基于混合定位的警务应用研究

吕益民，徐冰冰

（1.广州市公安局科技通信处，广州 510000；2.北京航天长峰科技工业集团有限公司广东分公司，广州 510000）

随着通信技术的快速发展和智能终端的普及，人们在生活和工作中越来越多地应用到位置服务，定位方式也从单一地依赖全球定位系统发展到应用多种方式进行室外室内无缝定位。公安部门也将定位技术应用于案件侦破中，且其在技侦领域的应用越来越多，但是目前的定位技术还不能满足公安对于室内定位与室外定位相结合，无缝、高精度、实时性好的定位要求。在新的警务信息化形势下，应有效结合各种定位优势，建立混合定位平台来满足不同定位精度、不同应用场景的定位需求，为警务业务提供更好的技术支撑，用先进的技术手段进一步优化相关警务流程。

1 定位技术分析

从全球范围来看，定位技术的发展非常迅速，从基于卫星的美国GPS、中国的北斗（BDS），到基于基站、无线、RFID等技术的基站定位、Wi-Fi定位以及RFID定位，这些定位技术应用在社会的各个方面，为国家发展、社会大众提供了极大的便利。虽然这些定位技术都已经在某些领域应用，但是优劣不同，应用场景也不同。

1.1 GPS定位

GPS全球定位系统是最早使用的基于卫星的定位技术，起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。GPS定位在开阔的地方精度可达10m～15m，定位效果较好。截至目前，GPS定位是应用最广泛的定位技术。

GPS定位应用广泛，在公共安全领域，它广泛应用于公安指挥调度、警力动态部署、应急现场快速处置等警务实战中，为精确指挥、准确打击提供了重要的手段。但是在诸如室内或市区楼群密集区等卫星信号不好的地区，信号干扰强烈、卫星信号不够，定位效果差，其性能和可用性急剧下降，定位速度也相对较慢，实施部署的费用也较昂贵。由于核心技术由美国掌握，我国无法进一步提高其精度，在安全领域的应用存在隐患。

1.2 北斗定位

BDS是我国自行研制的“北斗卫星导航定位系统”，由空间卫星、地面主控站（控制中心）、标校站和用户终端设备三大部分组成，它具有快速二维定位、双向简短报文通信和精密授时三大基本功能。

截至2013年，北斗在军用及民用领域均已开展应用，对GPS形成了一定程度的冲击。如在军用领域，北斗二代军用终端已达到厘米级的定位精度；而在更广泛的民用领域，三星已推出支持北斗卫星定位功能的手机，凯立德已推出支持北斗的车载导航仪。根据《国家卫星导航产业中长期发展规划》，到2020年，我国卫星导航系统产值将超过4 000亿元，国内以往由GPS垄断市场的局面正在改变。

1.3 基站定位

基站定位是一种基于移动通信基站信号进行定位的定位技术，一般应用于手机用户。其定位精度与附近的基站数量有关，当前位置附近的基站越多，计算得出的位置精度越高。

基站定位技术的主要优点是对终端没有特殊要求，支持任何终端尤其是低价位终端，定位响应时间很短，整个定位过程仅需几秒钟。基站定位技术还有很好的覆盖性和可靠性，在移动网覆盖的地方，包括室内、地下车库等位置，都可以对移动终端进行定位。基站定位的缺点是定位精度依赖于基站覆盖区域的大小，一般定位精度在数百米左右。在基站密度较低的地区（如郊区和农村），基站定位技术很难获得理想的定位精度。这种定位技术一般应用于对位置要求精度不高的应用场景中（如应用到人员运动概要查询展示中）。

1.4 UWB定位

超宽带定位技术（UWB）是一种全新的、与传统通信技术有极大差异的通信新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或纳秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有GHz量级的带宽，该方式具有精度高（可以做到厘米精度），实用的环境很广的特点。UWB定位一般采用信号到达时间差（TDOA）与到达角度（AOA）用于室内精确定位，具有穿透力强、功耗低、抗多径效果好、安全性高、系统复杂度低、能提供精确定位精度等优点，但依赖于超宽带收发的电子电路或者芯片，对系统的设计和成本要求比较高。

超宽带系统可以在自然或人为的灾难现场，如火灾、地震、交通事故等，借助高精度定位提高搜救效率，减少不必要的伤亡。

1.5 Wi-Fi定位

Wi-Fi定位是借助现有的Wi-Fi网络和不同接入点（AP）的位置，通过定位算法实现对具有Wi-Fi功能的终端的相对定位。

Wi-Fi定位适合于无线访问接入点（AP）多的地方，如校园、公司、城市中心等，精确度大约在1～20米的范围内。Wi-Fi定位可以在室外和室内使用,由于Wi-Fi在室外AP密度较小，受到移动汽车和障碍物影响大，所以室内定位效果比较好。但是，无论是用于室内还是室外定位，Wi-Fi收发器覆盖区域有限，而且很容易受到其他信号的干扰，从而影响其精度，定位器的能耗也较高，比较适合应用于Wi-Fi网络接入点覆盖密度较大，对定位精度要求不是太高的区域。对不同定位技术的直接比较如表1所示。

表1 不同定位系统的比较

2 混合定位技术在公安领域的应用探讨

随着各类突发性、灾难性事件在大城市的频发，公安领域对混合定位的需求在不断增加并且越来越迫切。通过调研分析，我们认为目前混合定位在公安领域的应用主要集中在两方面，即报警定位和指挥调度。两种应用对定位的精度、容量、部署方式等方面要求各不相同，所以需要对每种应用的特点进行综合分析，最终找出最可行、最有效的技术实现方式。

2.1 报警定位的需要

110报警服务台通常针对报警人描述的信息进行登记录入，由于报警人身处环境通常比较恶劣，加之报警人员由于紧张或不了解身处环境等原因导致提供错误位置信息，报警定位响应速度受到不同程度影响。目前，多数报警定位只能对固定电话呼入进行定位，但是在移动电话呼叫占70%的情况下，手机语音定位需求迫切。同时，针对不具备语音环境的报警人，短信报警的应用需求也不可忽视。

2.1.1 应用特点

现场环境具有不确定性，条件可能非常恶劣，一般不具备在核心区域架设设备的条件；人员环境相对简单，建筑物阻挡情况不能确定；需要定位的人员数量不会很多，需要知道所处的位置。

2.1.2 需求分析

系统具备很强的坚固性，能够适应各种恶劣环境条件；架设方便灵活快捷，能够不依赖外在条件独立运行，且不需要在核心区域内架设设备；系统容量不要求很大，但要提供准确位置；供电仅需能够满足处置的实际需要即可。

2.2 指挥调度的需要

指挥调度的定位需求主要体现在警力布防和应急处突两方面。在区域路段及大型的火车站、汽车站、地铁和机场等交通枢纽，人流大，环境复杂，是各类治安、刑事案件的高发区域，同时也是反恐处突的重点防范区域，所以一般在这类地点会有专门的部门或多家单位共同开展工作，大量警力会出现在这些场所。作为上级指挥调度部门的指挥员，需要实时掌握投入警力的位置分布情况和出勤到位情况，为突发事件的快速处置以及民警到岗情况的考核提供数据和决策辅助。这就需要通过技术手段实现对警力的定位以及定位信息的可视化；对于处置一些重大突发事件的指挥调度，由于核心现场一般具有高危险性，处置人员的位置信息获取极为重要，指挥员不仅能够通过位置信息指导现场处置人员行动，还能够根据现场需要动态调整其分布。例如，消防队员进入浓烟密布的着火建筑物救火，特警队员进入封闭区域解救人质或排除爆炸物，救灾队员在废墟下进行营救行动等。

2.2.1 应用特点

警力布防的应用特点是人流密度很大，区域结构复杂且面积大；架设方便灵活快捷，能够不依赖外在条件独立运行，且不需要在核心区域内架设设备；系统容量不要求很大，但要提供准确位置。供电仅需能够满足处置的实际需要即可。

应急处突的应用特点是现场环境具有不确定性，条件可能非常恶劣，一般不具备在核心区域架设设备的条件；人员环境相对简单，建筑物阻挡情况不能确定；需要定位的人员数量不会很多，需要知道所处的位置。

2.2.2 需求分析

警力布防的定位需求是定位精度要求相对较高，能够适应人流密度大的环境；系统的部署方式要尽量简单易行，充分利用现有的基础设施，不改变或不破坏已有的设施；由于需要长期使用，故系统设施应该有外接电源供电；避免与现有建筑物内的其他系统发生干扰；系统容量要求相对较大，民警佩戴的设备要小型化、便携化，避免增加民警负担；定位数据的采集要实时，展示方式要直观。

应急处突的定位需求是系统具备很强的坚固性，能够适应各种恶劣环境条件；架设方便灵活快捷，能够不依赖外在条件独立运行，且不需要在核心区域内架设设备；系统容量不要求很大，但要提供准确位置；供电仅需能够满足处置的实际需要即可。

3 混合定位的技术实现分析

混合定位技术是综合使用多种定位技术而快速获取相应位置的相对精确坐标的一种技术，这种技术吸取相关几种定位技术的优点，综合利用这些优点实现相对精确定位。目前，主要应用的混合定位技术是将GPS定位、北斗定位（BDS）、基站定位、Wi-Fi定位进行结合的定位，在室内没有卫星信号的情况下，使用Wi-Fi定位、基站定位快速获取粗略位置信息，待有卫星信号的情况时使用北斗定位或GPS定位获取其精确位置信息。

混合定位技术首先要解决的问题是如何把GPS定位、北斗定位、基站定位和Wi-Fi定位等多种定位结合起来。这个问题可以分解成两部分：一部分是在服务侧，系统如何给用户提供一个看不见、感觉不到的多种定位技术的混合体，提供统一的服务；另一部分在终端，终端如何协调Wi-Fi与GPS芯片等的操作，使得能够给用户提供一种省电的、感知不到的、统一的位置服务客户端支持。

对于前一部分，目前已有很多关于“混合定位”的研究，主要的解决方法优先选择定位精度高的算法。一般的选择是首先优选GPS定位或北斗定位。当终端的GPS定位或北斗定位功能没有打开或者GPS和北斗的定位芯片刚启动还没有结果时，则选择Wi-Fi定位，终端将Wi-Fi信息上报并由平台返回定位结果。当终端Wi-Fi功能没有打开或者没有搜索到Wi-Fi AP信息时，则选择基站定位方式，终端上报检测的基站ID并由平台返回定位结果。除了优选定位精度高的算法外，还可以在算法层面将不同的信号源进行混合，例如基于Wi-Fi信号和基站信号的混合三角定位、混合指纹定位等算法。

后一个部分是较难解决的问题。对于终端来讲，支持服务端的接口并进行GPS和Wi-Fi定位毫无问题。但一旦加上省电这一需求，一切又变得异常复杂。省电就要求限制客户端的一些能力，比如说可能是需要关上GPS，可能是需要关闭Wi-Fi，或者至少是（如果可实现）把他们置于低电状态。而终端的位置正好是通过GPS和Wi-Fi获得的，如果关掉它们无法获得位置。一些芯片厂商也在芯片上做文章，制作“适合定位混合定位的芯片”，这些芯片有很多省电的办法，比如调整Wi-Fi扫描方法，使得一般情况下Wi-Fi既保持扫描又不对所有频点同时扫描，从而达到省电的目的。目前在实际使用中，很多定位应用都会在定位时提示用户打开GPS或Wi-Fi功能。

4 不同警务应用场景的技术实践

4.1 针对“报警定位”的混合定位

对于这类需求，建议采用GPS定位与基站定位结合的混合定位方式。当报警人的手机具备GPS定位功能并已安装指定客户端软件时，报警人通过手机报警，客户端软件自动将GPS获得的经纬度信息发送给后台公安系统。当报警人手机不具备GPS功能或具备GPS定位功能但没有安装指定客户端软件或报警人所处位置不能接受到卫星信号时，自动切换成基站定位，基站定位适用于报警人使用手机语音报警及短信报警。

在对语音报警进行定位时，用户与公安接警员的通话正常进行，由报警定位平台负责接收公安接处警系统发来的定位请求，并与移动运营商的信令采集平台进行相互认证，以确保对该用户的定位在合理合法的情况下进行，然后由运营商系统根据用户报警时所处位置的基站信息进行定位处理，最终由报警定位平台负责将用户的位置信息发给公安接处警系统，报警人位置信息在警用地理信息系统（PGIS）地图上展示，处警员根据展示的信息进行快速派警。

在对短信报警进行定位时，报警人发出的报警短信并没有直接发给公安接处警系统，而是由报警定位平台负责接收，同时会与移动运营商的定位平台进行相互认证，以确保对该报警人的定位在合理合法的情况下进行，然后由运营商系统根据用户报警时所处位置的基站信息进行定位处理，最终由报警定位平台负责将报警人的位置信息结合报警短信内容形成较为详细的报警信息，发给用户所在地市的公安接处警系统，报警人位置信息和短信信息在PGIS地图上展示，处警员根据展示的信息进行快速派警。

4.2 针对“指挥调度”的混合定位

对于警力布防这类需求，通过对案事件信息和社会面动态警力在PGIS地图上的实时定位，实现指挥调度的可视化、扁平化，并结合PGIS的城市道路网数据进行路径分析及最佳服务区分析，做到即时布警、快速出警、迅速处警。考虑到建设成本和使用效率等方面的问题，建议充分利用现有的网络资源，如以现成的Wi-Fi接入点，或其他无线通信网络基站为基本参考点，充分发挥后台软件定位引擎的强大功能，将项目建设的主要精力放在终端（Tag）的研发和后台软件的开发上，来满足定位的需求；如果区域内不具备类似可以利用的网络设施，或精度不能够满足使用的需要，可以考虑采用UWB或RFID等技术，重新建设专用的定位网络基础设施，满足定位精度和可靠性方面的需求，但建设网络基础设施在成本和实施难度方面，都是需要充分考虑的因素。

应急处突这类需求的代表为在火灾现场处置过程中，对进入火场的消防队员在PGIS房屋建筑结构图上进行精确定位，指挥员根据定位信息可以对现场消防员进行有效的引导，减小意外发生的可能。为满足这类恶劣现场的应用条件，建议将GPS，UWB，Wi-Fi等技术有效融合，共同组成一套适用于应急现场的全能型定位系统。这套系统采用UWB解决室内定位的问题，利用超宽带技术在抗多径效应方面的优势，用TDOA和AOA算法解决定位精度的问题；采用GPS定位解决参考点的位置问题，便于实现与电子地图的有效融合；采用现场临时搭建的Wi-Fi网络实现定位信息的传输，使现场临时指挥部能够实时掌控情况。考虑到现场没有通信基础设施的情况，将基础网络设备分别构建在多辆通信车上，车上通信设备包括了GPS的定位终端、UWB参考点传感器和Wi-Fi网络接入设备。在应急突发现场，多辆通信车分别部署于核心现场的四周，构建起UWB室内定位网络和Wi-Fi传输网络，进入核心现场的处置人员配备定位终端，该终端发出UWB无线信号，部署在车上的多个参考点传感器接收该信号并进行信号测量，并通过Wi-Fi网络将测量值传至控制中心，控制中心定位服务器使用AOA与TDOA混合定位方法，得到目标定位终端的位置信息，同时，还利用每个参考点传感器的GPS定位数据对目标点位置信息进行校正，最终展现在PGIS地图上。

5 结束语

混合定位技术交叉融合了多个学科和多种技术，但目前仍有许多有待解决的技术问题，包括：体系结构的标准化问题、各种技术的无缝整合问题、室内无线网络通信的协议问题等。尽管如此，基于混合定位技术的警务应用无论在功能性、易用性和实用性等方面均能满足公安系统的需求，可实实在在的提高警务工作的反应速度和工作效率，进一步提高和丰富公安机关应对各类事件的处置能力和管控措施，强化现有移动警务系统主体功能，是公安系统工作方式的一种创新，是“科技强警”的最好体现。

[1] 杨恒，魏丫丫，李彬，郭丹.定位技术[M].北京：电子工业出版社，2013.

[2] 王胜波，张兵，孙亮，白金良，郭喜成.手机报警定位技术在警务中的应用[J].警察技术，2012,(3):47.

[3] 罗枝花，王晓平.混合定位技术与应用的探讨[J].数据通信，2011,(4):11.

[4] 周千里.室内定位技术在公共安全领域的应用探讨和技术实践[J].中国人民公安大学学报（自然科学版），2010,(2):76-81.