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科普向:手机定位原理

在手机上打开地图APP,几秒钟就可以在地图上定位到当前位置。这短短的几秒钟有多少科技含量,我们逐步拆解。

常用定位技术

现在使用规模较大的定位技术有6种,我分成了两大类

  1. 卫星定位。包括GPS、AGPS、Glonass、北斗。

  2. 地面辅助定位。包括基站定位、WiFi辅助定位。

最新的iPhone手机支持GPS、AGPS、Glonass、基站、WiFi辅助5种定位方式。

定位基本原理

把地球看成一个理想的空间球体,想把某点位置描述出来,需要做两件事

  1. 给地球建立一个空间坐标系,确定原点、XYZ三个轴

  2. 测量该点到三个轴面的距离,或者测量该点切面与两个面的夹角、该点到原点的直线距离。现在的通用方法是后者,即确定经纬度和高度。

由于地球实际的地质条件,第2步无法直接测量。有三种间接方式:

  1. 当我们已知地面上其他三点的坐标以及到这三点的距离,可以通过三个方程式解出当前坐标,这是地面辅助定位的原理。由于大部分基站位置和WiFi热点位置存储在网上,所以地面辅助定位需要联网。只要能探测到WiFi信号而不需要连接,就可以使用WiFi辅助定位。

  2. 当我们已知太空中三个点的坐标以及到三个点的距离,也可以解出当前坐标,这是卫星定位的原理。卫星定位过程中,地面定位器只接收卫星信号,不发送任何信息。

  3. 卫星定位的技术冷启动过程长达几分钟,主要时间消耗在搜索卫星信号上,如果能把当前大致位置传到网上,缩小搜索卫星范围、得到卫星的角度频率等信息,能大幅度加快搜星过程。这就是AGPS定位原理。

综上所述,定位的基本原理是:建立坐标系,利用参考坐标点进行方程式辅助定位。

建立坐标系

由于地球是一个不规则的椭球,椭球的形状、大小、球心可以有多种方案,以地球质量中心为球心的坐标方案称为地心坐标系,球心与地心不一致的方案称为参心坐标系或非地心坐标系。每个坐标系测出的经纬度都不完全一致。参心坐标系是基本测图和常规大地测量的基础,地心坐标系是为了满足远程武器和航空航天技术建立的,我国曾经用过四个地心坐标系。

现在GPS和手机定位使用的基础坐标系是1984年为GPS系统建立的WGS84地心坐标系。WGS84的z轴指向国际时间局BIH1984定义的协议地球极北极,x轴是零度子午面和赤道的交叉线,y轴按照右手规则确定。