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全球首款双频GPS手机小米8帮你实现超精准定位

发布时间:2018/6/6 21:42:53 来源:安卓中文网 作者:安卓中文…

  相信不少人在使用手机都遇到过打车时定位不准,司机来接找不到人;约好碰头时明明地图显示在同一个点,但就是碰不到面;开车时导航太晚,错过了出口的情况。

 

  如果使用超精准定位手机小米8,以上问题将迎刃而解。小米8作为全球首款支持双频GPS的智能手机,可实现超精准定位。

  百度、高德、腾讯三大地图厂商作为官方定位技术合作伙伴,也都对小米8给予极高评价,称为地图导航界突破性的创新和里程碑式的进展。

 

  GPS发展历史与基本定位原理

  GPS,全称全球定位系统(Global Positioning System),是以空间为基地的无线电导航系统,在全世界范围内提供不间断的定位、导航和定时服务。任何人只要有一个接收器,GPS系统就可以为他提供位置和时间信息。GPS由三部分组成:环绕地球飞行的卫星;地面上设立的监控站;以及用户拥有的接收器如智能手机等。

  GPS的前身是1958年美国海军研究,使用基于多普勒频移技术的子午卫星系统。它也是世界上第一个成功运行的卫星导航系统,为GPS的研制打下了基础。1973年,GPS在美国国防部正式立项,开发过程分为三个阶段。第一阶段为可行性研究,1978年第一颗GPS实验卫星升空,该阶段共发射4颗试验卫星。第二阶段为全面研制和试验阶段,从1979年到1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种用途的接收机。第三阶段为实用组网阶段,自1985年开始。1989年第一颗GPS工作卫星发射成功,1991年GPS在海湾战争中名声大噪,同时GPS接收机小型化成功,1995年美国宣告GPS进入全面运行状态。

  GPS卫星从空间发射可由手机收到和识别的信号,其中包含了卫星当前的位置坐标信息,以及由原子钟和相对论效应校正过的GPS卫星自身精确时间。假定卫星和手机两者的时间是精确同步的,收到卫星传来的信号后,手机用自己的时间减去信号中携带的发射时间,再乘以电磁波的理想传输速度即光速,即可算出手机和卫星之间的距离。

 

  由于卫星的位置精确可知,我们在前面已经得到卫星到手机的距离,利用三维坐标中的距离公式和3颗卫星的坐标,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。不过,由于这个结论是假定处在每颗卫星都是和手机的时间基准精确同步的理想状况下,实际情况中,必须增加第四颗卫星以校准时间。目前,共有31颗GPS卫星在离地面20200公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

  L1单频GPS手机的局限性

  前面提到过,GPS定位的关键是要获得手机和卫星之间的距离。而要计算距离,必须知道信号的传播时间,这一数据由手机计算得出,关键就在于GPS信号中发射后到达手机需要的时间是多少。

  一、L1频段GPS信号精度有限

  如果只使用L1频段1575.42MHz的GPS信号进行定位,它的带宽较小,只有1MHz。也就是一个最小周期的传输时间是1/106s=1μs,乘以光速就是300米。如果把L1频段的GPS信号比作一把用来测量卫星到手机距离的尺子,它的“最小刻度”就是300米,也就是单颗L1频段卫星理论的测距误差范围。无论空旷开阔地带还是高楼林立的都市,L1频段的这一局限性都会造成定位不准。

 

  二、L1频段GPS信号易受反射干扰

  在建筑众多的场景,在城市或者江河湖海等水边进行定位时,金属、水面、玻璃等均是GPS信号良好的反射体。在以上场景使用GPS定位,手机除了从GPS卫星发射后经直线传播的信号外,还会接收到一个或多个经过周围地形反射后的信号。这样,手机接收的多个信号会叠加起来,导致距离最短的直射信号变得不明显,从而降低了卫星和手机之间距离计算的准确度,严重时甚至会导致卫星信号失踪。这一影响在物理学上叫做多径效应。

 

  可以看到,下图当中由于L1频段信号的精度为300米,导致直射信号与反射信号叠在一起,手机会认为实际收到的是灰色的叠加信号,造成定位偏差。

 

  三、L1频段GPS信号易受电离层影响

  而在空旷地带,定位不准的主要原因则是大气中电离层导致的GPS信号折射,从而增加传输时间。大气中电离层在太阳光的照射下充满了离子和电子,对GPS信号这种电磁波的影响严重。研究发现,电离层造成的折射效应与信号带宽的平方成反比,也就是说,带宽越低,电离层造成的影响越大。

  L1加L5双频GPS,小米8实现超精准定位

  双频GPS功能,让小米8可以同时利用L1和L5两个频段的GPS信号进行定位。L5频段的GPS信号相比L1频段编码更加复杂,手机和卫星两方都需要更高成本。此前,L5频段多用于对精度有高要求的工业用途,比如石油和天然气勘探、航空安全行业,小米8是首个应用双频GPS的消费级产品。

 

  一、L5频段GPS信号精度更高

  由于L5即1176.45MHz频段GPS信号的带宽高达10MHz,是L1频段的10倍,最小周期传输时间为0.1μs,单颗卫星定位测距误差也随之降至30米。

 

  二、L5频段GPS信号不易受反射干扰

  因此,在高楼大厦等多径效应影响严重的场景中,小米8使用的L5频段信号直射和反射更难叠加,从而降低对定位精度的影响。如下图所示,蓝色和紫色的反射信号难以影响绿色的直射信号,小米8可以获取更准确的定位。

 

  三、L1、L5双频对照可消除电离层影响

  至于电离层造成的折射影响,首先,L5频段的带宽是L1频段的10倍,根据之前电离层带来的误差与带宽平方成反比计算,L5频段GPS信号受到电离层的影响是L1频段的百分之一。其次,由于电离层对L1、L5两个频段信号的影响不同,双频GPS设备如小米8可以不依赖于其他因素,通过对比两路信号的延迟,用计算来消除电离层带来的误差,将GPS定位精度进一步提高。

 

  小米8双频GPS实测:甩单频手机一条街

  通过实测可以看出,采用了双频GPS的小米8在航天桥下环岛导航时,定位点几乎完全按照轨迹路线,而单频GPS手机因为受到高架桥的信号干扰和阻挡,导致定位点大幅漂移,甚至一度进入了周围建筑区,这主要就是单频GPS手机在复杂城市场景下的局限,同理建外SOHO的实测也是相同的结果。

 

  航天桥定位实测

 

  建外SOHO楼群定位实测

  同样,在航天桥进行单点定位,可以看到三台测试手机仅有小米8的定位点与实际位置几乎重合,而目前多数单频GPS手机都有不同程度的偏差,也就是说当用户使用滴滴等平台叫车时,很容易因为错误的地点标注导致司机与乘客出现互相找不到的问题。

 

  小米8 其他单频GPS手机

  双频卫星定位,未来的趋势

  前面提到,由于体积、成本等因素,双频GPS设备即使已经商用,也多用于对精准度要求更高专业领域或者军用。不过,近年来自动驾驶等技术走热,也对GPS精准度提出了更高的要求。国际电气电子工程师学会IEEE预测,随着GPS整体解决方案的不断进步,未来面向普通消费者的手机等也会渐渐普及双频GPS,最终使GPS定位精确到30厘米级别。

  除由美国的GPS外,全球还有俄罗斯的GLONASS,我国的北斗,欧盟的Galieo,日本的QZSS已经商用,小米8支持以上所有主流卫星定位系统。这些系统当中,Galieo支持和GPS L1、L5兼容的E1与E5a频段;作为GPS的补充,QZSS的L1和L5频段和GPS相同。

 

  目前,全球支持L1+L5双频段的定位卫星已经达到30颗,未来发射的卫星也都将支持双频。可见,为了更高的定位精准度,支持L1+L5双频无论是卫星还是智能手机等接收器,都是未来必然的趋势。而在当下,论拯救路痴,率先对双频GPS、Galieo、QZSS系统进行支持,定位精度超高的小米8可谓当仁不让。

 

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