地图定位技术揭秘(一)

个人博客：xiuxiuing.gitee.io/blog

手机定位的价值

目前智能手机的使用已经越来越普遍，手机定位也是手机上的一个核心基础功能。举一个常见的应用如叫车，司机需要知道你在哪里，同时打车软件也需要基于司机和乘客的位置规划一条路线，让司机更高效的行驶到用户这里。这就是典型的定位服务的应用。当然，除去这种应用，用户位置本身的展示，也是地图产品中不可缺少的。

那么问题就来了，作为app的用户，你可能会好奇这个app是如何知道你的位置；而作为app的开发者，是如何在程序中得到设备当前的准确位置的呢？
这个问题回答起来，太复杂，我们还是先从定位原理上来解释吧！

可用于定位的无线信号

很显然，一个功能正常的手机，总是能够受到各种无线信号，这些无线信号的“局部唯一性”，是该设备能定位的关键前提。什么叫局部唯一性？我们再把这些具体的信号来展开解释下你就知道了：

基站信号：

一个手机能够接打电话、收发短信，说明该手机能与附近基站发起交互，收发信号。特别地，对于智能手机，还可以通过系统的接口得到基站ID。正常情况下，每个基站ID是全球唯一的，这样如果扫到了某个基站ID，我们又知道该基站的位置，便能粗略估计设备的位置。
下图是很容易理解的，一个手机能扫描到三个基站的信号，因此其必然在三个基站的共同覆盖范围内。但现实是很骨感的，在现在的智能手机上，只有极少数的手机可以获取到多个周围的基站ID，而且也无法反算出和这些基站的距离，所以这个算法是没有实战价值的。那么在实战中的做法是什么呢？这个我们以后再介绍。

WIFI信号：

现在的智能手机都支持wifi上网了，而我们连接的每个wifi路由器（包括手机做移动热点的那种），都有全球唯一的MAC地址。更重要的是，wifi路由器的部署成本低，因而非常普遍，在一个楼层里就会有很多个wifi热点。因而不难想到，一旦我们有了这个全球每个路由器的实际位置，那么我们就可以确定用户当前的位置。
说到这里，有的朋友会问，如果一个人带着手机，开着移动热点到处行走，那么这种移动热点的mac地址，岂不是就会引起定位的错误？答对了，确实是这样，而且根据统计，这种情形还在愈演愈烈，因此，如何想办法来迅速过滤这种移动热点，是个值得研究的问题。

GPS信号：

如果手机在室外或者窗边，那么就可以接收到天上的定位卫星发射出来的信号，基于这种信号，可以推算手机到每颗卫星的距离、卫星位置，进而推算出手机的位置来。需要注意的是，这个解算是在GPS芯片中完成的，在手机操作系统层面上，可以直接通过API接口得到解算的结果和误差半径。
对于GPS，要注意两点。第一就是GPS的初始定位是很耗时间的，对于老一些的芯片，可能要耗费几分钟才能冷启动定位成功；第二是GPS精度并非是完全可依赖的，在一些地方达到几百米甚至上千米都很正常，这个我们也会在后面的介绍中，细致展开介绍。

以上三种是最常用的定位方式，此外还有蓝牙/IP /地磁场等手段，对于他们的优缺点，我们汇总如下：

定位方法	场景	精度	开发者实现方式
GPS	室外或窗边，初次定位需要若干秒锁定等待时间	一般情况下10M内，高楼边和高架下面100M内	芯片实现，系统API提供，开发者直接调用。
基站定位	可以打电话的地方	几百米	系统API提供基站ID获取接口，开发者自行维护基站数据库，自行查询推算位置。
WIFI定位	有WIFI覆盖的地方	几米到几十米均可能，取决于部署密度。	系统API提供周围WIFI的mac地址获取接口，开发者自行维护mac数据库，自行查询推算位置。
IP定位	所有能上网的手机	如果连宽带上网，且宽带IP稳定，则几十米到几百米，否则只能到城市级，在漫游时IP会发生错误。	开发者需要部署一个服务端，在服务端得到手机设备联网的公网ip，并且自行维护一个ip数据库，查询推算位置。
蓝牙定位	有iBeacon部署的区域	5-10M左右，取决于部署密度	系统API提供周围蓝牙信标的设备ID获取接口，开发者自行维护ibeacon数据库，自行查询推算位置。
磁场定位	任意区域。	室内磁场分布多样的区域可达到3M，否则就会变差。	系统API提供磁场强度获取接口，开发者自行维护磁场数据库，自行查询推算位置。注意磁场强度的绝对定位能力弱，须配合WIFI和Ibeacon等绝对定位方式

对于这些定位方法的详细原理，我们会在以后的介绍中，细致介绍。

开发者如何实现定位能力

了解了这些定位方式的“开发者实现方式”，开发者恐怕要浑身冒汗了，千千万万的app难道者都如上述说的，“自行维护基站、WIFI数据库”吗？
答案当然是否定的，在实际的工程实践中，主流的做法是两种：

手段之一：调用系统级定位能力

无论哪个系统（IOS、安卓、WP）都提供了一套系统级定位能力，这样的定位能力，对应着是一套系统级API，这个API一般来说，总是会有如下几个精度的选项：
l 高精度：能搜到GPS卫星，则使用GPS定位，否则，则使用WIFI定位，如果WIFI和GPS都无法定位成功，只能根据基站来给出定位结果了。
l 平衡功耗：禁用GPS（因为它非常耗电），优先使用WIFI，如果WIFI不可用，则用基站来进行定位。
l 低功耗（被动定位）：根据不同系统的规定，实现方式也不同，但大体上都是共享其他app的定位结果，即其他app以高精度、平衡功耗的方式得到位置，那么这个位置也一并推送给当前使用“低功耗定位”的app，也就是该app不消耗额外的能耗，就完成了定位。
当然，这种系统级定位能力是有着软肋的，软肋在于以下两点
l 在基站、WIFI定位能力上，系统定位能力取决于系统自己在这方面投入数据收集推算的能力，这个是参差不齐的。举个简单的例子，百度和高德在中国采集了成百上千个公共场所的室内定位信息，使之能达到米级的室内定位，苹果做了吗？谷歌做了吗？微软做了吗？他们怎么和国内的服务商拼效果？居然还有人说苹果定位和谷歌地图在国内定位准，我真是醉了。
l 在中国，google的服务不可用，考虑到基站、WIFI定位必须连接服务端发请求，因而Android的系统级定位能力的可用性也会有很大的影响，至少那些“水货”手机，在中国基本就没法调用系统定位服务了，而行货手机，相应的厂商会改造这个API接口的实现，使得其重定向为请求国内某些定位服务商，从而使得这个接口重新变得可用（对开发者来说，他并不需要知道这个API是如何实现的）。
但是，我们不得不承认，在IOS和WP系统上，因为OS没有开放出读取基站和WIFI的接口，因此实际上操作系统的定位能力已经形成了垄断，开发者也就无法实现自主的定位能力。这也会导致在苹果和WP手机上，所有的app在同一时刻的定位误差，都是一样的。

手段之二：调用第三方定位SDK

对于可以公开读取基站、WIFI信息的Android手机系统，国内的百度、高德等地图厂商自行实现了定位SDK，该定位SDK的作用就是通过系统接口读取到原始定位信息，然后借助于各家自行部署维护的数据库，查询到当前扫描到的基站、WIFI的位置，最终计算出更准确的定位结果，通过SDK的接口，返回给开发者。这么做的好处，在于能够让app的定位能力脱离对手机系统的依赖。
举个例子，一个app他如果只是调用系统定位接口，那么在行货手机，由于手机厂商已经把定位的网络服务器重定向为国内定位服务商，所以肯定可以定位，但是在水货手机上因为系统底层是直接连google服务器的，就会无法定位。但用户就是上帝，出现了这个事情在用户看来，就是不能接受的，为了保证app在所有手机上都可以定位，开发者就会不得不使用第三方的独立定位SDK。

结束语

在本文中，我们讨论了手机定位的价值、各种定位方式的原理与开发者实现定位的工程化手段，希望大家读完本文后，可以结合提示，给出下列问题的回答。
在苹果手机上，微信的定位准、微博的定位不准！（苹果手机的定位能力是谁提供的？）
我们公司搬家了，我在新的公司定位到了老的地方！（先看看你是不是把路由器都带过来了？）
在最新的Nexus6手机上，谷歌地图居然无法定位！（谷歌地图为什么会无法定位？）
在家里居然给我定位到几百米以外了，这个手机太烂了，不是说好GPS精度5米吗？（家里的话GPS可以定位成功吗？）
用陌陌，在三个位置，对同一个好友计算三次距离，即可用“三角定位”锁定好友的位置（如果对方在室内，用的是什么定位？他的定位精确度是多少？你认为这个精度可以做三角定位，还精确到对方的家吗？）
在以后的介绍中，我们会进一步对各种定位硬件的特点、各种定位方式的实现原理进行更细致的揭秘，敬请期待。