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这有可能是一篇关于GPS定位写得最详实清晰的文章之一(1)

文章来源:http://www.changjiangps.com 发布时间:2020-04-29 浏览次数:10

介绍篇

过去,如果你的女友是个路痴,大概会有这样的对话……

——你在哪儿呢?

——啊?我在马路上啊。

——有什么特征?

——头顶有个月亮。

——你旁边有什么啊?

——有个路灯。

——有没有路牌啊?路牌上写的什么?

——我看看啊。还真的有,上边写着“禁止停车 违者罚款”。

——姑奶奶,我真是服了你了……

——哼,你是不是不爱我了,你肯定是不爱我了,你是不是喜欢上了新来的那个前台?

——。。。

——我跟你说那个前台是个伪娘!(开启八卦模式)还有还有,小王买了个新口红真好看,你也给我买好不好……

——(一脸崩溃的表情)

(路人甲:你是不可能有女友的!)

 

现在,如果你的女友是个路痴……

——你在哪儿啊?

——我发定位给你!乖乖的来接老娘。

——遵命。。。

 

作为一个标准路痴,曾经有N次陷入绝境黑历史。正所谓:手持一纸地图,双眼紧盯道路,环顾四周茫然,我现身在何处?

 

后来随着智能手机的普及,我以为情况能有所改善,后来才发现是我想多了——为嘛xx地图、xx导航还是总让我往死胡同里跑,非让我开车过湖?

 

再后来,随着手机操作系统的迭代,芯片的升级,定位才慢慢变得精准、可靠。我再也不用湖里游泳了……当然,这都是后话了。

 

 

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(哥开的不是车,是!寂!寞!)

 

慢慢的随着了解的深入,才明白原来定位有这么多区别,里边的学问可大着呢。

 

定位给方式有很多种,室外定位有基站定位,卫星定位等方式;室内定位有BLERFIDWi-Fi等方式;还有其他IP定位,惯性导航等等方式。

定位方式

定位原理

定位方案

应用场景

成本

设备要求

精度

基站定位

上报设备周边基站信息,服务器查表、解析并返回定位结果

单基站定位

多基站定位

室外

极低

设备成本低

需后端支持*

500m

卫星定位

使用天线搜索卫星向地表发射的电波,解算后输出定位结果

多星定位

室外

较低

设备成本低

5m

差分定位

卫星+结合基准站的数据进行定位

多星定位

室外

很高

设备成本高

需专有后端支持*

5mm

BLE iBeacon

使用设备接收蓝牙信号,根据信号强弱计算距离,输出定位结果

单点定位

多点定位

室内

较高

设备成本较高

30cm

RFID

使用设备接收射频信号,根据信号强弱计算距离,输出定位结果

单点定位

多点定位

室内

很高

设备成本较高

10cm

Wi-Fi

上报设备周边路由器MAC信息,服务器查表、解析并返回定位结果

单机定位

多机定位

室内

较低

设备成本低

需后端支持*

10m

IP 定位

上报目标设备公网IP地址,服务器查表并返回定位结果

-

不限

极低

设备成本低

需后端支持*

10km

佛系

手持佛珠

念念有词

-

不限

0成本

无需设备

随缘


“需后端支持”指需要连接到服务器进行数据解析,才能获得定位结果;

需专有后端支持”指可能需要付费才能获得相关数据,终端设备才可以进行定位。

 

本文咱们就说说和物联网关系最密切的卫星定位那些事儿。

 

 

 

众多卫星定位系统中,最广为人知的就是GPS (Global Positioning System)了。它是美国在1958年开始研发,1964年投入使用,1994年实现全球覆盖的全球卫星定位系统。


 

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GPS24颗工作星和4颗备用星组成。卫星工作在互成55度的6条高度为2.02KM的非同步轨道上。如此一来,在全球的任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的GPS卫星。GPS卫星向地球发射导航电文(系统时间、星历、历书、卫星时钟修正参数、导航卫星健康状况、电离层延时参数等内容),GPS终端收到卫星发送的数据,经解算即可确定当前位置,并以NMEA0183格式,WGS-84坐标系输出数据。 

 

image

 

也许有的读者会问,万一卫星坏了怎么办,GPS岂不是要失准了?其实这个担心是多余的啦,轨道上不仅有备用卫星,每年NASA也会委托Space X补发和替换寿终的卫星。

 

当然,卫星定位系统不是GPS一家独大的。只是因为GPS的先驱地位,所以很多人也都习惯性的把所有卫星定位系统都称之为“GPS”。

 

毕竟,使用GPS卫星之时,就是被美国钳制之日。GPS卫星是被美国军方控制的,他们可以随意调节某地区的定位精度(如中东地区),甚至让终端设备解算结果南辕北辙。而且GPS卫星是单向广播的,不具备双向通信能力,功能略显单一。

 

有鉴于此,很多国家也都在建设或已建成卫星定位系统。如中国的北斗(BeiDou)、欧洲的伽利略(Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、印度的IRNSS等。

 

目前,中国的BeiDou北斗已经具备商用能力。配合基准站,甚至能给客户提供精确到毫米的定位服务。同时,BeiDou北斗也弥补了GPS的不足,具备短报文能力(驴友、海航必备。绝非手机的基站可比拟,只是资费超超超感人)。

 

既然太空中有那么多卫星,又有那么多种不同的卫星定位系统,那么如何知道某一片区域是否有定位卫星覆盖,以及有哪些卫星覆盖呢?Android手机请在应用商店搜索“GPS Data+”并安装,打开后即可看到当前正在使用的定位卫星:

 

微信图片_20200429165636

 

由于智能手机操作系统、定位芯片、天线、算法的差异,所以并不能搜索到所有用于定位的卫星系统。通常来说,智能手机只能搜到并使用部分(如图,即GPS+Beidou+GLONASS+QZSS,没有GalileoIRNSS)。

 

各导航系统不同频段的工作频率

导航系统

国家

频段

工作频率

GPS

美国

L1

1575.42MHZ ±1.023MHZ

L2

1227.60MHZ ±1.023MHZ

L5

1176.45MHZ ±1.023MHZ

GLONASS

俄罗斯

L1

1602.5625MHZ ±4MHZ

L2

1246.4375MHZ ±4MHZ

BD1

中国

S

2491.75MHZ ±4.08MHZ

L

1615.68MHZ ±4.08MHZ

(左旋圆极化)

BD2

B1

1561.098MHZ ±2.046MHZ

B2

1207.520MHZ ±2.046MHZ

B3

1268.520MHZ ±10.23MHZ

Galileo

欧洲

L1

1575.420MHZ ±1.023MHZ

E5b

1207.140MHZ ±1.023MHZ

E5a

1176.450MHZ ±1.023MHZ

E6

1278.750MHz ±1.023MHZ

QZSS

日本

L1C

L1CD

1575.42 MHz

L1CP

L1-C/A

L2C

1227.6 MHz

L5

L5I

1176.45 MHz

L5Q

L1-SAIF

1575.42 MHz

LEX

1278.75 MHz

IRNSS

印度

L5

1176.45 MHz

S

2492.028 MHz

 

观察一下表格,我们可以发现,日本简直是太“鸡贼”了——L1 C/AL1CL2CL5信号跟GPS卫星信号是完全兼容的,同时L1-SAIF还可以给日本地区提供高精度定位服务;LEX信号频点和欧洲Galileo系统的E6频点重合。也就是说,日本的QZSS当前可以作为GPS的补充,日后等到Galileo系统正式提供服务,QZSS也能实现Galileo系统的补充。

 

接下来进入喜闻乐见的“你问我答”环节:

Q:为什么有的时候手机定位还是很慢?

A:信号问题、基带问题等,一切皆有可能。如果想要提高定位精度,最简单方式就是——买!个!新!手!机!

 

Q:我想试试伽利略,有没有支持的手机呢?

A:华为有部分机型支持。

 

Q:小米8刘海屏不好看啊,你看VIVO NEX多美。对了,小米8说是支持GPS双频定位(L1L5)的手机,好像很牛逼,能做到厘米级定位吗?

A:不能。没有基准站的支持,双频顶多是减小误差,对高精度定位无助。所以,还是洗洗睡吧。

 

Q:北斗的短报文资费究竟有多感人?

A:十几块一条吧。你可以去某猫、某宝查看一下报价。

至于说语音通信,也有海事卫星电话可用,不同国家资费不同,从十几块到几十块一分钟;什么?你想用卫星上网?按量计费$10/1M,怎么样,用的起吗?

 

Q:既然已有GPS,为什么还要重造轮子?

A:因为GPSL1L5是民码,大众可用,但是美军曾经在战时关闭过某些战区的数据覆盖,为了避免这种被人卡住喉舌的尴尬,所有必要发展自己的卫星定位系统。

 

Q:卫星定位系统只在地表有用吗?

A:非也。负海拔地区(只要有信号)、空中、甚至大气层外都可以。需要注意的是,水体、岩石等密度高的物体内无法使用。

大气层外使用,还要注意广义相对论对时钟造成的影响。

 

Q:《007 明日帝国》中,大反派使用了某种很牛逼的设备,通过某些手段改变了卫星参数,劫持了一艘船,这种事情可能发生吗?

A:这种事情,世界上已经发生过了。

因为GPS信号没有认证方式,且信号极弱,非常容易被劫持。例如HackRF One就可以模拟并发射GPS信号;甚至让大疆无人机在禁飞区起飞。

伊朗也是用过类似的技术,成功捕获美国的无人机。

 

Q:最少搜到多少颗卫星才能定位成功呢?

A:因为采用三角定位的原理,所以至少3颗卫星才能实现精准定位;具体要求如下:

使用卫星数

能否定位

备注

0

无法定位


1

无法定位

可以更新UTC时间和日期;

2

无法定位


3

可实现2D Fix,输出经纬度

不可输出海拔信息

4

可实现3D Fix

可输出正确海拔信息

>4(多频)

可实现3D Fix

可输出伪距

 

Q:你为什么懂得那么多啊?

A:大概是因为我比高吧。



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