照片里安静存在的坐标
用现代手机拍照时，图像文件里可能不只保存了颜色和光线。文件内部还会带上一份小型技术记录：曝光时间、相机参数、镜头方向，以及常常存在的地理位置。肉眼看到的也许是车站、山口或咖啡桌；计算机读到的还可能是：北纬 35.681 度、东经 139.767 度、海拔 42 米，镜头大致朝向西南。
这就是 GPS 照片地理标记。它让一组旅行照片日后能按城市、步道、港口或街区排列。这个过程看似自动，背后却连接着物理学、无线电计时、文件标准和地图投影。理解这条链路，也能解释它为什么有时很准，有时却会把市中心的一张照片放到马路对面。
手机在聆听来自太空的时间信号
GPS 是全球定位系统，由一组持续向地球广播无线电信号的卫星组成。每个信号都带有极精确的时间戳，以及卫星发出信号时所在的位置。手机通常不是向卫星发送请求，而是在接收这些信号。
关键原理叫三边测量，而不是三角测量。三角测量依赖角度，GPS 依赖距离。无线电波以光速传播，手机比较信号发出和到达的时间差，就能把极小的延迟换算成距离。一个卫星只能给出一个巨大的球面范围；第二个卫星缩小范围；第三个卫星通常会把位置缩小到两个可能点，其中远离地球的那个可以排除。
那为什么通常至少需要四颗卫星？因为手机里的时钟远没有卫星上的原子钟精准。只差一微秒，就可能带来约 300 米的距离误差。第四颗卫星让接收器能同时求解时钟误差、纬度、经度和高度。实际使用中，手机往往会接收更多卫星，再把多组测量合并来提高精度。
从定位结果到 EXIF 位置信息
按下快门时，相机系统记录图像，同时操作系统会读取最近一次位置估计。这个估计可能来自卫星导航、附近网络信号、运动传感器，或它们的组合。如果用户允许记录位置，手机会把坐标写入照片文件的元数据。
最常见的容器是 EXIF，也就是可交换图像文件格式。EXIF 是一种把照片事实和图像像素一起存储的标准。它可以保存快门速度、光圈、ISO、焦距、日期、设备方向、缩略图和 GPS 字段。位置并不会画在照片上，而是存在文件的结构化区域里，之后软件可以读取它，而不改变可见图像。
EXIF 的 GPS 标签可以包括纬度、经度、海拔、时间戳、速度、移动方向和拍摄方向。坐标常以度、分、秒和南北、东西方向标记保存。地图软件会把它们转换为十进制度数，再在地球上放置一个点。
为什么坐标点有时会漂移
GPS 很惊人，但并非无所不知。它依赖从两万多公里外卫星传来的微弱无线电信号。信号到达手机时已经非常微弱，建筑、地形、天气，甚至握持方式都可能影响它。
隧道是最直观的失败场景：岩石和混凝土会阻挡卫星信号。室内也有类似问题。高楼密集的城市会形成“城市峡谷”，信号可能先被玻璃和混凝土反射，再到达手机，使路径看起来比真实距离更长。接收器可能误以为卫星更远，从而把位置算到街道或广场的另一侧。
多云天气通常没有想象中那么重要，因为 GPS 无线电信号可以穿过云层。强降雨、潮湿树冠、山体和反光城市表面反而更可能带来影响。手机还必须快速决策。如果你从口袋里拿出手机后一秒内拍照，相机可能会使用上一次位置，或在卫星接收器还没精确收敛时使用较粗略的估计。
辅助 GPS 如何填补空白
现代手机很少只依赖卫星信号。它们会使用辅助 GPS，也就是 AGPS，来加快并稳定首次定位。辅助数据能告诉手机哪些卫星应该在天空中，从而减少搜索时间。网络线索也能帮忙：基站提供大致区域，已知 WiFi 热点则能在卫星视野不好时提供更局部的位置估计。
这解释了为什么手机在室内也常常能大致定位。但这种方法有代价。开阔天空下的卫星定位可能精确到几米；WiFi 定位依赖热点位置数据库和信号强度；基站定位在农村地区可能只能精确到一个片区。当这些来源混合使用时，照片得到的坐标可能有用，但并不完全精确。
照片如何出现在地图上
照片地图的基础是读取元数据。软件扫描图像文件，寻找 EXIF 位置信息，提取纬度和经度，再把坐标绘制成点。若许多照片在相近地点拍摄，这些点会被聚合或按地点分组。若一天的路线包含数百张照片，时间戳顺序还能大致勾勒出当天路径。
精度很重要。真实的卫星定位可能把照片放到正确的观景台或桥上；粗略的网络定位也许只能放到正确街区。还有些文件完全没有位置。早期数码相机常常没有 GPS，早期手机照片也可能是在位置记录尚未普遍或未开启时拍摄。它们仍可手动放置，或根据时间戳匹配单独的 GPS 轨迹，但默认并不会自动带坐标。
更多卫星、更多系统、更好的定位
虽然人们常把“GPS”泛指位置服务，今天的手机其实可以接收多个全球导航卫星系统。除了美国的 GPS，还有俄罗斯的 GLONASS、欧洲的 Galileo 和中国的北斗。许多接收器能同时使用多个系统的信号，增加可见卫星数量，在复杂环境中提高表现。
新手机还可能支持多频段。比较不同频率的信号，可以修正无线电波穿过电离层时产生的误差。与此同时，5G 定位研究希望通过密集蜂窝基础设施的时间和角度测量，改善室内和城市定位。未来的照片地理标记很可能不是依赖某个神奇传感器，而是传感器融合：卫星、基站、WiFi、惯性运动、气压计和地图互相校验。
一张等待被读取的隐藏地图
下次翻看旅行照片时，可以想想其中隐形的地理信息。每张照片都可能记录手机认为你在哪里、海拔多高、镜头朝向哪里。它并不完美，也不应被当作法律测量。但作为口袋里的科学仪器，它非常了不起：相机、时钟、无线电接收器和制图工具，在按下快门的一瞬间协同工作。