新闻资讯

news
首页 -新闻资讯 -行业新闻 -这应该是关于GPS定位写得最详实清晰的文章之一

这应该是关于GPS定位写得最详实清晰的文章之一

发布时间:2021-12-29作者来源:金航标浏览:518

 

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[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[敏感词]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。


                 
               
             
           
         
       
     
   


 


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[敏感词]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


单位

M


大地

-2.2


单位

M


-

差分时间


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



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

  • 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[敏感词]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:





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:




 


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。 


 
 
 
 

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:


       
   
   

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:

&middot;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

   
       
   
   

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


       
   
   

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&divide;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。[敏感词]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)

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。 


       
       
       
       

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&deg;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&middot;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[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?


           
           
           
           

目前,服务覆盖全国范围的,只有千寻位置&reg;。


(千寻位置&reg;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&reg;购买相关套餐后,可以使用千寻位置&reg;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


单位

M


大地

8.0


单位

M


-

差分时间

1

(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[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&reg;平台。将模块输出的GGA原始语句上报到千寻位置&reg;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。 


               
               
                (手机APP输出数据)                 
               
                               
                (差分定位结果)                
               
                               
                (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&reg;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[敏感词]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。


                                   
                 
                 

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。


                                                     
                 
                 

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。


                 
                 
               
本文转载自“ 物联网智库”,支持保护知识产权,转载请注明原出处及作者。如有侵权请联系我们删除