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這有可能是一篇關于GPS定位寫得最詳實清晰的文章之一(1)

文章來源:http://www.qdytxk.com 發布時間:2020-04-29 瀏覽次數:116

介紹篇

過去,如果你的女友是個路癡,大概會有這樣的對話……

——你在哪兒呢?

——啊?我在馬路上啊。

——有什么特征?

——頭頂有個月亮。

——你旁邊有什么啊?

——有個路燈。

——有沒有路牌啊?路牌上寫的什么?

——我看看啊。還真的有,上邊寫著“禁止停車 違者罰款”。

——姑奶奶,我真是服了你了……

——哼,你是不是不愛我了,你肯定是不愛我了,你是不是喜歡上了新來的那個前臺?

——。。。

——我跟你說那個前臺是個偽娘!(開啟八卦模式)還有還有,小王買了個新口紅真好看,你也給我買好不好……

——(一臉崩潰的表情)

(路人甲:你是不可能有女友的!)

 

現在,如果你的女友是個路癡……

——你在哪兒啊?

——我發定位給你!乖乖的來接老娘。

——遵命。。。

 

作為一個標準路癡,曾經有N次陷入絕境黑歷史。正所謂:手持一紙地圖,雙眼緊盯道路,環顧四周茫然,我現身在何處?

 

后來隨著智能手機的普及,我以為情況能有所改善,后來才發現是我想多了——為嘛xx地圖、xx導航還是總讓我往死胡同里跑,非讓我開車過湖?

 

再后來,隨著手機操作系統的迭代,芯片的升級,定位才慢慢變得精準、可靠。我再也不用湖里游泳了……當然,這都是后話了。

 

 

image

(哥開的不是車,是!寂!寞!)

 

慢慢的隨著了解的深入,才明白原來定位有這么多區別,里邊的學問可大著呢。

 

定位給方式有很多種,室外定位有基站定位,衛星定位等方式;室內定位有BLERFIDWi-Fi等方式;還有其他IP定位,慣性導航等等方式。

定位方式

定位原理

定位方案

應用場景

成本

設備要求

精度

基站定位

上報設備周邊基站信息,服務器查表、解析并返回定位結果

單基站定位

多基站定位

室外

極低

設備成本低

需后端支持*

500m

衛星定位

使用天線搜索衛星向地表發射的電波,解算后輸出定位結果

多星定位

室外

較低

設備成本低

5m

差分定位

衛星+結合基準站的數據進行定位

多星定位

室外

很高

設備成本高

需專有后端支持*

5mm

BLE iBeacon

使用設備接收藍牙信號,根據信號強弱計算距離,輸出定位結果

單點定位

多點定位

室內

較高

設備成本較高

30cm

RFID

使用設備接收射頻信號,根據信號強弱計算距離,輸出定位結果

單點定位

多點定位

室內

很高

設備成本較高

10cm

Wi-Fi

上報設備周邊路由器MAC信息,服務器查表、解析并返回定位結果

單機定位

多機定位

室內

較低

設備成本低

需后端支持*

10m

IP 定位

上報目標設備公網IP地址,服務器查表并返回定位結果

-

不限

極低

設備成本低

需后端支持*

10km

佛系

手持佛珠

念念有詞

-

不限

0成本

無需設備

隨緣


“需后端支持”指需要連接到服務器進行數據解析,才能獲得定位結果;

需專有后端支持”指可能需要付費才能獲得相關數據,終端設備才可以進行定位。

 

本文咱們就說說和物聯網關系最密切的衛星定位那些事兒。

 

 

 

眾多衛星定位系統中,最廣為人知的就是GPS (Global Positioning System)了。它是美國在1958年開始研發,1964年投入使用,1994年實現全球覆蓋的全球衛星定位系統。


 

image 


 

GPS24顆工作星和4顆備用星組成。衛星工作在互成55度的6條高度為2.02KM的非同步軌道上。如此一來,在全球的任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的GPS衛星。GPS衛星向地球發射導航電文(系統時間、星歷、歷書、衛星時鐘修正參數、導航衛星健康狀況、電離層延時參數等內容),GPS終端收到衛星發送的數據,經解算即可確定當前位置,并以NMEA0183格式,WGS-84坐標系輸出數據。 

 

image

 

也許有的讀者會問,萬一衛星壞了怎么辦,GPS豈不是要失準了?其實這個擔心是多余的啦,軌道上不僅有備用衛星,每年NASA也會委托Space X補發和替換壽終的衛星。

 

當然,衛星定位系統不是GPS一家獨大的。只是因為GPS的先驅地位,所以很多人也都習慣性的把所有衛星定位系統都稱之為“GPS”。

 

畢竟,使用GPS衛星之時,就是被美國鉗制之日。GPS衛星是被美國軍方控制的,他們可以隨意調節某地區的定位精度(如中東地區),甚至讓終端設備解算結果南轅北轍。而且GPS衛星是單向廣播的,不具備雙向通信能力,功能略顯單一。

 

有鑒于此,很多國家也都在建設或已建成衛星定位系統。如中國的北斗(BeiDou)、歐洲的伽利略(Galileo)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)、印度的IRNSS等。

 

目前,中國的BeiDou北斗已經具備商用能力。配合基準站,甚至能給客戶提供精確到毫米的定位服務。同時,BeiDou北斗也彌補了GPS的不足,具備短報文能力(驢友、海航必備。絕非手機的基站可比擬,只是資費超超超感人)。

 

既然太空中有那么多衛星,又有那么多種不同的衛星定位系統,那么如何知道某一片區域是否有定位衛星覆蓋,以及有哪些衛星覆蓋呢?Android手機請在應用商店搜索“GPS Data+”并安裝,打開后即可看到當前正在使用的定位衛星:

 

微信圖片_20200429165636

 

由于智能手機操作系統、定位芯片、天線、算法的差異,所以并不能搜索到所有用于定位的衛星系統。通常來說,智能手機只能搜到并使用部分(如圖,即GPS+Beidou+GLONASS+QZSS,沒有GalileoIRNSS)。

 

各導航系統不同頻段的工作頻率

導航系統

國家

頻段

工作頻率

GPS

美國

L1

1575.42MHZ ±1.023MHZ

L2

1227.60MHZ ±1.023MHZ

L5

1176.45MHZ ±1.023MHZ

GLONASS

俄羅斯

L1

1602.5625MHZ ±4MHZ

L2

1246.4375MHZ ±4MHZ

BD1

中國

S

2491.75MHZ ±4.08MHZ

L

1615.68MHZ ±4.08MHZ

(左旋圓極化)

BD2

B1

1561.098MHZ ±2.046MHZ

B2

1207.520MHZ ±2.046MHZ

B3

1268.520MHZ ±10.23MHZ

Galileo

歐洲

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

 

觀察一下表格,我們可以發現,日本簡直是太“雞賊”了——L1 C/AL1CL2CL5信號跟GPS衛星信號是完全兼容的,同時L1-SAIF還可以給日本地區提供高精度定位服務;LEX信號頻點和歐洲Galileo系統的E6頻點重合。也就是說,日本的QZSS當前可以作為GPS的補充,日后等到Galileo系統正式提供服務,QZSS也能實現Galileo系統的補充。

 

接下來進入喜聞樂見的“你問我答”環節:

Q:為什么有的時候手機定位還是很慢?

A:信號問題、基帶問題等,一切皆有可能。如果想要提高定位精度,最簡單方式就是——買!個!新!手!機!

 

Q:我想試試伽利略,有沒有支持的手機呢?

A:華為有部分機型支持。

 

Q:小米8劉海屏不好看啊,你看VIVO NEX多美。對了,小米8說是支持GPS雙頻定位(L1L5)的手機,好像很牛逼,能做到厘米級定位嗎?

A:不能。沒有基準站的支持,雙頻頂多是減小誤差,對高精度定位無助。所以,還是洗洗睡吧。

 

Q:北斗的短報文資費究竟有多感人?

A:十幾塊一條吧。你可以去某貓、某寶查看一下報價。

至于說語音通信,也有海事衛星電話可用,不同國家資費不同,從十幾塊到幾十塊一分鐘;什么?你想用衛星上網?按量計費$10/1M,怎么樣,用的起嗎?

 

Q:既然已有GPS,為什么還要重造輪子?

A:因為GPSL1L5是民碼,大眾可用,但是美軍曾經在戰時關閉過某些戰區的數據覆蓋,為了避免這種被人卡住喉舌的尷尬,所有必要發展自己的衛星定位系統。

 

Q:衛星定位系統只在地表有用嗎?

A:非也。負海拔地區(只要有信號)、空中、甚至大氣層外都可以。需要注意的是,水體、巖石等密度高的物體內無法使用。

大氣層外使用,還要注意廣義相對論對時鐘造成的影響。

 

Q:《007 明日帝國》中,大反派使用了某種很牛逼的設備,通過某些手段改變了衛星參數,劫持了一艘船,這種事情可能發生嗎?

A:這種事情,世界上已經發生過了。

因為GPS信號沒有認證方式,且信號極弱,非常容易被劫持。例如HackRF One就可以模擬并發射GPS信號;甚至讓大疆無人機在禁飛區起飛。

伊朗也是用過類似的技術,成功捕獲美國的無人機。

 

Q:最少搜到多少顆衛星才能定位成功呢?

A:因為采用三角定位的原理,所以至少3顆衛星才能實現精準定位;具體要求如下:

使用衛星數

能否定位

備注

0

無法定位


1

無法定位

可以更新UTC時間和日期;

2

無法定位


3

可實現2D Fix,輸出經緯度

不可輸出海拔信息

4

可實現3D Fix

可輸出正確海拔信息

>4(多頻)

可實現3D Fix

可輸出偽距

 

Q:你為什么懂得那么多啊?

A:大概是因為我比高吧。



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