通俗易懂的手机定位技术,一篇给你讲明白!

Efans2019年1月11日
手机常用的定位方式有:卫星定位、移动基站定位、wifi辅助定位、A-GPS定位、室内定位。

手机常用的定位方式有:

1、卫星定位:手机定位的核心。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。

2、移动基站定位:有手机信号就能定位!

3、WiFi辅助定位:“灵异”定位技术

4、A-GPS定位:给GPS派个助手

5、室内定位。包括蓝牙定位、红外定位、RFID射频定位、超声波定位、Zigbee定位、UMB定位等。Wi-Fi定位,其实也一样适用于室内。

下面详细介绍:

1.卫星定位

目前最主流的室外定位方式,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(Global Positioning System)即全球定位系统,是由美国建立的一个卫星导航定位系统,利用该系统,用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速;另外,利用该系统,用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。

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。

GPS系统构成

GPS系统包括三大部分:空间部分—GPS卫星星座;地面控制部分—地面监控部分;用户设备部分—GPS信号接收机。如下图:

GPS工作卫星及其星座

21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成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,轨道倾角为55度,各个轨道平面之间相距60度,每个轨道平面内各颗卫星之间相差90度。卫星通过天顶时,卫星可见时间为5个小时,在地球表面上任何地点任何时刻,在高度角15度以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达9颗卫星。示例下图:

为了解算测站的三维坐标,必须观测4颗GPS卫星,称为定位星座。

地面监控系统

对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一个重要作用是保持各颗卫星的时间,求出钟差,然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备。

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测站。主控站的作用是根据各监控站对GPS的观测数据,计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时,它还对卫星进行控制,向卫星发布指令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站也具有监控站的功能;监控站主要任务是为主控站提供卫星的观测数据;注入站任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。

GPS信号接收机

能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,并跟踪这些卫星的运行,对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译出GPS卫星所发送的导航电文,实时地计算出测站的三维位置,甚至三维速度和时间。

GPS定位原理

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。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距)。

当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个变量 t 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。如下图所示:

GPS位置计算方法

GPS位置计算方法

从以上四个方程中解出x,y,z和t就可以定时、定位。

GPS定位方式,不需要sim卡,不需要连接网络,只要在户外,基本上随时随地都可以准确定位。其他类型卫星定位方式与GPS差不多,不再讲述。

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:

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?

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。

2.移动基站定位

因为处在相同频率范围的信号会相互干扰,为防止相邻基站相互干扰,相邻的基站会选择不同的信道(不同频率范围的信号)与移动设备通信。如上图是一个蜂窝移动基站的示意图,其任意相邻的两个基站都具有不同的通信频段。基站不是孤立存在的,其覆盖区域相互交接,组成一张巨大的移动通信网络(如下图)。

蜂窝基站

蜂窝基站

移动设备在插入sim卡开机以后,会主动搜索周围的基站信息,与基站建立联系,而且在可以搜索到信号的区域,手机能搜索到的基站不止一个,只不过远近程度不同,再进行通信时会选取距离最近、信号最强的基站作为通信基站。其余的基站并不是没有用处了,当你的位置发生移动时,不同基站的信号强度会发生变化,如果基站A的信号不如基站B了,手机为了防止突然间中断链接,会先和基站B进行通信,协调好通信方式之后就会从A切换到B。这也就是为什么同样是待机一天,你在火车上比在家里耗电要多的原因,手机需要不停的搜索、连接基站。每次坐火车,我都会把手机调成飞行模式,看看电影、听听歌,依然可以维持很长时间。

移动网络

移动网络

如上图所示,在这张巨大移动网络中,根据你所在的小区,所从属的基站就可大致知道你的位置信息,如果再加上一些估计算法,就可以更确切的找出你的位置。

基站定位原理

移动电话测量不同基站的下行导频信号,得到不同基站下行导频的TOA(到达时刻)或 TDOA(到达时间差),根据该测量结果并结合基站的坐标,一般采用三角公式估计算法,就能够计算出移动电话的位置。实际的位置估计算法需要考虑多基站(3个或3个以上)定位的情况,因此算法要复杂很多。一般而言,移动台测量的基站数目越多,测量精度越高,定位性能改善越明显。

上面的介绍有点官方,不是很容易理解。直白的说,距离基站越远,信号越差,根据手机收到的信号强度可以大致估计距离基站的远近,当手机同时搜索到至少三个基站的信号时(现在的网络覆盖这是很轻松的一件事情),大致可以估计出距离基站的远近;基站在移动网络中是唯一确定的,其地理位置也是唯一的,也就可以得到三个基站(三个点)距离手机的距离,根据三点定位原理,只需要以基站为圆心,距离为半径多次画圆即可,这些圆的交点就是手机的位置。网传的微信三点定位原理也是这个样子。

三点定位原理

三点定位原理

由于基站定位时,信号很容易受到干扰,所以先天就决定了它定位的不准确性,精度大约在150米左右,基本无法开车导航。定位条件是必须在有基站信号的位置,手机处于sim卡注册状态(飞行模式下开wifi和拔出sim卡都不行),而且必须收到3个基站的信号,无论是否在室内。但是,定位速度超快,一旦有信号就可以定位,目前主要用途是没有GPS且没有wifi的情况下快速大体了解下你的位置。另外,如果你的手机里没有基站位置数据包,还需要联网才行。

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。

3.WiFi辅助定位

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(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;

设备在开启Wi-Fi的情况下,无线路由器默认都会进行SSID广播(除非用户手动配置关闭该功能),在广播帧包含了该路由器的MAC地址;

采集装置可以通过接收周围AP发送的广播信息获取周围AP的MAC信息和信号强度信息,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时候就在服务器上建立了一张巨大的WiFi信息网络;

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。当某些WiFi信息不在数据库中时,可以根据附近其他的WiFi位置信息推断出未知WiFi的位置信息,并上传服务器。

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

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。

4.A-GPS定位

说到辅助,我们就要说到A-GPS了。

A-GPS,英文全称为“Assisted Global Positioning System”,中文意思是“辅助全球卫星定位系统”。

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。

5.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

地下车库

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

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

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。

图:UMB室内定位技术

图: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。

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。

文章及配图来源:ittbank整理于鲜枣课堂

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5条评论
程万军2019年1月11日
thx
谷良2019年1月11日
韩松落2019年1月11日
这种科普性的文章还挺好的
刘墉2019年1月11日
学习了
路佳加2019年1月11日
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