是给初来乍到的我一个下马威。我找不到校车，只好去坐公交车。我努力理解周围贴着的交通标识，再不行就张嘴问路。终于坐上了公交车，又不确定要坐到哪一站，沿路经过的每个地名都很陌生。忐忑着在中关园车站下车，继续问路，哦，原来要过天桥，过了天桥，还要再往北走五十米，才是北大东门。进了不起眼的北大东门，还要继续问路，去找报名点……这就是十二年前的寻路体验。

新技术带来翻天覆地的变化，刚才描述的那种糟糕的体验不会再有，我可以放心地让我读高中的弟弟一个人出去旅游，只要教会他怎样用手机地图定位自己的位置，怎样查找路线。

定位技术和导航是相伴而生的。如果没有定位作为基础，导航也无从谈起。当我们去到一个陌生的地方，不管是户外开阔的公园或是室内封闭的商场，随时知道自己所在的位置是一件非常重要的事情。只要稍微用心回忆一下，你一定会有这样的印象：某个指示地图上标记“我的位置”的那个红点，在无数路人的触摸下，已经褪掉了颜色——每个人，都想明确自己的定位，只有知道我在哪里，才好根据要抵达的目标，规划路线，不至于迷失。

随着智能手机的普及，借助任何一款手机地图或别的定位软件，我们可以轻松地确定精准的位置。这背后的支撑，是定位技术在这二十年的成熟和普及。回退到二十年前的1994年，那时候，要确定具体的位置，最原始也最通常的做法，是借助已知的参照物来确定位置的相对关系，这意味着——要么只在熟悉的环境范围内活动，要么拥有一份准确的地图，并且必须具备一定的识图能力，通过仔细比对地图上地形地物的标注和当前视野范围内观察到的景象，判断自己所在的位置。

定位技术是如何发展并迅速普及，渗透到我们的日常生活中？未来定位技术又将怎样演进，给我们生活带来有意思的变化？所有定位技术的本质原理，都可以概括为一个原则：确定已知具体位置的点作为参照物，根据定位点和参照物的空间关系，计算得出定位点的具体位置。定位技术演进的一个重要因素，就是定位参照物选取的不断演进。

丛林社会的猎人离开他熟悉的区域，他每隔一段距离就用红布条或刻刀留下一个路标，为的是有这些路标参照，能顺利找到回家的路。再以北京西站为例：出站台，往前走五十米到检票口；出检票口再往右拐，往前走两百米就是公交车站。这也是我们平时最通常的指路方式。这种朴素的原理用专业术语来讲，可以称之为惯性导航技术。即不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量，是一种自主式的导航系 统。

这种技术能适应空中、地面，甚至水下等各种环境。关键在于确定基准点的基础上记录方向变化和距离变化。技术上的基本工作原理就以牛顿力学定律为基础，利用陀螺仪或加速度计等硬件设备，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、方向和位置等信息。惯性技术在火箭制导等国防装备技术中应用非常广泛，占有非常重要的地位。

很多公共基础设施，仍然是通过这套机制在运行。我记得北大校园里很多地方立着一根柱子，上面标记了编号，还有一个报警按钮。一旦发生危险，周围的人可以找到就近的柱子，发出报警信号。现在很多人去京郊爬山，也会注意到如香山、阳台山等开发比较成熟的户外场所，也有类似这样的安全设施。

定位技术里程碑性的突破是人造地球卫星的出现，人造地球卫星直接成为有效的定位参照物。1957年，苏联宣布成功地把世界上第一颗绕地球运行的人造卫星送入轨道。仅仅三个多月后，美国也成功发射了第一颗“探险者”号人造卫星。卫星的上天在通信广播、对地观测、气象等方面都有重要应用。

就在得知苏联成功发射人造卫星后，美国霍普金斯大学应用物理实验室的两个博士生对卫星遥测信号的多普勒频移产生了浓厚的兴趣。他们认为：利用卫星遥测信号的多普勒效应可对卫星精确定轨；更进一步，这个实验室的研究人员发现在已知卫星轨道的情况下，利用卫星信号的多普勒效应可确定观测点的位置。他们的工作为多普勒卫星定位系统的诞生奠定了坚实的基础。

当时美国海军正在寻求一种可以对北极星潜艇中的惯性导航系统进行间断精确修正方法，于是美国军方便积极资助霍普金斯大学应用物理实验室开展进一步的深入研究。1958年12月在克什纳博士的领导下开展了三项研究工作：研制卫星；建立地球重力场模型以便卫星的精确定轨和准确预报卫星的空间位置；研制多普勒接收机。1964年1月，第一代卫星导航系统正式建成并投入军方使用，1967年7月，该系统由军方解密供民间使用。

第一代卫星定位系统虽然取得了重要突破，也存在很多问题。这个定位系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，由于多普勒定位方法存在的局限，一次定位所需时间过长，需要15分钟，并且定位精度不高，卫星覆盖的区域也有限，甚至会出现卫星相互干扰信号的情况。然而，这个系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺 垫。

1973年12月，美国国防部启动了一个宏大的项目，批准陆、海、空三军联合研制第二代卫星定位系统——全球定位系统（GPS）。这个系统从立项研发到投入使用花了20年的时间，总投资300亿美元。到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，这就实现了随时随地的定位 需 要。

GPS的研发取得了巨大的成功，供军方使用的精密定位服务精度达到了3米，供民用的标准定位服务精度也在15米之内。GPS定位精度如此之高，美国出于自身安全考虑，还采用SA（Selective Availability）政策即可用性选择政策，有意通过降低卫星星历中轨道参数的精度和施加高抖动噪声信号，使民用GPS定位精度的误差水平控制在100米。2000年，SA政策被取消，民用GPS定位精度恢复到米的级别。

GPS是一个非常伟大的系统。唯一的问题是，这套系统掌握在美国人手里。在高科技竞争和军事国防的领域，美国人可以随时关闭这套定位系统，如果单纯依靠GPS，风险可想而知。为此，除了GPS，欧洲、俄罗斯、中国都在建设部署自己独立的卫星导航定位系统，这些系统的技术原理都一样，但在技术和资金投入上要求不菲。欧盟于1999年首次公布伽利略卫星导航系统计划，其目的是摆脱欧洲对美国全球定位系统的依赖，打破其垄断。该项目总共将发射32颗卫星，总投入达34亿欧元。因各成员国存在分歧，计划已几经推迟。中国在这方面取得了很大成就。北斗卫星导航系统已经开始试运营，目前已经覆盖了亚太区域。2020年左右，北斗卫星导航系统将形成全球覆盖能 力。

理论上GPS技术实现了任何地方、任何时刻的定位需要，但是，GPS通过卫星发出的无线电信号来进行定位，需要具备无遮挡的开阔环境。在很差的信号条件下，例如在一座城市，这些信号可能会被许多不规则的建筑物、墙壁或树木削弱。卫星信号的获取是个大问 题。

随着移动通信技术的普及，AGPS，即辅助GPS技术，将移动基站变成了定位的参照物，是一种综合利用网络移动运营商基站信息和GPS信息的定位技术。借助卫星信号接收效果良好的移动基站，在移动网络上加建位置服务器、差分GPS基准站等设备，基站具备了定位能力，通过如GPRS等移动网络，可以将定位所依赖的星历和时钟等辅助数据发送给终端，由终端进行GPS定位测量。

AGPS在GPS的基础上依靠移动网络，相比独立GPS有了很大的改进：一是进一步缩短了定位时间。由于卫星广播信道速率低，信号强度弱，定位终端搜星的时间需要好几分钟。而利用移动网络提供GPS辅助信息，定位终端不再需要花时间接收GPS卫星广播数据。二是降低了终端的耗电量，因为搜星过程非常耗电。三是扩大了GPS定位的空间覆盖度，在靠近建筑物或者天气不好等不能获得卫星信号的环境中也能成功定位。

有个流传深广的笑话：一个女的拿了老公的IPAD到闺蜜家上网，结果发现Wi-Fi自动连上了……这说明了什么？呃，说明了可以用WI-FI来定位。

Wi-Fi的普及使得定位技术又有了一个新的参照物网络：密集分布在各个角落的Wi-Fi设备。手机地图等位置服务商会收集维护每一个Wi-Fi设备的参考位置数据库，定位终端扫描周围有哪些Wi-Fi设备，把这些设备的MAC地址以及的信号强度上传到定位服务器，服务器由此计算出定位终端的精确位置。

Wi-Fi定位的关键是Wi-Fi参考位置数据库的全面准确。毕竟无线AP不像基站塔那样基本不会移动。因此位置服务商需要不断积累、更新、补充自己的数据库，以保证数据的准确性。老虎地图就收集维护了近2千万条分布在全国各地的基站的位置信息，1.6亿条分布在全国各地的Wi-Fi位置信息。

定位技术的最终普及依赖于定位终端的普及。

回到2003年，我经常组织爬山或穿越徒步等野外活动，非常需要有一个GPS设备，保障队伍的安全，当时是通过美国的朋友买回来一个Garmin的GPS，花了几千块钱。Garmin生产的手持随身携带型GPS产品有76%市场占有率。同样，车载定位导航设备在几年前也只在高端的车型上才支持。GPS的高成本阻碍了它的普及。近年来，技术发展日新月异，尤其是智能手机快速普及，智能手机普遍都内置了GPS模块。移动互联网所谓的LBS服务开始大行其道，即手机软件基于定位能力，得到用户当前所在的位置，为用户提供跟位置相关的服务。比如使用手机地图能很方便查询所在位置附近的美食、酒店、ATM机或者厕所。

智能手机内置了陀螺仪、加速度计和GPS等传感器，因此具备利用惯性定位、GPS定位、基站定位和Wi-Fi定位等各种定位技术的硬件基础。即使如此，不同的手机软件提供的定位速度和结果也参差不齐。因为整个定位系统同时依赖于复杂精巧的算法和全面准确的参考位置数据库，而各家软件在这方面的积累会有差别。不管如何，定位技术已经渗透到我们每一个人的生活里，帮助我们探索发现周围的世界。

迄今为止，建筑物内的定位仍然没有得到有效的解决。GPS定位精度能在10米以内，但只在室外起作用。室内可以用基站定位和Wi-Fi定位，但其定位都可能存在几十米甚至上百米的误差。而现在火车站、机场、地铁、博物馆、公园、商场等建筑群布局复杂，人们其实非常需要高精度的室内定位技术。仍然是在北京西站，有一次我去接丈母娘，她在手机里描述她在西站某个位置，但总是描述不清楚，我们花了半个多小时才碰上头。一旦室内定位技术取得突破，在室内找人将不再是问题，而且还能涌现更丰富更便利的应用场景，比如在商场内寻找电梯，或迅速定位到自己要购买的物品，在博物馆、公园内设计参观动线、实现智能导游，在家里根据自己的位置实现对家用设备的智能控制；同时，对个人轨迹全天候的精确记录，有助于监测身体的健康和安全。

室内定位技术的潜在前景吸引了整个IT产业很多从业者的研究，从芯片厂商、操作系统公司，传统导航系统公司，手机地图，以及新兴的创业团队。大家从各自不同的角度寻找解决方案，探讨比较多的有Wi-Fi指纹识别，射频标签（RFID）、Zigbee、蓝牙（Bluetooth）、红外定位、光跟踪定位、计算机视觉定位、超声波定位等。这么多技术解决方案本质上都是利用某类信号，根据信号通信的强度和几何关系来计算出定位点的位置。目前，基于WI-FI指纹识别的方向比较主流，但仍然还没有取得突破性进展，因为在WI-FI位置的数据采集和室内复杂环境下信号强度干扰方面都没有得到有效的解决。

随着室内基础设施的完善和定位技术的创新，室内定位功能一定在未来几年会有质的突破，结合可穿戴设备和大数据分析的能力，移动互联网/物联网将掀起一拨新的热潮，使得信息化和智能化渗透到每一个时间和空间，给人们生活带来全新的体验。

我和同事们曾经开玩笑讨论一个问题，如何定位屋里的蚊子。这并非不可能，实际上，前微软公司首席技术官内森·麦沃尔德的Intellectual Ventures公司从2008年起，就开始研究这个问题。麦沃尔德2010年2月在加州长滩的TED会议上还对他们研发出来的灭蚊激光器这一装置进行了演示。十二年前我在北京西站的遭遇，如今已经难以想象。十二年后，新的技术浪潮会怎么改变我们的生活，人类的想象力和创造力会创造一个怎样的新世界，我们都参与其中，我们都拭目以待。