黑客|手機定位原理 GPS/GLONASS 北鬥 + WIFI + 基站

2021-01-10 酷扯兒

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衛星定位系統 - GPS/GLONASS/北鬥:

關於GPS、GLONASS、北鬥、伽利略系統的科普請自行谷歌。

GPS是使用最廣泛的全球定位網絡,幾乎是所有智慧型手機的標配。進幾年,俄羅斯的GLONASS定位功能也逐步加入智慧型手機晶片,與GPS組成雙定位系統,定位速度大幅提升。中國自主研發的北鬥導航系統,也開始出現在部分高端機型。至於歐洲的伽利略系統,目前還沒有見到有哪部手機支持。

衛星定位系統的優點在於精度高,誤差一般在15米以內。GPS晶片會接收天空中多顆衛星的同步信號,然後根據信號的相位差,計算出具體的經緯度。保持多顆衛星信號同步,將誤差控制在納秒級以下,是GPS核心技術之一。

下圖是Android平臺的著名GPS應用GPSTestPlus截圖,可以看到本機支持GPS和GLONASS雙定位系統(圓點為GPS衛星,三角形為GLONASS衛星),以及定位衛星在天球上的投影。

WIFI定位:

路由器默認都會進行SSID廣播(除非用戶手動配置關閉該功能),在廣播幀包含了該路由器的MAC地址。此時需要採集裝置進行MAC信息採集和信號強度信息採集,並上傳到伺服器,經過伺服器的計算,保存為「MAC-經緯度」的映射。例如谷歌的街景採集車,曾經因隱私問題在德國被定性為非法。在國內,通過用戶智慧型手機應用的後門功能採集,則是數據公司獲取「MAC-經緯度」映射信息的主要途徑。一般情況下,用戶周邊會有多個WIFI信號源,此時手機會默默地解析出所有WIFI的MAC地址,如果某些WIFI的信息在資料庫中已經存在,則可以根據信號強度,推導出未知WIFI的經緯度。如果沒有已知WIFI,而手機碰巧開著GPS,則也能完成數據採集。用戶在不知情的情況下為地圖公司搜集了所有的數據。可以想像,這樣的數據量是非常龐大的。

基站定位:

基站數量遠少於WIFI,且基站都有公開的位置數據,因此採集工作相對簡單。

多種定位途徑的精確度:

衛星定位系統 > WIFI > 基站(蜂窩網絡)。因此優先級也是衛星定位系統最高。

以Android設備為例,如果用戶未關閉GPS功能,則優先使用GPS,從GPS模塊讀取時鐘校準、經緯度等數據。如果同時還開著WIFI和基站,則會同時採用WIFI和基站輔助定位,減少GPS晶片的計算步驟,提高定位速度,這就是A-GPS。

如果關閉GPS,而WIFI模塊保持開啟,手機會讀取周邊所有WIFI信號的MAC地址和信號強度,並上傳至某公司(通常是地圖供應商)的伺服器,伺服器查詢並計算後會返回經緯度。WIFI的覆蓋範圍一般只在50米內,因此定位精度非常接近衛星定位系統。

如果WIFI模塊也關閉了,那麼只有通過基站(蜂窩網絡)了。此時手機會接收到基站的小區ID,上傳至伺服器查詢,伺服器同樣返回經緯度。但此時精度較差,誤差一般在100以上,畢竟基站的覆蓋範圍也是很大的,僅憑信號強度是難以計算出精確位置的。

需要注意的是,WIFI方式和基站方式,都需要聯網,要不你怎麼和伺服器聯繫?但是WIFI模塊打開後,即可進行WIFI掃描和信息採集,不必連接到某一AP上,基站也是一樣,不必打開蜂窩網絡。因為向伺服器發起查詢請求,既可走蜂窩數據流量,也可走WIFI流量。

蘋果系統中,用戶無法控制GPS模塊的開啟和關閉,因此定位途徑會根據狀況自行決定。室內會自動使用WIFI或者基站。

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