全球首款雙頻GPS手機(jī) 小米8幫你實(shí)現(xiàn)超精準(zhǔn)定位
相信不少人在使用手機(jī)都遇到過(guò)打車時(shí)定位不準(zhǔn)，司機(jī)來(lái)接找不到人；約好碰頭時(shí)明明地圖顯示在同一個(gè)點(diǎn)，但就是碰不到面；開(kāi)車時(shí)導(dǎo)航太晚，錯(cuò)過(guò)了出口的情況。
如果使用超精準(zhǔn)定位手機(jī)小米8，以上問(wèn)題將迎刃而解。小米8作為全球首款支持雙頻GPS的智能手機(jī)，可實(shí)現(xiàn)超精準(zhǔn)定位。
百度、高德、騰訊三大地圖廠商作為官方定位技術(shù)合作伙伴，也都對(duì)小米8給予極高評(píng)價(jià)，稱為地圖導(dǎo)航界突破性的創(chuàng)新和里程碑式的進(jìn)展。
GPS發(fā)展歷史與基本定位原理
GPS，全稱全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System），是以空間為基地的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，在全世界范圍內(nèi)提供不間斷的定位、導(dǎo)航和定時(shí)服務(wù)。任何人只要有一個(gè)接收器，GPS系統(tǒng)就可以為他提供位置和時(shí)間信息。GPS由三部分組成：環(huán)繞地球飛行的衛(wèi)星；地面上設(shè)立的監(jiān)控站；以及用戶擁有的接收器如智能手機(jī)等。
GPS的前身是1958年美國(guó)海軍研究，使用基于多普勒頻移技術(shù)的子午衛(wèi)星系統(tǒng)。它也是世界上第一個(gè)成功運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，為GPS的研制打下了基礎(chǔ)。1973年，GPS在美國(guó)國(guó)防部正式立項(xiàng)，開(kāi)發(fā)過(guò)程分為三個(gè)階段。第一階段為可行性研究，1978年第一顆GPS實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星升空，該階段共發(fā)射4顆試驗(yàn)衛(wèi)星。第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段，從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機(jī)。第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段，自1985年開(kāi)始。1989年第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，1991年GPS在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中名聲大噪，同時(shí)GPS接收機(jī)小型化成功，1995年美國(guó)宣告GPS進(jìn)入全面運(yùn)行狀態(tài)。
GPS衛(wèi)星從空間發(fā)射可由手機(jī)收到和識(shí)別的信號(hào)，其中包含了衛(wèi)星當(dāng)前的位置坐標(biāo)信息，以及由原子鐘和相對(duì)論效應(yīng)校正過(guò)的GPS衛(wèi)星自身精確時(shí)間。假定衛(wèi)星和手機(jī)兩者的時(shí)間是精確同步的，收到衛(wèi)星傳來(lái)的信號(hào)后，手機(jī)用自己的時(shí)間減去信號(hào)中攜帶的發(fā)射時(shí)間，再乘以電磁波的理想傳輸速度即光速，即可算出手機(jī)和衛(wèi)星之間的距離。
由于衛(wèi)星的位置精確可知，我們?cè)谇懊嬉呀?jīng)得到衛(wèi)星到手機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式和3顆衛(wèi)星的坐標(biāo)，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置（X,Y,Z）。不過(guò)，由于這個(gè)結(jié)論是假定處在每顆衛(wèi)星都是和手機(jī)的時(shí)間基準(zhǔn)精確同步的理想狀況下，實(shí)際情況中，必須增加第四顆衛(wèi)星以校準(zhǔn)時(shí)間。目前，共有31顆GPS衛(wèi)星在離地面20200公里的高空上，以12小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。
L1單頻GPS手機(jī)的局限性
前面提到過(guò)，GPS定位的關(guān)鍵是要獲得手機(jī)和衛(wèi)星之間的距離。而要計(jì)算距離，必須知道信號(hào)的傳播時(shí)間，這一數(shù)據(jù)由手機(jī)計(jì)算得出，關(guān)鍵就在于GPS信號(hào)中發(fā)射后到達(dá)手機(jī)需要的時(shí)間是多少。
一、L1頻段GPS信號(hào)精度有限
如果只使用L1頻段1575.42MHz的GPS信號(hào)進(jìn)行定位，它的帶寬較小，只有1MHz。也就是一個(gè)最小周期的傳輸時(shí)間是1/106s=1μs，乘以光速就是300米。如果把L1頻段的GPS信號(hào)比作一把用來(lái)測(cè)量衛(wèi)星到手機(jī)距離的尺子，它的“最小刻度”就是300米，也就是單顆L1頻段衛(wèi)星理論的測(cè)距誤差范圍。無(wú)論空曠開(kāi)闊地帶還是高樓林立的都市，L1頻段的這一局限性都會(huì)造成定位不準(zhǔn)。
二、L1頻段GPS信號(hào)易受反射干擾
在建筑眾多的場(chǎng)景，在城市或者江河湖海等水邊進(jìn)行定位時(shí)，金屬、水面、玻璃等均是GPS信號(hào)良好的反射體。在以上場(chǎng)景使用GPS定位，手機(jī)除了從GPS衛(wèi)星發(fā)射后經(jīng)直線傳播的信號(hào)外，還會(huì)接收到一個(gè)或多個(gè)經(jīng)過(guò)周圍地形反射后的信號(hào)。這樣，手機(jī)接收的多個(gè)信號(hào)會(huì)疊加起來(lái)，導(dǎo)致距離最短的直射信號(hào)變得不明顯，從而降低了衛(wèi)星和手機(jī)之間距離計(jì)算的準(zhǔn)確度，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)失蹤。這一影響在物理學(xué)上叫做多徑效應(yīng)。
可以看到，下圖當(dāng)中由于L1頻段信號(hào)的精度為300米，導(dǎo)致直射信號(hào)與反射信號(hào)疊在一起，手機(jī)會(huì)認(rèn)為實(shí)際收到的是灰色的疊加信號(hào)，造成定位偏差。
三、L1頻段GPS信號(hào)易受電離層影響
而在空曠地帶，定位不準(zhǔn)的主要原因則是大氣中電離層導(dǎo)致的GPS信號(hào)折射，從而增加傳輸時(shí)間。大氣中電離層在太陽(yáng)光的照射下充滿了離子和電子，對(duì)GPS信號(hào)這種電磁波的影響嚴(yán)重。研究發(fā)現(xiàn)，電離層造成的折射效應(yīng)與信號(hào)帶寬的平方成反比，也就是說(shuō)，帶寬越低，電離層造成的影響越大。
L1加L5雙頻GPS，小米8實(shí)現(xiàn)超精準(zhǔn)定位
雙頻GPS功能，讓小米8可以同時(shí)利用L1和L5兩個(gè)頻段的GPS信號(hào)進(jìn)行定位。L5頻段的GPS信號(hào)相比L1頻段編碼更加復(fù)雜，手機(jī)和衛(wèi)星兩方都需要更高成本。此前，L5頻段多用于對(duì)精度有高要求的工業(yè)用途，比如石油和天然氣勘探、航空安全行業(yè)，小米8是首個(gè)應(yīng)用雙頻GPS的消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品。
一、L5頻段GPS信號(hào)精度更高
由于L5即1176.45MHz頻段GPS信號(hào)的帶寬高達(dá)10MHz，是L1頻段的10倍，最小周期傳輸時(shí)間為0.1μs，單顆衛(wèi)星定位測(cè)距誤差也隨之降至30米。
二、L5頻段GPS信號(hào)不易受反射干擾
因此，在高樓大廈等多徑效應(yīng)影響嚴(yán)重的場(chǎng)景中，小米8使用的L5頻段信號(hào)直射和反射更難疊加，從而降低對(duì)定位精度的影響。如下圖所示，藍(lán)色和紫色的反射信號(hào)難以影響綠色的直射信號(hào)，小米8可以獲取更準(zhǔn)確的定位。
三、L1、L5雙頻對(duì)照可消除電離層影響
至于電離層造成的折射影響，首先，L5頻段的帶寬是L1頻段的10倍，根據(jù)之前電離層帶來(lái)的誤差與帶寬平方成反比計(jì)算，L5頻段GPS信號(hào)受到電離層的影響是L1頻段的百分之一。其次，由于電離層對(duì)L1、L5兩個(gè)頻段信號(hào)的影響不同，雙頻GPS設(shè)備如小米8可以不依賴于其他因素，通過(guò)對(duì)比兩路信號(hào)的延遲，用計(jì)算來(lái)消除電離層帶來(lái)的誤差，將GPS定位精度進(jìn)一步提高。
小米8雙頻GPS實(shí)測(cè)：甩單頻手機(jī)一條街
通過(guò)實(shí)測(cè)可以看出，采用了雙頻GPS的小米8在航天橋下環(huán)島導(dǎo)航時(shí)，定位點(diǎn)幾乎完全按照軌跡路線，而單頻GPS手機(jī)因?yàn)槭艿礁呒軜虻男盘?hào)干擾和阻擋，導(dǎo)致定位點(diǎn)大幅漂移，甚至一度進(jìn)入了周圍建筑區(qū)，這主要就是單頻GPS手機(jī)在復(fù)雜城市場(chǎng)景下的局限，同理建外SOHO的實(shí)測(cè)也是相同的結(jié)果。
航天橋定位實(shí)測(cè)
建外SOHO樓群定位實(shí)測(cè)
同樣，在航天橋進(jìn)行單點(diǎn)定位，可以看到三臺(tái)測(cè)試手機(jī)僅有小米8的定位點(diǎn)與實(shí)際位置幾乎重合，而目前多數(shù)單頻GPS手機(jī)都有不同程度的偏差，也就是說(shuō)當(dāng)用戶使用滴滴等平臺(tái)叫車時(shí)，很容易因?yàn)殄e(cuò)誤的地點(diǎn)標(biāo)注導(dǎo)致司機(jī)與乘客出現(xiàn)互相找不到的問(wèn)題。
小米8 其他單頻GPS手機(jī)
雙頻衛(wèi)星定位，未來(lái)的趨勢(shì)
前面提到，由于體積、成本等因素，雙頻GPS設(shè)備即使已經(jīng)商用，也多用于對(duì)精準(zhǔn)度要求更高專業(yè)領(lǐng)域或者軍用。不過(guò)，近年來(lái)自動(dòng)駕駛等技術(shù)走熱，也對(duì)GPS精準(zhǔn)度提出了更高的要求。國(guó)際電氣電子工程師學(xué)會(huì)IEEE預(yù)測(cè)，隨著GPS整體解決方案的不斷進(jìn)步，未來(lái)面向普通消費(fèi)者的手機(jī)等也會(huì)漸漸普及雙頻GPS，最終使GPS定位精確到30厘米級(jí)別。
除由美國(guó)的GPS外，全球還有俄羅斯的GLONASS，我國(guó)的北斗，歐盟的Galieo，日本的QZSS已經(jīng)商用，小米8支持以上所有主流衛(wèi)星定位系統(tǒng)。這些系統(tǒng)當(dāng)中，Galieo支持和GPS L1、L5兼容的E1與E5a頻段；作為GPS的補(bǔ)充，QZSS的L1和L5頻段和GPS相同。
目前，全球支持L1+L5雙頻段的定位衛(wèi)星已經(jīng)達(dá)到30顆，未來(lái)發(fā)射的衛(wèi)星也都將支持雙頻?？梢?jiàn)，為了更高的定位精準(zhǔn)度，支持L1+L5雙頻無(wú)論是衛(wèi)星還是智能手機(jī)等接收器，都是未來(lái)必然的趨勢(shì)。而在當(dāng)下，論拯救路癡，率先對(duì)雙頻GPS、Galieo、QZSS系統(tǒng)進(jìn)行支持，定位精度超高的小米8可謂當(dāng)仁不讓。
本文編輯：張前
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