從手機定位來聊聊 【GPS的工作原理】

原文來自微信公眾號：caoz的夢囈（ID：caozsay），作者： caozsay       

本站整理資訊並符合台灣使用情境

 

有些我以為是常識的東西，後來發現並不是常識。

而當我想要分享給大家的時候，經過高手點撥，意外發現居然我自己所了解的也是有偏差的。

有鑑於此，寫篇文章聊聊【GPS的工作原理】

一、手機是怎麼定位的？

手機定位一般有三個方法。

方法1：基於你當前所接觸的Wi-Fi熱點，如果這個Wi-Fi熱點是公開可查詢的熱點，存在地址資訊對應的。

那麼你的位置可以透過Wi-Fi 定位，被確認在一定半徑的範圍內，但不能精確識別你的位置，速度。

方法2：基於手機訊號基地台定位，你的手機訊號是通過基地台進行傳輸的。

基地台的地理位置是清晰明確的，當你手機可以獲得多個基地台的訊號，並且不同基地台訊號存在不同的強弱衰減，那麼可以根據這幾個基站的位置和你訊號衰減的情況，大致獲得你的當前位置範圍，以及大致的移動速度，如果你處於具有一定速度的交通工具之內的話。

 

方法3：最精準的，是通過衛星定位

你看，雖然Wi-Fi，基地台，衛星，具體是從近到遠；但定位準確度確實越來越精確。

現在有很多家不同的衛星定位系統，用戶看到的標誌可能還是美國的GPS

實際上提供定位服務的，實際上可能是來自於不同的系統。

GPS依然是全球規模最大的，此外有歐洲的伽利略，中國的北斗系統等等。

全球衛星導航系統國際委員會認定系統

• 美國：全球定位系統（GPS）
• 俄羅斯：全球導航衛星系統（GLONASS）
• 中國：北斗衛星導航系統 （BDS）
• 歐盟：伽利略定位系統，至2020年前，該系統的30顆衛星發射完成。

區域型衛星導航系統

• • 中國：中國區域定位系統 （CAPS）
  • 印度：印度區域導航衛星系統（IRNSS），此系統包含7顆衛星及地面設施，於2017年8月完成衛星發射部署，為印度自主的導航系統。

輔助型衛星導航系統

• 日本：準天頂衛星系統（QZSS）

手機會自動根據信號強弱選擇合適的系統進行定位導航，通常情況下，用戶無需自己選擇用哪個衛星系統。

所以你不用問怎麼切換到北斗系統啊，手機會自動判斷並自動切換。

二、衛星定位的原理

這就是我以為是常識，而很多人卻存在誤解的地方。

首先，衛星並不知道你在哪裡，它也不關心。其次，你的手機也不會向衛星傳遞訊號，定位導航衛星不負責跟手機終端交互信息。

從技術上來說，手機給衛星發射信號很難麼，似乎也不難，有衛星通訊電話不是麼，但這面臨兩個問題

第一，所需要的功率會比較大，偶爾通訊也就算了，手機即時定位，如果需要交互訊息，電池撐不住的

第二，衛星也沒有如此強大的應答系統，全球無數手機每秒鐘請求位置，這請求頻次不嚇死人，衛星上放一組服務器？可能麼？

當然，你說馬斯克不是要搞全球衛星組網麼，丫牛逼，但至少目前技術成本過高，這是不現實的。

第三，就是，定位，其實不需要這麼麻煩。

 

實際上，導航衛星的工作極為簡單，就是廣播，廣播自己的位置，自己的時間。

每個所謂GPS晶片，就是接受這些信號，然後處理。

 

怎麼處理呢？你如果知道它信號發出的時間，知道自己接受的時間，乘以傳播速度，也就是光速，就知道自己和衛星的距離了對不對。當你的手機可以獲得多個衛星訊號的時候，比如三顆及以上，由於你知道衛星當前的位置數據，就可以通過數學公式，算出自己的所在位置。

但是，且慢，這裡有個嚴峻的問題，因為光速太大，需要極高的時間精確度，衛星上有原子鐘，可以提供極為精確的時間，但你手機上沒有。這時候，就需要把時間也當作變量，所以，需要四顆以上的衛星，才能精准定位你的位置。

感謝科技的力量，現在的衛星定位極為精準，可以精確到米，從而讓駕駛導航成為可能，實際上軍方信號未解密，可以有更好的精確度。

這裡其實還隱藏了一個問題，就是，由於極高的時間精確度，那麼衛星相對於地球是高速運動的，基於相對論，我們知道不同速度下的時間是不同的，在這樣的精確度要求下，這個不一致也會很致命，所以，相對論公式被用於修正這一誤差。

所以真正的原理是這樣的，衛星廣播自己的時間（原子鐘時間，極為精確到小數點後面n多位），當前位置。手機上的定位晶片獲得多個衛星的訊息，然後通過相對論公式修正時間誤差，然後基於四顆或更多衛星的信息，測算自己的位置。這就是我說的，如此普及而成本低廉的定位芯片，其實技術含量還是蠻高的。

那麼這裡還有一個冷知識，衛星還負責給你準確的時間，所以你看現在很多智能手機沒有調時間的選項，因為完全不需要，只要有衛星訊號，時間一定是準確的。再根據你的地理位置判定你所處的時區，給予你當地的時間。

 

三、服務商如何確定你的位置

很多產品服務商需要你的位置，比如Facebook，比如IG、Uber eat，當然更不用說Google Maps。

確定你的位置提供身邊的服務，或者推薦身邊的聯繫人，都是一種非常標準的互聯網應用。

其實在手機上網流行之前，這樣的服務並不是主流，通常只是做到地區推薦，而當時定位主要靠IP地址

 

實際上，手機終端用戶可以選擇是否把自己的定位資訊發送給服務商

如果沒有發送自己的地理位置，服務商也會通過你上網的IP來判斷你的大概位置。

當然這個就很難精確定位到具體位置了，通常只能定位到城市範圍。

 

但這裡有一個問題，就是手機終端，並不是必須上報真實的信息給服務商。

有大量第三方工具可以偽造你的位置信息，你完全可以告訴服務商你在南極，或者在北歐的某個小島上。

這也就帶來了很多灰色產業的問題。

比如約炮騙局，你身邊的美女約你開房

後來延伸到了更多推銷的領域，你身邊的美女開始賣茶，賣酒，炒股，或者拉你上菠菜網站，或者讓你帶她打遊戲等等。

很多不知情的人以為真的是身邊的，其實都是用工具隨意篡改地址，一路掃過來的。

新加坡政府曾經為此非常頭疼，很多新加坡寂寞大叔被國內的騙子們用這招約炮騙錢。現在街上還能看到政府的公益廣告提醒這個騙局。

今天特意街拍了一張這樣的公益廣告，背景是新加坡的組屋住宅區。

你說服務商有沒有辦法確認他的位置的真實性，沒太多辦法，潛在的思路是通過歷史軌跡來判斷

你總不能一個小時前在湖南，一個小時後就出現在了新加坡對吧。

當然還有可以用IP地址+地理訊息聯合判斷，但IP地址也未必可信，因為可以用VPN上網來跳平台。

現在還有一種遠端手機遙控，更厲害了

你的SIM卡和手機放在新加坡，人在大陸，通過網路可以遠端操縱這個手機或電腦做任何操作

那就更加完全查不出任何異樣，目前是黑產行業最愛。

 

四、即時路況是如何實現的

有人提出了這個問題，Google Maps 會顯示道路塞車狀況，並即時計算剩餘時間，這是怎麼作到的呢？

其實不復雜，這是基於用戶不斷地上報數據匯總得到的。

比如這條路段上當前有10個車輛使用了Google Maps ，那麼Google Maps 就知道這10部車的平均車速，就能知道這個路段目前的塞車狀況大概是怎樣的。

甚至還能分出一些車道情況，比如根據車輛後續上報的行駛軌跡，可以大致區分主路和輔路的車速。

（比如輔路可以拐彎，有等紅燈的行為記錄，而主路一路沿主幹道直行）。

如果有充分的歷史數據，還可以做出一些預判，比如現在5點半，你要出發，按照現在路況，可能只需要40分鐘到達目的地，但根據歷史數據可以知道，某些地段馬上要進入晚高峰，所以你實際上可能需要60分鐘才能到達目的地。

前幾天也真的有個新聞，透過實驗證實了Google Maps 的預判邏輯

他透過幾十支手機放上小推車，然後推著小推車在一條空曠的道路上慢慢行走

然後很快你就看到谷歌地圖顯示這條道路塞車了~

 

 

五、地理索引的話題

衛星定位服務目前已經可以做到成本極低，那麼應用場景也就極為廣泛，防盜，追踪，電子圍欄等等等等。

感謝科技的發展。

地理位置信息成為標配訊息後，就產生了基於地理位置的搜索訴求。

比如，離我最近的餐廳有哪些。離我最近的活躍用戶有誰。一些虛擬增強現實的遊戲也會強調這一點。

幾十年前，航海中的船​​隻要想知道自己的位置，還是需要憑藉船長的經驗和完整的記錄信息。

十幾年前，我和老婆自駕游的時候，還要看著紙地圖找路，各種糾結各種開錯路各種停車問人。

今天，我們隨時可以知道自己在哪裡，周圍有什麼，一個人去陌生的國度自由行，只要手機有電有信號，就不用過度擔心迷路，這似乎是理所當然的事情，但真的就是很短的時間，我們才能實現位置認知的自由。