这应该是关于GPS定位写得最详实清晰的文章之一

2021-12-29 16:09:27 18

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
介绍篇

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*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*、可靠。我再也不用湖里游泳了……当然，这都是后话了。

1_upoo

（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*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。

3_vdbe

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。

4_4rsj

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*钳制之日。GPS卫星是被*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，甚至能给客户提供精确到毫米的定位服务。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：

5_b3yw

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	*	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：*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*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*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。

定位篇

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*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
<CR><LF>			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

6_l3u4

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

7_fc0t

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》

http://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http://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：

8_gkpk

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：

9_ih91

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。

秒定位篇

为什么信号极好的情况下，定位速度也不快？有没有办法实现“秒定位”呢？答案当然是肯定的啦。

10_5cso

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，从而得到当前精确的位置（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：

11_6ziw

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”就像是作弊器，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；

12_wb2t

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

13_3ox4

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》

https://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》

http://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。

火星坐标（纠偏）篇

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

14_t4wq

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？

15_f31i

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。

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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http://www.openluat.com/GPS-Offset.html测试纠偏效果。

17_wfkl

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*，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”。

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最低，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*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*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。

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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？

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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*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

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
<CR><LF>			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，才能得到精确的测量结果。接下来，我们看一下实际测试结果。测试环境，某小区内：

20_plkt

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。

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（手机APP输出数据）

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（差分定位结果）

23_bdtg
（对比）

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。

低功耗篇

——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，再根据该地理位置精确下发当前可见卫星星历，GPS芯片再根据精确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。

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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。

追踪

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。

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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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