地图定位技术揭秘(二)

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GPS定位实现原理解析

什么是GPS定位？

我们手机上的GPS定位，是卫星定位的一种约定俗成的说法，严格来说应该叫做GNSS（GlobalNavigation Satellite System）定位。因为GPS确实只是GNSS的一种，是美国部署的一套全球卫星系统。这套系统给个简单的描述，就是

天上有24颗卫星在不断的绕地球运动（下图左），
每颗卫星不断发送“我是谁，我在哪里”的信号
接收机（比如手机GPS芯片）收到了多颗卫星发出的这样的信号，根据信号传播时间推算出离卫星的距离，进而解出了接收机自己的位置，顺便可以得到当前准确时间（下图右）。

关于GPS的基本原理问答

如果对这个原理稍微琢磨一下，就很容易出现不可理解之处，比如：
有人问，为什么能保证每时每刻都能定位呢？如果天上就两颗卫星，又如何唯一解算出设备位置？这就是天上为什么部署24颗卫星的原因，这种部署方式就可以保证无论何时天空中都能接收到>=4颗卫星的信号。
有人问，求解3D坐标只要三颗卫星就够了，为什么要四颗呢？问题就在于接收机（手机）的时钟和卫星的时钟是存在时间差的，我们需要解算出这两个时钟的真正时间差，否则便无法算出传播时间，也无法根据传播时间来反算传播距离，最终便无法定位。也就是说，我们要解的未知数，不是三个，而是四个。
有人问，既然卫星信号在卫星定位成功后，每秒都会定位一次，这足以说明信号传播是没有障碍的，那么为什么要花这么长的时间来搜星？这是个好问题，不过这个问题很复杂，一言蔽之就是最主要的时间用在了“等待电文”上，所谓电文就是卫星用来循环播报当前位置的信号（这里澄清下，卫星并不是如我们想的这样，每秒播报一次当前的位置，而是时刻发送连续循环的信号，要不然也不会有接收机能实现每秒几十次GPS定位了），这个信号播报周期为30秒，从而GPS的冷启动一般来说，至少要30秒才能完成。
有人问，为什么在汽车的导航上看到GPS的轨迹运动非常连续平滑，而手机上却是每秒跳一次，手机能否每秒定位n多次？这个要分两方面说，第一这个肯定是可以做到的，因为GPS卫星发射的信号是连续的，他不是每秒广播一个卫星位置，而是传输一个轨道参数，基于这个信息，就可以重构卫星的完整飞行轨迹，从而只要接收方愿意，它可以做到每秒解算几十次位置；第二从目前来看手机GPS模块因为成本和收益的折衷，设计成每秒定位一次，基本也是够用的。当然，作为一个完美主义的手机app开发者，你如果真的反感每秒跳动的位置，也可以基于每秒一次的位置，用滤波来进行平滑推算，使得视觉效果非常平滑，这样看上去也就能以假乱真了。

中国的北斗是怎么回事？

先抛出一个常见的问题，既然说GPS总共24颗星，那么按道理地球某个半球最多也就能接收到12颗卫星（比如东半球的接收机，不可能接收到正在西半球天空中的卫星发射过来的信号），但是看看GPS软件的截图（IOS没有，Android可以用GPS Test之类的）就会发现，可见卫星远大于10颗，这是为什么？

上图中，可见22颗卫星，锁定使用了20颗卫星，左面的国旗揭露了奥秘，是的，现在手机的所谓GPS接收模块中，很多都拥有多种卫星的接收能力，实际可用的卫星主要是三种：GPS、格洛纳斯、北斗。多个卫星系统共同定位，产生比单一GPS更好的定位效果。
如何确定你的手机支持哪些卫星呢？作为一个使用者，可以直接下载GPS软件来看国旗的颜色来大致了解，作为一个开发者，可以获取GPS的卫星伪随机码作为编号，具体可参看Android中关于GPSStatus类的描述。
之所以多套卫星定位系统存在的原因，要从部署卫星定位系统的初衷说起。一个国家部署卫星定位系统，主要目的是为了在作战中，能精确定位，便于精确调度进行打击。当然在平年代（比如说当代中国），这种卫星系统更普遍地出现在民用领域，如车载导航仪等。
那么就会有人问，既然这样，为什么要另起炉灶，部署那么多套呢？比如中国为什么不沿用GPS，而要花大量人力做一套北斗系统呢？原因就是GPS卫星的部署者（美国军方）是可以对信号设置干扰的，一旦干扰产生，普通的接收机便无法正确定位，而美国由于知道具体的干扰加密策略，它可以无损解密，依然正常定位。从技术角度说，形成GPS垄断难度并不大（当然这样也确实非常损人品），这样的后果却是很不可想象的——首先对中国主权构成很大的威胁，其次各行各业的正常生产也都会受到极大的影响。因此，一个有实力的国家，都应该有一套属于自己的卫星导航系统。
自从2000年中国发射了第一个北斗导航卫星至今，已经有17颗卫星在天空中默默地提供定位服务，目前北斗只能在亚太地区提供局部的定位能力，当所有35颗卫星都发射完毕后，就可以提供全球范围的定位服务，届时北斗系统的定位能力便可正式比肩GPS。

关于GPS搜星的速度讨论

刚才说到GPS定位慢，这个确实不假。接下来我们细致的讨论下，为什么慢，以及在手机里是如何解决这个问题的。
搜星时间长，主要是两个因素构成的：第一是GPS信号的解调，可以认为需要用类似穷举的方式解出来真正的信息；第二是GPS卫星发送30秒一次的循环电文，这个循环电文已经包含了这段时间每一瞬间的卫星位置，一般总得一个循环完成后，才能收集到足够可以推算设备位置的信息。对于冷启动来说，后者是免不了的，前者则取决于接收机软硬件的优劣，这就是所谓GPS在没有任何知识的情况下启动至少要持续30秒的原因。
但实际上，有时候打开地图软件，都是看到瞬间定位，而有时候则可能几分钟乃至几十分钟都无法定位成功，这又是为什么？

你看到地图app定位成功，不一定都是GPS定位

首先，wifi定位已经可以做到很不错的精度，甚至在室内可以做到5M，这个精度已经不比GPS差了，在室外，wifi定位也可以做到20M量级，也就是比GPS稍稍差一些，在高楼林立的区域，wifi定位的精度会比GPS更好。
其次，在新版Android和市面上可见的IOS系统上，刻意屏蔽了“GPS是否定位成功”这么一个信息，表现为一旦使用定位，位置图标即展现，并且不闪烁（老Android系统，会有闪烁来表达GPS没有定位成功），以至于用户无法知道到底这个定位结果是谁产生的。
我们之前的讨论说起过，wifi定位，是可以瞬间完成的，所以这一切产生了“GPS”定位很快的错觉。

卫星分布状态不一定允许快速定位

如果你在一个朝北的窗口，开始搜星，那么卫星分布很可能是这样的，你会注意到，可见卫星都在楼的北侧（南侧的信号都被楼本身给遮挡了），因此这些卫星的排列区域就非常有限，极端的情况下，卫星既少，信号又弱，又是线性排列，GPS接收机就很难解算出一个高质量的位置，远不如那些在空旷区域的定位速度快。
另外也要说明一点，有人会问，为什么当时可见的有5颗乃至更多的卫星依然不能定位？这也是卫星分布情况导致的，如果卫星信号强度很弱（用专业术语就是信噪比很弱，这个在Android系统里是可以得到的），或者尽管卫星很多，但是分布形态不够分散，那也会让接收机很为难，如果没有十足的把握，接收机是不会认为定位成功的。给出个几百米误差的定位结果（不过实际上手机GPS也经常干出这种事情），岂不是自砸招牌吗？

A-GPS等加速搜星措施的应用

我们经常听说A-GPS这个概念，因为A-GPS需要网络运营商的参与，所以这个概念容易和网络定位混淆，其实A-GPS不是基站定位，基站定位只是其中的一个步骤，A-GPS最终的精度和普通定位精度是一样的。只不过A-GPS可以从运营商这里做粗略定位后，将其发送给A-GPS服务器下载当时的卫星信息，以至于不用等待漫长的卫星轨道信息广播完毕后，才能知道卫星的位置。这样即使是冷启动，也能根据从网络传回来（而不是从卫星广播传过来）的卫星参数来迅速参与位置计算。在用户看来，搜星时间自然就大大缩短了。
但是这些加速措施，有时候并不好使，比如你在网上搜索gps.conf为关键字，有铺天盖地的帖子，大意就是root后改这个文件，里面有a-gps服务器的配置，改后即“秒定”。这类帖子多，足以说明搜星慢是个很大的痛点，但仔细一看就会发现，搞a-gps几乎没有一个公认的办法可以通杀。这又是为什么？
问题在于三点，第一，A-GPS首先要运营商支持，使之至少可以按照标准协议，提供一个粗略定位结果，但运营商是否积极地支持呢？这个问题，留给读者读调研，你去看看中国运营商的主页吧。
第二，A-GPS需要网络流量可用，可以连到a-gps定位服务器上。这个基本没问题。
第三，A-GPS的服务器需要是可用，建议你看看gps.conf里写的a-gps服务器到底是啥，是不是谷歌的服务器呢？如果是的话，那么a-gps在国内不可用也就可以理解了。
这就是一个系统的依赖太多导致不work的典型例子，于是乎，手机厂商自然对此是很不满意的。随着高通芯片的大面积铺开，其主导的xtra辅助定位系统开始迅速流行，这个机制绕开了基站运营商，而是直接基于网络流量（3g、4g、wifi）从芯片厂商这里得到卫星信息。比如在搭载高通最近这些年方案的手机上（典型例子是三星Galaxy S5），利用xtra方案，确实可以实现冷启动秒定，非常震撼。
出现这个后来者居上的局面，也是可以理解的，GPS能迅速定位，是手机和芯片的重要卖点（相比之下用户不会因为运营商不支持A-GPS就放弃运营商），所以手机和芯片厂商自然就会全力以赴的想办法解决这个问题。

GPS的痛点与机会：精度

如果要论GPS的问题，比较公认的是三个：第一是初始定位慢，但这个问题现在已经也好很多了，在辅助定位如xtra可用的机器上，GPS即使冷启动也是很快的，第二是室内没法用，但GPS原理就是那样，你要指望在室内可用是不现实的，何况室内的wifi定位精度也不错，所以这个问题也还可以忍受。第三是GPS在室外某些区域的精度比较差，尤其是高楼区域，有时候可能有几百米的误差，这就很让人头疼了。

GPS误差产生的原因

GPS的误差，通俗的说主要由两种误差造成，第一种是电离层和接收设备的误差，不过，这个误差相对日产应用来说还不是那么致命，因为在空旷区域下，用手机进行GPS定位，这样的误差基本都在10米以内。要改善这个误差，需要改进手机的天线和芯片，比如双频差分GPS接收机，其精度就比普通手机GPS精度要高，结合北斗的卫星，可以做到一米以内，是不是非常厉害呢？不过话说回来，精度在5米之类的，也是不错的，所以手机厂商解决这个问题的动力并不是太强。第二种误差是遮挡、多径效应产生的误差，这个误差才是真正致命的，可以达到几百米，甚至上公里。
下图是在上海陆家嘴金融贸易区某高楼下绕着高楼行走的真实轨迹（黄色）和GPS轨迹（绿色）的对比，是否让你感到触目惊心？

下图是上海延安路高架下在静安区的真实轨迹（黄色）和GPS轨迹（绿色）对比。

我相信你看到轨迹的第一反应，是不可思议，GPS怎么会有这么大的误差呢？原因就是GPS接收机的测距机制导致的。下图大致说明了这个问题：

图中右面有个高楼，接收机（手机）收到的某卫星的信号，实际由两个分支构成，一部分是直射，一部分是发射到墙上再反射回来的卫星，GPS可能会被这样的信号所欺骗，甚至以为右面那部分信号才是直射过来的信号，于是就导致了它计算信号传播时间就错了，最终定位发生很大偏差。

GPS能知道自己算错了吗？

如果你是个开发者，就会知道，各种手机系统几乎都提供对GPS定位获取误差的API接口，那么GPS能知道自己算错了吗？它又是如何计算其误差的呢？
答案很复杂，一句话没法把这个问题说清楚，得分四种场景：

GPS定位实际误差小，GPS认为自己误差小：天空无遮挡，卫星分布均匀，每颗卫星信噪比都很好，GPS选择了形状最饱满、信噪比最高的几颗卫星加以定位，因此其对定位误差很有信心。
GPS定位实际误差小，GPS认为自己误差大：典型的是在较高的公共汽车和火车车厢里，这种情形信号强度很弱，但各颗卫星同等减弱，所以实际定位效果还可以，GPS却认为这个信噪比不靠谱，对此无信心，因此给出很大的误差半径。
GPS定位实际误差大，GPS认为自己误差小：这是个严重误判，主要出现在高楼区域（最典型的如CBD），这些区域其实信号遮挡并不明显，卫星数并不少，有时候还会非常多，但某些卫星通过光滑表面（玻璃高楼）反射到接收机，GPS接收机被欺骗，误以为这个卫星发射过来的信号是“单一直射”过来的，从而采纳了这颗卫星的传播时间用来定位，当多颗卫星存在这种情形，而且总卫星数非常多时，卫星分布也非常饱满，则GPS接收机就会乐观过度，悲剧就此发生。
GPS定位实际误差大，GPS认为自己误差大：主要出现在明确遮挡的区域（最典型的如高架下），某些的信号强度变得很差，从而接收机便不太信任这颗卫星。但身不由己，能用的卫星数太少，GPS接收机不得不用它来定位，所以卫星降低了对位置准确程度的预期，给出一个很大的半径。

如何改善高楼区域的GPS定位精度？

笔者先给出结论，纯粹靠端，并且把接收机当成黑盒，是无法做到的。
近年，学术界研究这玩意的Paper并不少，大致思路是两类：
第一个思路，真是在端上做，但不把接收机当成黑盒，而深入修改定位逻辑，显然开发者是做不了这个事情的。最多也只是极少数对驱动精通的人能做，app开发者是做不了的——试问Android和IOS开放了GPS接收机内部解算逻辑了吗？没有。其实这和radio内部是黑盒一样的，你见过哪个开发者声称能改善手机拍照性能、改善音频播放音质、改善信号质量吗？OS根本没把基本功能的实现逻辑开放出来，怎么改善？说能改善的都是耍流氓。
第二个思路，有可能能在手机上做，但paper一般基于楼的轮廓建立反射模型，举个例子，附近不是有个楼吗？这个楼多高，楼的地面轮廓是什么，我们都知道了，然后就根据卫星的细节情况（如方位、仰角、信噪比、是否参与定位）来猜测某些卫星发射到手机的信号，是不是会受到干扰，如果两者连线穿过了楼，那么我们就有理由认为，这个卫星信号的传播距离可能比实际的要长，从而我们就把定位结果朝这个卫星的位置做一些修正。
就第二个思路，要想做好也是很困难的，因为这个思路从原理上说，有很多想当然的前提。比如，当时用户真实的位置并不知道，所以判断是否有反射也就无从谈起，只能将其作为隐变量来迭代求解。其他的坑也很多，如楼的数据从哪里搞来？谁要说可以去人肉采集的，那我想先问一个问题，先不说楼高度如何测量，你在人肉测绘楼轮廓的时候，是不是也用GPS了？那你是如何保证当时楼轮廓的测量结果是准确的呢？
不过，判断GPS是否真正的飘，这个比确定设备在GPS漂移时的真正位置，还是要容易一些的。首先GPS本身就给个半径出来，这个半径虽然不准，但也可以作为参考。其次GPS还有大量的卫星分布细节信息，是足以结合云端的统计结果来判断是否漂移的。只要能识别出GPS定位的真正误差，其意义就已经很大了，如在导航中，就会避免误偏航，在定位中，就可以用WIFI定位结果来替代GPS，做到真正的双向融合。不过，这个工作对开发者的模式识别功底，还是挺考验的。