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智能手表之双频GPS如何提高定位精度?

时间:2021-12-03 09:10:18 作者:Challey 阅读:
双频GPS其实早已不是什么稀奇高端的配置,在手机上,大约在2018年就开始有机型配置此类芯片或者模块。但是在智能手表上,由于对体积、功耗以及天线的要求更高,所以最近才出来这类模块。
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GPS不准确一直是智能手表行业中备受消费者诟病的主要问题之一。最近,智能手表行业出现了多款搭载双频GPS的产品,似乎双频GPS有开始在智能穿戴上流行之趋势。本文主要讨论双频GPS在智能穿戴/智能手表上如何提高定位精度。

双频GPS

双频GPS其实早已不是什么稀奇高端的配置,在手机上,大约在2018年就开始有机型配置此类芯片或者模块。

但是在智能手表上,由于对体积、功耗以及天线的要求更高,所以最近才出来这类模块。

GPS的信号频段包括:L1波段:1.57542GHz, L2波段:1.22760GHz, L3波段:1.38105GHz, L4波段:1.84140GHz,L5波段:1.17645GHz。L1是以前通用的,L4,L5是比较新的频段。

其中单频GPS只能接收L1频段的载波信号,定位精度5米左右,双频可用L1和L2,L2一般用在勘测和军事,民用的双频是L1+L5,定位精度最高可达30厘米。

目前GPS、Galileo、QZSS三种卫星系统陆续开始在L5波段增加发出的民用信号,即为GPS L5C、Galileo E5a、QZSS L5信号。

  • 双频GPS的优势

双频GPS可以提升导航定位精度。与L1信号相比,GPS L5C与Galileo E5a信号测距码的码片速率提高了10倍,因此,由于信号经过多条路径传播而引起的误差的抑制能力,也相应地提高了约10倍;同时L5波段具有较宽的带宽和较高的发射功率,因此抗干扰能力与噪声性能也将有显著的提升。

在技术上,L5频段信号直射和反射更难叠加,从而可以降低对定位精度的影响。

蓝色和紫色的反射信号难以影响绿色的直射信号,因此定位时可以获取更准确的位置信息。

  • 配置双频GPS智能手表

目前配置了双频GPS的智能穿戴手表有HUAWEI WATCH 3 Pro,小米Color 2,华为GT 3和 GT Runner(跑表),以及国产高端跑表高驰VERTIX 2。

其他跑步方面的专业智能手表鲜有配置双频GPS。

双频GPS实测定位精度如何,怎样提高精度?

双频GPS在硬件上具有同时接收两个波段的卫星信号的优势,理论上精度更高,但是实际测试中,有的却大相径庭,甚至比普通单频GPS的定位精度和测距误差更大。下面是配置双频GPS的某智能手表实测情况。

红框中的两段是来回跑步所获得的轨迹,两次经过同一路段的时间相差不超过5分钟,但轨迹明显差距较大,且其他轨迹也多偏离道路(沿马路边跑步)。

那为什么明明配置了双频GPS,轨迹还是这般飘忽不定呢?

其实,双频GPS的定位精度尽管有先天上的硬件优势,但更重要的还与GPS终端接收天线、GPS 轨迹算法、地图大数据算法、以及GPS+WiFi/蜂窝算法相关。

  • GPS接收天线

双频GPS在芯片基础上支持接收两个频段的卫星信号,但还需要有天线接收信号的能力。智能手表由于其体积小,天线的大小、长度以及布局都受到很大的限制。

这方面,华为智能手表中最新的面向跑步领域的GT Runner就在天线方面进行了创新。

据介绍,华为GT Runner采用了悬浮式隐藏外置天线设计,将定位天线隐藏于聚合纤维材质的表耳中,减少金属遮蔽造成的定位信号影响,同时支持GPS、北斗、GLONASS、GALILEO、QZSS五大卫星系统双频协同定位,能有效提升楼宇、林荫道等遮挡环境下的定位精度,可以准确区分马拉松比赛过程中主道与辅道,定位性能较传统设计提升135%(数据源于华为实验室),可轻松实现马拉松跑道级精准定位,这也是华为截止目前定位最精准的成人智能手表。

然而,根据网上一些专业跑者的实测,在有遮挡的地方,还是没有手机定位准确。

其实,这是因为手表芯片处理能力有限,无法或者没有实时的对GPS轨迹进行算法纠正。

  • GPS 轨迹算法

GPS 卫星发送的导航信息是每秒50位的连续的数据流,每颗卫星都同时向地面发送以下信息:系统时间和时钟校正值、自身精确的轨道数据(星历,ephemeris) 其他卫星的近似轨道信息(历书,almanac) 系统运行状况。

GPS信号与时间星历有关。GPS星历是指卫星轨道信息或某一时刻轨道参数及其变率或某一时刻卫星位置及其变化率。分为预报星历(又叫广播星历)和后处理星历(精密星历)。

GPS广播星历:包括某一参考历元的轨道及其摄动改正项参数。共有16个参数。用C/A码传送的星历叫C/A码星历,精度为数十米。

后处理星历:用P码传送的星历叫P码星历,叫做精密P码星历,精度为5米。用于军事目的。大部分用户得不到。一些国家某些部门根据各自跟踪卫星的精密观测资料来计算出的星历。事后提供给用户。

民用消费产品只能得到GPS广播星历。似乎没有改进的空间了。

但随着技术的发展,特别是AI的出现,GPS轨迹算法还可以在广播星历上进行AI纠正。这方面行业内普通智能手机/智能穿戴手表做的很少。

  • 地图大数据算法

GPS信号直观呈现出来的结果就是在地图上,一般来说,智能手表(智能手机也一样)仅仅是把得到的GPS信号(有的进行纠偏处理)在地图上显示出来。然而,当智能设备携带在人身上时,不可能在一两秒的时间穿越一座建筑物或者快速飞越一条数米宽的马路。这是常识。因此,完全可以根据地图上的道路信息进行GPS信号的纠偏。利用GPS上一段历史轨迹的连续性或者说惯性与地图上的道路以及建筑物等进行对比,实现大数据算法纠偏。

其实这个算法很早就有了,十多年前的凯立德仅仅是离线地图就能非常好的进行车道惯性导航。

只是,现在普通的智能穿戴手表没有在这方面进行深入的研发。当然,也受限于智能手表的体积与芯片算力和续航以及App应用限制(大部分智能手表没有地图App或者无法长时间开启地图App)。

  • GPS+WiFi/蜂窝算法

GPS+WiFi/蜂窝算法在智能手机上已经不陌生。但是目前很多智能手表没有配置移动通信模块,以前的儿童手表会有插卡式,现在开始流行eSIM卡(虚拟卡)的形式。但是,据网上实测,配置了eSIM功能的智能手表在开启蜂窝功能后,其GPS定位似乎更糟糕。

究其原因,是由于智能手表的电池一般仅有400-500mAh左右,需要严格控制耗电,因此其eSIM功能大部分采用不连续工作状态,也因此出现GPS+蜂窝算法不稳定甚至定位精度更差的情况。GPS+WiFi也是类似。

结语

2021年的第十一届松山湖中国IC创新高峰论坛的圆桌论坛上,讨论了业界一直期待的「下一代智能手机」- 智慧可穿戴设备的发展机遇与挑战,并进行了投票:预计何时,无线蓝牙耳机+智能手表一起,将取代50%的智能手机通话场景(不使用智能手机即可完成通话),场内外嘉宾与观众对此问题的投票结果是:

5年内 与 3-5内的投票结果相同。

随着时代的进步和技术的发展,手机会逐渐被另外一种智能终端所取代,而智能手表,无论是其便携性和易用性都逐渐的显露出更能够满足人们的需求。

尽管现在的定位技术多种多样,但GPS是绝大部分智能设备的主要配置之一,无论是单频GPS还是双频GPS,结合智能设备本身以及地图等大数据的算法才能解决和满足不断发展的智能穿戴设备的需求。

责编:Luffy Liu

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