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    手机是怎么定位到我们在哪里的?

      [  中关村在线 原创  ]   作者:王征   |  责编:王征

         现在手机导航已经成为我们生活中必不可少的助力元素。但是导航定位功能,到底是怎么回事、GPS和北斗又是什么关系?这些是我们很多人不知道的,今天我们就来说一说这个事情,让我们先从GPS说起。

    GPS精度震撼世界

          1991年的海湾战争,战斧巡航导弹(也是DARPA的项目)的高精度打击能力震惊了世界。人们第一次认识到巡航导弹竟然能有如此之高的精度,甚至第一颗导弹打击破壁、第二颗摧毁内部的新闻让我们非常震惊,这是怎么做到的,这是GPS第一次应用到实战。

    手机是怎么定位到我们在哪里的?
    战斧巡航导弹搭载定位系统,精确打击能力震惊了世界

          GPS的全称是全球定位系统。对于我们民用来说,GPS信号的全球开放不过十几年光景,而GPS这个项目正是当时的ARPA的项目之一,最早立项可以追溯到1959年,当时是美国海军、DARPA与约翰霍普金斯大学的合作。

    黑科技神盾局 揭秘美高级计划研究局
    第一代定位系统的卫星原型

        这个项目在早期的立项时候,项目的名字叫“TRANSIT”,别名“Nav/Sat”,最早立项的机构是美国海军、DARPA以及约翰霍普金斯应用物理实验室。当时应用物理中心的两个科学家威廉吉尔和乔治魏芬巴赫研究的是苏联这颗卫星信号的多普勒效应。当时的应用物理中心的主任,麦克卢尔认为,如果卫星的位置可知,那么利用多普勒效应,可以定位地球表面的目标,原理是理论上只要三颗卫星,就可以根据信号和原子钟的时间来计算出xyz三个轴的定位坐标(实际上要复杂得多,涉及相对论)。

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    不同技术的定位精度,寻找马航MH370也是用相同的多普勒原理

        直到1991年之前,大量的战舰都是使用TRANSIT的六颗卫星来进行位置的定位,TRANSIT的定位精度不高,只有几百米,但是对于军用的战舰在茫茫大海上来说已经足够,在1967年这个系统就开发信号给民用,所以有说法是当年苏联的战舰上也有摩托罗拉制造的TRANSIT信号接收设备。在上世纪七十年代,苏联也开始了自己的定位卫星的研发,这个项目被分为两部分,分别是军用的Parus以及民用的Tsikada,再下一代的产品现在叫做GLONASS,现在很多导航设备上都有应用。

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    其实GPS走入我们生活只有十多年时间,现在我们已经离不开了

        TRANSIT的精度不高,后来的GPS系统要高得多,因为GPS使用了更多的卫星和更先进的技术,这与前苏联击落民航客机有关,当时的里根政府加大了GPS系统的预算投入,GPS最早的实战应用是1991年的海湾战争,战斧巡航导弹(也是DARPA的项目)的高精度打击能力震惊了世界。直到2000克林顿执政时期,向全世界取消了民用GPS定位信号干扰,这也就是我们手机里面都有的高精度GPS定位。

    第三代GPS

          已经发射两颗的第三代GPS有哪些进步呢?这体现在多个方面.从日常GPS用户(区分GPS的根本目的军用定位)的角度来看,最重要的可能是第二个民用GPS信号,称为L2C。与当今大多数GPS接收使用的传统L1 C / A信号相比,L2C信号更清晰并且更容易接收。 

    SpaceX推迟发射! 什么是第三代GPS?
    第三代GPS的宣传(Image Credit:Lockheed Martin)

           这意味着L2C将更容易在城市高楼林立环境中,在茂密的森林,甚至在室内进行接收。 L2C还有另外一个真正的具体优势:与旧式L1 C / A一起操作L2C意味着只有通过比较这两个信号,配备L2C的GPS接收器才能够补偿特定GPS卫星的电离层延迟误差。电离层延迟是现有L1 C / A信号中误差的最大原因,GPS单元现在通过使用其他信息源(如FAA的广域增强系统或附近Wi-Fi热点的位置。 通过能够在不依赖其他来源的情况下补偿电离层延迟,来自L2C信号的位置数据应该更加准确。目前的民用GPS在大约3米以内是精确的,但使用L2C的GPS系统应该精确到大约1米以内,而这个精度并不依赖地面基站差分来提高精度。

    令人震惊的北斗

          9月23日,我国又发射了两颗北斗卫星!作为我国自主研发、掌握全部知识产权的国产卫星定位系统,北斗的快速组网,受惠的是全球的用户。从北斗官网,我们可以感受到北斗组网的中国速度。

    手机是怎么定位到我们在哪里的?
    北京发射列表,来源见水印

           很多人可能对后面标注不理解?其实是微信轨道。北斗组网已经到了第三代北斗系统,我们的目标是5GEO+3IGS0+27 MEO,组成具有覆盖全球的定位系统。MEO、GEO、IGSO是不同高度轨道的区别。

    手机里的定位

           我们今天的手机,内置的定位系统已经都不是单一定位系统。除了标准的GPS,俄罗斯的定位系统GLONASS、欧洲的伽利略定位系统、中国的北斗,可能有一个或是几个共同参与其中,进行手机定位。

    手机是怎么定位到我们在哪里的?
    A GPS定位原理

           提升手机定位精度,多星定位的好处是可以相互参考。以笔者的经历来看,纯GPS定位速度并不快,往往要一分钟两分钟才能定位成功;而GPS+Glonass,则可以瞬间定位完成,这是纯粹的一来卫星定位。手机不一样,手机还有一个优势:基站辅助定位,术语叫A GPS。

    手机是怎么定位到我们在哪里的?
    手机多系统综合定位

          在手机网络里,A GPS系统接收器可通过与辅助服务器的通信而获得定位辅助。在蜂窝移动通信系统中,AGPS 系统通过手机定位服务器作为辅助服务器来协助GPS接收器(通常是手机)完成测距和定位服务,辅助定位服务器有比GPS接收器强大得多的GPS信号接收环境和能力,在这种情况下,辅助定位服务器通过网络与手机的GPS接收器通信而提供定位协助。

             现在我们打开手机,基本都可以实现快速准确的定位,这是多重卫星定位系统与AGPS在一起协作的功劳,如果你是一个普通用户,其实只要知道手机能定位即可,而不用关心背后的技术构成,这就是科技给你结果,你享受结果即可,其中的机制完全可以不关心。

           

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