共享单车如何定位？中国自主研发北斗导航逐步代替美国GPS

共享单车大家都骑过，但是共享单车用的定位技术未必大家都懂。这期我们就来聊聊定位技术。

目前常用的定位方式有：GPS定位、基站定位、wifi定位、IP定位、RFID/二维码等标签识别定位、蓝牙定位、声波定位、场景识别定位。技术上可以采取以下一种或多种混合。先说下最常见的GPS定位。

1、GPS能带你去任何一个陌生的地方

GPS（Global Position System，全球定位系统），全称为NAVSTAR GPS（NAVigation Satellite Timing AndRanging Global Position System，导航星测时与测距全球定位系统）。GPS是一个由美国国防部开发的空基全天侯导航系统，它用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。

唠一唠GPS的发展历史：

1957年10月第一颗人造地球卫星SputnikⅠ发射成功，空基导航定位由此开始。

1958年开始设计NNSS-TRANSIT，即子午卫星系统；1964年该系统正式运行；1967年该系统解密以供民用。

1973年，美国国防部批准研制GPS;1991年海湾战争中，GPS首次大规模用于实战；

1994年，GPS全部建成投入使用；

2000年，克林顿宣布，GPS取消实施SA(对民用GPS精度的一种人为限制策略)。

目前，世界上可以提供精确定位的全球定位系统共有四种：美国的 GPS 定位系统、俄罗斯的格洛纳斯（Glonass）定位系统、中国的北斗定位系统、欧盟的伽利略定位系统。目前美国的 GPS 定位系统最为成熟，覆盖面也最广。

美国 GPS 系统的原理

以美国 GPS 系统为例，主要由三部分组成：空间星座，包括 21 颗工作卫星和 3 颗备用卫星；地面监控系统，包括 1 个主控站、3 个注入站和 5 个监控站组成；用户设备，即 GPS 接收机，主要作用是从 GPS 卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。

24 颗卫星均匀分布在 6 个轨道平面上，即每个平面上 4 颗卫星。各个轨道面都被设定为特定的角度。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻，每个接收机至少可以接收到 4 颗卫星的信号。每颗卫星每时每刻都在向全球播报自己的位置信号。

既然 GPS 接收端不向卫星发送任何信息，只是被动的接收卫星数据，而卫星只是在播报自己的位置，那么 GPS 系统是如何通过这些数据来确定用户的位置的？在这里，就不得不提定位系统中的重中之重——原子钟与 GPS 芯片。卫星广播自己位置信息时，会附上信息发出的时间，GPS 终端接收到信息后，用当前时间减去发送时间，乘以传播速度（光速），即得出终端与卫星的距离。读懂卫星发来的信息并进行相关运算，这些即是 GPS 芯片的核心功能。而为了能精确的测定接收终端与卫星的距离，在光速确定的情况下，时间必须精准，原子钟就是为了保证时间的精度。因为时间上再微小的误差，在乘以光速之后都会谬以千里。

但为什么是 4 颗？根据立体几何知识，三维空间中，三个坐标就可以确定一个点的位置。这样的话，只需要 3 颗卫星就足够了，多出一颗是做什么的呢？但事实上，要想进行定位，必须要四颗。

三颗卫星定位只是理想的状态下，光速的数字实在太大，对时间精度有极高的要求，同时，光速在大气中也会受到一定的影响而产生误差，卫星广播自己的位置也会有误差，这些误差的存在，使得 3 颗卫星不足以保证定位的精度。根据爱因斯坦相对论，快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步，这样每天 GPS 卫星都会产生 38 微秒的偏差，即每天将会增大 11 千米的误差，这种误差也必须进行补偿。

所以，要进行的有效的定位，必须引入第四颗卫星来提高定位精度。而在日常生活中，实际应用上的定位卫星数量往往大于这个数量，理论上 GPS 接收机搜到的卫星数量越多则定位越精准。

我国的北斗导航系统原理与美国GPS原理有何不同

以上是最常用的美国 GPS 导航系统定位原理，我国的北斗导航系统与之相比，其原理略有不同，在相关功能上有所创新，从应用的角度来说，相比 GPS，北斗导航系统有着不少独特的优势。

与美国 GPS 系统类似，北斗导航系统由空间段、地面段、用户段三部分组成。空间段，北斗导航系统计划由 35 颗卫星组成，包括 5 颗静止轨道卫星、27 颗中地球轨道卫星、3 颗倾斜同步轨道卫星。

地面段由主控站、注入站、监测站组成。主控站用于系统运行管理与控制，注入站用于向卫星发送信号，对卫星进行控制管理，用户段即用户的终端，接收机需要捕获并跟踪卫星的信号，根据数据按一定的方式进行定位计算。

第一代北斗导航系统的定位原理属于有源定位，需要用户终端主动发送信号，可靠性较差，最新的第二代北斗导航系统已采用了类似 GPS 的无源定位技术。即用户至少接收 4 颗卫星信号来定位。

由于卫星数量多于美国 GPS 定位系统，因此北斗定位系统的定位信号更强，精度也更高。而且北斗定位系统拥有独一无二的短报文传讯功能，可用于军事、救援、科研等许多方面。可同时解决“我在哪？”和“你在哪？”的问题。

2、除了GPS定位，最常见的还有基站定位。

什么是基站定位系统？

基站定位服务又叫做移动位置服务Location Based Service，简称LBS，它是通过电信移动运营商的网络(如GSM网)获取移动终端用户的位置信息(经纬度坐标)，在电子地图平台的支持下，为用户提供相应服务的一种增值业务，例如目前中国移动动感地带提供的动感位置查询服务等。

基站定位技术的原理就是利用基站与手机间的信号传播来实现定位。

移动通信网络由分布密集的基站组成，每个基站位置固定。手机在与基站通信时要上报TA（手机信号到达基站的传播时间）、服务基站的信号强度、邻居基站的信号强度等信息。我们可以通过这些信息来计算出手机的大致位置。比如，TA计算出基站与手机的距离，再通过手机中接收到的附近基站的信号强度、TA差值等来计算方位。

基站定位技术的优点有：LBS定位方便、成本低，因为它是通过手机进行定位的。理论上说，只要计算三个基站的信号差异，就可以判断出手机所在的位置，而且用户所持终端只需一部手机即可。因此，只要用户手机有信号，就可以随时进行位置定位，而不受天气、高楼、位置等影响。

缺点：定位精度随所处位置基站数不同会有变化，误差大概50-500米左右，在偏远地区或手机信号塔较小的地区，这个误差值可能会更大。

随着科技日益发展，相对于卫星适用于室外精准定位，基站适用于室内定位的情况，第三种定位方式出现了，那就是“卫星”+“基站”，此类产品同时内嵌了GPS芯片和基站定位技术，能在二种定位方式中间自由切换，当终端搜不到卫星的时候会以基站方式定位，而到了室外一旦搜星成功，终端会自动切换到GPS定位。二种技术来回切换，只为带您最准确的位置信息。

3、此外，还有Wifi AP定位

Wi-Fi也能够对用户进行定位。因为在Android、iOS和Windows Phone这些手机操作系统中内置了位置服务，由于每一个Wi-Fi热点都有一个独一无二的Mac地址，智能手机开启Wi-Fi后就会自动扫描附近热点并上传其位置信息，这样就建立了一个庞大的热点位置数据库。这个数据库是对用户进行定位的关键。设备只要侦听一下附近都有哪些热点，检测一下每个热点的信号强弱，然后把这些信息发送给网络上的服务端。服务器根据这些信息，查询每个热点在数据库里记录的坐标，然后进行运算，就能知道客户端的具体位置了。一次成功的定位需要两个先决条件：客户端能上网 ，侦听到的热点的坐标在数据库里有。

具体来说，Wi-Fi能够定位，原理是这样的：

1、每一个无线AP（路由器）都有一个全球唯一的MAC地址，并且一般来说无线AP在一段时间内不会移动；

2、设备在开启Wi-Fi的情况下，即可扫描并收集周围的AP信号，无论是否加密,是否已连接，甚至信号强度不足以显示在无线信号列表中，都可以获取到AP广播出来的MAC地址；

3、设备将这些能够标示AP的数据发送到位置服务器,服务器检索出每一个AP的地理位置，并结合每个信号的强弱程度,计算出设备的地理位置并返回到用户设备；

4、位置服务商要不断更新、补充自己的数据库，以保证数据的准确性。

4、RFID、二维码定位：

RFID、二维码定位是通过设置一定数量的读卡器和架设天线，根据读卡器接收信号的强弱、到达时间、角度来定位。目前无法做到精准定位，布设读卡器和天线需要有大量的工程实践经验难度大，另外从成本上来讲WIFI经济实用些。另外，室内定位无法依靠GPS卫星，主要只能依靠室内设备。可以使用WLAN和RFID来实现。