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2018年10月22日 星期一
．揭秘手機定位技術，這下徹底明白啦！
Location Based Services - A vital component in the Networked Society
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來源：鲜枣课堂 作者：小枣君
今天我們所處的行動網時代，手機成了每個人的生活標配。
這些手機裡，安裝了形形色色的APP，提供了各種服務，徹底改變了我們的生活。
這些服務裡面，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資訊，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，地圖就被發明出來，用於標示位置資訊。但是，因為技術手段的落後，人們只能透過參照物，來「佛系」定位。
佛系定位，跟著感覺走
後來，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。
鄭和下西洋，採用「牽星術」進行定位
進入現代之後，隨著社會的進步和科技的發展，定位技術更是突飛猛進。我們幾乎可以丈量和定位世界的每一個角落。
世界地圖
用於定位的設備和技術，也逐步從航海航空、測繪救災、軍事國防等「高大上」的領域，滲透到普通老百姓的生活，成為不可或缺的組成部分。例如車輛導航、物流跟蹤、交通管理等。
車輛定位導航
那麼，大家平時使用手機定位服務的時候，有沒有想過這些問題：
手機到底如何實現定位的？工作原理是什麼？
大家都知道衛星定位，那麼，是不是只有衛星這一種定位方式？為什麼有時候，我們沒有打開手機的衛星定位開關，仍然能夠進行定位？
如果我們在室內，沒有衛星信號覆蓋，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。
衛星定位
定位，我們通常按使用場景，分為室內定位和室外定位。
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，剛才我們已經提到了，就是衛星定位。
衛星定位，是利用人造地球衛星進行點位測量的技術，也是目前使用最為廣泛、最受用戶歡迎的定位技術。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國家，具備建設和維護衛星定位系統的能力。
大家所熟知的，包括：美國的GPS，對岸中國的北斗(BDS)、歐洲的伽利略(Galileo)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)。此外，還有日本的准天頂系統(QZSS)和印度的IRNSS。
我們就拿使用最為廣泛的美國GPS系統來說吧。
GPS，英文全名是Global Positioning System，全球定位系統。
它起始於1958年美國軍方的一個項目，1964年投入使用，1994年徹底布設完成。
GPS系統的主要建設目的，是為陸海空三大領域提供即時、全天候和全球性的導航服務，並用於情報蒐集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的。
該系統由24顆衛星構成，其中21顆為工作衛星，還有3顆是在軌備用衛星。它們共同組成了GPS衛星星座。
24顆衛星距地高度為20200km，運行週期為11小時58分(恆星時12小時)，均勻分布在6個軌道平面內。
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衛星，最多可達10顆衛星。
除了天上的衛星之外，當然還需要地面的相關設備，進行配合和監測，也就是地面監控系統。
GPS工作衛星的地面監控系統包括一個主控站、三個注入站和五個監控站。
GPS導航系統的基本原理，是測量出已知位置的衛星，到用戶接收機之間的距離，然後綜合多顆衛星的數據，就可知道接收機的具體位置。
我們的手機，內置了GPS模組和天線，相當於接收機，負責GPS數據的接收和處理。
這些數據被手機操作系統，或APP應用軟體(例如百度地圖)調用，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，現在能搜到哪幾顆定位衛星：
我隨便掃了一下，頭上的衛星還真不少啊
衛星定位這個東西，涉及到國家安全，當然不能完全依賴於國外。所以，儘管GPS系統非常成熟，對岸中國還是開發了北斗系統。
彈道導彈，總不能用人家老美的衛星來定位吧？
截至目前，我們的北斗系統已經具備商用能力，配合基準站，能給客戶提供精確到10米的定位服務，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衛星是單向廣播的，不具備雙向通信能力，功能略顯單一)。限於篇幅，今天對北斗不多做介紹，下次專門開專題來講。
對於GPS這樣的衛星定位系統來說，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重)，還有一個是多徑效應(以前介紹通信基礎的時候講過，因為建築等影響，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。
基地台定位
好了，說完了衛星定位，再來看看地面定位。
說到地面定位，大家首先想到了什麼？哈哈，是不是雷達？
確實，雷達作為一項搜索定位技術，廣泛應用於軍事和民用領域。但是，畢竟普通手機數量非常龐大，加之生活場所障礙物非常複雜，不管從技術角度，還是成本角度，都不適合採用雷達進行定位。
龍珠雷達，其實是個不錯的東東
那我們採用什麼方式呢？
其實可以用的方法很多，最常用的，是基地台定位，也就是常說的LBS，Location Based Service(基於位置服務)。
基地台定位的原理，和雷達有相似之處。雷達定位大家都知道，就是發射雷達波，根據目標的反射，進行空間位置測算。
基地台定位的話，基地台就相當於是一個「雷達」。
通常，在城市中，一部手機會在多個基地台的信號覆蓋之下。手機會對不同基地台的下行導頻信號進行「測量」，得到各個基地台的信號TOA(到達時刻)或TDOA(到達時間差)。根據這個測量結果，結合基地台的坐標，就能夠計算出手機的坐標值。
畫個圖，一看就明白了：
清楚了吧，三點一位。
基地台定位的精度並不高，誤差大概從100米到上千米。主要誤差原因，是來自基地台的位置和密度。簡而言之，基地台數量越多，密度越高，定位精度也就越高。基地台和手機之間的障礙物越少，定位精度也會有所提升。
通常農村或偏遠地區的基地台定位精度低，是因為農村或偏遠基地台少，盲區多，有時候只有一個站的信號，當然無法精確定位了。
一個基地台可以定位一個圈，無法定位一個點
除了上面所說的基地台定位之外，如果你對定位精度要求不高的話，也可以直接查看手機當前所在的社區資訊，來確認目標位置。
我們所有的手機，只要連接到電信商的網路，就相當於「登記」在網路裡。當前連接的基地台資訊，在手機中都可以查到。
在撥打電話介面輸入 *#*#4636#*#* 查看對應的基地台資訊
蘋果的話，輸入*3001#12345#*
在電信商那邊，也非常容易查到這個資訊。即使你關機了，電信商HSS(負責管理用戶數據的設備)都能查到之前你所在的基地台社區。
這種方式查看位置比較快，但是精度就很低，一個基地台覆蓋的範圍，從幾百米到幾公里不等。
Wi-Fi定位
除了基地台定位之外，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！
也許你會認為，我所說的Wi-Fi定位，就是IP地位定位。其實並不是哦！
大家都知道，每個人上網，都會有一個公網IP地址。這些IP地位，在網路系統中都是有註冊的，例如屬於南京電信或上海聯通，之類的。
IP地址確實可以大致追蹤到你的位置(電信商可以查得更準確)，但是，這種定位也有局限性。一方面，現在電信商都採用NAT技術，不一定會給每個用戶分配公網地址，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，並且一般來說，無線AP在一段時間內不會移動。
在開啓Wi-Fi的情況下，採集設備(例如手機)可以搜到這個無線AP的信號，並且獲取它的MAC地址和信號強度資訊。
採集裝置將這些資訊上傳到伺服器，經過伺服器的計算，保存為「MAC-經緯度」的映射。當採集的資訊足夠多，就在伺服器上建立了一張巨大的Wi-Fi資訊數據庫。
當一個設備處在這樣的網路中時，可以將收集到的這些，能夠標示AP的數據，發送到位置伺服器，伺服器檢索出每一個AP的地理位置，並結合每個信號的強弱程度，計算出設備的地理位置，並返回到用戶設備，其計算方式和基地台定位，位置計算方式相似，也是利用三點定位或多點定位技術。
位置服務商要不斷更新、補充自己的數據庫，以保證數據的準確性。
那麼，問題來了，這些AP位置映射數據怎麼採集的呢？
大致可以分為兩種——主動採集和用戶提交。
主動採集：
谷歌的街景拍攝車，沒想到吧？它就是一個採集設備。它採集沿途的無線信號，並打上透過GPS定位出的坐標，回傳至伺服器。
Google街景拍攝車
用戶提交
Android手機用戶在開啓「使用無線網路定位」時，會提示是否允許使用Google的定位服務，如果允許，用戶的位置資訊就被谷歌收集到。iPhone則會自動收集Wi-Fi的MAC地址、GPS位置資訊、電信商基地台編碼等，併發送給蘋果公司的伺服器。
和基地台定位一樣，Wi-Fi定位在AP密集的地方，有很好的效果。如果AP很少，那也很難定位準確。
總的來說，Wi-Fi這種定位方式的執行難度比較大，可用性和準確性也不高。所以，主要還是一種輔助性質的定位手段。
A-GPS定位
說到輔助，我們就要說到A-GPS了。
A-GPS，Assisted GPS，輔助全球衛星定位系統。從名字就可以看出來，這是GPS的一個增強功能。
A-GPS網路架構
這個技術，就是將GPS定位和基地台定位兩種技術相結合。
手機透過基地台大致定位自己的位置，然後把位置告訴AGPS伺服器，伺服器根據這個位置資訊，將此時經過你頭頂的衛星參數(哪幾顆、頻率、位置、仰角等資訊)回饋給你的手機，你手機的GPS就可以快速搜索衛星。
採用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。
其實，說實話，最靠譜的方式，還是衛星定位。大家經常會發現自己被定位到河裡去，多半都是因為衛星沒信號，然後被基地台定位和Wi-Fi定位給坑了。。。
室外定位
事實上，像GPS這樣的定位技術，雖然精度高，但是有一個明顯的缺點，就是無法穿透建築物，不能實現室內定位。
但是，人們對室內定位是有強烈需求的。例如地下車庫，人們經常會忘記自己的車停在哪裡。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，非常考驗一個人的方向感
在工業方面，也有定位需求，例如廠房內的生產線跟蹤，資產管理等。
現在我們都在說「萬物互聯」，那麼，物在哪裡，你總要知道的吧？
IoT，物聯網
對於這種室內定位需求，我們應該採用什麼樣的定位手段呢？
其實，任何一種通信技術，本身都會帶有定位功能。就像我們剛才說的基地台定位和Wi-Fi定位，本身都是通信技術，但是透過測量時間差，都能夠進行位置測量。
所以，短距離通信技術有哪些，室內定位技術，就有哪些。
例如，藍牙定位、紅外線定位、RFID射頻定位、超音波定位、Zigbee定位、UMB定位，全部都屬於室內定位技術。Wi-Fi定位，其實也一樣適用於室內。
Wi-Fi室內定位
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。
藍牙定位，就是通過在指定區域安裝信標(可以發出藍牙信號)，實現精確定位。這些比手機要小的信標，每隔幾米放置一個，能夠與所有裝有藍牙模塊的移動設備進行通信。
藍牙定位組網
藍牙定位的優點，是設備體積小、短距離、低功耗，容易整合在手機等行動設備中。只要設備的藍牙功能開啓，就能夠對其進行定位。
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微定位服務。它比以往普通藍牙技術傳輸距離更遠，精度更高。
另外一個比較受歡迎的室內定位技術，是UWB超寬頻。
超寬頻(UWB)定位技術，利用事先佈置好的，已知位置的錨節點和橋節點，與新加入的盲節點進行通訊，並利用三角定位或者「指紋」定位方式，來確定位置。
UMB室內定位技術
超寬頻通信不需要使用傳統通信體制中的載波，而是透過發送和接收，具有奈秒或奈秒級以下的極窄脈衝，來傳輸數據，因此具有GHz量級的頻寬。
由於UWB技術具有穿透力強、抗多徑效果好、安全性高、系統複雜度低、能提供精確定位精度等優點，前景也是相當廣闊。
限於篇幅，其它幾種室內定位技術，小編就不一一介紹啦。
需要提一句的是，像GPS定位、基地台定位這樣的方式，搭建系統有很高的門檻，不管是技術，還是資金，都不是一般企業能夠承受的。
但是，室內定位技術完全不同，它並不需要很大的投資，而且技術難度也小得多，所以，現在很多公司都在研究，也做出了不少成熟產品。這一塊的市場前景，還是非常廣闊的。
但是，室內定位技術完全不同，它並不需要很大的投資，而且技術難度也小得多，所以，現在很多公司都在研究，也做出了不少成熟產品。這一塊的市場前景，還是非常廣闊的。
好啦，以上，就是小編對常用定位技術的介紹。
最後，我要提醒一下大家：定位數據屬於重要的個人隱私資訊，不得非法獲取，也不能用於違法目的。
大家一定要保護自己的位置數據，千萬不要隨意授權不靠譜的APP獲得你的位置資訊，以免帶來生命財產危險。
