老司机揭秘手机定位技术

Xu许

今天我们所处的移动互联网时代，手机成了每个人的生活标配。
这些手机里，安装了形形色色的APP，提供了各种服务，彻底改变了我们的生活。




这些服务里面，就包括我们今天的主角——定位。


每一个人，每一件物品，在这个地球上都有一个空间位置信息，这就是定位。它非常重要，我们靠它来找到这个人或这件物。
自从有人类文明开始，地图就被发明出来，用于标示位置信息。但是，因为技术手段的落后，人们只能通过参照物来“佛系”定位。

佛系定位，跟着感觉走

后来，有了罗盘、指南针，人类的定位能力不断进步，定位的精度也不断提升。

郑和下西洋，采用“牵星术”进行定位

进入现代之后，随着社会的进步和科技的发展，定位技术更是突飞猛进。我们几乎可以丈量和定位世界的每一个角落。

世界地图

用于定位的设备和技术，也逐步从航海航空、测绘救灾、军事国防等「高大上」的领域，渗透到普通老百姓的生活，成为不可或缺的组成部分。例如车辆导航、物流跟踪、交通管理等。

车辆定位导航

那么，大家平时使用手机定位服务的时候，有没有想过这些问题：
手机到底如何实现定位的？工作原理是什么？
大家都知道卫星定位，那么，是不是只有卫星这一种定位方式？为什么有时候我们没有打开手机的卫星定位开关，依旧能够进行定位？
如果我们在室内，没有卫星信号覆盖，是不是就彻底不能定位了？
…
今天这篇文章，小枣君就将揭晓这些问题的答案。









卫星定位

定位，我们通常按使用场景，分为室内定位和室外定位。
我们先来说说用得最多的室外定位。
目前最主流的室外定位方式，刚才我们已经提到了，就是卫星定位。




卫星定位，是利用人造地球卫星进行点位测量的技术，也是目前使用最为广泛、最受用户欢迎的定位技术。它的特点非常突出，就是精度高、速度快、使用成本低。




但是，目前世界上只有少数国家，具备建设和维护卫星定位系统的能力。
大家所熟知的，包括：美国的GPS，中国的北斗(BDS)、欧洲的伽利略(Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)。此外，还有日本的准天顶系统（QZSS）和印度的IRNSS。
我们就拿使用最为广泛的美国GPS系统来说吧。
GPS，英文全名是Global Positioning System，全球定位系统。




它起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用，1994年彻底布设完成。
GPS系统的主要建设目的，是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。
该系统由24颗卫星构成，其中21颗为工作卫星，还有3颗是在轨备用卫星。它们共同组成了GPS卫星星座。




24颗卫星距地高度为20200km，运行周期为11小时58分(恒星时12小时)，均匀分布在6个轨道平面内。
正常情况下，在地球表面上任何地点任何时刻，平均可同时观测到6颗GPS卫星，最多可达10颗卫星。




除了天上的卫星之外，当然还需要地面的相关设备进行配合和监测，也就是地面监控系统。




GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监控站。
GPS导航系统的基本原理，是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。


我们的手机，内置了GPS模块和天线，相当于接收机，负责GPS数据的接收和处理。




这些数据被手机操作系统或APP应用软件（例如百度地图）调用，起到精确定位的目的。




小提示：大家如果有兴趣的话，可以安装类似“GPS雷达”这样的APP，随时查看自己的手机现在能搜到哪几颗定位卫星：

我随便扫了一下，头上的卫星还真不少啊

卫星定位这个东西，涉及到国家安全，当然不能完全依赖于国外。所以，尽管GPS系统非常成熟，我们国家还是开发了北斗系统。

弹道导弹，总不能用人家老美的卫星来定位吧？

截至目前，我们的北斗系统已经具备商用能力，配合基准站，能给客户提供精确到10米的定位服务，和GPS不相上下。
同时，北斗也弥补了GPS的不足，具备短报文能力（GPS卫星是单向广播的，不具备双向通信能力，功能略显单一）。限于篇幅，今天对北斗不多做介绍，下次专门开专题来讲。




对于GPS这样的卫星定位系统来说，影响定位精度的因素主要来自两个方面，一个是大气层中的电离层（        电离层在太阳光的照射下充满了离子和电子，对GPS信号这种电磁波的影响严重），还有一个是多径效应（以前介绍通信基础的时候讲过，因为建筑等影响，直射信号和反射信号抵达的时间不同，造成信号干扰）。


不过总的来说，如果天气OK，GPS的定位精度都不会太差。





基站定位

好了，说完了卫星定位，再来看看地面定位。
说到地面定位，大家首先想到了什么？哈哈，是不是雷达？




确实，雷达作为一项搜索定位技术，广泛应用于军事和民用领域。但是，毕竟普通手机数量非常庞大，加之生活场所障碍物非常复杂，不管从技术角度，还是成本角度，都不适合采用雷达进行定位。

龙珠雷达，其实是个不错的东东

那我们采用什么方式呢？
其实可以用的方法很多，最常用的，是基站定位，也就是常说的LBS，Location Based Service（基于位置服务）。




基站定位的原理和雷达有相似之处。雷达定位大家都知道，就是发射雷达波，根据目标的反射，进行空间位置测算。


基站定位的话，基站就相当于是一个“雷达”。
通常，在城市中，一部手机会在多个基站的信号覆盖之下。手机会对不同基站的下行导频信号进行“测量”，得到各个基站的信号TOA（到达时刻）或TDOA（到达时间差）。根据这个测量结果，结合基站的坐标，就能够计算出手机的坐标值。
画个图，一看就明白了：




清楚了吧，三点一位。
基站定位的精度并不高，误差大概从100米到上千米。主要误差原因，是来自基站的位置和密度。简而言之，基站数量越多，密度越高，定位精度也就越高。基站和手机之间的障碍物越少，定位精度也会有所提升。
通常农村地区的基站定位精度低，是因为农村基站少，盲区多，有时候只有一个站的信号，当然无法精确定位了。

一个站可以定位一个圈，无法定位一个点

除了上面所说的基站定位之外，如果你对定位精度要求不高的话，也可以直接查看手机当前所在的小区信息，来确认目标位置。
我们所有的手机，只要连接到运营商的网络，就相当于“登记”在网络里。当前连接的基站信息，在手机中都可以查到。




在拨打电话界面输入 *#*#4636#*#* 查看对应的基站信息
苹果的话，输入*3001#12345#*


在运营商那边，也非常容易查到这个信息。即使你关机了，运营商HSS（负责管理用户数据的设备）都能查到之前你所在的基站小区。
这种方式查看位置比较快，但是精度就很低，一个基站覆盖的范围，从几百米到几公里不等。





Wi-Fi定位

除了基站定位之外，还有一个大家可能比较陌生的地面定位方式，就是Wi-Fi定位。
没错，Wi-Fi也可以定位哟！




也许你会认为，我所说的Wi-Fi定位，就是IP地位定位。其实并不是哦！
大家都知道，每个人上网，都会有一个公网IP地址。这些IP地位，在网络系统中都是有注册的，例如属于南京电信或上海联通，之类的。




IP地址确实可以大致追踪到你的位置（运营商可以查得更准确），但是，这种定位也有局限性。一方面，现在很多运营商都采用NAT技术，不一定会给每个用户分配公网地址，另一方面， IP地址很容易欺骗，我如果搞一个代理地址，你看到的IP，可能是美国的。
我所说的Wi-Fi定位，和上面的IP地址定位完全不同，是根据Wi-Fi路由器MAC地址进行定位。


每一个无线AP（Wi-Fi路由器）都有一个全球唯一的MAC地址，并且一般来说，无线AP在一段时间内不会移动。
在开启Wi-Fi的情况下，采集设备（例如手机）可以搜到这个无线AP的信号，并且获取它的MAC地址和信号强度信息。
采集装置将这些信息上传到服务器，经过服务器的计算，保存为“MAC-经纬度”的映射。当采集的信息足够多，就在服务器上建立了一张巨大的Wi-Fi信息数据库。
当一个设备处在这样的网络中时，可以将收集到的这些能够标示AP的数据发送到位置服务器，服务器检索出每一个AP的地理位置，并结合每个信号的强弱程度，计算出设备的地理位置并返回到用户设备，其计算方式和基站定位位置计算方式相似，也是利用三点定位或多点定位技术。




位置服务商要不断更新、补充自己的数据库，以保证数据的准确性。
那么，问题来了，这些AP位置映射数据怎么采集的呢？
大致可以分为两种——主动采集和用户提交。

• 主动采集：
  

谷歌的街景拍摄车，没想到吧？它就是一个采集设备。它采集沿途的无线信号并打上通过GPS定位出的坐标回传至服务器。

Google街景拍摄车

• 用户提交
  

Android手机用户在开启“使用无线网络定位”时，会提示是否允许使用Google的定位服务，如果允许，用户的位置信息就被谷歌收集到。iPhone则会自动收集Wi-Fi的MAC地址、GPS位置信息、运营商基站编码等，并发送给苹果公司的服务器。
和基站定位一样，Wi-Fi定位在AP密集的地方有很好的效果。如果AP很少，那也很难定位准确。
总的来说，Wi-Fi这种定位方式的执行难度比较大，可用性和准确性也不高。所以，主要还是一种辅助性质的定位手段。





A-GPS定位

说到辅助，我们就要说到A-GPS了。
A-GPS，Assisted GPS，辅助全球卫星定位系统。从名字就可以看出来，这是GPS的一个增强功能。

A-GPS网络架构

这个技术，就是将GPS定位和基站定位两种技术相结合。
手机通过基站大致定位自己的位置，然后把位置告诉AGPS服务器，服务器根据这个位置信息，将此时经过你头顶的卫星参数（哪几颗、频率、位置、仰角等信息）反馈给你的手机，你手机的GPS就可以快速搜索卫星。
采用A-GPS的话，手机搜星速度大大提高，几秒钟就可以定位。


以上，就是常用的室外定位技术。
其实，说实话，最靠谱的方式，还是卫星定位。大家经常会发现自己被定位到河里去，多半都是因为卫星没信号，然后被基站定位和Wi-Fi定位给坑了。。。







室内定位

事实上，像GPS这样的定位技术，虽然精度高，但是有一个明显的缺点，就是无法穿透建筑物，不能实现室内定位。
但是，人们对室内定位是有强烈需求的。例如地下车库，人们经常会忘记自己的车停在哪里。此外，在大型商场人流较多，找人会存在困难，小孩走失的话，也会需要定位。

地下车库，非常考验一个人的方向感

在工业方面，也有定位需求，例如厂房内的生产线跟踪，资产管理等。
现在我们都在说“万物互联”，那么，物在哪里，你总要知道的吧？

IoT，物联网

对于这种室内定位需求，我们应该采用什么样的定位手段呢？
其实，任何一种通信技术，本身都会带有定位功能。就像我们刚才说的基站定位和Wi-Fi定位，本身都是通信技术，但是通过测量时间差，都能够进行位置测量。
所以，短距离通信技术有哪些，室内定位技术，就有哪些。
例如，蓝牙定位、红外定位、RFID射频定位、超声波定位、Zigbee定位、UMB定位，全部都属于室内定位技术。Wi-Fi定位，其实也一样适用于室内。

Wi-Fi室内定位

我们简单介绍几个比较典型的吧。
首先，说说蓝牙定位。




蓝牙，大家都很熟悉，是一种短距离低功耗的无线传输技术。
蓝牙定位，就是通过在指定区域安装信标（可以发出蓝牙信号），实现精确定位。这些比手机要小的信标，每隔几米放置一个，能够与所有装有蓝牙模块的移动设备进行通信。

蓝牙定位组网

蓝牙定位的优点，是设备体积小、短距离、低功耗，容易集成在手机等移动设备中。只要设备的蓝牙功能开启，就能够对其进行定位。
说到蓝牙定位，就要提一下iBeacon，这是苹果公司2013年推出的一种低功耗精准微定位服务。它比以往普通蓝牙技术传输距离更远，精度更高。




另外一个比较受欢迎的室内定位技术，是UWB超宽带。
超宽带（UWB）定位技术利用事先布置好的已知位置的锚节点和桥节点，与新加入的盲节点进行通讯，并利用三角定位或者“指纹”定位方式来确定位置。

UMB室内定位技术

超宽带通信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，因此具有GHz量级的带宽。
由于UWB技术具有穿透力强、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，前景也是相当广阔。
限于篇幅，其它几种室内定位技术，小枣君就不一一介绍啦。
需要提一句的是，像GPS定位、基站定位这样的方式，搭建系统有很高的门槛，不管是技术，还是资金，都不是一般企业能够承受的。但是，室内定位技术完全不同，它并不需要很大的投资，而且技术难度也小得多，所以，现在很多公司都在研究，也做出了不少成熟产品。这一块的市场前景，还是非常广阔的。
好啦，以上，就是小枣君对常用定位技术的介绍。
最后，我要提醒一下大家：定位数据属于重要的个人隐私信息，不得非法获取，也不能用于违法目的。
大家一定要保护自己的位置数据，千万不要随意授权不靠谱的APP获得你的位置信息，以免带来生命危险。




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迎风撒尿手插兜

今年夏天采蘑菇骑摩托车，没有信号，教教我怎么找摩托车

dxf17

废话

我最爱你郑秀晶

这个信息量好大，给你点赞

玛奇朵

大家都直接看评论谁来总结

YnxyANYS

就是这个样子的事情

不够勇敢

说的好啰嗦，直接来看评论

时光如水

全是废话一点实用的都没有

我是土泡泡

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shiyan

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