一篇关于GPS定位写得最详实清晰的文章（上）

先容篇

曩昔，假如你的女友是个路痴，大要会有这样的对话……

——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“制止停车 违者罚款”。

——姑奶奶，我真是服了你了……

——哼，你能否是不爱我了，你必定是不爱我了，你能否是喜好上了新来的阿谁前台？

——。。。

——我跟你说阿谁前台绝对是个伪娘！（开启八卦形式）还有还有，小王买了个新口红真都雅，你也给我买好欠好……

——（一脸解体的脸色）

（路人甲：你是不成能有女友的！）

现在，假如你的女友是个路痴……

——你在哪儿啊？

——我发定位给你！乖乖的来接老娘。

——服从。。。

作为一个标准路痴，已经有N次堕入绝境黑历史。正所谓：手持一纸舆图，双眼紧盯门路，环视四周茫然，我现身在何处？

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

再后来，随动手机操纵系统的迭代，芯片的升级，定位才渐突变得精准、牢靠。我再也不用湖里泅水了……固然，这都是后话了。

渐渐的随着领会的深入，才大白本来定位有这么多区分，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BLE、RFID、Wi-Fi等方式；还有其他IP定位，惯性导航等等方式。

“需后端支持”指需要毗连到办事器停止数据剖析，才能获得定位成果；

“需专有后端支持”指能够需要付费才能获得相关数据，终端装备才可以停止定位。

本文我们就说说和物联网关系最亲近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年起头研发，1964年投入利用，1994年实现全球覆盖的全球卫星定位系统。

GPS由24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2.02万KM的非同步轨道上。如此一来，在全球的任何地方、任何时候都可观察到4颗以上的GPS卫星。GPS卫星向地球发射导航电文（系统时候、星历、历书、卫星时钟批改参数、导航卫星健康状态、电离层延时参数等内容），GPS终端收到卫星发送的数据，经解算即可肯定当前位置，并以NMEA0183格式，WGS-84坐标系输出数据。

也许有的读者会问，万一卫星坏了怎样办，GPS岂不是要失准了？实在这个担忧是过剩的啦，轨道上不但有备用卫星，每年NASA也会拜托Space X补发和替换寿终的卫星。

固然，卫星定位系统不是GPS一家独大的。只是由于GPS的先驱职位，所以很多人也都习惯性的把一切卫星定位系统都称之为“GPS”。

究竟，利用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，他们可以随意调理某地域的定位精度（如中东地域），甚至让终端装备解算成果背道而驰。而且GPS卫星是单向广播的，不具有双向通讯才能，功用略显单一。

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

今朝，中国的BeiDou斗极已经具有商用才能。配合基准站，甚至能给客户供给切确到毫米的定位办事。同时，BeiDou斗极也填补了GPS的不敷，具有短报文才能（驴友、海航必备。绝非手机的基站可相比，只是资费超超超动人）。

既然太空中有那末多卫星，又有那末多种分歧的卫星定位系统，那末若何晓得某一片地区能否有定位卫星覆盖，以及有哪些卫星覆盖呢？Android手机请在利用商铺搜索“GPS Data+”并安装，翻开后即可看到当前正在利用的定位卫星：

由于智妙手机操纵系统、定位芯片、天线、算法的差别，所以并不能搜索到一切用于定位的卫星系统。凡是来说，智妙手机只能搜到并利用部分（如图，即GPS+Beidou+GLONASS+QZSS，没有Galileo、IRNSS）。

各导航系统分歧频段的工作频次

观察一下表格，我们可以发现，日本简直是太“鸡贼”了——L1 C/A、L1C、L2C、L5信号跟GPS卫星信号是完全兼容的，同时L1-SAIF还可以给日当地域供给高精度定位办事；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，往后等到Galileo系统正式供给办事，QZSS也能实现Galileo系统的补充。

接下来进入脍炙人口的“你问我答”环节：

Q：为什么有的时辰手机定位还是很慢？

A：信号题目、基带题目等，一切皆有能够。假如想要进步定位精度，最简双方式就是——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刘海屏欠都雅啊，你看VIVO NEX多美。对了，小米8说是全球第一个支持GPS双频定位（L1、L5）的手机，似乎很牛逼，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：斗极的短报文资费究竟有多动人？

A：十几块一条吧。你可以去某猫、某宝检察一下报价。

至于说语音通讯，也有海事卫星电话可用，分歧国家资费分歧，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，怎样样，用的起吗？

Q：既然已有GPS，为什么还要重造轮子？

A：由于GPS的L1、L5是民码，公共可用，可是美军已经在战时封闭过某些战区的数据覆盖，为了避免这类被人卡住喉舌的为难，一切需要成长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。负海拔地域（只要有信号）、空中、甚至大气层外都可以。需要留意的是，水体、岩石等密度高的物体内没法利用。

大气层外利用，还要留意广义相对论对时钟酿成的影响。

Q：《007 明日帝国》中，大反派利用了某种很牛逼的装备，经过某些手段改变了卫星参数，劫持了一艘船，这类工作能够发生吗？

A：这类工作，天下上已经发生过了。

由于GPS信号没有认证方式，且信号极弱，很是轻易被劫持。例如HackRF One便可以模拟并发射GPS信号；甚至让大疆无人机在禁飞区腾飞。

伊朗也是用过类似的技术，成功捕捉美国的无人机。

Q：最少搜到几多颗卫星才能定位成功呢？

A：由于采用三角定位的道理，所以致少3颗卫星才能实现精准定位；具体要求以下：

Q：你为什么晓得那末多啊？

A：大如果由于我比高吧。

定位篇

有的人会问，既然天上多卫星，为什么我看输出成果只是用了其中有限的几个呢？这是由于单片机利用的小尺寸的陶瓷天线，一般只能做到兼容2个频段（一般软件上也是多选2），没法做到同时兼容3个频段。所以凡是是单选GPS或斗极；大概是GPS+斗极、GPS+GLONASS等两两组合的方式。

有的开辟者实测时发现，为什么代码无误，可是定位模块就是搜不到卫星，没法定位呢？

现实上排查这类题目既简单，又复杂。之所以说简单的，是由于搜不到卫星唯一的缘由就是信号题目。复杂是由于即使晓得了病因，开辟者也能够会感觉一筹莫展。

信号题目，那就是“卫星→天线→模块→代码→输出”的某个环节出现异常了。在这里，连系“望闻问切”的方式，针对能够出现的题目逐项击破。

首先，开辟者应谨记，任何时辰都应当避免空间上存在异物遮蔽天线（如树木、修建、高架桥），物理上存在金属外壳等遮挡天线等情况（如铝壳、铁壳）。应确保测试情况是空阔的，无遮挡的，信号杰出的。

之所以一向在夸大天线、信号、无遮挡，是由于卫星的发射功率并不大，信号到达空中时已经很弱。这类信号强度相当于1.6万千米外一个25瓦的灯泡发出的光。再做个比方，它比电视机天线所接收到的功率还要低10亿倍。

信号弱、无信号，城市表示为没法定位，大概定位慢。那末，若何判定究竟是信号题目致使的定位慢，还是真·无信号呢？观察模块输出的GGA、RMC和GSA：

GGA：
格式：
$--GGA,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x,xx,x.x,x.x,M,x.x,M,x.x,xxxx*hh
示例：
$GPGGA,065545.789,2109.9551,N,12023.4047,E,1,9,0.85,18.1,M,8.0,M,,*5E

RMC：

格式：
$--RMC,hhmmss.ss,A,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x.x,x.x,xxxx,x.x,a*hh
例句：
$GPRMC,100646.000,A,3109.9704,N,12123.4219,E,0.257,335.62,291216,,,A*59

GSA：

格式：
$--GSA,a,a,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x,x.x,x.x,x.x*hh
例句：
$GPGSA,A,3,10,24,12,32,25,21,15,20,31,,,,1.25,0.85,0.91*04

1. 假如GGA中的UTC时候毛病，定位指示为0，卫星数目不为0；大概RMC的UTC时候毛病，日期毛病；GSA中卫星数目不为0，可是载噪比都很低，则能够是搜星慢，定位慢，信号差；
2. 假如GGA中的UTC时候毛病，定位指示为0，卫星数目始终为0；大概RMC的UTC时候毛病，日期毛病；GSA完全没有任何有用输出，则能够是完全无信号。

对于搜星慢，定位慢，信号差的情况，应改良天线设想，保证天线面朝上的安装利用状态；而且天线周边没有金属物件遮挡，无射频干扰；在空间允许的情况下只管挑选大尺寸的陶瓷天线，需要时应利用有源天线。

对于完全无信号的情况，大要率是天线设想毛病。比方，没有给有源天线开启供电，毛病利用天线型号（如芯片仅支持GPS，天线仅支持斗极；毛病的利用GSM天线接收信号）等。

扩大阅读：
LUAT模块GPS天线设想倡议

还有一种常见情况是开辟者在室内（含窗口、窗台）停止测试，这是不可的。由于室内没有卫星信号，并不能实现定位。

假如开辟者未便于去户外停止测试，可以在某宝搜索“GPS 转发”并采办相关装备。这样一来，开辟者就不用“风吹日晒，饱经风雨”的，“不辞辛劳”的在户外调试啦。

接下来进入民怨沸腾的“你问我答”环节：

Q：有没有体积小、信号好强的天线？

A：鱼和熊掌不成兼得。只要最合适的，没有最好的。

Q：NMEA-0183那里格式说明呢？

A：请上网自行下载。

Q：GNSS和GPS什么关系啊？

A：严酷来说，GPS∈GNSS。

一切的卫星定位系统都是可以称之为GNSS，GPS是GNSS的子集。

这一点在输出中也有表现，例如：GNGGA，GPGGA，BDGGA，即“夹杂定位”（多卫星系统）、“GPS定位”、“斗极定位”。

语句标识符：

Q：GGA、RMC、RSV有什么别离？

A：都是NMEA-0183标准的要求。他们的释义以下：

Q：UTC时候有法子换算成当地时候吗？

A：陆地的话，由于很多国家能够跨越很是多的时区，却利用同一时候，所以只能查表啦（如北京时候UTC+8）。假如是陆地，则按照经度计较时区。

Q：有没有手性能用的，测试GPS的，比力牛逼的APP？

A：Android：GPS Status；GPS Test+；GPS Data+

iOS：GPS Test+

Q：为什么手机定位那末快那末准，定位模块那末慢，误差还很大？

A：由于手机是牺牲小我隐私为条件的多重定位（基站+WiFi+蓝牙+GPS+AGPS+历史数据），而模块只是用GPS天线，所以显得略慢一些。可是利用“AGPS帮助定位”后，一样可以做到秒定位。

Q：你为什么晓得那末多啊？

A：大如果由于我比力富吧。

PS: 那末，怎样利用“AGPS帮助定位”呢？请关注下文哦。

秒定位篇

为什么信号极好的情况下，定位速度也不快？有没有法子实现“秒定位”呢？答案固然是必定的啦。

常规情况下，定位模块上电开机后，经过天线搜索卫星，剖析卫星发射的数据（导航电文），然后内部天生星历，再经过复杂的计较，从而获得当前切确的位置（3D Fix）。这个进程称之为“冷启动”。按照信号强度、芯片运算才能，凡是耗时几十秒到几分钟不等。

这个进程中，搜星+天生星历文件耗时最久。

不外有的读者能够会问，为什么有的时辰定位模块只用了几秒就成功定位了呢？缘由有二：

1、非“冷启动”方式，即“温启动”或“热启动”；

2、利用了AGPS帮助定位。

那末，“冷启动”、“温启动”和“热启动”有什么区分呢？也许大师会以为，这里的“X启动”和电脑的开机、待机（就寝）、重启近似吧？现实上并非如此哦。由于卫星所处空间位置、终端装备所处地表位置是不牢固的，所以此处的“X启动”都是以最初一次定位时候和位移间隔作为判定根据的：

*自立秒定位：按照模块内保存的星历，实现快速搜星、定位。

*帮助秒定位：利用AGPS帮助，实现快速搜星、定位。

也就是说，“温启动”和“热启动”情况下，定位模块是可以实现自立秒定位的。

那末，什么又是“AGPS帮助定位”呢？在传统GPS定位方式中，定位模块需要全频段搜索以找到可用卫星，因此耗时较长。而“AGPS帮助定位”方式，是经过收集间接下载当前地域的可用卫星星历数据，并将之发送给定位模块，定位模块只搜索特定的卫星，从而进步了搜星速度，削减装备耗电。

举个例子：冷启动像是多项挑选题，要把一切选项计较一遍，才能找到正确答案；而“AGPS帮助定位”就像是做弊器，解撤除了很多毛病答案，只要计较少数几个即可。从而进步效力和正确率。

不外，这个天下上没有圣杯，“AGPS帮助定位”不是万金油。它的利用条件还是需要比力苛的：

1. 卫星信号接收条件必须杰出，最少可观察到4颗卫星（倘使有条件，保举利用有源天线）；
2. 定位芯片必须支持AGPS帮助定位；
3. 必须可以正确获得当前地域星历数据；
4. 假如是冷启动，需要期待通讯芯片附着成功，接收到星历数据后，传输给定位模块；
5. 假如是温启动/热启动，亦需要重新搜星；

因而可知，只要上述条件满足的时辰，才能实现秒定位。假如是冷启动 + GPRS附着传输星历数据，现实上需要期待的时候也不短呢（甚至有能够定位模块已经3D Fix，GPRS才刚刚附着成功，把星历数据发过来）。

以上海XXXX科技有限公司的Air8xx系列模块为例，它的AGPS帮助定位根基流程以下：
1、装备从蜂窝基站获得到当前位置的小区信息；
2、装备经过蜂窝收集，将当前蜂窝小区信息传送给收集合的AGPS位购置事器；
3、APGS位购置事器按照当前小区信息查询该地区当前可用的卫星信息（包括卫星的频段、方位、仰角等相关信息），天生对应星历文件，并返回给装备；
4、通讯模块经过串口把收到的星历文件传输给定位模块；
5、定位模块按照星历文件，获得的可用卫星信息，快速找到当前可用的GPS卫星，针对性的搜星，大大提升定位时候。

接下来进入率土同庆的“你问我答”环节：

Q：我的模块没有GPS芯片，能否利用“AGPS帮助定位”实现定位？

A：固然不可。这个题目就相当于“我有增压器，没有策动机，能跑100迈吗”一样。“AGPS帮助定位”，只是帮助加速定位，而不是一项自力可用的定位办事。

Q：“AGPS帮助定位”能否进步定位精度？

A：不能，它只能加速定位速度。没法提升定位精度。

Q：若何按照NMEA-0183判定AGPS能否成功写入了呢？

A：看GGA、RMC的UTC时候能否被批改，看GSV数据能否天生；

GSV：

格式：
$--GSV,x,x,x,x,x,x,x,...*hh
例句：
$GPGSV,3,1,12,14,75,001,31,32,67,111,38,31,57,331,33,26,47,221,20*73

Q：“AGPS帮助定位”的星历文件消耗流量多吗？

A：很少，几k而已。

Q：星历文件能否需要定期更新？更新频次是几多？

A：需要按照自己的情况停止分析。假如是冷启动后，不封闭定位模块，下载一次“AGPS帮助定位”数据（星历文件）即可。运转中，定位模块内会自动天生对应的星历文件，无需反复下载；

假如是不按时启动、封闭，那末封闭4小时内启动是没需要更新的（“温启动”范围）；假如大于4小时，模块内保存的星历已生效，则必须更新星历文件（重新下载），否则和“冷启动”无异。

Q：能否自己搭建AGPS星历数据办事器？

A：可以。不外较麻烦。倡议利用我司供给的接口（请参考例程中agps.lua的代码）。

简述一下若何搭建。首先在NASA下载brdc当日的导航电文数据（以2022年2月1日为例）：

ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2022/brdc/brdc0320.18n.Z

（备用）ftp://igs.ensg.ign.fr/pub/igs/data/2022/032/brdc0320.18n.Z

GPS卫星的历书（Almanac）包括在导航电文的第四和第五子帧中，可以看做是卫星星历参数的简化子集。办事端收到客户真个请求，从导航电文中提取当日的星历，然后发送给客户端。

扩大阅读：《GPS卫星星历与历书》
GPS卫星星历与历书

Q：以GK9501定位芯片为例，怎样把“AGPS帮助定位”的数据发送给它？

A：请参考厂商供给的相关文档，以规定格式将数据经过串口发送给定位芯片。

Q：你为什么晓得那末多啊？

A：大如果由于我比力帅吧。

火星坐标（纠偏）篇

历经磨难，终究成功定位，获得正确输出。可是怎样看起来格式不太对呢，经度纬度都是4位、5位的，那岂不是要绕地球好几圈了？

实在这是NMEA-0183输出格式和我们平常利用的格式分歧酿成的误解。我们再来看一下GGA格式：

格式：
$--GGA,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x,xx,x.x,x.x,M,x.x,M,x.x,xxxx*hh
示例：
$GPGGA,065545.789,2109.9551,N,12023.4047,E,1,9,0.85,18.1,M,8.0,M,,*5E

有没有发现题目地点呢？

GGA输出格式：ddmm.mmmm（度-分）

平常利用格式：dd.dddddd（度）

那末若何把GGA输出的数据转换为我们平常利用的格式呢？学霸看一眼就会说，这个题目很简单嘛，balabala~~~作为学渣的我，一头雾水。

咳咳，还是间接套用公式吧。

公式以下：
ddmm.mmmm → 小数点前移两位 → dd.mmmm → dd + 0.(mmmm/60) = dd.dddddd
举例：
12023.4047 → 120.234047 → 120 + 0.(234047÷60) = 120.390078

经过如此换算，我们便可以把获得到的数值放到舆图软件里啦。

一切看似都很美好，可是……直到……你用了百度舆图……我靠，卧槽……为什么误差那末大？误差达几百米？

明显在楼里，为什么舆图显现我在河里？为什么！能否是定位模块有题目？还是我的又写了个bug？还是天线存在故障？黑人问号脸。

之所以会发生“误差”，这就触及到一个有关坐标系转换的题目：GCJ-02 火星坐标系统纠偏。

前文提到，模块输出数据的格式为NMEA-0183，利用的坐标系是WGS-84。凡是，国际上其他国家的舆图软件也都是利用WGS-84，相安无事。不外，中国国家测绘局要求一切处置地理丈量、舆图绘制的公司、单元机构、小我必须利用GCJ-02坐标系（G暗示Guojia国家，C暗示Cehui测绘，J暗示Ju局）。也就是说，国内的舆图软件大都是利用的GCJ-02坐标系。所以开辟者/用户假如将WGS-84的经纬度填入国内的舆图软件，就会发生极大的误差。

（一切的电子舆图、导航装备，都需要利用GCJ-02坐标系。第一步，舆图公司测绘舆图，测绘完成后，送到国家测绘局，将实在坐标WGS-84的电子舆图，加密成“GCJ-02火星坐标”，这样的舆图才是可以出书和公布的。第二步，一切的面向客户的装备厂商，要在软件中加入该转换算法，将定位模块输出的实在WGS-84坐标，转换成GCJ-02的坐标。这样一来，“以偏治偏”，坐标系才可以完全婚配，也就没有“误差”了）。

那末，能否是一切的国内舆图都利用了GCJ-02坐标系呢？非也……百度、搜狗又自成系统，自立坐标了。

其中百度较为特别，需要 WGS-84 → GCJ-02 → BD-09 两次转换。

由于转换算法较为复杂，本文不赘述。转换算法触及浮点运算，保举开辟者将运算使命交给办事端大概上位机。

为了方便测试，开辟者在此网址 http://www.openluat.com/GPS-Offset.html 测试纠偏结果。

开辟者按照数据格式填入对应的经纬度（支持ddmm.mmmm、dd.dddd和dd°mm′ss″），点击“坐标转换”按钮，即可看到纠偏后的结果。同时该页面也供给了坐标转换、坐标轴纠偏算法的下载。

接下来进入奔走相告的“你问我答”环节：

Q：为什么无中生有搞一个GCJ-02坐标系？用WGS-84不是挺好？

A：你哦，图样图森破了。加偏免费一次，定位装备纠偏免费一次。每年车机、定位终端出货量就是几亿台，能拉动几多GDP哟。

Q：假如我在本国的舆图软件上利用WGS-84可以吗？

A：没题目标，只是本国的舆图软件中，大陆数据更新滞后且不完整。

Q：假如我不触及舆图加偏/纠偏，仅需要速度、偏向角等数据能否遭到这个的影响呢？

A：纠偏仅是坐标值的转换，和其他数据无关。

Q：为什么保举开辟者把纠偏算法放在上位机呢？

A：由于单片机真的——算不外来。

Q：为什么感受GPS芯片上报的经纬度，在一个小范围内飘来飘去？

A：这个是需要软件静态抑漂的。可以采用技术手段停止过滤，比如设备速度门限——在低于一定速度时，以为是静止不动的。大概事前晓得用户处于什么活动形式，是静止、步行、还是开车。

Q：我发现纠偏后还是不够精准，定位误差较大，能不能做到真·厘米级定位？

A：可以哦。请看下文“细致入微的厘米级定位”。

未完待续……接下来更美好！