手機到底如何實現(xiàn)定位的？工作原理是什么？

今天我們所處的移動互聯(lián)網(wǎng)時代，手機成了每個人的生活標(biāo)配。

這些手機里，安裝了形形色色的APP，提供了各種服務(wù)，徹底改變了我們的生活。

這些服務(wù)里面，就包括我們今天的主角——定位。

每一個人，每一件物品，在這個地球上都有一個空間位置信息，這就是定位。它非常重要，我們靠它來找到這個人或這件物。

自從有人類文明開始，地圖就被發(fā)明出來，用于標(biāo)示位置信息。但是，因為技術(shù)手段的落后，人們只能通過參照物來“佛系”定位。

后來，有了羅盤、指南針，人類的定位能力不斷進步，定位的精度也不斷提升。

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鄭和下西洋，采用“牽星術(shù)”進行定位

進入現(xiàn)代之后，隨著社會的進步和科技的發(fā)展，定位技術(shù)更是突飛猛進。我們幾乎可以丈量和定位世界的每一個角落。

世界地圖

用于定位的設(shè)備和技術(shù)，也逐步從航海航空、測繪救災(zāi)、軍事國防等「高大上」的領(lǐng)域，滲透到普通老百姓的生活，成為不可或缺的組成部分。例如車輛導(dǎo)航、物流跟蹤、交通管理等。

那么，大家平時使用手機定位服務(wù)的時候，有沒有想過這些問題：

手機到底如何實現(xiàn)定位的？工作原理是什么？

大家都知道衛(wèi)星定位，那么，是不是只有衛(wèi)星這一種定位方式？為什么有時候我們沒有打開手機的衛(wèi)星定位開關(guān)，仍然能夠進行定位？

如果我們在室內(nèi)，沒有衛(wèi)星信號覆蓋，是不是就徹底不能定位了？

…

今天這篇文章，小編就將揭曉這些問題的答案。

衛(wèi)星定位

定位，我們通常按使用場景，分為室內(nèi)定位和室外定位。

我們先來說說用得最多的室外定位。

目前最主流的室外定位方式，剛才我們已經(jīng)提到了，就是衛(wèi)星定位。

衛(wèi)星定位，是利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量的技術(shù)，也是目前使用最為廣泛、最受用戶歡迎的定位技術(shù)。它的特點非常突出，就是精度高、速度快、使用成本低。

但是，目前世界上只有少數(shù)國家，具備建設(shè)和維護衛(wèi)星定位系統(tǒng)的能力。

大家所熟知的，包括：美國的GPS，中國的北斗(BDS)、歐洲的伽利略(Galileo)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)。此外，還有日本的準(zhǔn)天頂系統(tǒng)（QZSS）和印度的IRNSS。

我們就拿使用最為廣泛的美國GPS系統(tǒng)來說吧。

GPS，英文全名是Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)。

它起始于1958年美國軍方的一個項目，1964年投入使用，1994年徹底布設(shè)完成。

GPS系統(tǒng)的主要建設(shè)目的，是為陸?？杖箢I(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報搜集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的。

該系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星構(gòu)成，其中21顆為工作衛(wèi)星，還有3顆是在軌備用衛(wèi)星。它們共同組成了GPS衛(wèi)星星座。

24顆衛(wèi)星距地高度為20200km，運行周期為11小時58分(恒星時12小時)，均勻分布在6個軌道平面內(nèi)。

正常情況下，在地球表面上任何地點任何時刻，平均可同時觀測到6顆GPS衛(wèi)星，最多可達10顆衛(wèi)星。

除了天上的衛(wèi)星之外，當(dāng)然還需要地面的相關(guān)設(shè)備進行配合和監(jiān)測，也就是地面監(jiān)控系統(tǒng)。

GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)控站。

GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理，是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。

我們的手機，內(nèi)置了GPS模塊和天線，相當(dāng)于接收機，負責(zé)GPS數(shù)據(jù)的接收和處理。

這些數(shù)據(jù)被手機操作系統(tǒng)或APP應(yīng)用軟件（例如百度地圖）調(diào)用，起到精確定位的目的。

小提示：大家如果有興趣的話，可以安裝類似“GPS雷達”這樣的APP，隨時查看自己的手機現(xiàn)在能搜到哪幾顆定位衛(wèi)星：

衛(wèi)星定位這個東西，涉及到國家安全，當(dāng)然不能完全依賴于國外。所以，盡管GPS系統(tǒng)非常成熟，我們國家還是開發(fā)了北斗系統(tǒng)。

截至目前，我們的北斗系統(tǒng)已經(jīng)具備商用能力，配合基準(zhǔn)站，能給客戶提供精確到10米的定位服務(wù)，和GPS不相上下。

同時，北斗也彌補了GPS的不足，具備短報文能力（GPS衛(wèi)星是單向廣播的，不具備雙向通信能力，功能略顯單一）。限于篇幅，今天對北斗不多做介紹，下次專門開專題來講。

對于GPS這樣的衛(wèi)星定位系統(tǒng)來說，影響定位精度的因素主要來自兩個方面，一個是大氣層中的電離層（電離層在太陽光的照射下充滿了離子和電子，對GPS信號這種電磁波的影響嚴(yán)重），還有一個是多徑效應(yīng)（以前介紹通信基礎(chǔ)的時候講過，因為建筑等影響，直射信號和反射信號抵達的時間不同，造成信號干擾）。

不過總的來說，如果天氣OK，GPS的定位精度都不會太差。

基站定位

好了，說完了衛(wèi)星定位，再來看看地面定位。

說到地面定位，大家首先想到了什么？哈哈，是不是雷達？

確實，雷達作為一項搜索定位技術(shù)，廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。但是，畢竟普通手機數(shù)量非常龐大，加之生活場所障礙物非常復(fù)雜，不管從技術(shù)角度，還是成本角度，都不適合采用雷達進行定位。

那我們采用什么方式呢？

其實可以用的方法很多，最常用的，是基站定位，也就是常說的LBS，Location Based Service（基于位置服務(wù)）。

基站定位的原理和雷達有相似之處。雷達定位大家都知道，就是發(fā)射雷達波，根據(jù)目標(biāo)的反射，進行空間位置測算。

基站定位的話，基站就相當(dāng)于是一個“雷達”。

通常，在城市中，一部手機會在多個基站的信號覆蓋之下。手機會對不同基站的下行導(dǎo)頻信號進行“測量”，得到各個基站的信號TOA（到達時刻）或TDOA（到達時間差）。根據(jù)這個測量結(jié)果，結(jié)合基站的坐標(biāo)，就能夠計算出手機的坐標(biāo)值。

畫個圖，一看就明白了：

清楚了吧，三點一位。

基站定位的精度并不高，誤差大概從100米到上千米。主要誤差原因，是來自基站的位置和密度。簡而言之，基站數(shù)量越多，密度越高，定位精度也就越高?；竞褪謾C之間的障礙物越少，定位精度也會有所提升。

通常農(nóng)村地區(qū)的基站定位精度低，是因為農(nóng)村基站少，盲區(qū)多，有時候只有一個站的信號，當(dāng)然無法精確定位了。

一個站可以定位一個圈，無法定位一個點

除了上面所說的基站定位之外，如果你對定位精度要求不高的話，也可以直接查看手機當(dāng)前所在的小區(qū)信息，來確認(rèn)目標(biāo)位置。

我們所有的手機，只要連接到運營商的網(wǎng)絡(luò)，就相當(dāng)于“登記”在網(wǎng)絡(luò)里。當(dāng)前連接的基站信息，在手機中都可以查到。

在撥打電話界面輸入 *#*#4636#*#* 查看對應(yīng)的基站信息

蘋果的話，輸入*3001#12345#*

在運營商那邊，也非常容易查到這個信息。即使你關(guān)機了，運營商HSS（負責(zé)管理用戶數(shù)據(jù)的設(shè)備）都能查到之前你所在的基站小區(qū)。

這種方式查看位置比較快，但是精度就很低，一個基站覆蓋的范圍，從幾百米到幾公里不等。

Wi-Fi定位

除了基站定位之外，還有一個大家可能比較陌生的地面定位方式，就是Wi-Fi定位。

沒錯，Wi-Fi也可以定位喲！

也許你會認(rèn)為，我所說的Wi-Fi定位，就是IP地位定位。其實并不是哦！

大家都知道，每個人上網(wǎng)，都會有一個公網(wǎng)IP地址。這些IP地位，在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中都是有注冊的，例如屬于南京電信或上海聯(lián)通，之類的。

IP地址確實可以大致追蹤到你的位置（運營商可以查得更準(zhǔn)確），但是，這種定位也有局限性。一方面，現(xiàn)在很多運營商都采用NAT技術(shù)，不一定會給每個用戶分配公網(wǎng)地址，另一方面， IP地址很容易欺騙，我如果搞一個代理地址，你看到的IP，可能是美國的。

我所說的Wi-Fi定位，和上面的IP地址定位完全不同，是根據(jù)Wi-Fi路由器MAC地址進行定位。

每一個無線AP（Wi-Fi路由器）都有一個全球唯一的MAC地址，并且一般來說，無線AP在一段時間內(nèi)不會移動。

在開啟Wi-Fi的情況下，采集設(shè)備（例如手機）可以搜到這個無線AP的信號，并且獲取它的MAC地址和信號強度信息。

采集裝置將這些信息上傳到服務(wù)器，經(jīng)過服務(wù)器的計算，保存為“MAC-經(jīng)緯度”的映射。當(dāng)采集的信息足夠多，就在服務(wù)器上建立了一張巨大的Wi-Fi信息數(shù)據(jù)庫。

當(dāng)一個設(shè)備處在這樣的網(wǎng)絡(luò)中時，可以將收集到的這些能夠標(biāo)示AP的數(shù)據(jù)發(fā)送到位置服務(wù)器，服務(wù)器檢索出每一個AP的地理位置，并結(jié)合每個信號的強弱程度，計算出設(shè)備的地理位置并返回到用戶設(shè)備，其計算方式和基站定位位置計算方式相似，也是利用三點定位或多點定位技術(shù)。

位置服務(wù)商要不斷更新、補充自己的數(shù)據(jù)庫，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

那么，問題來了，這些AP位置映射數(shù)據(jù)怎么采集的呢？

大致可以分為兩種——主動采集和用戶提交。

主動采集：

谷歌的街景拍攝車，沒想到吧？它就是一個采集設(shè)備。它采集沿途的無線信號并打上通過GPS定位出的坐標(biāo)回傳至服務(wù)器。

Google街景拍攝車

用戶提交

Android手機用戶在開啟“使用無線網(wǎng)絡(luò)定位”時，會提示是否允許使用Google的定位服務(wù)，如果允許，用戶的位置信息就被谷歌收集到。iPhone則會自動收集Wi-Fi的MAC地址、GPS位置信息、運營商基站編碼等，并發(fā)送給蘋果公司的服務(wù)器。

和基站定位一樣，Wi-Fi定位在AP密集的地方有很好的效果。如果AP很少，那也很難定位準(zhǔn)確。

總的來說，Wi-Fi這種定位方式的執(zhí)行難度比較大，可用性和準(zhǔn)確性也不高。所以，主要還是一種輔助性質(zhì)的定位手段。

A-GPS定位

說到輔助，我們就要說到A-GPS了。

A-GPS，Assisted GPS，輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。從名字就可以看出來，這是GPS的一個增強功能。

A-GPS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

這個技術(shù)，就是將GPS定位和基站定位兩種技術(shù)相結(jié)合。

手機通過基站大致定位自己的位置，然后把位置告訴AGPS服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)這個位置信息，將此時經(jīng)過你頭頂?shù)男l(wèi)星參數(shù)（哪幾顆、頻率、位置、仰角等信息）反饋給你的手機，你手機的GPS就可以快速搜索衛(wèi)星。

采用A-GPS的話，手機搜星速度大大提高，幾秒鐘就可以定位。

以上，就是常用的室外定位技術(shù)。

其實，說實話，最靠譜的方式，還是衛(wèi)星定位。大家經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)自己被定位到河里去，多半都是因為衛(wèi)星沒信號，然后被基站定位和Wi-Fi定位給坑了。。。

室內(nèi)定位

事實上，像GPS這樣的定位技術(shù)，雖然精度高，但是有一個明顯的缺點，就是無法穿透建筑物，不能實現(xiàn)室內(nèi)定位。

但是，人們對室內(nèi)定位是有強烈需求的。例如地下車庫，人們經(jīng)常會忘記自己的車停在哪里。此外，在大型商場人流較多，找人會存在困難，小孩走失的話，也會需要定位。

地下車庫，非?？简炓粋€人的方向感

在工業(yè)方面，也有定位需求，例如廠房內(nèi)的生產(chǎn)線跟蹤，資產(chǎn)管理等。

現(xiàn)在我們都在說“萬物互聯(lián)”，那么，物在哪里，你總要知道的吧？

IoT，物聯(lián)網(wǎng)

對于這種室內(nèi)定位需求，我們應(yīng)該采用什么樣的定位手段呢？

其實，任何一種通信技術(shù)，本身都會帶有定位功能。就像我們剛才說的基站定位和Wi-Fi定位，本身都是通信技術(shù)，但是通過測量時間差，都能夠進行位置測量。

所以，短距離通信技術(shù)有哪些，室內(nèi)定位技術(shù)，就有哪些。

例如，藍牙定位、紅外定位、RFID射頻定位、超聲波定位、Zigbee定位、UMB定位，全部都屬于室內(nèi)定位技術(shù)。Wi-Fi定位，其實也一樣適用于室內(nèi)。

Wi-Fi室內(nèi)定位

我們簡單介紹幾個比較典型的吧。

首先，說說藍牙定位。

藍牙，大家都很熟悉，是一種短距離低功耗的無線傳輸技術(shù)。

藍牙定位，就是通過在指定區(qū)域安裝信標(biāo)（可以發(fā)出藍牙信號），實現(xiàn)精確定位。這些比手機要小的信標(biāo)，每隔幾米放置一個，能夠與所有裝有藍牙模塊的移動設(shè)備進行通信。

藍牙定位組網(wǎng)

藍牙定位的優(yōu)點，是設(shè)備體積小、短距離、低功耗，容易集成在手機等移動設(shè)備中。只要設(shè)備的藍牙功能開啟，就能夠?qū)ζ溥M行定位。?

說到藍牙定位，就要提一下iBeacon，這是蘋果公司2013年推出的一種低功耗精準(zhǔn)微定位服務(wù)。它比以往普通藍牙技術(shù)傳輸距離更遠，精度更高。

另外一個比較受歡迎的室內(nèi)定位技術(shù)，是UWB超寬帶。

超寬帶（UWB）定位技術(shù)利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點和橋節(jié)點，與新加入的盲節(jié)點進行通訊，并利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置。

UMB室內(nèi)定位技術(shù)

超寬帶通信不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，因此具有GHz量級的帶寬。

由于UWB技術(shù)具有穿透力強、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復(fù)雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點，前景也是相當(dāng)廣闊。

限于篇幅，其它幾種室內(nèi)定位技術(shù)，小編就不一一介紹啦

最后，我要提醒一下大家：定位數(shù)據(jù)屬于重要的個人隱私信息，不得非法獲取，也不能用于違法目的。

大家一定要保護自己的位置數(shù)據(jù)，千萬不要隨意授權(quán)不靠譜的APP獲得你的位置信息，以免帶來生命危險。

嗯，今天就到這里啦，感謝大家的耐心觀看，我們下期再見！

編輯：黃飛

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