发布时间：2021-12-29作者来源：hahabet甄选浏览：1283
【导读】
本文咱们就说说和物联网关系密切的卫星定位那些事儿。
过去，如果你的女友是个路痴，大概会有这样的对话……
——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“禁止停车 违者罚款”。
——姑奶奶，我真是服了你了……
——哼，你是不是不爱我了，你肯定是不爱我了，你是不是喜欢上了新来的那个前台？
——。。。
——我跟你说那个前台[敏感词]是个伪娘！（开启八卦模式）还有还有，小王买了个新口红真好看，你也给我买好不好……
——（一脸崩溃的表情）
（路人甲：你是不可能有女友的！）
现在，如果你的女友是个路痴……
——你在哪儿啊？
——我发定位给你！乖乖的来接老娘。
——遵命。。。
作为一个标准路痴，曾经有N次陷入绝境黑历史。正所谓：手持一纸地图，双眼紧盯道路，环顾四周茫然，我现身在何处？
后来随着智能手机的普及，我以为情况能有所改善，后来才发现是我想多了——为嘛xx地图、xx导航还是总让我往死胡同里跑，非让我开车过湖？
再后来，随着手机操作系统的迭代，芯片的升级，定位才慢慢变得精准、可靠。我再也不用湖里游泳了……当然，这都是后话了。
（哥开的不是车，是！寂！寞！）
慢慢的随着了解的深入，才明白原来定位有这么多区别，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。
|
定位方式 |
定位原理 |
定位方案 |
应用场景 |
成本 |
设备要求 |
精度 |
|
基站定位 |
上报设备周边基站信息，服务器查表、解析并返回定位结果 |
单基站定位 多基站定位 |
室外 |
极低 |
设备成本低 需后端支持* |
500m |
|
卫星定位 |
使用天线搜索卫星向地表发射的电波，解算后输出定位结果 |
多星定位 |
室外 |
较低 |
设备成本低 |
5m |
|
差分定位 |
卫星+结合基准站的数据进行定位 |
多星定位 |
室外 |
很高 |
设备成本高 需专有后端支持* |
5mm |
|
BLE iBeacon |
使用设备接收蓝牙信号，根据信号强弱计算距离，输出定位结果 |
单点定位 多点定位 |
室内 |
较高 |
设备成本较高 |
30cm |
|
RFID |
使用设备接收射频信号，根据信号强弱计算距离，输出定位结果 |
单点定位 多点定位 |
室内 |
很高 |
设备成本较高 |
10cm |
|
Wi-Fi |
上报设备周边路由器MAC信息，服务器查表、解析并返回定位结果 |
单机定位 多机定位 |
室内 |
较低 |
设备成本低 需后端支持* |
10m |
|
IP 定位 |
上报目标设备公网IP地址，服务器查表并返回定位结果 |
- |
不限 |
极低 |
设备成本低 需后端支持* |
10km |
|
佛系 |
手持佛珠 念念有词 |
- |
不限 |
0成本 |
无需设备 |
随缘 |
“需后端支持”指需要连接到服务器进行数据解析，才能获得定位结果；
“需专有后端支持”指可能需要付费才能获得相关数据，终端设备才可以进行定位。
本文咱们就说说和物联网关系最密切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年开始研发，1964年投入使用，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、任何时间都可观测到4颗以上的GPS卫星。GPS卫星向地球发射导航电文（系统时间、星历、历书、卫星时钟修正参数、导航卫星健康状况、电离层延时参数等内容），GPS终端收到卫星发送的数据，经解算即可确定当前位置，并以NMEA0183格式，WGS-84坐标系输出数据。
也许有的读者会问，万一卫星坏了怎么办，GPS岂不是要失准了？其实这个担心是多余的啦，轨道上不仅有备用卫星，每年NASA也会委托Space X补发和替换寿终的卫星。
当然，卫星定位系统不是GPS一家独大的。只是因为GPS的先驱地位，所以很多人也都习惯性的把所有卫星定位系统都称之为“GPS”。
毕竟，使用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，他们可以随意调节某地区的定位精度（如中东地区），甚至让终端设备解算结果南辕北辙。而且GPS卫星是单向广播的，不具备双向通信能力，功能略显单一。
有鉴于此，很多国家也都在建设或已建成卫星定位系统。如中国的北斗(BeiDou)、欧洲的伽利略(Galileo)、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)、印度的IRNSS等。
目前，中国的BeiDou北斗已经具备商用能力。配合基准站，甚至能给客户提供[敏感词]到毫米的定位服务。同时，BeiDou北斗也弥补了GPS的不足，具备短报文能力（驴友、海航必备。绝非手机的基站可比拟，只是资费超超超感人）。
既然太空中有那么多卫星，又有那么多种不同的卫星定位系统，那么如何知道某一片区域是否有定位卫星覆盖，以及有哪些卫星覆盖呢？Android手机请在应用商店搜索“GPS Data+”并安装，打开后即可看到当前正在使用的定位卫星：
由于智能手机操作系统、定位芯片、天线、算法的差异，所以并不能搜索到所有用于定位的卫星系统。通常来说，智能手机只能搜到并使用部分（如图，即GPS+Beidou+GLONASS+QZSS，没有Galileo、IRNSS）。
各导航系统不同频段的工作频率
|
导航系统 |
国家 |
频段 |
工作频率 |
||
|
GPS |
美国 |
L1 |
1575.42MHZ ±1.023MHZ |
||
|
L2 |
1227.60MHZ ±1.023MHZ |
||||
|
L5 |
1176.45MHZ ±1.023MHZ |
||||
|
GLONASS |
俄罗斯 |
L1 |
1602.5625MHZ ±4MHZ |
||
|
L2 |
1246.4375MHZ ±4MHZ |
||||
|
BD1 |
中国 |
S |
2491.75MHZ ±4.08MHZ |
||
|
L |
1615.68MHZ ±4.08MHZ （左旋圆极化） |
||||
|
BD2 |
B1 |
1561.098MHZ ±2.046MHZ |
|||
|
B2 |
1207.520MHZ ±2.046MHZ |
||||
|
B3 |
1268.520MHZ ±10.23MHZ |
||||
|
Galileo |
欧洲 |
L1 |
1575.420MHZ ±1.023MHZ |
||
|
E5b |
1207.140MHZ ±1.023MHZ |
||||
|
E5a |
1176.450MHZ ±1.023MHZ |
||||
|
E6 |
1278.750MHz ±1.023MHZ |
||||
|
QZSS |
日本 |
L1C |
L1CD |
1575.42 MHz |
|
|
L1CP |
|||||
|
L1-C/A |
|||||
|
L2C |
1227.6 MHz |
||||
|
L5 |
L5I |
1176.45 MHz |
|||
|
L5Q |
|||||
|
L1-SAIF |
1575.42 MHz |
||||
|
LEX |
1278.75 MHz |
||||
|
IRNSS |
印度 |
L5 |
1176.45 MHz |
||
|
S |
2492.028 MHz |
||||
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还可以给日本地区提供高精度定位服务；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，日后等到Galileo系统正式提供服务，QZSS也能实现Galileo系统的补充。
接下来进入喜闻乐见的“你问我答”环节：
Q：为什么有的时候手机定位还是很慢？
A：信号问题、基带问题等，一切皆有可能。如果想要提高定位精度，最简单方式就是——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刘海屏不好看啊，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，好像很牛逼，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：北斗的短报文资费究竟有多感人？
A：十几块一条吧。你可以去某猫、某宝查看一下报价。
至于说语音通信，也有海事卫星电话可用，不同国家资费不同，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，怎么样，用的起吗？
Q：既然已有GPS，为什么还要重造轮子？
A：因为GPS的L1、L5是民码，大众可用。中美科技战升级之际，芯片已被扼住咽喉，定位系统这一“隐私”岂可掌握在他人之手？
Q：卫星定位系统只在地表有用吗？
A：非也。负海拔地区（只要有信号）、空中、甚至大气层外都可以。需要注意的是，水体、岩石等密度高的物体内无法使用。
大气层外使用，还要注意广义相对论对时钟造成的影响。
Q：《007 明日帝国》中，大反派使用了某种很牛逼的设备，通过某些手段改变了卫星参数，劫持了一艘船，这种事情可能发生吗？
A：这种事情，世界上已经发生过了。
因为GPS信号没有认证方式，且信号极弱，非常容易被劫持。例如HackRF One就可以模拟并发射GPS信号；甚至让大疆无人机在禁飞区起飞。
伊朗也是用过类似的技术，成功捕获美国的无人机。
Q：最少搜到多少颗卫星才能定位成功呢？
A：因为采用三角定位的原理，所以至少3颗卫星才能实现精准定位；具体要求如下：
|
使用卫星数 |
能否定位 |
备注 |
|
0 |
无法定位 |
|
|
1 |
无法定位 |
可以更新UTC时间和日期； |
|
2 |
无法定位 |
|
|
3 |
可实现2D Fix，输出经纬度 |
不可输出海拔信息 |
|
4 |
可实现3D Fix |
可输出正确海拔信息 |
|
>4（多频） |
可实现3D Fix |
可输出伪距 |
Q：你为什么懂得那么多啊？
A：大概是因为我比高吧。
有的人会问，既然天上多卫星，为什么我看输出结果只是用了其中有限的几个呢？这是因为单片机使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），无法做到同时兼容3个频段。所以通常是单选GPS或北斗；或者是GPS+北斗、GPS+GLONASS等两两组合的方式。
有的开发者实测时发现，为什么代码无误，但是定位模块就是搜不到卫星，无法定位呢？
实际上排查这种问题既简单，又复杂。之所以说简单的，是因为搜不到卫星唯一的原因就是信号问题。复杂是因为即便知道了病因，开发者也可能会觉得束手无策。
信号问题，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，结合“望闻问切”的方法，针对可能出现的问题逐项击破。
首先，开发者应谨记，任何时候都应该避免空间上存在异物遮蔽天线（如树木、建筑、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）。应确保测试环境是空旷的，无遮挡的，信号良好的。
之所以一直在强调天线、信号、无遮挡，是因为卫星的发射功率并不大，信号到达地面时已经很弱。这种信号强度相当于1.6万公里外一个25瓦的灯泡发出的光。再做个比喻，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，都会表现为无法定位，或者定位慢。那么，如何判断究竟是信号问题导致的定位慢，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
|
名称 |
样例 |
单位 |
描述 |
|
消息ID |
$GPGGA |
|
GGA 协议头 |
|
UTC 时间 |
065545.789 |
|
hhmmss.sss |
|
纬度 |
2109.9551 |
|
ddmm.mmmm |
|
N/S |
N |
|
N=北，S=南 |
|
经度 |
12023.4047 |
|
dddmm.mmmm |
|
E/W |
E |
|
W=西，E=东 |
|
定位指示 |
1 |
|
0:未定位 1:SPS 模式，定位有效 2:差分，SPS 模式，定位有效 3:PPS 模式，定位有效 |
|
卫星数目 |
9 |
|
范围 0 到 12 |
|
HDOP |
0.85 |
|
水平精度 |
|
MSL 幅度 |
18.1 |
米 |
|
|
单位 |
M |
米 |
|
|
大地 |
-2.2 |
米 |
|
|
单位 |
M |
|
- |
|
差分时间 |
|
秒 |
当没有 DGPS 时，无效 |
|
差分站ID |
|
|
|
|
校验和 |
*5E |
|
|
|
|
|
|
消息结束 |
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
|
名称 |
样例 |
单位 |
描述 |
|
消息ID |
$GPRMC |
|
RMC 协议头 |
|
UTC 时间 |
100646.000 |
|
hhmmss.sss |
|
状态 |
A |
|
A=数据有效；V=数据无效 |
|
纬度 |
2109.9704 |
|
ddmm.mmmm |
|
N/S |
N |
|
N=北，S=南 |
|
经度 |
11123.4219 |
|
dddmm.mmmm |
|
E/W |
E |
|
W=西，E=东 |
|
地面速度 |
0.257 |
Knot（节） |
|
|
方位 |
335.62 |
度 |
|
|
日期 |
291216 |
|
ddmmyy |
|
磁变量 |
|
|
- |
|
校验和 |
*59 |
|
|
|
|
|
|
消息结束 |
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
|
名称 |
样例 |
单位 |
描述 |
|
消息ID |
$GPGSA |
|
GSA 协议头 |
|
模式 1 |
A |
|
M=手动（强制在2D或3D模式） A=自动 |
|
模式 2 |
3 |
|
1:定位无效 2:2D 定位 3:3D 定位 |
|
卫星使用 |
10 |
|
通道1 |
|
卫星使用 |
24 |
|
通道2 |
|
卫星使用 |
12 |
|
通道3 |
|
卫星使用 |
32 |
|
通道4 |
|
卫星使用 |
25 |
|
通道5 |
|
卫星使用 |
21 |
|
通道6 |
|
卫星使用 |
15 |
|
通道7 |
|
卫星使用 |
20 |
|
通道8 |
|
,,, |
,,, |
,,, |
|
|
卫星使用 |
|
|
通道12 |
|
PDOP |
1.25 |
|
位置精度 |
|
HDOP |
0.85 |
|
水平精度 |
|
VDOP |
0.91 |
|
垂直精度 |
|
校验和 |
*04 |
|
|
|
|
|
|
消息结束 |
如果GGA中的UTC时间错误，定位指示为0，卫星数目不为0；或者RMC的UTC时间错误，日期错误；GSA中卫星数目不为0，但是载噪比都很低，则可能是搜星慢，定位慢，信号差；
如果GGA中的UTC时间错误，定位指示为0，卫星数目始终为0；或者RMC的UTC时间错误，日期错误；GSA完全没有任何有效输出，则可能是完全无信号。
对于搜星慢，定位慢，信号差的情况，应改善天线设计，保证天线面朝上的安装使用状态；并且天线周边没有金属物件遮挡，无射频干扰；在空间容许的情况下尽量选择大尺寸的陶瓷天线，必要时应使用有源天线。
对于完全无信号的情况，大概率是天线设计错误。譬如，没有给有源天线开启供电，错误使用天线型号（如芯片仅支持GPS，天线仅支持北斗；错误的使用GSM天线接收信号）等。
扩展阅读：《Luat模块GPS天线设计建议》
//blog.sina.com.cn/s/blog_5b0121350102xy8v.html
还有一种常见情况是开发者在室内（含窗口、窗台）进行测试，这是不行的。因为室内没有卫星信号，并不能实现定位。
如果开发者不便于去户外进行测试，可以在某宝搜索“GPS 转发”并购买相关设备。这样一来，开发者就不用“风吹日晒，饱经风雨”的，“不辞辛劳”的在户外调试啦。
接下来进入大快人心的“你问我答”环节：
Q：有没有体积小、信号好强的天线？
A：鱼和熊掌不可兼得。只有最适合的，没有最好的。
Q：NMEA-0183哪里格式说明呢？
A：请到//www.openluat.com/产品中心的GPS模块“下载中心”下载。
Q：GNSS和GPS什么关系啊？
A：严格来说，GPS∈GNSS。
所有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体现，例如：GNGGA，GPGGA，BDGGA，即“混合定位”（多卫星系统）、“GPS定位”、“北斗定位”。
语句标识符：
|
标识符 |
含 义 |
|
BD |
BDS,北斗二代卫星系统 |
|
GP |
GPS |
|
GL |
GLONASS |
|
GA |
Galileo |
|
GN |
GNSS,全球导航卫星系统 |
Q：GGA、RMC、RSV有什么分别？
A：都是NMEA-0183标准的要求。他们的释义如下：
|
标识符 |
含 义 |
|
GGA |
时间、位置、卫星数量、定位方式 |
|
GSA |
GPS 接收机操作模式，定位使用的卫星，DOP值，定位状态 |
|
GSV |
可见GPS卫星信息、仰角、方位角、信噪比 |
|
RMC |
时间、日期、位置、速度 |
|
VTG |
地面速度信息 |
Q：UTC时间有办法换算成当地时间吗？
A：陆地的话，因为很多国家可能跨越非常多的时区，却使用统一时间，所以只能查表啦（如北京时间UTC+8）。如果是海洋，则根据经度计算时区。
Q：有没有手机能用的，测试GPS的，比较牛逼的app？
A：Android：GPS Status；GPS Test+；GPS Data+
iOS：GPS Test+
Q：为什么手机定位那么快那么准，定位模块那么慢，误差还很大？
A：因为手机是牺牲个人隐私为前提的多重定位（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。但是使用“AGPS辅助定位”后，一样可以做到秒定位。
Q：你为什么懂得那么多啊？
A：大概是因为我比较富吧。
PS: 那么，怎么使用“AGPS辅助定位”呢？请关注下文哦。
为什么信号极好的情况下，定位速度也不快？有没有办法实现“秒定位”呢？答案当然是肯定的啦。
常规情况下，定位模块上电开机后，通过天线搜索卫星，解析卫星发射的数据（导航电文），然后内部生成星历，再经过复杂的计算，从而得到当前[敏感词]的位置（3D Fix）。这个过程称之为“冷启动”。根据信号强度、芯片运算能力，通常耗时几十秒到几分钟不等。
这个过程中，搜星+生成星历文件耗时最久。
不过有的读者可能会问，为什么有的时候定位模块只用了几秒就成功定位了呢？原因有二：1、非“冷启动”方式，即“温启动”或“热启动”；
2、使用了AGPS辅助定位。
那么，“冷启动”、“温启动”和“热启动”有什么区别呢？也许大家会以为，这里的“X启动”和电脑的开机、待机（睡眠）、重启近似吧？实际上并非如此哦。由于卫星所处空间位置、终端设备所处地表位置是不固定的，所以此处的“X启动”都是以最后一次定位时间和位移距离作为判断依据的：
|
启动方式 |
解释 |
自主秒定位* |
辅助秒定位* |
|
冷启动 |
1、初次使用时； 2、电池耗尽导致星历信息丢失时； 3、关机状态下，移动1000公里以上距离时。 |
× |
√ |
|
温启动 |
距离上次定位时间超过2个小时，不足4个小时； 没有较大距离的位移发生。 |
√ |
√ |
|
热启动 |
距离上次定位时间不足2个小时； 没有较大距离的位移发生。 |
√ |
√ |
自主秒定位：根据模块内保存的星历，实现快速搜星、定位。
辅助秒定位：使用AGPS辅助，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主秒定位的。
那么，什么又是“AGPS辅助定位”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，因而耗时较长。而“AGPS辅助定位”方式，是通过网络直接下载当前地区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，从而提高了搜星速度，减少设备耗电。
举个例子：冷启动像是多项选择题，要把所有选项计算一遍，才能找到正确答案；而“AGPS辅助定位”就像是[敏感词]，排除掉了很多错误答案，只要计算少数几个即可。从而提高效率和准确率。
不过，这个世界上没有圣杯，“AGPS辅助定位”不是万金油。它的应用条件还是需要比较苛的：
·卫星信号接收条件必须良好，至少可观测到4颗卫星（如果有条件，推荐使用有源天线）；
定位芯片必须支持AGPS辅助定位；
必须可以准确获取当前地区星历数据；
如果是冷启动，需要等待通信芯片附着成功，接收到星历数据后，传输给定位模块；
如果是温启动/热启动，亦需要重新搜星；
由此可见，只有上述条件满足的时候，才能实现秒定位。如果是冷启动 + GPRS附着传输星历数据，实际上需要等待的时间也不短呢（甚至有可能定位模块已经3D Fix，GPRS才刚刚附着成功，把星历数据发过来）。
以上海合宙通信科技有限公司的Air8xx系列模块为例，它的AGPS辅助定位基本流程如下：
1、设备从蜂窝基站获取到当前位置的小区信息；
2、设备通过蜂窝网络，将当前蜂窝小区信息传送给网络中的AGPS位置服务器；
3、APGS位置服务器根据当前小区信息查询该区域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），生成对应星历文件，并返回给设备；
4、通信模块通过串口把收到的星历文件传输给定位模块；
5、定位模块根据星历文件，得到的可用卫星信息，快速找到当前可用的GPS卫星，针对性的搜星，大大提升定位时间。
接下来进入普天同庆的“你问我答”环节：
Q：我的模块没有GPS芯片，能否使用“AGPS辅助定位”实现定位？
A：当然不行。这个问题就相当于“我有增压器，没有发动机，能跑100迈吗”一样。“AGPS辅助定位”，只是辅助加速定位，而不是一项独立可用的定位服务。
Q：“AGPS辅助定位”能否提高定位精度？
A：不能，它只能加快定位速度。无法提升定位精度。
Q：如何根据NMEA-0183判断AGPS是否成功写入了呢？
A：看GGA、RMC的UTC时间是否被修正，看GSV数据是否生成；
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
|
名称 |
样例 |
单位 |
描述 |
|
消息ID |
$GPGSV |
|
GSV 协议头 |
|
消息数目 |
3 |
|
1~3 |
|
消息编号 |
1 |
|
1~3 |
|
卫星数目 |
12 |
|
|
|
卫星ID |
14 |
|
1~32 |
|
仰角 |
75 |
度 |
0~90 |
|
方位角 |
001 |
度 |
0~359 |
|
载噪比（C/No） |
31 |
dBHz |
0~99（无跟踪时为空） |
|
卫星ID |
32 |
|
1~32 |
|
仰角 |
67 |
度 |
0~90 |
|
方位角 |
111 |
度 |
0~359 |
|
载噪比（C/No） |
38 |
dBHz |
0~99（无跟踪时为空） |
|
卫星ID |
31 |
|
1~32 |
|
仰角 |
57 |
度 |
0~90 |
|
方位角 |
331 |
度 |
0~359 |
|
载噪比（C/No） |
33 |
dBHz |
0~99（无跟踪时为空） |
|
卫星ID |
26 |
|
1~32 |
|
仰角 |
47 |
度 |
0~90 |
|
方位角 |
221 |
度 |
0~359 |
|
载噪比（C/No） |
20 |
dBHz |
0~99（无跟踪时为空） |
|
校验和 |
*73 |
|
|
|
|
|
|
消息结束 |
Q：“AGPS辅助定位”的星历文件消耗流量多吗？
A：很少，几k而已。
Q：星历文件是否需要定期更新？更新频率是多少？
A：需要根据自己的情况进行分析。如果是冷启动后，不关闭定位模块，下载一次“AGPS辅助定位”数据（星历文件）即可。运行中，定位模块内会自动生成对应的星历文件，无需重复下载；
如果是不定时启动、关闭，那么关闭4小时内启动是没必要更新的（“温启动”范畴）；如果大于4小时，模块内保存的星历已失效，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星历数据服务器？
A：可以。不过较麻烦。建议使用我司提供的接口（请参考例程中agps.lua的代码）。
简述一下如何搭建。首先在NASA下载brdc当日的导航电文数据（以2018年2月1日为例）：
ftp://cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/daily/2018/brdc/brdc0320.18n.Z
（备用）ftp://igs.ensg.ign.fr/pub/igs/data/2018/032/brdc0320.18n.Z
GPS卫星的历书（Almanac）包含在导航电文的第四和第五子帧中，可以看作是卫星星历参数的简化子集。服务端收到客户端的请求，从导航电文中提取当日的星历，然后发送给客户端。
扩展阅读：《GPS卫星星历与历书》
//blog.csdn.net/Csdn_Darry/article/details/72052686
Q：以GK9501定位芯片为例，怎么把“AGPS辅助定位”的数据发送给它？
A：请参考厂商提供的相关文档，以规定格式将数据通过串口发送给定位芯片（请参考例程中agps.lua的代码）。
扩展阅读：《AIR系列GPS模块测试用例》
//blog.sina.com.cn/s/blog_5b0121350102xy8w.html
Q：你为什么懂得那么多啊？
A：大概是因为我比较帅吧。
历经磨难，终于成功定位，获取正确输出。但是怎么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？
其实这是NMEA-0183输出格式和我们日常使用的格式不同造成的误解。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
|
名称 |
样例 |
单位 |
描述 |
|
消息ID |
$GPGGA |
|
GGA 协议头 |
|
UTC 时间 |
065545.789 |
|
hhmmss.sss |
|
纬度 |
2109.9551 |
|
ddmm.mmmm |
|
N/S |
N |
|
N=北，S=南 |
|
经度 |
12023.4047 |
|
dddmm.mmmm |
|
E/W |
E |
|
W=西，E=东 |
|
（省略部分GGA） |
|||
有没有发现问题所在呢？
GGA输出格式：ddmm.mmmm（度-分）
日常使用格式：dd.dddddd（度）
那么如何把GGA输出的数据转换为我们日常使用的格式呢？学霸看一眼就会说，这个问题很简单嘛，balabala~~~作为学渣的我，一头雾水。
咳咳，还是直接套用公式吧。
公式如下：
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，我们就可以把获取到的数值放到地图软件里啦。
一切看似都很美好，但是……直到……你用了百度地图……我靠，卧槽……为什么误差那么大？偏差达几百米？
明明在楼里，为什么地图显示我在河里？为什么！是不是定位模块有问题？还是我的又写了个bug？还是天线存在故障？黑人问号脸。
之所以会产生“偏差”，这就涉及到一个有关坐标系转换的问题：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，使用的坐标系是WGS-84。通常，国际上其他国家的地图软件也都是使用WGS-84，相安无事。不过，中国国家测绘局要求所有从事地理测量、地图绘制的公司、单位机构、个人必须使用GCJ-02坐标系（G表示Guojia国家，C表示Cehui测绘，J表示Ju局）。
也就是说，国内的地图软件大都是使用的GCJ-02坐标系。所以开发者/用户如果将WGS-84的经纬度填入国内的地图软件，就会产生极大的偏差。
（所有的电子地图、导航设备，都需要使用GCJ-02坐标系。第一步，地图公司测绘地图，测绘完成后，送到国家测绘局，将真实坐标WGS-84的电子地图，加密成“GCJ-02火星坐标”，这样的地图才是可以出版和发布的。第二步，所有的面向客户的设备厂商，要在软件中加入该转换算法，将定位模块输出的真实WGS-84坐标，转换成GCJ-02的坐标。这样一来，“以偏治偏”，坐标系才可以完全匹配，也就没有“偏差”了）
那么，是不是所有的国内地图都使用了GCJ-02坐标系呢？非也……百度、搜狗又自成体系，自立坐标了。
|
坐标系 |
地图 |
|
WGS-84 |
Google Map Bing Map Here Map etc. |
|
CGJ-02 |
高德地图 腾讯地图 谷歌地图（中国） 等 |
|
BD-09 |
百度地图 |
|
其他 |
搜狗地图 |
其中百度较为特殊，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。转换算法涉及浮点运算，推荐开发者将运算任务交给服务端或者上位机。
为了方便测试，开发者在此网址//www.openluat.com/GPS-Offset.html测试纠偏效果。
开发者根据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，即可看到纠偏后的效果。同时该页面也提供了坐标转换、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。加偏收费一次，定位设备纠偏收费一次。每年车机、定位终端出货量就是几亿台，能拉动多少GDP哟。
Q：如果我在外国的地图软件上使用WGS-84可以吗？
A：没问题的，只是外国的地图软件中，大陆数据更新滞后且不完整。
Q：如果我不涉及地图加偏/纠偏，仅需要速度、方向角等数据是否受到这个的影响呢？
A：纠偏仅是坐标值的转换，和其他数据无关。
Q：为什么推荐开发者把纠偏算法放在上位机呢？
A：因为单片机真的——算不过来。
Q：为什么感觉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。可以采用技术手段进行过滤，比如设置速度门限——在低于一定速度时，认为是静止不动的。或者事先知道用户处于什么运动模式，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”。
通常情况下，GPS提供5m左右的定位精度，可以满足大多数大多数情况下的定位需求。不过，有一些场景，有更高精度的定位需求。譬如测绘、滑坡监控、无人机、无人驾驶汽车等。
基于GPS的特性，很难提供亚米级的定位，那么如何是好呢？经过N次技术创新和持久的基准站建设，现在可以做到覆盖全国的厘米级定位技术。
其实简单来说，高精度定位的核心就是消除误差。卫星定位精度不高，是因为误差积累导致，只要把可控的误差消除到[敏感词]，就能获得更高精度的定位结果。
卫星定位的误差来源通常有：
|
误差来源 |
误差项 |
误差原因 |
定位误差影响 |
|
卫星 |
卫星星历误差 |
星历中，卫星空间位置与卫星实际位置间的偏差 |
- |
|
卫星钟差 |
指GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别 |
偏差和漂移和漂移总量仍在1ms～0.1ms以内，由此引起的等效误差将达到300km～30km |
|
|
SA干扰误差 |
SA误差是美国军方为了限制非特许用户利用GPS进行高精度点定位而采用的降低系统精度的政策 |
- |
|
|
相对论效应的影响 |
由于卫星钟和接收机所处的状态(运动速度和重力位) 不同引起的卫星钟和接收机钟之间的相对误差 |
20~30km |
|
|
传播路径 |
电离层折射 |
当GPS信号通过电离层时,与其他电磁波一样,信号的路径要发生弯曲,传播速度也会发生变化,从而使测量的距离发生偏差 |
- |
|
对流层折射 |
GPS信号通过对流层时,也使传播的路径发生弯曲,从而使测量距离产生偏差 |
- |
|
|
多路径效应 |
测站周围的反射物所反射的卫星信号(反射波)进入接收机天线,将和直接来自卫星的信号(直接波) 产生干涉,从而使观测值偏离 |
|
|
|
接收机 |
接收机钟差 |
GPS 接收机一般采用高精度的晶振。接收机的钟面时与GPS标准时之间的差异称为接收机钟差 |
|
|
接收机的位置误差 |
接收机天线相位中心相对测站标石中心位置的误差 |
|
|
|
接收机天线相位中心偏差 |
观测时，天线的相位中心随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，这种差别叫天线相位中心的位置偏差 |
|
|
|
|
计算误差 |
由于算法、硬件不稳定、辐射或热电效应等造成的计算错误 |
|
那么，如何修正这些误差误差，使得定位结果更精准呢？需要基准站通过数据链，将其载波观测值及基准站坐标信息一同传送给用户站，用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行及时处理，能及时给出厘米级的定位结果。
通常，我们提到的DGPS指RTD，即Real Time Differential，伪距差分。基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出差分改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。从而实现亚米级定位。
厘米级定位，则需要用到RTK，即Real Time Kinematic，载波相位差分，实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标，从而实现厘米级定位。
文字太空洞，举例说明：BOSS告诉人力，给你发工资￥8848.00。人力听错了，发给你￥8844.00。收到工资之后，觉得不太对——数字的谐音，这不是变相骂人嘛。
你赶紧登陆ERP查询，提交实发工资金额￥8844，查询一下。嚯，不得了，系统一阵卡机（查询后台中），然后duang的一声告诉你——少发了￥4.00。你去找人力，要回来了差额￥4.00，喜提锤子R1。
在这个故事中：
“BOSS”就是卫星——负责传达指令，不处理具体事物；
“人力”就是传播路径——上情下达，产生误差；
“ERP查询返值”就是基准站——根据“用户站”上传的数据，下发的“工资改正数”；
而你，就是用户站——将“接收值”（￥8844.00）上传给“基准站”，获得“工资改正数”（-￥4.00），你就知道是少发了￥4.00。经过计算（￥8844.00+￥4.00）即可求得正确解（￥8848.00）。
颇有点区块链的感觉了，不是吗？
扩展阅读：《DGPS与RTK的区别》
//blog.csdn.net/foreverhuylee/article/details/25693893
目前，服务覆盖全国范围的，只有千寻位置®。
（千寻位置®是由中国兵器工业集团和阿里巴巴集团共同发起成立。千寻位置基于北斗卫星系统（兼容GPS、GLONASS、Galileo）基础定位数据，利用遍及全国的超过2000个地基增强站及自主研发的定位算法，通过互联网技术进行大数据运算，为遍布全国的用户提供精准定位及延展服务）
用户在千寻位置®购买相关套餐后，可以使用千寻位置®提供的SDK或NTRIP协议接收RTCM差分数据。
|
开发方式 |
支持架构 |
账号认证 |
上传语句 |
挂载点 |
返回数据格式 |
|
|
SDK |
Android iOS Windows STM32 |
自动 |
GGA |
- |
RTCM |
|
|
NTRIP |
不限 |
Base64编码传输 |
GGA |
RTD |
RTCM32_GGB |
RTCM3.2 |
|
RTCM23_GPS |
RTCM2.3 |
|||||
|
RTK |
RTCM32_GGB |
RTCM3.2 |
||||
|
RTCM30_GG |
||||||
参考资料：//www.qxwz.com/help-document-location-service.html
//www.qxwz.com/help-document-common-find-config-service.html
由于NTRIP认证方式较繁琐，所以本文不再赘述，有兴趣的读者可以点击下方链接了解更多内容：
扩展阅读：《Ntrip通讯协议》
//www.cnblogs.com/hanford/p/6028156.html
定位效果如此拔群，当然条件也相当苛刻啦：
定位芯片必须支持差分数据解算；
场地净空条件良好，尽量不要有任何遮挡（高楼、树木等）；
SNR应大于40；
设备具有接收数据的能力（网络接入）；
流量消耗很高；
测量点在基准站覆盖范围内；
固定解耗时较久。
我们可以通过模块输出的GGA语句判断当前定位状态：
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,5,9,0.85,18.1,M,8.0,M,1,0999,*5E
|
名称 |
样例 |
单位 |
描述 |
|
消息ID |
$GPGGA |
|
GGA 协议头 |
|
UTC 时间 |
065545.789 |
|
hhmmss.sss |
|
纬度 |
2109.9551 |
|
ddmm.mmmm |
|
N/S |
N |
|
N=北，S=南 |
|
经度 |
12023.4047 |
|
dddmm.mmmm |
|
E/W |
E |
|
W=西，E=东 |
|
定位指示 |
1 |
|
0=未定位 1=GPS单点定位固定解 2=RTD差分定位 3=PPS模式 4=RTK固定解 (定位精度达厘米级) 5=RTK浮点解 6=惯导 7=手工输入模式 8=模拟模式 |
|
卫星数目 |
9 |
|
范围 0 到 12 |
|
HDOP |
0.85 |
|
水平精度 |
|
MSL 幅度 |
18.1 |
米 |
|
|
单位 |
M |
米 |
|
|
大地 |
8.0 |
米 |
|
|
单位 |
M |
|
- |
|
差分时间 |
1 |
秒 |
（从接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空） |
|
差分站ID |
0999 |
|
差分站ID号0000 - 1023（前导位数不足则补0，如果不是差分定位将为空） |
|
校验和 |
*5E |
|
|
|
|
|
|
消息结束 |
如果是GPS芯片已经进行解算，并输出差分定位结果，那么GGA语句中“定位指示”应为2、4、或5；查分时间应大于0（不为空）；差分站ID应不为空。
只有同时满足上述条件，才能得到[敏感词]的测量结果。接下来，我们看一下实际测试结果。测试环境，某小区内：
测试中，使用 上海合宙通信科技有限公司提供的Air202 GPRS通信模块，对GPS芯片进行控制，连接千寻位置®平台。将模块输出的GGA原始语句上报到千寻位置®平台，将平台下发的数据传输给GPS芯片，然后打印GPS芯片解算后输出的GGA。
通过对比图可以看出，手机定位偏差较大（并没有在顶天台测试嘛），RTK测试结果非常准确，符合测绘等需求。
接下来进入后会有期的“你问我答”环节：
Q：RTD、RTK服务贵吗？
A：可以到千寻位置®官网查询。参考价：RTD ￥6/月/设备；RTK ￥400/月/设备。
Q：如何判断我的定位结果是否为差分运算后的结果呢？
A：观察GGA语句中的定位指示输出值.
Q：流量消耗多少？
A：RTCM数据每秒下发一次，每次大约0.5k，大约需要60m/天（按24小时计）。
Q：大约需要多久才能得到RTK固定解？
A：固定点测量大约需要10分钟。
Q：有没有把办法减少流量消耗？
A：可以根据gps状态修改代码，当定位模式为“rtk固定解”时，主动断开连接。GPS定位状态改变再重连服务器。
Q：为什么设备一直处于浮点解定位状态，无法固定。
A：请确保终端设备天线对空观测环境良好，没有受到遮挡，或处于易产生多路径信号反射的物体附近，也请留意导航卫星信号接收正常，CN0处于正常范围内，未受到无线电干扰。
——21世纪，物联网最重要的搭档有什么？
——电池。
从常见的的共享单车、车载定位器，到不常见的远程抄表、充电桩管理。在各种和物联网相关的应用中，供电始终是一个绕不开的话题。
如果是有常电（如汽车、自动贩卖机）还好，如果是使用电池，那么每一毫安的电都要精打细算才行（哪怕是用太阳能板充电的共享单车，也经常面临“低电”困扰呢）。
MCU、GPS、通信模块等，都是众所周知的耗电大户。其中，GPS芯片因为要承担搜星、计算，输出的任务，所以它的耗电量也是不容小觑的。那么，有没有什么办法让GPS芯片“节能降耗”呢？
答案当然是肯定的。前文提到过，GPS芯片搜星时耗电量最大了，如果能让模块尽量减少搜星和追踪的耗电量，就可以达到目的啦。如何做到这两点呢？接下来我们以物联网行业最常用的国科GK9501 GPS芯片为例，进行说明。
搜星
星历下载 和 星历预测
前文提到过，通过2G网络将星历文件传给GPS芯片，从而实现秒定位+省电，众人拍手欢呼。那么，忽然又出现了个“星历预测”，这是什么鬼呢？
Q：什么是“星历预测”？
A：GK9501的软件自带“星历预测”功能。它是指在信号正常（CN值大于27）的情况下，硬件连续运行5~10分钟，即可在内部自动生成星历，并预测出未来2~3天的星历，此过程不需要耗费任何流量。实现“通电5分钟，奔跑72小时”。
当然实现“星历预测”这个功能，是有条件的：
1、星历被下载过一次（外部输入给GPS芯片星历文件，或者GPS芯片自主3D Fix）
2、GPS信号CN值不低于27
3、正常定位过一次；
4、RTC不掉电（当主电源断开后，只有RTC电源不断，星历预测功能才可以使用，RTC断开后星历预测功能将不再起作用）；
Q：“星历预测”和“星历下载”的区别是什么？对实际定位有什么帮助？
A：这个要从AGPS的发展史说起。
早期，服务器下发的星历文件是包含全部所有的可见卫星数据，将之发给GPS芯片，GPS芯片再根据星历文件去搜星。缺点是星历文件大，定位效果还差那么一丢丢；现在，首先是使用通信芯片进行基站定位，后台获取一个粗略的地理位置，查询导航电文后，再根据该地理位置[敏感词]下发当前可见卫星星历，GPS芯片再根据[敏感词]的星历文件去针对性地搜星。星历文件体积更小，定位效果更好。
由此可见：“星历预测”是芯片自动生成的，仅包含可见卫星的星历；而“星历下载”是包含全部可见（但是不可用）卫星的星历。
|
方式 |
实现方式 |
有效时间 |
优点 |
秒定位的限制 |
缺点 |
|
星历下载 |
通过2G网络将星历文件下载到GPS芯片 |
4小时 |
可以实现秒定位 |
无限制 |
需要消耗网络流量 |
|
星历预测 |
长时间有效运行（3D Fix）后，GPS芯片自动生成 |
2~3天 |
可以实现较快速度定位 |
较小位移情况下 |
限制条件较多 |
无论在什么状态下，都是GPS信号CN值越好，定位越快；6小时内的 星历下载 保存可以将RTC电源断开。
Q：如果“星历预测”可以用，那为什么还通过2G网络“星历下载”呢 ？
A：因为“星历预测”的前提是在“信号正常（CN值大于27）的情况下，连续运行5-10分钟”，电流28mA，相对比较耗电。所以大多数应用会倾向于每次都进行“星历下载”，而非使用“星历预测”——何况通过基站定位获取大概位置的动作，本身就需要2G联网服务器呢。
Q：为什么星历数据保存有效时间最长是6小时？
A：星历保存有效的时间和卫星的运行轨迹相关。
星历保存时间越长，原来星历里的可见卫星就越少。因为GPS卫星绕地一圈是12个小时，所以，星历数据有效期6小时已是极限值。超过这一时间后，原来的星历数据就没有意义了。
鉴于星历保存的时间越短，其对应星历里的可见星就越多，所以2小时内的星历比保存6小时内的星历对定位的帮助更大。
动态追踪也是很耗电的，那么有没有办法让芯片“半睡半醒”的工作呢？嘿嘿，还真有办法，GK9501可是会“达芬奇睡眠法”的哦。
|
模式 |
解释 |
唤醒方式 |
|
低功耗模式 |
CPU睡眠 |
通过串口唤醒 |
|
超低功耗模式 |
CPU掉电，只有RTC工作 |
需要force on唤醒 |
|
低功耗追踪模式 |
CPU睡眠，可以通过串口唤醒或者周期性自动唤醒进行定位输出。可以给出运行轨迹 |
|
|
超低功耗追踪模式 |
CPU掉电，只有RTC工作，需要force on唤醒或者周期性自动唤醒进行定位输出。可以给出运行轨迹 |
|
省功耗追踪模式实际上就是周期性自动唤醒：是GK9501根据当前的运动状态自动设置睡眠时间和运行时间。例如在运动比较快的情况下，会自动睡眠30秒，运行3秒；在运动比较慢的情况下，会自动睡眠60秒，运行3秒；达到在有大致轨迹的情况下，降低功耗的目的。如果主控也需要同步睡眠，可以通过GPIO来通知主控。当然也可以通过主控周期性切断GK9501电源的方式实现这一目的。
Q：好像其他友商的芯片也支持AGPS秒定位呢，和GK9501有什么区别呢？
A：uBlox、中科微、泰斗支持AGPS，MTK、国科GK9501支持秒定位。区别是前者只下载星历，后者不但下载星历，还会结合基站定位加速找星定位的过程。这个是AGPS和秒定位的本质区别。
Q：有没有推荐的GPS物联网模块呢？
A：上海合宙通信科技有限公司的Air8xx系列。使用RDA8955+GK9501平台，支持2G和GPS，稳定可靠。
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