從GPS的工作原理看手機是如何定位的?

編者按：本文來自微信公眾號「caoz的夢囈」（ID:caozsay），作者 caozsay，36氪經授權發布。原文標題：《從手機定位談談科技》。

有些我以為是常識的東西，後來發現並不是常識。而當我想要分享給大家的時候，經過高手點撥，意外發現居然我自己所了解的也是有偏差的。有鑑於此，寫篇文章。

源起是GPS的工作原理，我一直以為是常識來著。不過今天把這個話題延申一下。

一、手機是怎麼定位的？

手機定位一般有三個方法。

方法1：基於你當前所接觸的WIFI熱點，如果這個WIFI熱點是公開可查詢的熱點，存在地址信息對應的。那麼你的位置可以鎖定在該位置的一定半徑內。

通過WIFI定位，你的位置只能被確認在一定半徑的範圍內，並不能精確識別你的位置，速度。

方法2：基於移動基站定位，你的手機信號是通過移動基站交互的。移動基站的地理位置是清晰明確的，當你手機可以獲得多個基站的信號，並且不同基站信號存在不同的強弱衰減，那麼可以根據這幾個基站的位置和你信號衰減的情況，大致獲得你的當前位置範圍，以及大致的移動速度，如果你處於具有一定速度的交通工具之內的話。

方法3：最精準的，是通過衛星定位，你看，雖然WIFI，基站，衛星，具體是從近到遠；但定位準確度確實越來越精確。

那麼衛星定位，其實也包括不同的選擇，以前是GPS一統天下，大家一提衛星定位就是GPS，但其實現在有很多家不同的衛星定位系統，GPS依然是全球規模最大的，此外歐洲的伽利略，中國的北鬥系統等等。

實際上很多國產智慧型手機和衛星導航的晶片已經支持北鬥系統，用戶看到的標誌可能還是GPS，但提供定位服務的，實際上可能是來自於不同的系統。

那麼手機會自動根據信號強弱選擇合適的系統進行定位導航，通常情況下，用戶無需自己選擇用哪個衛星系統。所以你就不用問我怎麼切換到北鬥系統啊，手機會在它認為合適的情況下用到的。

二、衛星定位的原理

這就是我以為是常識，而很多人卻存在誤解的地方。

首先，衛星並不知道你在哪裡，它也不關心。其次，你的手機也不會向衛星傳遞訊號，定位導航衛星不負責跟手機終端交互信息。

從技術上來說，手機給衛星發射信號很難麼，似乎也不難，有衛星通訊電話不是麼，但這面臨兩個問題，第一，所需要的功率會比較大，偶爾通訊也就算了，手機實時定位，如果需要交互信息，電池撐不住的，；第二，衛星也沒有如此強大的應答系統，全球無數手機每秒鐘請求位置，這請求頻次不嚇死人，衛星上放一組伺服器？可能麼？

當然，你說馬斯克不是要搞全球衛星組網麼，丫牛逼，但至少目前技術成本過高，這是不現實的。

那麼還有第三，就是，定位，其實不需要這麼麻煩。

實際上，導航衛星的工作極為簡單，就是廣播，廣播自己的位置，自己的時間。每個所謂GPS晶片（習慣這麼叫，現在很多已經整合了多個衛星系統）就是接受這些信號，然後處理。

怎麼處理呢？你如果知道它信號發出的時間，知道自己接受的時間，乘以傳播速度，也就是光速，就知道自己和衛星的距離了對不對。當你的手機可以獲得多個衛星信號的時候，比如三顆及以上，由於你知道衛星當前的位置數據，就可以通過數學公式，算出自己的所在位置。

但是，且慢，這裡有個嚴峻的問題，因為光速太大，需要極高的時間精確度，衛星上有原子鐘，可以提供極為精確的時間，但你手機上沒有。這時候，就需要把時間也當作變量，所以，需要四顆以上的衛星，才能精準定位你的位置。

感謝科技的力量，現在的衛星定位極為精準，可以精確到米，從而讓駕駛導航成為可能，實際上軍方信號未解密，可以有更好的精確度。

這裡其實還隱藏了一個問題，就是，由於極高的時間精確度，那麼衛星相對於地球是高速運動的，基於相對論，我們知道不同速度下的時間是不同的，在這樣的精確度要求下，這個不一致也會很致命，所以，相對論公式被用於修正這一誤差。

所以真正的原理是這樣的，衛星廣播自己的時間（原子鐘時間，極為精確到小數點後面n多位），當前位置。手機上的定位晶片獲得多個衛星的信息，然後通過相對論公式修正時間誤差，然後基於四顆或更多衛星的信息，測算自己的位置。這就是我說的，如此普及而成本低廉的定位晶片，其實技術含量還是蠻高的。

那麼這裡還有一個冷知識，衛星還負責給你準確的時間，所以你看現在很多智慧型手機沒有調時間的選項，因為完全不需要，只要有衛星信號，時間一定是準確的。再根據你的地理位置判定你所處的時區，給予你當地的時間。

三、服務商如何確定你的位置

很多產品服務商需要你的位置，比如微信，比如微博，比如大眾點評，當然更不用說地圖導航。確定你的位置提供身邊的服務，或者推薦身邊的聯繫人，都是一種非常標準的網際網路應用。其實在移動網際網路之前，這樣的服務並不是主流，通常只是做到同城推薦。而當時定位主要靠IP位址，這也是以前我經常用到的技術面試題。

實際上 ，手機終端用戶可以選擇是否把自己的定位信息發送給服務商，如果沒有發送自己的地理位置，服務商也會通過你上網的IP來判斷你的大概位置。當然這個就很難精確定位到具體位置了，通常只能定位到城市範圍。

但這裡有一個問題，就是手機終端，並不是必須上報真實的信息給服務商。有大量第三方工具可以偽造你的位置信息，你完全可以告訴服務商你在南極，或者在北歐的某個小島上。

這也就帶來了很多灰色產業的問題。

比如刷單，以前有uber幽靈車，假裝在你附近。

比如約炮騙局，你身邊的美女約你開房，後來延伸到了更多推銷的領域，你身邊的美女開始賣茶，賣酒，炒股，或者拉你上菠菜網站，或者讓你帶她打遊戲等等。

很多不知情的人以為真的是身邊的，其實都是用工具隨意篡改地址，一路掃過來的。

新加坡政府曾經為此非常頭疼，很多新加坡寂寞大叔被國內的騙子們用這招約炮騙錢。現在街上還能看到政府的公益廣告提醒這個騙局。

今天特意街拍了一張這樣的公益廣告，背景是新加坡的組屋住宅區。

你說服務商有沒有辦法確認他的位置的真實性，沒太多辦法，潛在的思路是通過歷史軌跡來判斷，你總不能一個小時前在湖南，一個小時後就出現在了新加坡對吧。當然還有可以用IP位址+地理信息聯合判斷，但IP位址也未必可信，因為可以用代理伺服器上網的麼。

現在還有一種遠程移動上網終端，更厲害了，你的sim 卡和終端放在新加坡，人在大陸，通過網絡可以遠程操縱這個終端上網做任何操作，那就更加完全查不出任何異樣，目前是黑產行業最愛。

四、實時路況是如何實現的

我在知識星球分享這個話題的時候，有人提出了這個問題，很多地圖軟體會展示擁堵情況，並給出路程時間測算，這是怎麼實現的呢？

其實不複雜，這是基於用戶不斷地上報數據匯總得到的。

比如這條路段上當前有10個車輛使用了百度地圖，那麼百度地圖就知道這10部車的平均車速，就能知道這個路段目前的擁堵情況大概是怎樣的。

甚至還能分出一些車道情況，比如根據車輛後續上報的行駛軌跡，可以大致區分主路和輔路的車速。（比如輔路可以拐彎，有等紅燈的行為記錄，而主路一路沿主幹道直行）。

如果有充分的歷史數據，還可以做出一些預判，比如現在5點半，你要出發，按照現在路況，可能只需要40分鐘到達目的地，但根據歷史數據可以知道，某些地段馬上要進入晚高峰，所以你實際上可能需要60分鐘才能到達目的地。坦白說，我覺得預判這塊很多地圖廠商應該是沒做到位的。

前幾天有個小新聞證實了這個實現邏輯，有個無聊的人把幾十部安卓手機打開谷歌地圖，放上小推車，然後推著小推車在一條空曠的道路上慢慢行走，然後很快你就看到谷歌地圖顯示這條道路擁堵。

真不想教人學壞，如果國內地圖廠商用這招惡意競爭，噁心對手，我們以後出行就很難有可信的數據了。

五、地理索引的話題

地理位置信息成為標配信息後，就產生了基於地理位置的搜索訴求。

比如，離我最近的餐廳有哪些。離我最近的活躍用戶有誰。一些虛擬增強現實的遊戲也會強調這一點。

寫出這樣的代碼或許不難，但高並發情況下呢？

那麼傳統的資料庫索引，就很難滿足這種高並發查詢的訴求。

我特別提醒初入行的程式設計師一句，類似的問題，應該自己經常問自己，怎樣實現可以滿足高並發的查詢請求。想想自己有沒有辦法，然後搜索一下別人怎麼做的。很多程式設計師天天迷茫，不知道怎麼進步，其實很多類似的問題要自己提出來，自己去找答案，不能總是等到去面試了才知道自己不會。當然面試了發現不會，也要花點時間去思考解決掉，不能每次面試都不會。

移動網際網路剛開始興起的時候，這個問題其實還是比較有困擾性的，後來一些資料庫產品提供了地理空間索引，你至少應該知道這樣的方案是什麼，以及如何使用？對自己要求高一些，看看這種產品具體實現的原始碼和底層的邏輯，搜索開銷是怎麼計算的，搜索開銷和數據規模的對應關係是怎樣的，徹底理解通透。

這個問題我就不展開了，技術人員可以作為思考題，多想想。

六，其他七七八八

衛星定位服務目前已經可以做到成本極低，那麼應用場景也就極為廣泛，防盜，追蹤，電子圍欄等等等等。

感謝科技的發展。

幾十年前，航海中的船隻要想知道自己的位置，還是需要憑藉船長的經驗和完整的記錄信息。

十幾年前，我和老婆自駕遊的時候，還要看著紙地圖找路，各種糾結各種開錯路各種停車問人。

今天，我們隨時可以知道自己在哪裡，周圍有什麼，一個人去陌生的國度自由行，只要手機有電有信號，就不用過度擔心迷路，這似乎是理所當然的事情，但真的就是很短的時間，我們才能實現位置認知的自由。