IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十五)：理解定位技術，一篇就夠

Posted on 2024-09-11 12:07 Jack Jiang 閱讀(100) 評論(0) 編輯收藏

【來源申明】本文引用了微信公眾號“鮮棗課堂”的《老司機揭秘手機定位技術，這下徹底明白啦！》文章內容。為了更好的內容呈現(xiàn)，下文在引用和收錄時內容有改動，轉載時請注明原文來源信息，尊重原作者的勞動。

1、系列文章引言

1.1適合誰來閱讀？

本系列文章盡量使用最淺顯易懂的文字、圖片來組織內容，力求通信技術零基礎的人群也能看懂。但個人建議，至少稍微了解過網絡通信方面的知識后再看，會更有收獲。如果您大學學習過《計算機網絡》這門課，那么一定不要錯過本系列文章。

特別推薦即時通訊開發(fā)者來閱讀，因為針對移動弱網的問題，確實可以找到很多有價值的答案。

友情提示：本系列文章可能涉及以下通信技術范疇，如您有興趣，也可自行系統(tǒng)地學習：

技術交流：

- 移動端IM開發(fā)入門文章：《新手入門一篇就夠：從零開發(fā)移動端IM》

- 開源IM框架源碼：https://github.com/JackJiang2011/MobileIMSDK（備用地址點此）

（本文已同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-2428-1-1.html）

1.2本系列文章的初衷

作為即時通訊（IM、消息推送等應用場景）相關技術的開發(fā)者人員來說，似乎了解跨專業(yè)的通信技術（這是大學通信工程專業(yè)類學生的學習內容），有點過于深入和底層了，因為一般來說熟練掌握邏輯層的TCP\IP相關協(xié)議、網絡編程相關的應用技術就差不多能勝任這方面的本職工作了。

沒錯，確實是這樣。但在開發(fā)IM、推送這類應用系統(tǒng)時，尤其在移動網絡下，各種弱網問題，讓人非常痛苦。

典型的弱網問題，比如：

1）頻繁掉線；
2）丟包嚴重；
3）網絡抖動；
4）網絡延遲；
........

那么，針對以上現(xiàn)象，怎么才能有底氣的跟老板、客戶、產品經理地解釋以下問題？

1）導致這些現(xiàn)象的根本原因到底是什么？
2）怎么跟老板解釋，要搞定在高鐵上用好音視頻聊天功能很困難？
3）怎么跟客戶解釋P2P在3G、4G甚至5G網絡下的成功率問題？
4）怎么向客戶說明，商場或人多場合下，明明信號很好，但你的APP確用不了？
.......

你說這些都是網絡問題，APP代碼無能為力。那么，你倒是講講到底是什么樣的網絡問題？能把人講信服了，就可以甩鍋給網絡，不然只能是APP代碼背鍋了。現(xiàn)實吧！

所以，我們還是老老實實花點功夫來研究研究通信技術吧（通信技術直面的是網絡通信物理層），至少遇到問題，不說給別人，至少給自已找到一個說的過去的解釋。這才是一個優(yōu)秀程序員的修養(yǎng)！

1.3本系列文章的價值

網上能找到的通信技術資料都太過專業(yè)或太不專業(yè)，要么都是搞網絡工程方面的內行人編寫的（內容專業(yè)但很枯燥難懂），要么就是外行的IT開發(fā)人員寫的（很少見，且價值不大，因為不夠專業(yè)，所以內容并不準確，參考價值很有限）。

既能讓外行的普通程序員看懂，還能準確地講明白通信技術知識，這樣的資料簡直比找金礦還難。因為普通程序員能接觸到的網絡編程、網絡通信方面的資料多針對數(shù)據(jù)通信的邏輯層（比如：tcpip、socket等知識范疇），而通信技術涉及的是數(shù)據(jù)通信的物理層（交換機、路由器、天線、網絡制式等），某種意義上來說，這是完全不同的技術方向。

好消息是，經過長時間的資料搜集，終于有了本系列文章，希望能給你帶來幫助。

1.4拓展閱讀

即時通訊網之前已經整理過《移動端IM開發(fā)者必讀(一)：通俗易懂，理解移動網絡的“弱”和“慢”》、《移動端IM開發(fā)者必讀(二)：史上最全移動弱網絡優(yōu)化方法總結》、《現(xiàn)代移動端網絡短連接的優(yōu)化手段總結：請求速度、弱網適應、安全保障》這幾篇初涉通信層的文章，但都因技術廣度和深度有限，能帶給讀者的幫助比較局限。如果您看過這幾篇文章，那么一定不要錯過本次的《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門》系列文章。

另外，如果您對最基本的程序員本該掌握的網絡編程知識都還不怎么了解的話，建議首先閱讀《網絡編程懶人入門系列文章》、《腦殘式網絡編程入門系列》，以及更高深一點的《不為人知的網絡編程系列文章》。

1.5番外：通信技術女神鎮(zhèn)樓

▲ 史上最高顏值科學雜志封面，人物為 “CDMA之母”——海蒂·拉瑪（一個被演藝事業(yè)耽誤的科學女神）

2、本系列文章目錄

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(一)：通信交換技術的百年發(fā)展史(上)》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(二)：通信交換技術的百年發(fā)展史(下)》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(三)：國人通信方式的百年變遷》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(四)：手機的演進，史上最全移動終端發(fā)展史》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(五)：1G到5G，30年移動通信技術演進史》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(六)：移動終端的接頭人——“基站”技術》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(七)：移動終端的千里馬——“電磁波”》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(八)：零基礎，史上最強“天線”原理掃盲》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(九)：無線通信網絡的中樞——“核心網”》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十)：零基礎，史上最強5G技術掃盲》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十一)：為什么WiFi信號差？一文即懂！》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十二)：上網卡頓？網絡掉線？一文即懂！》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十三)：手機信號差？一文即懂！》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十四)：高鐵上無線上網有多難？一文即懂！》

《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十五)：理解定位技術，一篇就夠》（* 本文）

3、本文內容概述

對于IM開發(fā)者來說，用戶的地理位置、附近的人這類功能，都需要用到手機的定位技術。不過，當用戶、產品經理、測試人員使用這類功能，有某些情況下定位不出結果或者定位不準時，這鍋是要程序員來背嗎？顯然不是。

▲ 微信這個超級IM里的“位置”、“附近的人”、“搖一搖”都是基于定位技術實現(xiàn)的

那么，定位技術到底是怎么實現(xiàn)的？技術原理怎樣？有哪些局限性？貌似我們平時也沒有做更多了解，既然這樣，那就跟著本文來一窺究竟吧。

4、定位技術，應用廣泛

今天我們所處的移動互聯(lián)網時代，手機成了每個人的生活標配。這些手機里，安裝了形形色色的APP，提供了各種服務，徹底改變了我們的生活。

這些服務里面，就包括我們今天的主角——定位。

每一個人，每一件物品，在這個地球上都有一個空間位置信息，這就是定位。它非常重要，我們靠它來找到這個人或這件物。

自從有人類文明開始，地圖就被發(fā)明出來，用于標示位置信息。但是，因為技術手段的落后，人們只能通過參照物來“佛系”定位。

▲ 佛系定位，跟著感覺走

后來，有了羅盤、指南針，人類的定位能力不斷進步，定位的精度也不斷提升。

▲ 鄭和下西洋，采用“牽星術”進行定位

進入現(xiàn)代之后，隨著社會的進步和科技的發(fā)展，定位技術更是突飛猛進。我們幾乎可以丈量和定位世界的每一個角落。

▲ 世界地圖

用于定位的設備和技術，也逐步從航海航空、測繪救災、軍事國防等「高大上」的領域，滲透到普通老百姓的生活，成為不可或缺的組成部分。例如車輛導航、物流跟蹤、交通管理等。

▲ 車輛定位導航

那么，大家平時使用手機定位服務的時候，有沒有想過這些問題：

1）手機到底如何實現(xiàn)定位的？工作原理是什么？
2）大家都知道衛(wèi)星定位，那么，是不是只有衛(wèi)星這一種定位方式？
3）為什么有時候我們沒有打開手機的衛(wèi)星定位開關，仍然能夠進行定位？
4）如果我們在室內，沒有衛(wèi)星信號覆蓋，是不是就徹底不能定位了？
5）…

好了，帶著這些疑問，我們進入正文部分。

5、衛(wèi)星定位技術

定位，我們通常按使用場景，分為室內定位和室外定位。

我們先來說說用得最多的室外定位。目前最主流的室外定位方式，剛才我們已經提到了，就是衛(wèi)星定位。

衛(wèi)星定位：是利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量的技術，也是目前使用最為廣泛、最受用戶歡迎的定位技術。它的特點非常突出，就是精度高、速度快、使用成本低。

但是，目前世界上只有少數(shù)國家，具備建設和維護衛(wèi)星定位系統(tǒng)的能力。

大家所熟知的，包括：美國的GPS，中國的北斗(BDS)、歐洲的伽利略(Galileo)、俄羅斯的格洛納斯(GLONASS)。此外，還有日本的準天頂系統(tǒng)（QZSS）和印度的IRNSS。

我們就拿使用最為廣泛的美國GPS系統(tǒng)來說吧。GPS，英文全名是Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)。

它起始于1958年美國軍方的一個項目，1964年投入使用，1994年徹底布設完成。

GPS系統(tǒng)的主要建設目的，是為陸海空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報搜集、核爆監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的。

該系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星構成，其中21顆為工作衛(wèi)星，還有3顆是在軌備用衛(wèi)星。它們共同組成了GPS衛(wèi)星星座。

24顆衛(wèi)星距地高度為20200km，運行周期為11小時58分(恒星時12小時)，均勻分布在6個軌道平面內。

正常情況下，在地球表面上任何地點任何時刻，平均可同時觀測到6顆GPS衛(wèi)星，最多可達10顆衛(wèi)星。

除了天上的衛(wèi)星之外，當然還需要地面的相關設備進行配合和監(jiān)測，也就是地面監(jiān)控系統(tǒng)。

GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)控站。

GPS導航系統(tǒng)的基本原理，是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。

我們的手機，內置了GPS模塊和天線，相當于接收機，負責GPS數(shù)據(jù)的接收和處理。

這些數(shù)據(jù)被手機操作系統(tǒng)或APP應用軟件（例如百度地圖）調用，起到精確定位的目的。

小提示：大家如果有興趣的話，可以安裝類似“GPS雷達”這樣的APP，隨時查看自己的手機現(xiàn)在能搜到哪幾顆定位衛(wèi)星，就像下圖這樣。

▲ 我隨便掃了一下，頭上的衛(wèi)星還真不少啊

衛(wèi)星定位這個東西，涉及到國家安全，當然不能完全依賴于國外。所以，盡管GPS系統(tǒng)非常成熟，我們國家還是開發(fā)了北斗系統(tǒng)。

▲ 彈道導彈，總不能用人家老美的衛(wèi)星來定位吧？

截至目前，我們的北斗系統(tǒng)已經具備商用能力，配合基準站，能給客戶提供精確到10米的定位服務，和GPS不相上下。

同時，北斗也彌補了GPS的不足，具備短報文能力（GPS衛(wèi)星是單向廣播的，不具備雙向通信能力，功能略顯單一）。限于篇幅，今天對北斗不多做介紹，下次專門開專題來講。

對于GPS這樣的衛(wèi)星定位系統(tǒng)來說，影響定位精度的因素主要來自兩個方面：

1）一個是大氣層中的電離層（電離層在太陽光的照射下充滿了離子和電子，對GPS信號這種電磁波的影響嚴重）；
2）還有一個是多徑效應（以前介紹通信基礎的時候講過，因為建筑等影響，直射信號和反射信號抵達的時間不同，造成信號干擾）。

不過總的來說，如果天氣OK，GPS的定位精度都不會太差。

6、基站定位技術

好了，說完了衛(wèi)星定位，再來看看地面定位。說到地面定位，大家首先想到了什么？哈哈，是不是雷達？

確實，雷達作為一項搜索定位技術，廣泛應用于軍事和民用領域。但是，畢竟普通手機數(shù)量非常龐大，加之生活場所障礙物非常復雜，不管從技術角度，還是成本角度，都不適合采用雷達進行定位。

那我們采用什么方式呢？其實可以用的方法很多，最常用的，是基站定位，也就是常說的LBS，Location Based Service（基于位置服務）。

基站定位的原理和雷達有相似之處。雷達定位大家都知道，就是發(fā)射雷達波，根據(jù)目標的反射，進行空間位置測算。

基站定位的話，基站就相當于是一個“雷達”。

通常，在城市中，一部手機會在多個基站的信號覆蓋之下。手機會對不同基站的下行導頻信號進行“測量”，得到各個基站的信號TOA（到達時刻）或TDOA（到達時間差）。根據(jù)這個測量結果，結合基站的坐標，就能夠計算出手機的坐標值。

畫個圖，一看就明白了：

清楚了吧，三點一位。

基站定位的精度并不高，誤差大概從100米到上千米。主要誤差原因，是來自基站的位置和密度。簡而言之，基站數(shù)量越多，密度越高，定位精度也就越高。基站和手機之間的障礙物越少，定位精度也會有所提升。

通常農村地區(qū)的基站定位精度低，是因為農村基站少，盲區(qū)多，有時候只有一個站的信號，當然無法精確定位了。

▲ 一個站可以定位一個圈，無法定位一個點

除了上面所說的基站定位之外，如果你對定位精度要求不高的話，也可以直接查看手機當前所在的小區(qū)信息，來確認目標位置。

我們所有的手機，只要連接到運營商的網絡，就相當于“登記”在網絡里。當前連接的基站信息，在手機中都可以查到。

▲ 在撥打電話界面輸入 *#*#4636#*#* 查看對應的基站信息蘋果的話，輸入*3001#12345#*

在運營商那邊，也非常容易查到這個信息。即使你關機了，運營商HSS（負責管理用戶數(shù)據(jù)的設備）都能查到之前你所在的基站小區(qū)。

這種方式查看位置比較快，但是精度就很低，一個基站覆蓋的范圍，從幾百米到幾公里不等。

7、Wi-Fi定位技術

除了基站定位之外，還有一個大家可能比較陌生的地面定位方式，就是Wi-Fi定位。

沒錯，Wi-Fi也可以定位喲！

也許你會認為，我所說的Wi-Fi定位，就是IP地位定位。其實并不是哦！

大家都知道，每個人上網，都會有一個公網IP地址。這些IP地位，在網絡系統(tǒng)中都是有注冊的，例如屬于南京電信或上海聯(lián)通，之類的。

IP地址確實可以大致追蹤到你的位置（運營商可以查得更準確），但是，這種定位也有局限性。一方面，現(xiàn)在很多運營商都采用NAT技術，不一定會給每個用戶分配公網地址，另一方面， IP地址很容易欺騙，我如果搞一個代理地址，你看到的IP，可能是美國的。

我所說的Wi-Fi定位，和上面的IP地址定位完全不同，是根據(jù)Wi-Fi路由器MAC地址進行定位。

每一個無線AP（Wi-Fi路由器）都有一個全球唯一的MAC地址，并且一般來說，無線AP在一段時間內不會移動。

在開啟Wi-Fi的情況下，采集設備（例如手機）可以搜到這個無線AP的信號，并且獲取它的MAC地址和信號強度信息。

采集裝置將這些信息上傳到服務器，經過服務器的計算，保存為“MAC-經緯度”的映射。當采集的信息足夠多，就在服務器上建立了一張巨大的Wi-Fi信息數(shù)據(jù)庫。

當一個設備處在這樣的網絡中時，可以將收集到的這些能夠標示AP的數(shù)據(jù)發(fā)送到位置服務器，服務器檢索出每一個AP的地理位置，并結合每個信號的強弱程度，計算出設備的地理位置并返回到用戶設備，其計算方式和基站定位位置計算方式相似，也是利用三點定位或多點定位技術。

位置服務商要不斷更新、補充自己的數(shù)據(jù)庫，以保證數(shù)據(jù)的準確性。

那么，問題來了，這些AP位置映射數(shù)據(jù)怎么采集的呢？

大致可以分為兩種——主動采集和用戶提交。

【主動采集】：

谷歌的街景拍攝車，沒想到吧？它就是一個采集設備。它采集沿途的無線信號并打上通過GPS定位出的坐標回傳至服務器。

▲ Google街景拍攝車

【用戶提交】：

Android手機用戶在開啟“使用無線網絡定位”時，會提示是否允許使用Google的定位服務，如果允許，用戶的位置信息就被谷歌收集到。iPhone則會自動收集Wi-Fi的MAC地址、GPS位置信息、運營商基站編碼等，并發(fā)送給蘋果公司的服務器。

和基站定位一樣，Wi-Fi定位在AP密集的地方有很好的效果。如果AP很少，那也很難定位準確。

總的來說，Wi-Fi這種定位方式的執(zhí)行難度比較大，可用性和準確性也不高。所以，主要還是一種輔助性質的定位手段。

【A-GPS】：

定位說到輔助，我們就要說到A-GPS了。

A-GPS，Assisted GPS，輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。從名字就可以看出來，這是GPS的一個增強功能。

▲ A-GPS網絡架構

這個技術，就是將GPS定位和基站定位兩種技術相結合。

手機通過基站大致定位自己的位置，然后把位置告訴AGPS服務器，服務器根據(jù)這個位置信息，將此時經過你頭頂?shù)男l(wèi)星參數(shù)（哪幾顆、頻率、位置、仰角等信息）反饋給你的手機，你手機的GPS就可以快速搜索衛(wèi)星。

采用A-GPS的話，手機搜星速度大大提高，幾秒鐘就可以定位。

其實，說實話，最靠譜的方式，還是衛(wèi)星定位。

大家經常會發(fā)現(xiàn)自己被定位到河里去，多半都是因為衛(wèi)星沒信號，然后被基站定位和Wi-Fi定位給坑了。。。

以上這些（GPS定位、WiFi定位、基站定位），就是常用的室外定位技術。下面，我們將繼續(xù)說說室內定位技術。

8、室內定位技術

8.1概述

事實上，像GPS這樣的定位技術，雖然精度高，但是有一個明顯的缺點，就是無法穿透建筑物，不能實現(xiàn)室內定位。

但是，人們對室內定位是有強烈需求的。例如地下車庫，人們經常會忘記自己的車停在哪里。此外，在大型商場人流較多，找人會存在困難，小孩走失的話，也會需要定位。

▲ 地下車庫，非常考驗一個人的方向感

在工業(yè)方面，也有定位需求，例如廠房內的生產線跟蹤，資產管理等。

現(xiàn)在我們都在說“萬物互聯(lián)”，那么，物在哪里，你總要知道的吧？

▲ IoT，物聯(lián)網

對于這種室內定位需求，我們應該采用什么樣的定位手段呢？

其實，任何一種通信技術，本身都會帶有定位功能。就像我們剛才說的基站定位和Wi-Fi定位，本身都是通信技術，但是通過測量時間差，都能夠進行位置測量。

所以，短距離通信技術有哪些，室內定位技術，就有哪些。

例如，藍牙定位、紅外定位、RFID射頻定位、超聲波定位、Zigbee定位、UMB定位，全部都屬于室內定位技術。Wi-Fi定位，其實也一樣適用于室內。

▲ Wi-Fi室內定位

我們簡單介紹幾個比較典型的吧。

8.2室內定位技術之藍牙定位

首先，說說藍牙定位。

藍牙，大家都很熟悉，是一種短距離低功耗的無線傳輸技術。藍牙定位，就是通過在指定區(qū)域安裝信標（可以發(fā)出藍牙信號），實現(xiàn)精確定位。這些比手機要小的信標，每隔幾米放置一個，能夠與所有裝有藍牙模塊的移動設備進行通信。

▲ 藍牙定位組網

藍牙定位的優(yōu)點，是設備體積小、短距離、低功耗，容易集成在手機等移動設備中。只要設備的藍牙功能開啟，就能夠對其進行定位。

說到藍牙定位，就要提一下iBeacon，這是蘋果公司2013年推出的一種低功耗精準微定位服務。它比以往普通藍牙技術傳輸距離更遠，精度更高。

8.3室內定位技術之UWB超寬帶

另外一個比較受歡迎的室內定位技術，是UWB超寬帶。

超寬帶（UWB）定位技術利用事先布置好的已知位置的錨節(jié)點和橋節(jié)點，與新加入的盲節(jié)點進行通訊，并利用三角定位或者“指紋”定位方式來確定位置。

▲ UMB室內定位技術

超寬帶通信不需要使用傳統(tǒng)通信體制中的載波，而是通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，因此具有GHz量級的帶寬。

由于UWB技術具有穿透力強、抗多徑效果好、安全性高、系統(tǒng)復雜度低、能提供精確定位精度等優(yōu)點，前景也是相當廣闊。

8.4小結

限于篇幅，其它幾種室內定位技術，在這里就不一一介紹啦。

需要提一句的是，像GPS定位、基站定位這樣的方式，搭建系統(tǒng)有很高的門檻，不管是技術，還是資金，都不是一般企業(yè)能夠承受的。但是，室內定位技術完全不同，它并不需要很大的投資，而且技術難度也小得多，所以，現(xiàn)在很多公司都在研究，也做出了不少成熟產品。這一塊的市場前景，還是非常廣闊的。