GPS定位實現原理解析

什麼是GPS定位？

我們手機上的GPS定位，是衛星定位的一種約定俗成的說法，嚴格來說應該叫做GNSS（GlobalNavigation Satellite System）定位。因為GPS確實只是GNSS的一種，是美國部署的一套全球衛星系統。這套系統給個簡單的描述，就是

1. 天上有24顆衛星在不斷的繞地球運動（下圖左），
2. 每顆衛星不斷髮送“我是誰，我在哪裡”的訊號
3. 接收機（比如手機GPS晶片）收到了多顆衛星發出的這樣的訊號，根據訊號傳播時間推算出離衛星的距離，進而解出了接收機自己的位置，順便可以得到當前準確時間（下圖右）。
   

關於GPS的基本原理問答

如果對這個原理稍微琢磨一下，就很容易出現不可理解之處，比如：
有人問，為什麼能保證每時每刻都能定位呢？如果天上就兩顆衛星，又如何唯一解算出裝置位置？這就是天上為什麼部署24顆衛星的原因，這種部署方式就可以保證無論何時天空中都能接收到>=4顆衛星的訊號。
有人問，求解3D座標只要三顆衛星就夠了，為什麼要四顆呢？問題就在於接收機（手機）的時鐘和衛星的時鐘是存在時間差的，我們需要解算出這兩個時鐘的真正時間差，否則便無法算出傳播時間，也無法根據傳播時間來反算傳播距離，最終便無法定位。也就是說，我們要解的未知數，不是三個，而是四個。
有人問，既然衛星訊號在衛星定位成功後，每秒都會定位一次，這足以說明訊號傳播是沒有障礙的，那麼為什麼要花這麼長的時間來搜星？這是個好問題，不過這個問題很複雜，一言蔽之就是最主要的時間用在了“等待電文”上，所謂電文就是衛星用來迴圈播報當前位置的訊號（這裡澄清下，衛星並不是如我們想的這樣，每秒播報一次當前的位置，而是時刻傳送連續迴圈的訊號，要不然也不會有接收機能實現每秒幾十次GPS定位了），這個訊號播報週期為30秒，從而GPS的冷啟動一般來說，至少要30秒才能完成。
有人問，為什麼在汽車的導航上看到GPS的軌跡運動非常連續平滑，而手機上卻是每秒跳一次，手機能否每秒定位n多次？這個要分兩方面說，第一這個肯定是可以做到的，因為GPS衛星發射的訊號是連續的，他不是每秒廣播一個衛星位置，而是傳輸一個軌道引數，基於這個資訊，就可以重構衛星的完整飛行軌跡，從而只要接收方願意，它可以做到每秒解算幾十次位置；第二從目前來看手機GPS模組因為成本和收益的折衷，設計成每秒定位一次，基本也是夠用的。當然，作為一個完美主義的手機app開發者，你如果真的反感每秒跳動的位置，也可以基於每秒一次的位置，用濾波來進行平滑推算，使得視覺效果非常平滑，這樣看上去也就能以假亂真了。

中國的北斗是怎麼回事？

先丟擲一個常見的問題，既然說GPS總共24顆星，那麼按道理地球某個半球最多也就能接收到12顆衛星（比如東半球的接收機，不可能接收到正在西半球天空中的衛星發射過來的訊號），但是看看GPS軟體的截圖（IOS沒有，Android可以用GPS Test之類的）就會發現，可見衛星遠大於10顆，這是為什麼？

上圖中，可見22顆衛星，鎖定使用了20顆衛星，左面的國旗揭露了奧祕，是的，現在手機的所謂GPS接收模組中，很多都擁有多種衛星的接收能力，實際可用的衛星主要是三種：GPS、格洛納斯、北斗。多個衛星系統共同定位，產生比單一GPS更好的定位效果。
如何確定你的手機支援哪些衛星呢？作為一個使用者，可以直接下載GPS軟體來看國旗的顏色來大致瞭解，作為一個開發者，可以獲取GPS的衛星偽隨機碼作為編號，具體可參看Android中關於GPSStatus類的描述。
之所以多套衛星定位系統存在的原因，要從部署衛星定位系統的初衷說起。一個國家部署衛星定位系統，主要目的是為了在作戰中，能精確定位，便於精確排程進行打擊。當然在平年代（比如說當代中國），這種衛星系統更普遍地出現在民用領域，如車載導航儀等。
那麼就會有人問，既然這樣，為什麼要另起爐灶，部署那麼多套呢？比如中國為什麼不沿用GPS，而要花大量人力做一套北斗系統呢？原因就是GPS衛星的部署者（美國軍方）是可以對訊號設定干擾的，一旦干擾產生，普通的接收機便無法正確定位，而美國由於知道具體的干擾加密策略，它可以無損解密，依然正常定位。從技術角度說，形成GPS壟斷難度並不大（當然這樣也確實非常損人品），這樣的後果卻是很不可想象的——首先對中國主權構成很大的威脅，其次各行各業的正常生產也都會受到極大的影響。因此，一個有實力的國家，都應該有一套屬於自己的衛星導航系統。
自從2000年中國發射了第一個北斗導航衛星至今，已經有17顆衛星在天空中默默地提供定位服務，目前北斗只能在亞太地區提供區域性的定位能力，當所有35顆衛星都發射完畢後，就可以提供全球範圍的定位服務，屆時北斗系統的定位能力便可正式比肩GPS。

關於GPS搜星的速度討論

剛才說到GPS定位慢，這個確實不假。接下來我們細緻的討論下，為什麼慢，以及在手機裡是如何解決這個問題的。
搜星時間長，主要是兩個因素構成的：第一是GPS訊號的解調，可以認為需要用類似窮舉的方式解出來真正的資訊；第二是GPS衛星傳送30秒一次的迴圈電文，這個迴圈電文已經包含了這段時間每一瞬間的衛星位置，一般總得一個迴圈完成後，才能收集到足夠可以推算裝置位置的資訊。對於冷啟動來說，後者是免不了的，前者則取決於接收機軟硬體的優劣，這就是所謂GPS在沒有任何知識的情況下啟動至少要持續30秒的原因。
但實際上，有時候開啟地圖軟體，都是看到瞬間定位，而有時候則可能幾分鐘乃至幾十分鐘都無法定位成功，這又是為什麼？

你看到地圖app定位成功，不一定都是GPS定位

首先，wifi定位已經可以做到很不錯的精度，甚至在室內可以做到5M，這個精度已經不比GPS差了，在室外，wifi定位也可以做到20M量級，也就是比GPS稍稍差一些，在高樓林立的區域，wifi定位的精度會比GPS更好。
其次，在新版Android和市面上可見的IOS系統上，刻意遮蔽了“GPS是否定位成功”這麼一個資訊，表現為一旦使用定位，位置圖示即展現，並且不閃爍（老Android系統，會有閃爍來表達GPS沒有定位成功），以至於使用者無法知道到底這個定位結果是誰產生的。
我們之前的討論說起過，wifi定位，是可以瞬間完成的，所以這一切產生了“GPS”定位很快的錯覺。

衛星分佈狀態不一定允許快速定位

如果你在一個朝北的視窗，開始搜星，那麼衛星分佈很可能是這樣的，你會注意到，可見衛星都在樓的北側（南側的訊號都被樓本身給遮擋了），因此這些衛星的排列區域就非常有限，極端的情況下，衛星既少，訊號又弱，又是線性排列，GPS接收機就很難解算出一個高質量的位置，遠不如那些在空曠區域的定位速度快。
另外也要說明一點，有人會問，為什麼當時可見的有5顆乃至更多的衛星依然不能定位？這也是衛星分佈情況導致的，如果衛星訊號強度很弱（用專業術語就是信噪比很弱，這個在Android系統裡是可以得到的），或者儘管衛星很多，但是分佈形態不夠分散，那也會讓接收機很為難，如果沒有十足的把握，接收機是不會認為定位成功的。給出個幾百米誤差的定位結果（不過實際上手機GPS也經常幹出這種事情），豈不是自砸招牌嗎？

A-GPS等加速搜星措施的應用

我們經常聽說A-GPS這個概念，因為A-GPS需要網路運營商的參與，所以這個概念容易和網路定位混淆，其實A-GPS不是基站定位，基站定位只是其中的一個步驟，A-GPS最終的精度和普通定位精度是一樣的。只不過A-GPS可以從運營商這裡做粗略定位後，將其傳送給A-GPS伺服器下載當時的衛星資訊，以至於不用等待漫長的衛星軌道資訊廣播完畢後，才能知道衛星的位置。這樣即使是冷啟動，也能根據從網路傳回來（而不是從衛星廣播傳過來）的衛星引數來迅速參與位置計算。在使用者看來，搜星時間自然就大大縮短了。
但是這些加速措施，有時候並不好使，比如你在網上搜索gps.conf為關鍵字，有鋪天蓋地的帖子，大意就是root後改這個檔案，裡面有a-gps伺服器的配置，改後即“秒定”。這類帖子多，足以說明搜星慢是個很大的痛點，但仔細一看就會發現，搞a-gps幾乎沒有一個公認的辦法可以通殺。這又是為什麼？
問題在於三點，第一，A-GPS首先要運營商支援，使之至少可以按照標準協議，提供一個粗略定位結果，但運營商是否積極地支援呢？這個問題，留給讀者讀調研，你去看看中國運營商的主頁吧。
第二，A-GPS需要網路流量可用，可以連到a-gps定位伺服器上。這個基本沒問題。
第三，A-GPS的伺服器需要是可用，建議你看看gps.conf裡寫的a-gps伺服器到底是啥，是不是谷歌的伺服器呢？如果是的話，那麼a-gps在國內不可用也就可以理解了。
這就是一個系統的依賴太多導致不work的典型例子，於是乎，手機廠商自然對此是很不滿意的。隨著高通晶片的大面積鋪開，其主導的xtra輔助定位系統開始迅速流行，這個機制繞開了基站運營商，而是直接基於網路流量（3g、4g、wifi）從晶片廠商這裡得到衛星資訊。比如在搭載高通最近這些年方案的手機上（典型例子是三星Galaxy S5），利用xtra方案，確實可以實現冷啟動秒定，非常震撼。
出現這個後來者居上的局面，也是可以理解的，GPS能迅速定位，是手機和晶片的重要賣點（相比之下使用者不會因為運營商不支援A-GPS就放棄運營商），所以手機和晶片廠商自然就會全力以赴的想辦法解決這個問題。

GPS的痛點與機會：精度

如果要論GPS的問題，比較公認的是三個：第一是初始定位慢，但這個問題現在已經也好很多了，在輔助定位如xtra可用的機器上，GPS即使冷啟動也是很快的，第二是室內沒法用，但GPS原理就是那樣，你要指望在室內可用是不現實的，何況室內的wifi定位精度也不錯，所以這個問題也還可以忍受。第三是GPS在室外某些區域的精度比較差，尤其是高樓區域，有時候可能有幾百米的誤差，這就很讓人頭疼了。

GPS誤差產生的原因

GPS的誤差，通俗的說主要由兩種誤差造成，第一種是電離層和接收裝置的誤差，不過，這個誤差相對日產應用來說還不是那麼致命，因為在空曠區域下，用手機進行GPS定位，這樣的誤差基本都在10米以內。要改善這個誤差，需要改進手機的天線和晶片，比如雙頻差分GPS接收機，其精度就比普通手機GPS精度要高，結合北斗的衛星，可以做到一米以內，是不是非常厲害呢？不過話說回來，精度在5米之類的，也是不錯的，所以手機廠商解決這個問題的動力並不是太強。第二種誤差是遮擋、多徑效應產生的誤差，這個誤差才是真正致命的，可以達到幾百米，甚至上公里。
下圖是在上海陸家嘴金融貿易區某高樓下繞著高樓行走的真實軌跡（黃色）和GPS軌跡（綠色）的對比，是否讓你感到觸目驚心？

下圖是上海延安路高架下在靜安區的真實軌跡（黃色）和GPS軌跡（綠色）對比。

我相信你看到軌跡的第一反應，是不可思議，GPS怎麼會有這麼大的誤差呢？原因就是GPS接收機的測距機制導致的。下圖大致說明了這個問題：

圖中右面有個高樓，接收機（手機）收到的某衛星的訊號，實際由兩個分支構成，一部分是直射，一部分是發射到牆上再反射回來的衛星，GPS可能會被這樣的訊號所欺騙，甚至以為右面那部分訊號才是直射過來的訊號，於是就導致了它計算訊號傳播時間就錯了，最終定位發生很大偏差。

GPS能知道自己算錯了嗎？

GPS能知道自己算錯了嗎？

如果你是個開發者，就會知道，各種手機系統幾乎都提供對GPS定位獲取誤差的API介面，那麼GPS能知道自己算錯了嗎？它又是如何計算其誤差的呢？
答案很複雜，一句話沒法把這個問題說清楚，得分四種場景：

GPS定位實際誤差小，GPS認為自己誤差小：天空無遮擋，衛星分佈均勻，每顆衛星信噪比都很好，GPS選擇了形狀最飽滿、信噪比最高的幾顆衛星加以定位，因此其對定位誤差很有信心。

GPS定位實際誤差小，GPS認為自己誤差大：典型的是在較高的公共汽車和火車車廂裡，這種情形訊號強度很弱，但各顆衛星同等減弱，所以實際定位效果還可以，GPS卻認為這個信噪比不靠譜，對此無信心，因此給出很大的誤差半徑。
GPS定位實際誤差大，GPS認為自己誤差小：這是個嚴重誤判，主要出現在高樓區域（最典型的如CBD），這些區域其實訊號遮擋並不明顯，衛星數並不少，有時候還會非常多，但某些衛星通過光滑表面（玻璃高樓）反射到接收機，GPS接收機被欺騙，誤以為這個衛星發射過來的訊號是“單一直射”過來的，從而採納了這顆衛星的傳播時間用來定位，當多顆衛星存在這種情形，而且總衛星數非常多時，衛星分佈也非常飽滿，則GPS接收機就會樂觀過度，悲劇就此發生。
GPS定位實際誤差大，GPS認為自己誤差大：主要出現在明確遮擋的區域（最典型的如高架下），某些的訊號強度變得很差，從而接收機便不太信任這顆衛星。但身不由己，能用的衛星數太少，GPS接收機不得不用它來定位，所以衛星降低了對位置準確程度的預期，給出一個很大的半徑。

如何改善高樓區域的GPS定位精度？

筆者先給出結論，純粹靠端，並且把接收機當成黑盒，是無法做到的。
近年，學術界研究這玩意的Paper並不少，大致思路是兩類：
第一個思路，真是在端上做，但不把接收機當成黑盒，而深入修改定位邏輯，顯然開發者是做不了這個事情的。最多也只是極少數對驅動精通的人能做，app開發者是做不了的——試問Android和IOS開放了GPS接收機內部解算邏輯了嗎？沒有。其實這和radio內部是黑盒一樣的，你見過哪個開發者聲稱能改善手機拍照效能、改善音訊播放音質、改善訊號質量嗎？OS根本沒把基本功能的實現邏輯開放出來，怎麼改善？說能改善的都是耍流氓。
第二個思路，有可能能在手機上做，但paper一般基於樓的輪廓建立反射模型，舉個例子，附近不是有個樓嗎？這個樓多高，樓的地面輪廓是什麼，我們都知道了，然後就根據衛星的細節情況（如方位、仰角、信噪比、是否參與定位）來猜測某些衛星發射到手機的訊號，是不是會受到干擾，如果兩者連線穿過了樓，那麼我們就有理由認為，這個衛星訊號的傳播距離可能比實際的要長，從而我們就把定位結果朝這個衛星的位置做一些修正。
就第二個思路，要想做好也是很困難的，因為這個思路從原理上說，有很多想當然的前提。比如，當時使用者真實的位置並不知道，所以判斷是否有反射也就無從談起，只能將其作為隱變數來迭代求解。其他的坑也很多，如樓的資料從哪裡搞來？誰要說可以去人肉採集的，那我想先問一個問題，先不說樓高度如何測量，你在人肉測繪樓輪廓的時候，是不是也用GPS了？那你是如何保證當時樓輪廓的測量結果是準確的呢？
不過，判斷GPS是否真正的飄，這個比確定裝置在GPS漂移時的真正位置，還是要容易一些的。首先GPS本身就給個半徑出來，這個半徑雖然不準，但也可以作為參考。其次GPS還有大量的衛星分佈細節資訊，是足以結合雲端的統計結果來判斷是否漂移的。只要能識別出GPS定位的真正誤差，其意義就已經很大了，如在導航中，就會避免誤偏航，在定位中，就可以用WIFI定位結果來替代GPS，做到真正的雙向融合。不過，這個工作對開發者的模式識別功底，還是挺考驗的。