欲知身在何处,不仅只有GPS

小黑 《电脑爱好者》2016年第20期 2017-04-18 15:03专题 标签:GPS

电子地图的普及和使用,基于一个技术的普及,这一技术并非是手机,而是卫星定位,只有了解自己的位置,电子地图的交互性才能实现,否则再精密准确的电子地图与纸质地图的差别也只是显示方式的不同而已。一说到卫星定位,大家第一印象就是所谓的GPS(Global Positioning System,全球定位系统),而我们使用的GPS定位能力其实是来自美国军方开放的民用信号。虽然GPS的卫星覆盖范围广,系统成熟,但因为其军用性质等原因,我们得到的信号精度、强度、覆盖区域等其实是有较大限制的。也正因为如此,俄、中、欧、日等国家都建设了自己的定位卫星系统,另外硬件和通信厂商利用WiFi和蜂窝移动信号,也提供了一定的定位能力。

○ 北斗——中国人的卫星定位系统

北斗(BeiDou或COMPASS)卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是:建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统,促进卫星导航产业链形成,形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系,推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。由于在建设之初就考虑到了北斗的民用能力,所以它在性能和功能等方面都有针对性的设计,这与原本只准备美国GPS和俄国GLONAS这样原本用于军事目的的导航系统有一些不同。

北斗卫星导航系统目前仍在建设中,导航覆盖低于只有中国及周边地区。它由空间段、地面段和用户段三部分组成,空间段在建设完成后将包括27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星,以及5颗地球同步轨道卫星,目前在轨的卫星(包括备份星)已有20颗以上;地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站;用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端(图1)。

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北斗卫星导航系统将秉持开放性、自主性、兼容性、渐进性的原则进行服务和建设发展。未来会向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务,包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户,提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。

当然作为中国自己的卫星定位系统,北斗卫星导航系统会为国人优先提供更全面的服务。例如前面提到的系统构成中,5颗比较独特的地球同步轨道卫星,就是为了实现北斗独特的卫星通信而设置的。北斗用户,特别是手持有源接收器的用户在野外其实是与北斗卫星进行双向通信的,如果没有手机信号的偏远地区遇险或有什么特殊需求,可以通过北斗系统发送信息,据称这一功能在汶川地震时就起到了很大的作用。而即使用户没有主动发送信息,双向信号的应答也让北斗可以一直掌握用户位置,无论是对于监控车辆还是意外事件的搜索,都有很大帮助。相对来讲,GPS等卫星导航只提供授时信息,用户也只能被动接收相应信息,这一点的局限性在MH370航班失踪等意外事件发生时表现得尤为明显(图2)。

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在没有雷达监控和主动通信联系的情况下,只能通过零星证据推断MH370位置,造成搜索范围异常巨大甚至根本无法确定,而北斗系统在提供定位能力的同时,其实也掌握着用户的位置,特别适合交通、航空等行业

另外虽然笔者没有查到相关报道,但北斗导航卫星的高轨道、较多卫星数量,以及同步轨道卫星等设计,很可能是考虑到我国多山地、城市多高楼的特殊情况,高轨道较密集的卫星,以及可能“固定”悬于天顶的卫星,可以在比较小的“天顶”范围内提供足够的卫星数量,以获得定位能力。原本为美国和欧洲“战场”设计的GPS,在这样的环境中表现就一直为人诟病,日本由于和我国情况类似,就发展了自己的准天顶卫星系统(Quasi-Zenith Satellite System,简称QZSS),它通过几颗高轨道和能长时间定位在天顶的卫星,在城市和山区提供GPS信号补充,获得更好的定位能力,也可提升日本国内民用定位的精度(图3,4)。

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○ 通信网络——卫星定位的补充

当我们在移动设备上开启定位功能时,会发现开启移动网络和WiFi网络定位的选项,而更早期的移动设备,前者曾经也被叫做A-GPS,即辅助GPS功能。

其实使用移动网络定位的原理与卫星定位非常类似,不过将一颗颗的卫星换成了一个个的通信信号塔而已。只要在手机与信号塔的信号连接中,同样加上时间信息(授时)和信号塔的位置信息,用户就可以根据每个信号塔授时的延迟来确定与其距离,理论上讲,只要同时接受到三个授时信息,就能确定自己所处的位置。在户外,这一功能通常与卫星定位信号结合使用,可以减少对信号源数量的要求,并且加快定位速度,这也是为何将其称作辅助GPS的原因(图5)。

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WiFi网络定位与移动网络略有不同,因为绝大多数无线发射端没有授时和报告位置的功能,所以WiFi定位实际上只能根据MAC地址识别无线放射端、再通过信号的大小推断距离,因为AP和路由器的位置变动远比移动网络发射塔更多更频繁,位置可能不太正确,而影响WiFi信号大小的因素又很多,距离也不一定准确,所以这一方式向用户报告的位置很粗略。这也造成WiFi定位的一个问题,那就是发射端的位置一旦有变动,可能需要较长时间才能重新准确定位,例如用户搬家但没有更换路由器,自家连接WiFi的笔记本或移动设备,以及附近使用这一功能的设备,很可能会定位在旧地址,经过一段时间后,服务商通过各个设备报告的信息会整合并更新的位置信息,才能为用户提供正确的位置。

与移动网络发射塔不同,路由器和AP等WiFi信号发射端的位置信息是第三方提供的,所以还涉及到一个很敏感的话题,那就是隐私。苹果、Google、Skyhook等提供WiFi定位服务的厂商,实际上需要不断地主动采集(如通过采集车不断巡逻)无线发射源的位置及MAC地址,或手机用户移动设备的信息来进行更新位置信息,但对不希望透露这些信息的用户,无论是中外政府还是设备、服务提供商,都没有提供很好的保护措施。当然“出卖”自家路由器位置信息对用户也有一定的好处,除了让自己的移动设备能快速提供粗略位置外,连接在同一个路由器上的台式机也能获得相应的位置信息,让台式机可以更方便地使用电子地图进行路线规划等应用。

○ 北斗设备选择

既然北斗在国内已经实用化,而且有很多好处,那么相应的设备是否已经上市,是否值得选择呢?答案当然是肯定的,下面我们就来看一看其中性价比较好的几款。其实随着北斗系统的成熟,目前内地品牌的手机已经开始普遍支持北斗卫星导航系统。

● 中兴红牛V5 Max

参考价格:799元

中兴红牛是一款普及性高性价比手机,V5 Max(图6)是其中相对高配的型号,它采用5.5英寸1280×720屏幕,内置高通骁龙64位处理器,带有2GB内存和16G存储空间,配有1300万+500万摄像头,支持移动、联通双4G双卡双待。它同时支持GPS、GLONASS、北斗三大卫星导航系统,有更强大的空间定位能力。

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● 三星Galaxy S5

参考价格:1498元

除了内地厂商,很多三星手机的内地/亚太版产品也支持北斗卫星导航系统,例如它最新的Galaxy S7,不过考虑到价格,我们认为三星Galaxy S5(图7)更值得考虑。虽然已经推出了一段时间,不过三星Galaxy S5的处理器、内存、摄像头等配置与今天的主流产品没有太大差别,性能完全值得信任。另外Galaxy S5较高的三防能力,也与北斗出色的偏远地域定位优势很配。

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● 冰河110手持导航仪

参考价格:468元

对专业半专业用户来说,专用的手持式GPS远比手机更加实用,冰河110就是一款支持北斗卫星导航系统的的手持式GPS导航仪(图8)。这款产品采用2.2英寸320×240分辨率半透视屏幕,在阳光下显示更清晰;3节AA电池或锂电池可使其连续工作20小时以上;可支持最大32GB的TF卡,内置高品质陶瓷天线。

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作为专用手持导航仪,它的定位导航能力比手机要强大得多,例如支持近百种国内外坐标系,支持三参数推算,支持IMG矢量地图、光栅扫描地图等多种地图格式,支持3000个航点、最高10000点的航迹、最高1000点的航线,可提供日月升落时间及月亮形状,可测量直线、曲线长度和面积。

比较遗憾的是,北斗卫星导航系统的短信通信功能目前只开放给一些更专业的用户和设备,普通用户还无法体验到这一功能提供的便利。