关于GPS和TBT导航

在我加入畅拓以前，我对于GPS的认识仅仅停留在定位，这个最基本的概念。而我之所以开始对GPS有了进一步的深入了解也完全是因为我所在的项目组，也就是DriverAppTeam。

在我们的日常运营过程中，DriverApp承担着配送餐品时的导航职责。从中我开始不断得到和定位和导航等相关技术亲密接触的机会。想做一次关于这一块知识的分享的原因，是因为我发现，它们相关的这些幕后技术与知识非常有趣：它真实地存在于我们生活的每一个角落，但是我们却从未对它有清晰的认识。今天，我将在这篇文章中分享一些关于它的故事，用我的方式向大家介绍它以及它给我们带来的种种便利。

ps：我不具备通信专业的相关知识储备，也不是卫星技术的发烧友，所以在文中难免会出现知识点误导，请大家指正和谅解。另外，我们公司也不是一家专业的地图服务公司，所以大量的知识来源都来自行业的专业公司的技术刊物、博客、以及外国的相关文章。此次分享的目的始于趣味，终于科普。

GPS全名叫GlobalPositioningSystem,全球定位系统，最早起源于美国的军事项目。此系统由至少24颗卫星组成。无需订阅或安装费，可在世界任何地方以及任何天气条件下全天候24小时运作，1980年后逐渐民用化并延续至今。

所以GPS≠定位，也不仅仅指代的是我们在地图坐标系中所处的位置。它实际上是一套完整的定位系统，而且是美国军方投资并研发的技术。而我们在日常生活中会有一个普遍的概念，错误认为GPS就是当前位置的代名词。

在中国我们也有自己的定位系统，我们称之为北斗系统(BDS)，它是以北斗七星命名的。目前北斗定位系统已经可以做到和GPS一样的全球无源定位。

GNSS英译过来叫做全球导航卫星系统(怎么感觉和GPS差不多)，它实际上是卫星导航系统的统称，就好比我们在汽车中SUV，SUV代表的是一类车型的统称，而具体到某个品牌的某款车，例如本田的CRV(它就是本田的一款SUV,那么类比到GPS,BDS)。所以GPS其实就是GNSS的一种，而BDS则是GNSS的另一种。

为了更好地帮助大家理解其底层的原理，我在油管上搜索到一段视频，它很生动地描述了GPS的原理，以及相关的知识内容。

GPS的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗GPS卫星的数据就可知道接收机的具体位置。因为需要计算三维位置及偏差(x,y,z,δt)，所以需要至少4颗卫星(本质上是一个4元方程组，然后求解4个未知数，俗称三点定位法(时间偏移量是非必要的，它的存在更多是为了解决误差))。

最常见的应用场景应该就是手机定位了。

我们目前所使用的大部分的智能手机上都集成了定位芯片，我们通过它便可以进行卫星定位。目前市场上的大部分手机使用的定位芯片大部分都支持使用GPS进行定位。此外手机还可以通过WIFI，蜂窝网络基站，以及AGPS(辅助GPS)进行定位，它们背后基础原理都遵循了三点定位法。

那么，让我们提出一点质疑：手机定位真的很准吗？我们在日常生活中经常使用导航软件帮助我们进行目的地导航，从这个角度上来说似乎它足够准，但事实真的如此吗？

我之所以提出这样的疑问是因为我们在最近路测中采集了一段时间内GPS的信息进行分析。我筛选出精度较高的GPS(精度半径小于3.5米，精度半径越小则精度越高)坐标点，然后将它们绘制在了地图上。结果惊奇地发现这些坐标中的很多点位都已经偏离了车道。

手机上的卫星定位与专业接收机，还是存在比较大的差异，主要体现在:

1.手机受限于尺寸，天线比较小，对原始信号的捕获、锁定、去噪能力都比较差，造成接收到的信号质量天然不如专业接收机。

2.手机上芯片成本比较低，支持的通道数比较有限，一次定位能够解码的卫星数量和系统数量都比较少，主要是单频，少数是双频(这里的双频是指两种不同频率的电磁波，对两个或多个频率的观测值进行线性组合，可以消除电离层误差，从而能提升精度)，没有三频。

3.手机上对功耗、性能开销的要求比较高，不能花费大量资源在定位上，解算算法的复杂度比较低，效果也比较有限，精度比较差。

这也是我们看到手机定位有时出现误差的可能原因。

TBT导航是一些GPS导航设备的一项功能，其中选定路线的方向以口头或视觉指令的形式不断地呈现给用户。该系统让用户随时了解到达目的地的最佳路线，并经常根据交通和路况等变化因素进行更新。转弯系统通常使用电子语音来通知用户是左转还是右转、街道名称以及到下一个转弯的距离。在数学上，TBT导航基于图论中的最短路径问题，它检查如何识别最符合大型网络中两点之间某些标准的路径。

导航的核心依然是定位系统，没有定位系统的支持导航是无法正常进行的。最常见的定位信号依然是GPS，它可以提供全域米级精度(5~10m)的位置信息。在此基础上，大部分手机同时配置了惯性传感器(陀螺仪、加速度计)和磁力计，还有部分手机配置了气压计，可以感知高程方向的位置变化。

对于车机，通过CAN总线获取的车速脉冲、方向盘转角等信息是另一类重要的定位输入。基于上述定位信号，应用姿态融合、航位推算等算法，计算出连续可靠的位置和姿态。再依据地图数据将人/车的实际位置与地图道路关联，实时判断当前是否已经偏离导航路线，或更新当前在导航路线中的相对位置。

而手机的导航更为复杂，需要更多的算法支撑，这里不去深究，只需要知道对于手机，存在步行、骑行、驾车等多种使用场景，需要对用户行为进行识别。

在步行场景下，由于速度较低，GPS方向不准确，手机姿态通过融合惯导和磁力计计算实现。在驾车场景下，位置和姿态主要由GPS提供，针对GPS跳跃、漂移等复杂情况设计可靠的地图匹配算法是手机定位重点要解决的问题。

作为地图技术分享专题系列的第一次分享，我将GPS和TBT相关的技术、原理、场景应用等分享给大家，帮助大家对GPS有一个加深的印象。自2000年后，美国政府将民用的GPS精度提到了米级，使得GPS的在导航方面的应用面越发广泛。

我们今天的生活已经离不开它了，无论是一场说走就走的旅行，还是每天朝九晚五上下班生活，亦或是随叫随到的外卖，快递等，可以说它已经融入到了我们生活的方方面面。在未来我们还可以用它做更多事，人工智能领域，无人驾驶辅助系统等，很难想象当今这个世界离开定位系统会变成怎样。感谢大家的阅读，我们团队也会在接下来为此次系列讲座第二期做准备的，敬请期待。