智能手表之雙頻GPS如何提高定位精度？

GPS不準確一直是智能手表行業(yè)中備受消費者詬病的主要問題之一。最近，智能手表行業(yè)出現(xiàn)了多款搭載雙頻GPS的產(chǎn)品，似乎雙頻GPS有開始在智能穿戴上流行之趨勢。本文主要討論雙頻GPS在智能穿戴/智能手表上如何提高定位精度。

雙頻GPS

雙頻GPS其實早已不是什么稀奇高端的配置，在手機上，大約在2018年就開始有機型配置此類芯片或者模塊。

但是在智能手表上，由于對體積、功耗以及天線的要求更高，所以最近才出來這類模塊。

GPS的信號頻段包括：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是比較新的頻段。

其中單頻GPS只能接收L1頻段的載波信號，定位精度5米左右，雙頻可用L1和L2，L2一般用在勘測和軍事，民用的雙頻是L1+L5，定位精度最高可達30厘米。

目前GPS、Galileo、QZSS三種衛(wèi)星系統(tǒng)陸續(xù)開始在L5波段增加發(fā)出的民用信號，即為GPS L5C、Galileo E5a、QZSS L5信號。

• 雙頻GPS的優(yōu)勢

雙頻GPS可以提升導航定位精度。與L1信號相比，GPS L5C與Galileo E5a信號測距碼的碼片速率提高了10倍，因此，由于信號經(jīng)過多條路徑傳播而引起的誤差的抑制能力，也相應地提高了約10倍；同時L5波段具有較寬的帶寬和較高的發(fā)射功率，因此抗干擾能力與噪聲性能也將有顯著的提升。

在技術上，L5頻段信號直射和反射更難疊加，從而可以降低對定位精度的影響。

藍色和紫色的反射信號難以影響綠色的直射信號，因此定位時可以獲取更準確的位置信息。

• 配置雙頻GPS的智能手表

目前配置了雙頻GPS的智能穿戴手表有HUAWEI WATCH 3 Pro，小米Color 2，華為GT 3和 GT Runner（跑表），以及國產(chǎn)高端跑表高馳VERTIX 2。

其他跑步方面的專業(yè)智能手表鮮有配置雙頻GPS。

雙頻GPS實測定位精度如何，怎樣提高精度？

雙頻GPS在硬件上具有同時接收兩個波段的衛(wèi)星信號的優(yōu)勢，理論上精度更高，但是實際測試中，有的卻大相徑庭，甚至比普通單頻GPS的定位精度和測距誤差更大。下面是配置雙頻GPS的某智能手表實測情況。

紅框中的兩段是來回跑步所獲得的軌跡，兩次經(jīng)過同一路段的時間相差不超過5分鐘，但軌跡明顯差距較大，且其他軌跡也多偏離道路（沿馬路邊跑步）。

那為什么明明配置了雙頻GPS，軌跡還是這般飄忽不定呢？

其實，雙頻GPS的定位精度盡管有先天上的硬件優(yōu)勢，但更重要的還與GPS終端接收天線、GPS 軌跡算法、地圖大數(shù)據(jù)算法、以及GPS+WiFi/蜂窩算法相關。

• GPS接收天線

雙頻GPS在芯片基礎上支持接收兩個頻段的衛(wèi)星信號，但還需要有天線接收信號的能力。智能手表由于其體積小，天線的大小、長度以及布局都受到很大的限制。

這方面，華為智能手表中最新的面向跑步領域的GT Runner就在天線方面進行了創(chuàng)新。

據(jù)介紹，華為GT Runner采用了懸浮式隱藏外置天線設計，將定位天線隱藏于聚合纖維材質(zhì)的表耳中，減少金屬遮蔽造成的定位信號影響，同時支持GPS、北斗、GLONASS、GALILEO、QZSS五大衛(wèi)星系統(tǒng)雙頻協(xié)同定位，能有效提升樓宇、林蔭道等遮擋環(huán)境下的定位精度，可以準確區(qū)分馬拉松比賽過程中主道與輔道，定位性能較傳統(tǒng)設計提升135%（數(shù)據(jù)源于華為實驗室），可輕松實現(xiàn)馬拉松跑道級精準定位，這也是華為截止目前定位最精準的成人智能手表。

然而，根據(jù)網(wǎng)上一些專業(yè)跑者的實測，在有遮擋的地方，還是沒有手機定位準確。

其實，這是因為手表芯片處理能力有限，無法或者沒有實時的對GPS軌跡進行算法糾正。

• GPS 軌跡算法

GPS 衛(wèi)星發(fā)送的導航信息是每秒50位的連續(xù)的數(shù)據(jù)流，每顆衛(wèi)星都同時向地面發(fā)送以下信息：系統(tǒng)時間和時鐘校正值、自身精確的軌道數(shù)據(jù)（星歷，ephemeris） 其他衛(wèi)星的近似軌道信息（歷書，almanac） 系統(tǒng)運行狀況。

GPS信號與時間星歷有關。GPS星歷是指衛(wèi)星軌道信息或某一時刻軌道參數(shù)及其變率或某一時刻衛(wèi)星位置及其變化率。分為預報星歷（又叫廣播星歷）和后處理星歷（精密星歷）。

GPS廣播星歷：包括某一參考歷元的軌道及其攝動改正項參數(shù)。共有16個參數(shù)。用C/A碼傳送的星歷叫C/A碼星歷，精度為數(shù)十米。

后處理星歷：用P碼傳送的星歷叫P碼星歷，叫做精密P碼星歷，精度為5米。用于軍事目的。大部分用戶得不到。一些國家某些部門根據(jù)各自跟蹤衛(wèi)星的精密觀測資料來計算出的星歷。事后提供給用戶。

民用消費產(chǎn)品只能得到GPS廣播星歷。似乎沒有改進的空間了。

但隨著技術的發(fā)展，特別是AI的出現(xiàn)，GPS軌跡算法還可以在廣播星歷上進行AI糾正。這方面行業(yè)內(nèi)普通智能手機/智能穿戴手表做的很少。

• 地圖大數(shù)據(jù)算法

GPS信號直觀呈現(xiàn)出來的結(jié)果就是在地圖上，一般來說，智能手表（智能手機也一樣）僅僅是把得到的GPS信號（有的進行糾偏處理）在地圖上顯示出來。然而，當智能設備攜帶在人身上時，不可能在一兩秒的時間穿越一座建筑物或者快速飛越一條數(shù)米寬的馬路。這是常識。因此，完全可以根據(jù)地圖上的道路信息進行GPS信號的糾偏。利用GPS上一段歷史軌跡的連續(xù)性或者說慣性與地圖上的道路以及建筑物等進行對比，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)算法糾偏。

其實這個算法很早就有了，十多年前的凱立德僅僅是離線地圖就能非常好的進行車道慣性導航。

只是，現(xiàn)在普通的智能穿戴手表沒有在這方面進行深入的研發(fā)。當然，也受限于智能手表的體積與芯片算力和續(xù)航以及App應用限制（大部分智能手表沒有地圖App或者無法長時間開啟地圖App）。

• GPS+WiFi/蜂窩算法

GPS+WiFi/蜂窩算法在智能手機上已經(jīng)不陌生。但是目前很多智能手表沒有配置移動通信模塊，以前的兒童手表會有插卡式，現(xiàn)在開始流行eSIM卡（虛擬卡）的形式。但是，據(jù)網(wǎng)上實測，配置了eSIM功能的智能手表在開啟蜂窩功能后，其GPS定位似乎更糟糕。

究其原因，是由于智能手表的電池一般僅有400-500mAh左右，需要嚴格控制耗電，因此其eSIM功能大部分采用不連續(xù)工作狀態(tài)，也因此出現(xiàn)GPS+蜂窩算法不穩(wěn)定甚至定位精度更差的情況。GPS+WiFi也是類似。

結(jié)語

2021年的第十一屆松山湖中國IC創(chuàng)新高峰論壇的圓桌論壇上，討論了業(yè)界一直期待的「下一代智能手機」- 智慧可穿戴設備的發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)，并進行了投票：預計何時，無線藍牙耳機+智能手表一起，將取代50%的智能手機通話場景（不使用智能手機即可完成通話），場內(nèi)外嘉賓與觀眾對此問題的投票結(jié)果是：

5年內(nèi) 與 3-5內(nèi)的投票結(jié)果相同。

隨著時代的進步和技術的發(fā)展，手機會逐漸被另外一種智能終端所取代，而智能手表，無論是其便攜性和易用性都逐漸的顯露出更能夠滿足人們的需求。

盡管現(xiàn)在的定位技術多種多樣，但GPS是絕大部分智能設備的主要配置之一，無論是單頻GPS還是雙頻GPS，結(jié)合智能設備本身以及地圖等大數(shù)據(jù)的算法才能解決和滿足不斷發(fā)展的智能穿戴設備的需求。

責編：Luffy Liu