Android 定位系统介绍

1. 定位方式简介
2. 定位原理简介
1. GNSS定位
2. 蜂窝网络定位/Wi-Fi定位/蓝牙定位
3. Android GNSS 系统结构
1. Android SDK
2. Android Framework
3. HAL
4. 驱动程序
5. GNSS芯片
6. 网络定位

定位方式简介

Android 的定位系统是一套用于获取设备地理位置信息的软件和硬件组件，它允许应用程序和服务访问设备的位置信息数据。按照定位原理分类, 主要有以下的几种定位方式：

• GNSS定位
  全球导航卫星系统(GNSS)是一种使用卫星信号来确定设备精确地理位置的技术，Android 设备设备通常配备了GNSS接收器，可以通过计算卫星信号来获取经度和纬度坐标。这种定位手段可以不需要接入网络，一般用于户外位置获取。GNSS 是美国的GPS、欧盟的GALILEO、俄罗斯的GLONASS和中国的北斗导航系统等的统称。
• 蜂窝网络定位
  这种方法使用移动蜂窝网络基站的信息来估算设备的位置，通常可以提供较粗略的位置信息。基站数据量大，定位时需要将基站信息上传到服务器获取基站位置信息，然后计算出设备的位置。
• Wi-Fi定位
  Android 设备可以扫描周围的 Wi-Fi 网络，并根据已知 Wi-Fi 热点的位置信息和信号强度来估算设备的位置。 Wi-Fi 定位通常用于室内和城市环境中。
• 蓝牙定位
  在一些特定的应用程序中还会使用蓝牙定位，通过扫描附近的特殊蓝牙基站设备来计算设备的位置。这种方法通常用于室内导航，会在室内布置一定数量的蓝牙基站。
• 传感器融合定位：
  利用设备自带的陀螺仪、加速度计和磁力计等传感器，可以提高定位准确度。常见应用场景如行车导航，在卫星信号不良的情况下利用传感器进行惯性导航。

定位原理简介

基本原理简要概括：时间计算距离，三球测量单点。

不同的工作方式计算方式有所不同。

GNSS定位

GNSS 由三部分组成：

• 运行在太空的卫星星座天空中的卫星星座组成的信标广播系统，会不断向地球发送包含卫星空间坐标和时间信息的信号；
• 卫星地面控制部分处于地球的控制站能够控制天空中的卫星，控制卫星的飞行轨迹以及广播的星历、历书信息和时间信息，同时监控卫星飞行轨迹，不断修正卫星数据，保证卫星广播数据准确；
• 用户设备部分
  用于接收卫星信号，通过解析广播中的卫星空间信息和时间信息，先计算出相对卫星的距离，然后通过至少三个卫星组成的球面计算出终端的空间坐标，带入地球模型，即可得到经纬度和高度信息；

星历：用来记录卫星的运行参数，通过星历，可以计算出任意时刻的导航卫星的位置和速度。星历表包含了非常详细的卫星轨道和位置信息，所以其数据量较大，传输时间较长，为了可以这个困难，人们设计了其简化集，即历书；
历书：包含卫星的位置等相关信息，精度较低；
时间：虽然卫星广播中附带了准确的时间，但由于电磁波在大气传播存在时延误差，所以一般使用更多的卫星来校准时间；

一次定位过程可以划分为三个阶段：

1. 搜索卫星
2. 下载星历/历书
3. 计算位置

其中，搜索卫星和下载星历比较耗时，所以可以划分为三种情况：

• 冷启动：
  手机第一次定位，没有保存星历和历书，则需要将上述流程完全走一遍，TTFF至少有12.5分钟；
• 暖启动：
  保存有星历和历书，只是比较老（历书不超过180天，旧时间信息不超过20S，旧位置信息不超过100Km），需要更新，更新后进行定位。TTFF至少为30S；
• 热启动：
  保存有效的星历，时间和位置信息，这种只需要测距定位就可以了，TTFF小于10S；

AGPS：
一些终端中会有一个 AGPS 的功能，它的作用是通过互联网下载星历后注入给芯片，降低搜星和下载星历的耗时，实现缩减冷暖启动首次定位时间的效果。

蜂窝网络定位/Wi-Fi定位/蓝牙定位

这几类定位方式的原理基本一致，均是扫描已知地理位置的物体或设备信息，然后通过电信号计算出相对已知物体的距离，进而通过三个已知点的距离求解目标点位置。差异在于数据源：

• 基站：
  运营商的基站地理位置信息为已知条件（运营商或三方系统授权持有），终端设备可以扫描基站得到基站列表，通过向基站发送应答包计算设备到基站的距离（已知电磁波传播速度），最后通过基站已知坐标和对应的距离信息，可以推算出终端的位置。基站信息量庞大，终端设备一般仅扫描基站，然后通过网络将基站信息发回服务器进行计算。
  由于地面电磁波环境复杂容易发生衍射、多径传播等情况，会对定位精度造成较大干扰，所以此种方式定位精度较低，通常在几百米到几千米之间。
• WIFI/蓝牙：
  WIFI和蓝牙原理相似，一般需要内建WIFI或蓝牙基站的位置信息数据库作为已知条件，终端设备扫描WIFI、蓝牙基站的信息和信号强度，再通过信号强度估算出终端和基站的距离（通过信号衰减程度计算），最后和数据库作对比计算终端的位置。

一句话总结：

• GNSS 定位和网络定位都是通过空间已知点和距离计算终端的位置，差别有三：
  1. GNSS 使用独立的GNSS接收机硬件实现定位，网络定位通常依赖传感器的数据使用软件计算位置；
  2. GNSS 使用卫星作为位置计算参考点，网络定位使用各种地面的信标（基站、WIFI、蓝牙等）作为位置计算参考点；
  3. GNSS 计算过程在终端芯片内可以无需网络参与，网络定位计算过程在软件层面（终端或服务器），一般情况需要通过网络上下传数据；
• GNSS 定位计算过程都在芯片内，基本无法干预； 网络定位计算过程一般在云端；

Android GNSS 系统结构

Android SDK

Android SDK 中提供了一组请求/停止请求定位信息的接口，请求定位的参数主要有进行定位的提供者（常用GNSS或NETWORK）、定位间隔参数（时间和距离）、接收定位结果的回调接口。
另外还有用于设置监听 GNSS 卫星状态的回调接口和监听 GNSS 芯片 NMEA 数据的回调接口，前者用于反馈当前的卫星数量、星座、以及型号质量等数据，后者用于展示、原始数据后处理、日志抓取等等。

请求定位的提供者常用的有GPS（GNSS）和NETWORK，另外还有 FUSED 和 PASSIVE：

• GPS_PROVIDER(GNSS)
  期望系统启动卫星定位系统进行定位，这种方式会产生较高的功耗，精度较高；
• NETWORK_PROVIDER
  期望系统启动基于网络的方式进行定位，这种方式相比卫星定位会有较低的功耗，但精确度相对会比卫星定位低；
• FUSED_PROVIDER
  期望调用 GMS（谷歌移动服务） 进行定位，国内用不了；
• PASSIVE_PROVIDER
  期望系统不主动定位，通过“蹭”系统内别的 PROVIDER 的定位结果的定位方式，不常用；

SDK 层面操作的类主要为 android.location.LocationManager，它暴露了请求定位，注册回调等方法。这个类包装了 ILocationManager AIDL 接口，用于和 Framework 通信。

相关的接口如下：

    public interface LocationListener {
        void onLocationChanged(Location location);
        @Deprecated
        void onStatusChanged(String provider, int status, Bundle extras);
        void onProviderEnabled(String provider);
        void onProviderDisabled(String provider);
    }
    public void requestSingleUpdate(@NonNull String provider, @NonNull LocationListener listener, @Nullable Looper looper)
    public void requestLocationUpdates(@NonNull String provider, long minTime, float minDistance, @NonNull LocationListener listener)
    public void removeUpdates(@NonNull LocationListener listener)

    public static abstract class Callback {
        public void onStarted() {}
        public void onStopped() {}
        public void onFirstFix(int ttffMillis) {}
        public void onSatelliteStatusChanged(GnssStatus status) {}
    }
    public boolean registerGnssStatusCallback(@NonNull GnssStatus.Callback callback)
    public void unregisterGnssStatusCallback(@NonNull GnssStatus.Callback callback)

    public interface OnNmeaMessageListener {
        void onNmeaMessage(String message, long timestamp);
    }
    public boolean addNmeaListener(@NonNull OnNmeaMessageListener listener)
    public void removeNmeaListener(@NonNull OnNmeaMessageListener listener)

Android Framework

Framework 层面主要的类为 android.server.LocationManagerService，它实现了 ILocationManager AIDL 接口，一面透过 SDK 和应用打交道，一面透过各种 PROVIDER 和定位实现打交道：

• GPS_PROVIDER(GNSS)
  通过 GNSS HAL 接口和芯片打交道。
• NETWORK_PROVIDER
  依赖设备厂商的具体实现，Android 默认实现依赖 Google 提供的 GMS 实现国内无法使用；一般厂商会实现为通过基站/WIFI/蓝牙进行融合定位。
• FUSED_PROVIDER
  调用 GMS（谷歌移动服务） 进行定位，国内用不了；
• PASSIVE_PROVIDER
  使用 PassiveProvider 在系统位置更新时通知给应用，分享其他 PROVIDER 的定位结果；

LocationManagerService 在系统开机时由 SystemServer 的 startOtherServices 方法中初始化并调用 systemRunning 方法拉起，然后初始化各种 PROVIDER，并且监听系统各种影响定位的状态（例如系统定位开关、低功耗模式、锁屏、用户切换等）。

LocationManagerService 的主要业务逻辑包括：

• 管理 Location Provider
• 应用定位权限管控
• 监听定位相关功能开关状态
• 监听系统状态（低功耗等特殊模式）变化，及时调整定位策略
• 分发定位信息（定位结果、卫星信息、NMEA数据）

LocationManagerService 和应用交互包括：

• 接收应用的定位请求
• 检查应用定位权限
• 回调应用的定位结果
• 回调 GNSS 卫星状态
• 回调 GNSS NMEA 数据

LocationManagerService 操作 GnssLocationProvider 和 GNSS HAL 交互包括：

• 控制芯片启动、停止定位
• 控制芯片的定位参数
• 向芯片注入辅助定位的特定数据
• 设置 HAL 解析定位信息的回调
• 接收并上报 HAL 解析的定位信息

HAL

HAL 层面是 Framework 和芯片的中间角色，对外屏蔽了不同芯片的差异。主要的职责包括：

• 控制定位芯片上下电
• 控制芯片启动、停止工作
• 处理 Framework 的定位请求
• 转发向芯片注入辅助定位的信息（AGPS、RTK等）
• 解析芯片输出的 NMEA 协议的报文数据
• 向 Framework 上报芯片输出的定位结果、卫星信息、NMEA数据等信息

驱动程序

GNSS 芯片上下电控制手段各不相同，有的使用GPIO，有的使用芯片平台的电源管理模块。

GNSS 芯片使能控制手段通常使用GPIO。

GNSS 芯片常见的通讯方式为串口，所以驱动程序以内核自带的串口驱动为主。

GNSS芯片

芯片厂商封装了 GNSS 射频单元、运算单元等功能的芯片。芯片能够接收卫星广播的星历、时间信息，内部进行计算后得到卫星信息和定位结果，通过串口对外输出使用 NMEA-0183 协议封装的报文。

网络定位

Android 初始化 LocationManagerService 时构造 LocationProviderProxy 实例，LocationProviderProxy 会寻找并绑定符合要求服务，作为网络定位的实现实例，然后应用请求网络定位时就会将定位请求发给绑定的服务实例处理。
被绑定的服务需要满足以下要求：

• 声明 ACTION 为 com.android.location.service.v3.NetworkLocationProvider 以便被系统绑定
• 包名出现在 Framework 的 config_locationProviderPackageNames 字段当中，系统会过滤不可信的定位服务实现
• onBind 返回的实例需要继承自 LocationProviderBase，用以接收系统的定位请求和上报定位结果。