為解決傳統(tǒng) GPS 定位慢、功耗高的痛點(diǎn)，AGPS 技術(shù)通過輔助數(shù)據(jù)注入提升效率。本教程以 LuatOS 開發(fā)環(huán)境為基礎(chǔ)，循序漸進(jìn)地講解 AGPS 輔助定位的開發(fā)流程，包括 AGPS 服務(wù)器對(duì)接、數(shù)據(jù)解析、定位模塊調(diào)優(yōu)等實(shí)戰(zhàn)環(huán)節(jié)，附帶完整代碼與調(diào)試技巧，助開發(fā)者快速上手。

一、AGPS 概述

AGPS（Assisted GPS，輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)先獲取衛(wèi)星星歷、時(shí)間等輔助數(shù)據(jù)，可大幅縮短 GPS 首次定位時(shí)間。LuatOS 提供 AGPS 原生支持，適用于物流追蹤、車載定位等場景。

1.1 GPS、WiFi、基站、AGPS 幾種常用定位原理介紹與區(qū)別

GPS

GPS(Global Positioning System)即全球定位系統(tǒng)，它是由美國研究的一種定位方式，特點(diǎn)是:不需要 SIM 卡，不需要連接網(wǎng)絡(luò)，只要在戶外，基本上就能隨時(shí)隨地的準(zhǔn)確定位。但是 GPS 啟動(dòng)后搜索衛(wèi)星的時(shí)間比較多，一般需要2分鐘左右(俗稱冷啟動(dòng)) 冷啟動(dòng)包括: 1.GPS 初次使用 2.GPS 電池耗盡 3.關(guān)機(jī)狀態(tài)下移動(dòng) 1000 公里以上的距離或持續(xù)關(guān)機(jī)超過 4 小時(shí)。

原理:接收機(jī)接收 GPS 衛(wèi)星廣播，通過解析可見 GPS 衛(wèi)星的位置、距離等信息以及相應(yīng)算法得出自己的位置信息。

優(yōu)勢:定位精度高，只要能接收到四顆衛(wèi)星的定位信號(hào)，就可以進(jìn)行定位。 缺點(diǎn):GPS 受天氣和位置的影響較大。當(dāng)遇到天氣不佳的時(shí)候、或者處于高架橋/樹蔭的下面，或者在高樓的旁邊角落、地下車庫、室內(nèi)或露天的下層車庫(或者簡單地說當(dāng)見不到天空的時(shí)候)，GPS 的定位就會(huì)受到相當(dāng)大的影響，甚至無法進(jìn)行定位服務(wù)。

注意:各國定位系統(tǒng)有:中國北斗、美國 GPS、俄羅斯 GLONASS、歐洲伽利略等，統(tǒng)稱衛(wèi)星定位。

gps 模組定位精度：3~5 米

LBS(基站)定位

基站包括移動(dòng)、聯(lián)通和電信基站?；径ㄎ皇峭ㄟ^移動(dòng)通信的基站信號(hào)差異，通過一定的算法來計(jì)算出手機(jī)所在的位置，取決于定位地點(diǎn)附近所處的基站覆蓋密度，如果基站多，定位則準(zhǔn)確，如果是山區(qū)，基站少，則定位就不那么精確；LBS 定位必須聯(lián)網(wǎng)，手機(jī)處于 SIM 卡注冊狀態(tài)(飛行模式下開 wifi 和拔出 SIM 卡都不行)。

原理:運(yùn)營商蜂窩基站的位置信息都是固定的，通過接收一個(gè)或多個(gè)基站信號(hào)終端，再根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度及基站位置進(jìn)行推算自身位置

優(yōu)點(diǎn):方便，因?yàn)樗峭ㄟ^ SIM 卡接收基站信號(hào)進(jìn)行定位的。理論上說，只要計(jì)算三個(gè)基站的信號(hào)差異，就可以判斷出手機(jī)所在的位置。因此，只要用戶手機(jī)處于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的有效范圍之內(nèi)，就可以隨時(shí)進(jìn)行位置定位，而不受天氣、高樓、位置等等的影響。

缺點(diǎn):通過計(jì)算基站信號(hào)差異而得出的位置坐標(biāo)值，很明顯地遜于 GPS 的定位精度，受環(huán)境影響較大，在郊區(qū)和農(nóng)村可以將移動(dòng)臺(tái)定位在 10~20 米范圍內(nèi)，在城區(qū)由于高大建筑物較多，電波傳播環(huán)境不好，信號(hào)很難直接從基站到達(dá)移動(dòng)臺(tái)，一般要經(jīng)過折射或反射，因此定位精度會(huì)受到影響;其次是使用范圍較窄，LBS 雖然不會(huì)受到天氣、高架橋或高樓的影響，但如果超出手機(jī)的服務(wù)范圍，或者手機(jī)所處的基站數(shù)量不足，則無法進(jìn)行 LBS 定位，從這一點(diǎn)上說不太適合野外使用。

定位精度:10-2000 米。

WIFI 定位

Wifi 定位，顧名思義，周圍必須有 wifi 才可以!WiFi 定位的目的是解決室內(nèi)精確定位，原理類似基站定位。WiFi 定位的條件是:1、必須具有 WIFISCAN 功能，可以掃描到周圍 wifi 的 mac 地址。2、必須能上網(wǎng)，移動(dòng)數(shù)據(jù)或者 wifi 聯(lián)網(wǎng)皆可。

原理:

每一個(gè)無線 AP 都有一個(gè)全球唯一的 MAC 地址, WiFi 定位靠的是偵測附近周圍所有的無線網(wǎng)絡(luò)基地臺(tái) (WiFi Access Point) 的 MAC 地址，去比對(duì)數(shù)據(jù)庫中該 MAC 地址的坐標(biāo)，交叉計(jì)算出所在地。

優(yōu)點(diǎn):

1.定位精度高，wifi 密集人流多的地方相當(dāng)精確;

2.速度快;

3.周圍的 wifi 即使連接不上也能定位。在不依賴外部設(shè)備的情況下，沒有比 WIFI 定位更精準(zhǔn)的室內(nèi)定位方式，室內(nèi)定位不精準(zhǔn)，偏二三十米遠(yuǎn)，這個(gè)問題當(dāng)前科技無解。

缺點(diǎn):

1.依賴wifiscan! 沒有 wifiscan 就不能定位;

2.必須處于聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)。

3.用戶被迫共享了一點(diǎn)流量

精確度:10~200 米

AGPS 輔助定位

AGPS 是輔助 GPS 定位的一種方法。AGPS 和 GPS 是一樣的,只是加上網(wǎng)絡(luò)的輔助而已，定位時(shí)，必須有 GPS 模塊存在，如果沒有 GPS 模塊，這種定位是不起什么作用的。A-GPS 定位是用來加快定位速度的，由于 GPS 冷啟動(dòng)時(shí)，搜星速度很慢(需要把頭上二十多顆衛(wèi)星挨個(gè)搜一遍)，大約 2 分鐘才能搜到，合宙定位模組冷啟動(dòng) 35s 左右就可以定上位。增加了 AGPS 定位之后可以利用基站大體定位下你所在的位置，然后通過網(wǎng)絡(luò)將這個(gè)位置發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)這個(gè)位置將此時(shí)經(jīng)過你頭頂?shù)男l(wèi)星參數(shù)(哪幾顆、頻率、位置、仰角等信息)反饋給你的定位設(shè)備，設(shè)備上的 GPS 就可以很有目的的去搜索衛(wèi)星，此時(shí)你的搜星速度大大提高，幾秒鐘就可以定位。

原理:

接收機(jī)接收 GPS 星歷文件，通過解析可見 GPS 衛(wèi)星的位置、距離等信息以及相應(yīng)算法得出自己的位置信息。

和 GPS 相比比優(yōu)勢:

1.搜星定位快，不管是冷啟動(dòng)還是熱啟動(dòng)都秒定

2.有效減少設(shè)備的電量消耗

3.緩解弱 GPS 信號(hào)情況下無法定位或精度降低的問題

4.對(duì)移動(dòng)設(shè)備的計(jì)算能力要求更低。

缺點(diǎn):

1.必須聯(lián)網(wǎng)，如果你的設(shè)備不能上網(wǎng)，或是停機(jī)了身邊又沒有 wifi，是沒法應(yīng)用 AGPS 達(dá)到秒定效果的。

2.必須有 AGPS 位置服務(wù)器的支持 3.與 GPS 一樣，仍無法完美解決室內(nèi)(室內(nèi)無法接收 GPS 信號(hào))定位的問題。

精確度:3~5 米

二、演示功能概述

本教程將演示如何使用 Air8000 的 GPS 功能，使用 agps 實(shí)現(xiàn)快速定位功能。agps 實(shí)現(xiàn)流程圖如下：

Air8000 的 AGPS 實(shí)現(xiàn)原理為：通過蜂窩基站或 Wi-Fi 定位獲取粗略位置坐標(biāo)，再結(jié)合網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的衛(wèi)星輔助數(shù)據(jù)（星歷），顯著縮短衛(wèi)星信號(hào)搜索時(shí)間并加速定位解算，最終實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)定位。

注意：GPS 星歷文件能保持 4 小時(shí)，定位成功后會(huì)自動(dòng)更新星歷。

由上面原理可知 Air8000 使用 agps 功能需要訪問兩個(gè)服務(wù)器，基站定位服務(wù)器和星歷下載服務(wù)器。(注意：如果使用的是專網(wǎng)卡，需要將下面兩個(gè)服務(wù)器配置在 sim 卡的白名單中，基站定位服務(wù)器和[星歷下載服務(wù)器] (download.openluat.com)。)

三、準(zhǔn)備硬件環(huán)境

1、 Air8000 核心板

2 、GPS 天線

四、準(zhǔn)備軟件環(huán)境

1. 燒錄工具Luatools；

2. 內(nèi)核固件文件（底層 core 固件文件）：LuatOS-SoC_V2005_Air8000；此頁面有新版本固件的話選用最新版本固件。

3. LuatOS 需要的腳本和資源文件：https://gitee.com/openLuat/LuatOS/tree/master/module/Air8000/demo/GPS

4. lib 腳本文件：使用 Luatools 燒錄時(shí)，勾選 添加默認(rèn) lib 選項(xiàng)，使用默認(rèn) lib 腳本文件；

準(zhǔn)備好軟件環(huán)境之后，接下來查看如何燒錄項(xiàng)目文件到 Air8000 開發(fā)板中，將本篇文章中演示使用的項(xiàng)目文件燒錄到 Air8000 開發(fā)板中。

五、GPS 軟硬件參考

5.1 API 接口介紹

本教程使用 api 接口為:

https://docs.openluat.com/osapi/core/libgnss/

5.2 GPS 硬件設(shè)計(jì)

GPS 在硬件設(shè)計(jì)中天線部分是比較關(guān)鍵的，可以參考這篇文章：Air8000 GNSS 硬件設(shè)計(jì)指導(dǎo)：https://docs.openluat.com/air8000/luatos/hardware/design/gnssant/

在核心板上內(nèi)置 GNSS ipex 連接器，同時(shí)內(nèi)置 3.3V LDO, 用于有源天線供電。因此可以使用外部有源天線直接連接 GNSS 連接器。

注意：目前有源天線供電僅支持 3.3V 有源天線，請(qǐng)注意連接的有源天線的供電范圍。

六、代碼示例介紹

6.1 軟件代碼介紹

6.2 效果展示

可以看到?jīng)]有使用 agps 輔助定位需要 31 秒左右才能定位成功。使用 agps 后，注入星歷數(shù)據(jù)后 3s 左右就能定位成功

七、總結(jié)

本教程演示了 Air8000 如何使用 AGPS 來進(jìn)行快速定位，并講解了 AGPS 的實(shí)現(xiàn)原理以及注意事項(xiàng)。

八 、GPS 常見名詞解釋

[1]GNSS：混合定位，不同于 GPS 定位，狹義上講的 GPS 系統(tǒng)，單指美國的 24 顆 GPS 衛(wèi)星以及地面上 1 個(gè)主控站、3 個(gè)數(shù)據(jù)注入站和 5 個(gè)監(jiān)測站及作為用戶端的 GPS 接收機(jī)組成的一整套系統(tǒng)。GNSS 是指通過觀測 GNSS 衛(wèi)星獲得坐標(biāo)系內(nèi)絕對(duì)定位坐標(biāo)的測量技術(shù)。 GNSS 是所有導(dǎo)航定位衛(wèi)星的總稱，凡是可以通過捕獲跟蹤其衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)定位的系統(tǒng)，均可納入 GNSS 系統(tǒng)的范圍。國內(nèi)用戶接觸最多的應(yīng)該是美國的 24 顆 GPS 衛(wèi)星，以及中國的北斗衛(wèi)星(截至到 2023 年 5 月 17 日 10 時(shí) 49 分，中國已有五十六顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星)，其余還有俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO、 日本的準(zhǔn)天頂衛(wèi)星系統(tǒng)、印度的 IRNSS(獨(dú)立的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，覆蓋印度領(lǐng)土及周邊 1500 km 范圍內(nèi)，提供定位精度優(yōu)于 20 米的服務(wù))等其余定位系統(tǒng)。

[2]冷啟動(dòng)：指在一個(gè)陌生的環(huán)境下啟動(dòng) GPS，直到 GPS 芯片和可用衛(wèi)星聯(lián)系并且計(jì)算出坐標(biāo)的過程。以下幾種情況開機(jī)均屬冷啟動(dòng)：

1. 初次開機(jī)使用時(shí)；

2. 電池耗盡導(dǎo)致 GPS 芯片內(nèi)星歷信息丟失時(shí)；

3. 關(guān)機(jī)狀態(tài)下將接收機(jī)移動(dòng) 1000 公里以上距離。

也就是說，冷啟動(dòng)是通過硬件方式的強(qiáng)制性啟動(dòng)，因?yàn)槲锢砭嚯x較遠(yuǎn)，或者時(shí)間間隔很久，GPS 芯片已經(jīng)把內(nèi)部的星歷信息清除掉，或者內(nèi)部的星歷信息完全失效。GPS 接收機(jī)失去衛(wèi)星參數(shù)，或者已經(jīng)存在的參數(shù)和實(shí)際接收到衛(wèi)星參數(shù)相差太多，導(dǎo)致 GPS 芯片無法靠星歷快速搜星，所以必須從新獲得衛(wèi)星提供的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

這也是很多定位器（譬如車載定位器）啟動(dòng)后，搜星時(shí)間長、定位耗時(shí)久的原因

[3]熱啟動(dòng)：指在上次關(guān)機(jī)的地方?jīng)]有過多移動(dòng)過，且距離上次定位時(shí)間小于 1 個(gè)小時(shí)。再次定位時(shí)，GPS 芯片通過軟件的方式，可以繼續(xù)使用之前的星歷快速搜星，實(shí)現(xiàn)秒定位。PS：普通的 GNSS 芯片，星歷最長有效期為 12 小時(shí)，故此星歷過期后，GPS 芯片無法使用星歷實(shí)現(xiàn)快速定位。

[4]溫啟動(dòng)：指距離上次定位時(shí)間超過 1 個(gè)小時(shí)的啟動(dòng)，搜星定位時(shí)間介于冷啟動(dòng)和熱啟動(dòng)之間的情況。

譬如某時(shí)間使用過 GPS 定位實(shí)現(xiàn) 3D FIX，GPS 芯片內(nèi)部生成星歷（或者外部灌入 AGPS 數(shù)據(jù)），那么在 1 小時(shí)內(nèi)啟動(dòng) GPS 芯片進(jìn)行定位的行為就屬于溫啟動(dòng)。啟動(dòng)后，GPS 芯片首先會(huì)輸出上次的位置信息。因?yàn)樯洗侮P(guān)機(jī)前的經(jīng)緯度和高度已知，但由于關(guān)機(jī)時(shí)間過長，衛(wèi)星狀態(tài)發(fā)生了變化，之前 3D FIX 時(shí)的衛(wèi)星接受不到了，所以星歷中參數(shù)中的若干顆衛(wèi)星已經(jīng)和 GPS 接收機(jī)失去了聯(lián)系，GPS 芯片需要繼續(xù)搜星補(bǔ)充位置信息，所以搜星的時(shí)間要長于熱啟動(dòng)，短于冷啟動(dòng)。

[5]星歷：是用于描述太空飛行體位置和速度的表達(dá)式———兩行式軌道數(shù)據(jù)系統(tǒng)。衛(wèi)星、航天器或飛行體一旦進(jìn)入太空，即被列入 NORAD 衛(wèi)星星歷編號(hào)目錄。列入 NORAD 衛(wèi)星星歷編號(hào)目錄的太空飛行體將被終生跟蹤。衛(wèi)星、火箭殘骸等飛行體成為太空垃圾時(shí)，仍被列入 NORAD 衛(wèi)星編號(hào)目錄，直到目標(biāo)消失。衛(wèi)星星歷以開普勒定律的 6 個(gè)軌道參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系確定飛行體的時(shí)間、坐標(biāo)、方位、速度等各項(xiàng)參數(shù)，具有極高的精度。衛(wèi)星星歷能精確計(jì)算、預(yù)測、描繪、跟蹤衛(wèi)星、飛行體的時(shí)間、位置、速度等運(yùn)行狀態(tài)；能表達(dá)天體、衛(wèi)星、航天器、導(dǎo)彈、太空垃圾等飛行體的精確參數(shù)；能將飛行體置于三維的空間；用時(shí)間立體描繪天體的過去、現(xiàn)在和將來。衛(wèi)星星歷的時(shí)間按世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（UTC）計(jì)算。衛(wèi)星星歷定時(shí)更新。

[6]AGPS：輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（英語：Assisted Global Positioning System，簡稱：AGPS）指的是一種 GPS 的運(yùn)行方式。它可以利用地面基地站的資訊，配合傳統(tǒng) GPS 衛(wèi)星，讓定位的速度更快

[7]有源天線：通常對(duì)于設(shè)備或車載機(jī)而言，由于設(shè)備與 GPS 接收模塊之間往往有距離，考慮到安裝的便利性可能會(huì)有超過 1 米的距離，在這種情況下我們只能選擇有源 GPS 天線，由于天線長度的信號(hào)衰減需要進(jìn)行補(bǔ)償，一般有兩級(jí)低噪聲放大器(LNA)進(jìn)行天線前端信號(hào)放大，放大后的信號(hào)經(jīng)電纜輸出，電纜同步提供 LNA 所需要的直流電壓

由于天線收到的信號(hào)在有源天線接受頭內(nèi)完成信號(hào)接受與天線放大，并且遠(yuǎn)離 GPS 設(shè)備或其他電器設(shè)備，干擾源最小，而且安裝位置由于天線距離延長安裝位置可以選擇非常理想的環(huán)境，所以實(shí)際使用時(shí)往往感覺信號(hào)較強(qiáng)

[8]無源天線：使用無源 GPS 天線時(shí)，由于只有一個(gè)陶瓷片接收天空的衛(wèi)星信號(hào)，直接連接到模塊的 RF-IN 腳，這種聯(lián)接方式結(jié)構(gòu)簡單，而且標(biāo)準(zhǔn)的 25254 的陶瓷片成本低廉，技術(shù)成熟，占空體積小，適合于強(qiáng)調(diào)緊湊型空間 GPS 導(dǎo)航產(chǎn)品，藍(lán)牙 GPS,手機(jī) GPS 及其他小型 GPS 消費(fèi)類產(chǎn)品。

這種天線的布局是從天線的引腳直達(dá)模塊的 RF-IN 腳，這根導(dǎo)線需要進(jìn)行 50 歐阻抗匹配，而且在天線附近不能有電磁干擾，對(duì) PCB 的設(shè)計(jì)及整機(jī)的 EMI 設(shè)計(jì)要求較高，但如果設(shè)計(jì)得優(yōu)良的無源天線 GPS 產(chǎn)品同樣有非常好的表現(xiàn)效果，而且功耗比較低，無需考慮天線自身的功耗。

[9]半邊天以及開拓地帶：GPS 衛(wèi)星運(yùn)行在距地 36000KM 的軌道上，信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)弱（GPS 衛(wèi)星的功率有多大？）。GPS 的民用 C/A 碼從衛(wèi)星發(fā)出來的時(shí)候信號(hào)只有 27W 左右，達(dá)到地球的時(shí)候在-158.5dBW 以上。用對(duì)數(shù)形式表示可能不直觀，換算成十進(jìn)制等于將近 0.0000000000000001W，相當(dāng)小。所以，只有室外開闊的、無遮擋、晴好的地方，才能搜到更多的衛(wèi)星，SNR 值更高（陰天都會(huì)有影響哦），GPS 芯片才能更快、更好的實(shí)現(xiàn)定位。

半邊天一般指樓宇內(nèi)窗邊，打開窗戶，只能搜到一半天空的衛(wèi)星。

[10]定位糾偏：OpenLuat 的所有 GNSS 模塊均使用國際標(biāo)準(zhǔn)WGS-84坐標(biāo)系，所以開發(fā)者在國內(nèi)常見地圖定位時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)與實(shí)際情況有幾十米甚至上百米的誤差。這并非模塊問題， 而是國內(nèi)地圖采用了非標(biāo)坐標(biāo)系所致。 國內(nèi)常見地圖如高德地圖使用GCJ-02坐標(biāo)系， 百度地圖使用BD-09坐標(biāo)系，故此開發(fā)者需要對(duì)模塊輸出的經(jīng)緯度進(jìn)行加偏處理，才能在國內(nèi)的地圖上實(shí)現(xiàn)精確定位，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可在合宙提供的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換網(wǎng)站上直觀的展示處理

[11]重捕：是指接收終端在丟失所接收信號(hào)狀態(tài)下，從重新接收到信號(hào)開始，至終端設(shè)備輸出符合定位精度要求的定位結(jié)果所需的時(shí)間。失鎖重捕時(shí)間反映了在接收機(jī)信號(hào)失鎖，定位中斷后重新恢復(fù)定位的速度。失鎖重捕時(shí)間短的接收機(jī)在易中斷環(huán)境中（如隧道等）的定位性能好，因此失鎖重捕時(shí)間可以有效評(píng)估車載終端的性能

[12]低噪聲放大器：主要用于接收信號(hào)的前端，放大天線從空中接收到的微弱信號(hào)，降低噪聲干擾，以供系統(tǒng)解調(diào)出所需的信息數(shù)據(jù)

今天的內(nèi)容就分享到這里了~

審核編輯 黃宇