Geolocalització

Autor: Dr. Joan Nunes. Universitat Autònoma de Barcelona
Promotor: Institut Cartogràfic de Catalunya, 2013

 

Geolocalització és la determinació de la posició geogràfica d'un aparell connectat a una xarxa de comunicacions. La geolocalització inclou la determinació de la posició geogràfica d'un dispositiu mòbil, especialment d'un telèfon, a partir de les ones de ràdio que emet o per mitjà d'un receptor de GPS incorporat, i també la determinació de la posició geogràfica d'un ordinador connectat a Internet, com a casos actualment més habituals i significatius, però en general és aplicable a qualsevol aparell emissor de senyals de comunicació ja sigui mitjançant ràdio, telefonia mòbil, telefonia fixa convencional, xarxes de dades, etc.

La geolocalització es diferencia del posicionament en la mesura en què no es tracta de determinar la posició geogràfica d'un objecte, persona o esdeveniment mitjançant l'ús d'un aparell dissenyat expressament per a aquesta finalitat, com per exemple en el cas del sistema de posicionament global (GPS) o d'altres sistemes de navegació globals per satèl·lit (GNSS), sinó de determinar la posició d'un aparell de comunicació utilitzant generalment la pròpia senyal de comunicació o informació de la xarxa de comunicacions, eventualment amb l'ajut d'un dispositiu de posicionament incorporat aliè al sistema de comunicacions.

La geolocalització utilitza tecnologies, tècniques i mètodes de posicionament molt diversos i permet obtenir posicions amb diferents nivells de precisió, tant per limitacions tècniques de la tecnologia i mètode emprat, com per les opcions de privacitat escollides per l'usuari. La geolocalització pot proporcionar posiciones en forma de coordenades o simplement com una referència territorial (país, província, ciutat o barri) i pot anar acompanyada o no, segons les aplicacions, d'altres serveis de tractament de la informació geoespacial, com per exemple serveis de geocodificació per a obtenir l'adreça postal corresponent a una posició i viceversa

La geolocalització és el fonament dels serveis basats en la localització i d'altres aplicacions de les tecnologies de la informació geoespacial als dispositius mòbils, com les aplicacions de xarxes geosocials, el comerç electrònic o d'altres.

Principals tecnologies emprades per a la geolocalització de dispositius mòbils: GPS, RFID i Wi-Fi. Font: Dhar and Varshney (2011).

 

 

 

Origen

L'origen de la geolocalització és pràcticament tan antic com el de les xarxes de telefonia, incloses les de telefonia fixa, o com el de l'ús públic d'Internet. Els primers exemples de geolocalització possiblement siguin els de localització de telèfons fixos per als serveis d'emergència, molt abans de la digitalització de la pròpia telefonia fixa. Aquest tipus de geolocalització per a serveis d'emergències començà a desenvolupar-se igualment sobre les xarxes de telefonia mòbil, especialment en el cas d'Estats Units amb la regulació sobre el servei d'emergències 911 (Enhanced 911) a l'any 1996, per la qual els operadors de telefonia mòbil estan obligats a proporcionar la localització de les trucades d'emergència des de telèfons mòbils amb una precisió de 50-100 m en el 67% dels casos i de fins a 300 m per al 95%, que sens dubte ha potenciat enormement els recursos de geolocalització de dispositius mòbils i el desenvolupament de serveis basats en la localització de tota mena, a Estats Units.

Paral·lelament, la geolocalització d'ordinadors connectats a Internet arrenca aproximadament de les mateixes dates, quan a finals de la dècada de 1990 es començaren a crear les bases de dades d'adreces IP georeferenciades.

Geolocalització de dispositius mòbils

Les tècniques de posicionament de dispositius mòbils, com és ara telèfons mòbils, PDAs, tauletes o similars, són molt nombroses i variades (Martin et al., 2010). Algunes d'aquestes tècniques utilitzen mètodes geomètrics de posicionament, com és ara la triangulació, la trilateració o la multilateració, mentre que d'altres simplement utilitzen identificadors com a referència i assignen la localització per proximitat. Cada tècnica, d'altra banda, és utilitzada per una o més tecnologies de comunicació i de posicionament. A més, cal distingir entre les tècniques basades en la pròpia xarxa de comunicacions i altres basades en tecnologies de posicionament afegides, com el posicionament per mitjà de GPS.

Tipus de tècniques de posicionament

Una classificació força acceptada de les tècniques de posicionament (Poovendran et al., 2006) és la següent:

• tècniques de posicionament basades en la xarxa de comunicacions
  • tècniques de posicionament basades en l'abast del senyal
    • temps d'arribada (time of arrival, ToA)
    • diferència entre el temps d'arribada (time diference of arrival, TDoA)
    • indicació de força del senyal rebut (received signal strength indication, RSSI)
    • angle d'arribada (angle of arrival, AOA)
  • tècniques de posicionament basades en la proximitat
    • identificació de cel·la (cell identification, Cell-ID)
    • identificació millorada de cel·la (enhanced cell identification, ECID
  • tècniques de posicionament basades en condicions ambientals (Hightower and Borriello, 2001)
• tècniques de posicionament basades en sistemes de posicionament propis del dispositiu
  • sistema de posicionament global (GPS
    • GPS
• tècniques de posicionament híbrides
  • sistema de posicionament global (GPS) + altres tècniques
    • GPS assistit (assisted GPS, A-GPS)
    • diferència de temps observat millorada (Enhanced Observed Time Difference, E-OTD)

Mètodes geomètrics de posicionament

Els mètodes geomètrics de posicionament bàsics són la trilateració, la multilateració i la triangulació.

Trilateració

La trilateració calcula la intersecció de tres esferes donats els radis i centres de les tres esferes. És el mètode bàsic de càlcul de la posició d'un receptor quan es coneix la posició d'almenys tres focus emissors (centres de les esferes) i les distàncies que recorren els senyals des de cada centre fins al receptor (radis de les esferes). El resultat de la intersecció són dos punts, un dels quals és la posició cercada, mentre que l'altre es pot descartar ja que cau fora de la superfície terrestre. La intersecció es calcula trobant la solució del següent sistema d'equacions:

on
r₁, r₂, r₃  són les distàncies dels tres punts emissors al punt receptor
x, y, z  són les coordenades del punt receptor
(x_c1, y_c1, z_c1),(x_c2, y_c2, z_c2), (x_c3, y_c3, z_c3)  són les coordenades dels tres punts emissors

La trilateració s'utilitza en tècniques de posicionament que permeten saber la posició dels punts d'emissió i mesurar o estimar la distància dels emissors al receptor, sovint per mitjà del temps d'arribada (ToA) del senyal procedent de cada emissor al receptor. En cas d'utilitzar temps, requereix la sincronització entre els rellotges dels emissors i receptor.

La trilateració és emprada en tècniques de posicionament com ToA o RSSI, quan es coneix la posició de les antenes de telefonia mòbil i es pot mesurar el temps d'arribada o la intensitat del senyal rebut, i per tecnologies de posicionament basades en el senyal de telefonia per radiofreqüència (RFID) o per comunicacions per satèl·lit (Wimax). També és el mètode que utilitza el posicionament mitjançant GPS.

Multilateració

La multilateració calcula la intersecció de tres o més hiperboloides donats seus centres. És el mètode de càlcul de la posició d'un receptor quan es coneix la posició d'almenys tres focus emissors (centres de les esferes) però no es pot calcular la distància mitjançant el temps, ja que no hi ha sincronització entre emissors i receptors. En canvi, es pot conèixer la diferència en el temps d'arribada (TDoA) dels senyals entre emissors i receptor, de manera que, assumint que un dels hiperboloides es troba en el centre del sistema de coordenades i per tant té coordenades (0,0,0), el càlcul s'obté mitjançant la solució de les següents equacions:

on   
Δt₁, Δt₂, Δt₃  són les diferències de temps d'arribada dels emissors al punt receptor
x, y, z  són les coordenades del punt receptor
(x_c1, y_c1, z_c1),(x_c2, y_c2, z_c2), (x_c3, y_c3, z_c3)  són les coordenades dels tres punts emissors
c  és la velocitat de la llum

La multilateració s'utilitza només en tècniques de posicionament com TDoA, quan no hi ha sincronització entre les antenes de telefonia mòbil i el telèfon receptor, i per tecnologies de posicionament basades en el senyal de telefonia per radiofreqüència (RFID) o a partir d'emissors Wi-Fi.

Triangulació

La triangulació calcula la posició d'un punt a partir de dos punts coneguts sobre una línia de base, sabent la distància entre els dos punts de base i els dos angles que formen els costats del triangle entre els punts de base i el punt a calcular. En altres paraules, donat un costat i dos angles d'un triangle, la triangulació permet calcular els altres dos costats i el tercer angle. Així, donat un triangle, les equacions de càlcul són les següents:

on
B  és el costat conegut del triangle i α,c  són els dos angles coneguts

La triangulació només es pot utilitzar en tècniques de posicionament que mesurin angles, com AoA. Una de les tecnologies de posicionament que permet mesurar angles és RFID.

Tècniques de posicionament

Deixant a part la geolocalització per mitjà de GPS i les tècniques híbrides que combinen GPS i informació de posicionament derivada de la xarxa, les principals tècniques de posicionament basades en la xarxa de comunicacions són ToA, TDoA, RSSI, AoA i Cell-ID.

Temps d'arribada, ToA

La mesura del temps d'arribada (ToA) permet determinar la distància entre emissor i receptor, aplicant la velocitat de transmissió del senyal.

ToA s'utilitza amb moltes tecnologies de comunicació diferents: radiofreqüència, infraroigs, làser, ultrasons, senyals acústics, entre d'altres. En el context de la geolocalització de telèfons mòbils s'utilitza només senyals de radiofreqüència. Entre les tecnologies de radiofreqüència que permeten utilitzar ToA com a tècnica de posicionament, les més importants són RFID, senyal de telefonia (GSM; UMTS, CDMA2000), UWB i Wi-Fi. Les precisions del posicionament mitjançant ToA varien molt segons el tipus de senyal emprada, peró són de l'ordre de 10 a 100 metres.

El principal inconvenient d'aquesta tècnica és que requereix instruments de mesura del temps acurats, tant en els emissors com en els receptors, la qual cosa no és possible per cost. Així, s'utilitza amb mitjans per sota dels requeriments de la tècnica.

També utilitza el temps d'arribada el posicionament mitjançant GPS, encara que no és una tècnica basada en la xarxa de comunicacions sinó un recurs extra que pot anar incorporat o no en el telèfon mòbil. La precisió del posicionament mitjançant GPS és de l'ordre de 2 a 5 m.

Diferència entre el temps d'arribada, TDoA

La diferència entre el temps d'arribada (TDoA) és una tècnica que s'utilitza relativament poc, ja que fou ideada originalment per a la navegació de vehicles molt grans (vaixells o avions) amb un grau de precisió del posicionament força baix. Tot i així es pot utilitzar en xarxes Wi-Fi i en el senyal de comunicació de telefonia mòbil, mitjançant dues tècniques híbrides o assistides (U-TDoA i E-OTD). Les precisions són, però, de l'ordre de 100 a 500 metres..

Indicació de força del senyal rebut, RSSI

La indicació de força del senyal rebut (RSSI) és una tècnica de posicionament a partir de radiofreqüència que es basa en models teòrics o empírics de propagació del senyal de ràdio, que converteixen la força del senyal en mesures de distància mitjançant dos tipus de mètodes:

• mètodes d'empremta digital (fingerprinting), que fan servir la característica única del senyal de transmissió de cada dispositiu, més un mapa de localitzacions enregistrat prèviament, per identificar un determinat dispositiu a través de l'empremta digital i proporcionar la seva ubicació segons el mapa de localitzacions disponible.
• mètodes basats en la propagació del senyal, que estimen la distància mitjançant el càlcul de la pèrdua de senyal a través de la trajectòria de propagació.

Alguns d'aquests mètodes, com el d'empremta digital, requereixen una infraestructura de xarxa addicional per a densificar el nombre d'estacions respecte de les quals identificar el senyal, la qual eleva els costos extraordinàriament i ho fa poc aplicable a situacions ordinàries de telefonia mòbil. L'aplicació d'aquests mètodes és més apropiada per a entorns espacials definits, com és ara interiors o recintes acotats.

Els mètodes basats en la propagació del senyal són força sensibles a les condicions ambientals i s'estima que presenten fins a un 50% d'errors deguts a diversos efectes d'ombres, manca de línia de visió o múltiples trajectòries del senyal. Per aquest motiu requereixen millores en els models que tinguin en compte els diversos efectes de pèrdua de qualitat del senyal. S'utilitzen en tecnologies com RFID, en la qual la recerca és molt activa, i també Wi-Fi o Bluetooth.

Angle d'arribada, AoA

La mesura de l'angle d'arribada del senyal de radiofreqüència per a determinar la localització del receptor requereix una configuració especial d'antena, com és ara una antena direccional o una col·lecció d'antenes, que permeti estimar la direcció dels senyals procedents de les estacions de la xarxa de comunicacions, la posició de les quals és coneguda. És una tècnica poc utilitzada per la complexitat addicional de maquinari que comporta, si bé té un cert interès com a tècnica complementària per a compensar les imprecisions que poden comportar algunes de les altres tècniques. La mesura de l'angle d'arribada també està sotmesa a força variacions de precisió degudes tant a errors de guany de l'antena com a canvis de direcció de les ones de ràdio a causa de diferències de conductivitat o de reflexió dels diferents tipus de terreny.

Identificació de cel·la, Cell-ID

És la tècnica de geolocalització de telèfons mòbils més antiga i simple. Es basa en el reconeixement de l'estació que proporciona cobertura al telèfon en cada moment i la atribució de l'àrea (cel·la) corresponent a l'estació o antena com a localització del dispositiu. Funciona amb tot tipus de xarxes y . El posicionament per identificació de cel·la és molt poc precís, ja que el diàmetre de les cel·les de telefonia mòbil és força gran (entre 2 i 20 km en el cas de la xarxa GSM, per exemple).

Hi ha diferents tècniques millorades de posicionament per mitjà de la identificació de cel·la, entre les quals ECID, que combinen la identificació de cel·la amb altres paràmetres, com és ara la mesura del temps entre connexions amb l'estació -que és funció de la distància entre el mòbil i l'estació- o la força del senyal -que serveix per a discriminar l'antena que proporciona el millor senyal i per tant, la més propera al mòbil-, els quals serveixen per a refinar el posicionament inicial mitjançant la cel·la.

Diferència de precisió entre algunes de les tècniques de geolocalització més habituals. Font: Petrova and Wang (2011).

 

Geolocalització de dispositius connectats a Internet

La geolocalització de dispositius connectats a Internet és anterior a la tendència recent, des de mitjans de la dècada de 2000, de connectar-se a Internet per mitjà de dispositius mòbils, que actualment és ja predominant. Així la geolocalització de dispositius connectats a Internet s'ha desenvolupat des del moment en què l'ús d'Internet arriba al públic en general, a mitjans de la dècada de 1990, a través de la geolocalització d'ordinadors fixos. La geolocalització d'ordinadors connectats a Internet es posà de manifest ben aviat en forma de serveis basats en la localització tan senzills com el canvi de llengua de les pàgines web o la personalització dels resultats de les cerques d'acord la localització estimada de l'usuari.

La forma més habitual de geolocalització d'ordinadors, i en general de dispositius, connectats a Internet es basa en l'adreça IP utilitzada per a registrar i identificar cada dispositiu a la xarxa. El desenvolupament d'aplicacions web portà a la creació de les anomenades bases de dades d'adreces IP georeferenciades, que estimen la posició de cada adreça IP mitjançant diversos factors com la llista de contactes en la base de dades WHOIS. La creació i manteniment de les bases de dades d'adreces IP georeferenciades és, de fet, una activitat comercial específica d'empreses especialitzades en proporcionar aquest servei als proveïdors d'aplicacions.

Posteriorment a mesura que el tipus de dispositiu connectat a Internet ha passat a ser un dispositiu mòbil, la geolocalització a Internet, tot i mantenir la geolocalització per adreça IP, ha començat a basar-se en una nova generació de bases de dades georeferenciades, en aquest cas de punts de proveïment de connectivitat Wi-Fi (hotspots), a part dels propis recursos de geolocalització basats en les xarxes de telefonia mòbil.

La situació a principis de la dècada de 2010 és la coexistència de múltiples sistemes i mitjans de geolocalització, tant de telefonia com d'Internet, amb una riquesa de possibilitats que asseguren la disponibilitat del servei de geolocalització en gairebé qualsevol lloc i situació, fins i tot de forma optimitzada entre les alternatives possibles. La dificultat o el repte, és idear arquitectures i protocols que permetin compatibilitzar i comunicar de manera homogènia la informació de geolocalització entre dispositiu d'usuari final, dispositius de xarxa, servidor de localització i servidors de les aplicacions de serveis basats en la localització. En aquest sentit, s'estan avançant diverses propostes d'estàndards de comunicació i representació de la informació de geolocalització (Barnes et al., 2011).

Temes relacionats

• Geocodificació
• Servei basat en la localització
• Xarxa geosocial

Referències

Barnes, R.; Winterbottom, J. and Dawson, M. (2011) "Internet Geolocation and Location-Based Services", IEEE Communications Magazine, 49, 4, 102-108.

Dhar, S. and Varshney, U. (2011) " Challenges and Business Models for Mobile Location-based Services and Advertising", Communications of the ACM, 54, 5, 121-129.

Hightower. J. and Borriello, G. (2001) "Localization Systems for ubiquitous computing". Computer, 34, 8, 57-66.

Martin, L.; Liu, L.; Covington, M. Pesti, P. and Weber, M. (2010) "Positioning technologies in location-based services" in Ahson, S.A. and Ilyas, M. (eds.) Location-Based Services Handbook. Applications, Technology and Security. Boca Raton, Florida: CRC Press.

Petrova, K. and Wang, B. (2011) "Location-based services deployment and demand: a roadmap model", Electronic Commerce Research, 11, 5–29.

Poovendran, R.; Wang, C. and Roy, S. (2006) Secure Localization and Time Synchronization for Wireless Sensor and Ad Hoc Networks. New York: Springer

Lectures recomanades

Ahson, S.A. and Ilyas, M. (2010) (eds.) Location-Based Services Handbook. Applications, Technology and Security. Boca Raton, Florida: CRC Press.

Barnes, R.; Winterbottom, J. and Dawson, M. (2011) "Internet Geolocation and Location-Based Services", IEEE Communications Magazine, 49, 4, 102-108.