从手机定位谈谈科技

　　本文来自微信公众号：caoz的梦呓（ID：caozsay），作者：caozsay
　　有些我以为是常识的东西，后来发现并不是常识。而当我想要分享给大家的时候，经过高手点拨，意外发现居然我自己所了解的也是有偏差的。有鉴于此，写篇文章。
　　源起是GPS的工作原理，我一直以为是常识来着。不过今天把这个话题延申一下。
　　一、手机是怎么定位的？
　　手机定位一般有三个方法。
　　方法1：基于你当前所接触的WiFi热点，如果这个WiFi热点是公开可查询的热点，存在地址信息对应的。那么你的位置可以锁定在该位置的一定半径内。
　　通过WiFi定位，你的位置只能被确认在一定半径的范围内，并不能精确识别你的位置，速度。
　　方法2：基于移动基站定位，你的手机信号是通过移动基站交互的。移动基站的地理位置是清晰明确的，当你手机可以获得多个基站的信号，并且不同基站信号存在不同的强弱衰减，那么可以根据这几个基站的位置和你信号衰减的情况，大致获得你的当前位置范围，以及大致的移动速度，如果你处于具有一定速度的交通工具之内的话。
　　方法3：最精准的，是通过卫星定位，你看，虽然WiFi，基站，卫星，具体是从近到远；但定位准确度确实越来越精确。
　　那么卫星定位，其实也包括不同的选择，以前是GPS一统天下，大家一提卫星定位就是GPS，但其实现在有很多家不同的卫星定位系统，GPS依然是全球规模最大的，此外有欧洲的伽利略，中国的北斗系统等等。
　　实际上很多国产智能手机和卫星导航的芯片已经支持北斗系统，用户看到的标志可能还是GPS，但提供定位服务的，实际上可能是来自于不同的系统。
　　那么手机会自动根据信号强弱选择合适的系统进行定位导航，通常情况下，用户无需自己选择用哪个卫星系统。所以你就不用问我怎么切换到北斗系统啊，手机会在它认为合适的情况下用到的。
　　二、卫星定位的原理
　　这就是我以为是常识，而很多人却存在误解的地方。
　　首先，卫星并不知道你在哪里，它也不关心。其次，你的手机也不会向卫星传递讯号，定位导航卫星不负责跟手机终端交互信息。
　　从技术上来说，手机给卫星发射信号很难么，似乎也不难，有卫星通讯电话不是么，但这面临两个问题，第一，所需要的功率会比较大，偶尔通讯也就算了，手机实时定位，如果需要交互信息，电池撑不住的，；第二，卫星也没有如此强大的应答系统，全球无数手机每秒钟请求位置，这请求频次不吓死人，卫星上放一组服务器？可能么？
　　当然，你说马斯克不是要搞全球卫星组网么，丫牛逼，但至少目前技术成本过高，这是不现实的。
　　那么还有第三，就是，定位，其实不需要这么麻烦。
　　实际上，导航卫星的工作极为简单，就是广播，广播自己的位置，自己的时间。每个所谓GPS芯片（习惯这么叫，现在很多已经整合了多个卫星系统）就是接受这些信号，然后处理。
　　怎么处理呢？你如果知道它信号发出的时间，知道自己接受的时间，乘以传播速度，也就是光速，就知道自己和卫星的距离了对不对。当你的手机可以获得多个卫星信号的时候，比如三颗及以上，由于你知道卫星当前的位置数据，就可以通过数学公式，算出自己的所在位置。
　　但是，且慢，这里有个严峻的问题，因为光速太大，需要极高的时间精确度，卫星上有原子钟，可以提供极为精确的时间，但你手机上没有。这时候，就需要把时间也当作变量，所以，需要四颗以上的卫星，才能精准定位你的位置。
　　感谢科技的力量，现在的卫星定位极为精准，可以精确到米，从而让驾驶导航成为可能，实际上军方信号未解密，可以有更好的精确度。
　　这里其实还隐藏了一个问题，就是，由于极高的时间精确度，那么卫星相对于地球是高速运动的，基于相对论，我们知道不同速度下的时间是不同的，在这样的精确度要求下，这个不一致也会很致命，所以，相对论公式被用于修正这一误差。
　　所以真正的原理是这样的，卫星广播自己的时间（原子钟时间，极为精确到小数点后面n多位），当前位置。手机上的定位芯片获得多个卫星的信息，然后通过相对论公式修正时间误差，然后基于四颗或更多卫星的信息，测算自己的位置。这就是我说的，如此普及而成本低廉的定位芯片，其实技术含量还是蛮高的。
　　那么这里还有一个冷知识，卫星还负责给你准确的时间，所以你看现在很多智能手机没有调时间的选项，因为完全不需要，只要有卫星信号，时间一定是准确的。再根据你的地理位置判定你所处的时区，给予你当地的时间。
　　三、服务商如何确定你的位置
　　很多产品服务商需要你的位置，比如微信，比如微博，比如大众点评，当然更不用说地图导航。确定你的位置提供身边的服务，或者推荐身边的联系人，都是一种非常标准的互联网应用。其实在移动互联网之前，这样的服务并不是主流，通常只是做到同城推荐。而当时定位主要靠IP地址，这也是以前我经常用到的技术面试题。
　　实际上，手机终端用户可以选择是否把自己的定位信息发送给服务商，如果没有发送自己的地理位置，服务商也会通过你上网的IP来判断你的大概位置。当然这个就很难精确定位到具体位置了，通常只能定位到城市范围。
　　但这里有一个问题，就是手机终端，并不是必须上报真实的信息给服务商。有大量第三方工具可以伪造你的位置信息，你完全可以告诉服务商你在南极，或者在北欧的某个小岛上。
　　这也就带来了很多灰色产业的问题。
　　比如刷单，以前有uber幽灵车，假装在你附近。
　　比如约炮骗局，你身边的美女约你开房，后来延伸到了更多推销的领域，你身边的美女开始卖茶，卖酒，炒股，或者拉你上菠菜网站，或者让你带她打游戏等等。
　　很多不知情的人以为真的是身边的，其实都是用工具随意篡改地址，一路扫过来的。
　　新加坡政府曾经为此非常头疼，很多新加坡寂寞大叔被国内的骗子们用这招约炮骗钱。现在街上还能看到政府的公益广告提醒这个骗局。
　　今天特意街拍了一张这样的公益广告，背景是新加坡的组屋住宅区。
　　你说服务商有没有办法确认他的位置的真实性，没太多办法，潜在的思路是通过历史轨迹来判断，你总不能一个小时前在湖南，一个小时后就出现在了新加坡对吧。当然还有可以用IP地址地理信息联合判断，但IP地址也未必可信，因为可以用代理服务器上网的么。
　　现在还有一种远程移动上网终端，更厉害了，你的SIM卡和终端放在新加坡，人在大陆，通过网络可以远程操纵这个终端上网做任何操作，那就更加完全查不出任何异样，目前是黑产行业最爱。
　　四、实时路况是如何实现的
　　我在知识星球分享这个话题的时候，有人提出了这个问题，很多地图软件会展示拥堵情况，并给出路程时间测算，这是怎么实现的呢？
　　其实不复杂，这是基于用户不断地上报数据汇总得到的。
　　比如这条路段上当前有10个车辆使用了百度地图，那么百度地图就知道这10部车的平均车速，就能知道这个路段目前的拥堵情况大概是怎样的。
　　甚至还能分出一些车道情况，比如根据车辆后续上报的行驶轨迹，可以大致区分主路和辅路的车速。（比如辅路可以拐弯，有等红灯的行为记录，而主路一路沿主干道直行）。
　　如果有充分的历史数据，还可以做出一些预判，比如现在5点半，你要出发，按照现在路况，可能只需要40分钟到达目的地，但根据历史数据可以知道，某些地段马上要进入晚高峰，所以你实际上可能需要60分钟才能到达目的地。坦白说，我觉得预判这块很多地图厂商应该是没做到位的。
　　前几天有个小新闻证实了这个实现逻辑，有个无聊的人把几十部安卓手机打开谷歌地图，放上小推车，然后推着小推车在一条空旷的道路上慢慢行走，然后很快你就看到谷歌地图显示这条道路拥堵。
　　真不想教人学坏，如果国内地图厂商用这招恶意竞争，恶心对手，我们以后出行就很难有可信的数据了。
　　五、地理索引的话题
　　地理位置信息成为标配信息后，就产生了基于地理位置的搜索诉求。
　　比如，离我最近的餐厅有哪些。离我最近的活跃用户有谁。一些虚拟增强现实的游戏也会强调这一点。
　　写出这样的代码或许不难，但高并发情况下呢？
　　那么传统的数据库索引，就很难满足这种高并发查询的诉求。
　　我特别提醒初入行的程序员一句，类似的问题，应该自己经常问自己，怎样实现可以满足高并发的查询请求。想想自己有没有办法，然后搜索一下别人怎么做的。很多程序员天天迷茫，不知道怎么进步，其实很多类似的问题要自己提出来，自己去找答案，不能总是等到去面试了才知道自己不会。当然面试了发现不会，也要花点时间去思考解决掉，不能每次面试都不会。
　　移动互联网刚开始兴起的时候，这个问题其实还是比较有困扰性的，后来一些数据库产品提供了地理空间索引，你至少应该知道这样的方案是什么，以及如何使用？对自己要求高一些，看看这种产品具体实现的源代码和底层的逻辑，搜索开销是怎么计算的，搜索开销和数据规模的对应关系是怎样的，彻底理解通透。
　　这个问题我就不展开了，技术人员可以作为思考题，多想想。
　　六，其他七七八八
　　卫星定位服务目前已经可以做到成本极低，那么应用场景也就极为广泛，防盗，追踪，电子围栏等等等等。
　　感谢科技的发展。
　　几十年前，航海中的船只要想知道自己的位置，还是需要凭借船长的经验和完整的记录信息。
　　十几年前，我和老婆自驾游的时候，还要看着纸地图找路，各种纠结各种开错路各种停车问人。
　　今天，我们随时可以知道自己在哪里，周围有什么，一个人去陌生的国度自由行，只要手机有电有信号，就不用过度担心迷路，这似乎是理所当然的事情，但真的就是很短的时间，我们才能实现位置认知的自由。
　　本文来自微信公众号：caoz的梦呓（ID：caozsay），作者：