全球首款雙頻GPS手機 小米8幫你實現超精準定位

    相信不少人在使用手機都遇到過打車時定位不準，司機來接找不到人；約好碰頭時明明地圖顯示在同一個點，但就是碰不到面；開車時導航太晚，錯過了出口的情況。

    如果使用超精準定位手機小米8，以上問題將迎刃而解。小米8作為全球首款支持雙頻GPS的智能手機，可實現超精準定位。

    百度、高德、騰訊三大地圖廠商作為官方定位技術合作伙伴，也都對小米8給予極高評價，稱為地圖導航界突破性的創新和里程碑式的進展。

GPS發展歷史與基本定位原理

     GPS，全稱全球定位系統（Global Positioning System），是以空間為基地的無線電導航系統，在全世界范圍內提供不間斷的定位、導航和定時服務。任何人只要有一個接收器，GPS系統就可以為他提供位置和時間信息。GPS由三部分組成：環繞地球飛行的衛星；地面上設立的監控站；以及用戶擁有的接收器如智能手機等。

    GPS的前身是1958年美國海軍研究，使用基于多普勒頻移技術的子午衛星系統。它也是世界上第一個成功運行的衛星導航系統，為GPS的研制打下了基礎。1973年，GPS在美國國防部正式立項，開發過程分為三個階段。第一階段為可行性研究，1978年第一顆GPS實驗衛星升空，該階段共發射4顆試驗衛星。第二階段為全面研制和試驗階段，從1979年到1984年，又陸續發射了7顆試驗衛星，研制了各種用途的接收機。第三階段為實用組網階段，自1985年開始。1989年第一顆GPS工作衛星發射成功，1991年GPS在海灣戰爭中名聲大噪，同時GPS接收機小型化成功，1995年美國宣告GPS進入全面運行狀態。

    GPS衛星從空間發射可由手機收到和識別的信號，其中包含了衛星當前的位置坐標信息，以及由原子鐘和相對論效應校正過的GPS衛星自身精確時間。假定衛星和手機兩者的時間是精確同步的，收到衛星傳來的信號后，手機用自己的時間減去信號中攜帶的發射時間，再乘以電磁波的理想傳輸速度即光速，即可算出手機和衛星之間的距離。

    由于衛星的位置精確可知，我們在前面已經得到衛星到手機的距離，利用三維坐標中的距離公式和3顆衛星的坐標，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X,Y,Z）。不過，由于這個結論是假定處在每顆衛星都是和手機的時間基準精確同步的理想狀況下，實際情況中，必須增加第四顆衛星以校準時間。目前，共有31顆GPS衛星在離地面20200公里的高空上，以12小時的周期環繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。

L1單頻GPS手機的局限性

    前面提到過，GPS定位的關鍵是要獲得手機和衛星之間的距離。而要計算距離，必須知道信號的傳播時間，這一數據由手機計算得出，關鍵就在于GPS信號中發射后到達手機需要的時間是多少。

一、L1頻段GPS信號精度有限

    如果只使用L1頻段1575.42MHz的GPS信號進行定位，它的帶寬較小，只有1MHz。也就是一個最小周期的傳輸時間是1/106s=1μs，乘以光速就是300米。如果把L1頻段的GPS信號比作一把用來測量衛星到手機距離的尺子，它的“最小刻度”就是300米，也就是單顆L1頻段衛星理論的測距誤差范圍。無論空曠開闊地帶還是高樓林立的都市，L1頻段的這一局限性都會造成定位不準。

二、L1頻段GPS信號易受反射干擾

    在建筑眾多的場景，在城市或者江河湖海等水邊進行定位時，金屬、水面、玻璃等均是GPS信號良好的反射體。在以上場景使用GPS定位，手機除了從GPS衛星發射后經直線傳播的信號外，還會接收到一個或多個經過周圍地形反射后的信號。這樣，手機接收的多個信號會疊加起來，導致距離最短的直射信號變得不明顯，從而降低了衛星和手機之間距離計算的準確度，嚴重時甚至會導致衛星信號失蹤。這一影響在物理學上叫做多徑效應。

    可以看到，下圖當中由于L1頻段信號的精度為300米，導致直射信號與反射信號疊在一起，手機會認為實際收到的是灰色的疊加信號，造成定位偏差。

三、L1頻段GPS信號易受電離層影響

而在空曠地帶，定位不準的主要原因則是大氣中電離層導致的GPS信號折射，從而增加傳輸時間。大氣中電離層在太陽光的照射下充滿了離子和電子，對GPS信號這種電磁波的影響嚴重。研究發現，電離層造成的折射效應與信號帶寬的平方成反比，也就是說，帶寬越低，電離層造成的影響越大。

L1加L5雙頻GPS，小米8實現超精準定位

    雙頻GPS功能，讓小米8可以同時利用L1和L5兩個頻段的GPS信號進行定位。L5頻段的GPS信號相比L1頻段編碼更加復雜，手機和衛星兩方都需要更高成本。此前，L5頻段多用于對精度有高要求的工業用途，比如石油和天然氣勘探、航空安全行業，小米8是首個應用雙頻GPS的消費級產品。

一、L5頻段GPS信號精度更高

由于L5即1176.45MHz頻段GPS信號的帶寬高達10MHz，是L1頻段的10倍，最小周期傳輸時間為0.1μs，單顆衛星定位測距誤差也隨之降至30米。

二、L5頻段GPS信號不易受反射干擾

因此，在高樓大廈等多徑效應影響嚴重的場景中，小米8使用的L5頻段信號直射和反射更難疊加，從而降低對定位精度的影響。如下圖所示，藍色和紫色的反射信號難以影響綠色的直射信號，小米8可以獲取更準確的定位。

三、L1、L5雙頻對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，根據之前電離層帶來的誤差與帶寬平方成反比計算，L5頻段GPS信號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L1、L5兩個頻段信號的影響不同，雙頻GPS設備如小米8可以不依賴于其他因素，通過對比兩路信號的延遲，用計算來消除電離層帶來的誤差，將GPS定位精度進一步提高。

小米8雙頻GPS實測：甩單頻手機一條街

通過實測可以看出，采用了雙頻GPS的小米8在航天橋下環島導航時，定位點幾乎完全按照軌跡路線，而單頻GPS手機因為受到高架橋的信號干擾和阻擋，導致定位點大幅漂移，甚至一度進入了周圍建筑區，這主要就是單頻GPS手機在復雜城市場景下的局限，同理建外SOHO的實測也是相同的結果。

航天橋定位實測

建外SOHO樓群定位實測

    同樣，在航天橋進行單點定位，可以看到三臺測試手機僅有小米8的定位點與實際位置幾乎重合，而目前多數單頻GPS手機都有不同程度的偏差，也就是說當用戶使用滴滴等平臺叫車時，很容易因為錯誤的地點標注導致司機與乘客出現互相找不到的問題。

       小米8                                       其他單頻GPS手機

 雙頻衛星定位，未來的趨勢

    前面提到，由于體積、成本等因素，雙頻GPS設備即使已經商用，也多用于對精準度要求更高專業領域或者軍用。不過，近年來自動駕駛等技術走熱，也對GPS精準度提出了更高的要求。國際電氣電子工程師學會IEEE預測，隨著GPS整體解決方案的不斷進步，未來面向普通消費者的手機等也會漸漸普及雙頻GPS，最終使GPS定位精確到30厘米級別。

    除由美國的GPS外，全球還有俄羅斯的GLONASS，我國的北斗，歐盟的Galieo，日本的QZSS已經商用，小米8支持以上所有主流衛星定位系統。這些系統當中，Galieo支持和GPS L1、L5兼容的E1與E5a頻段；作為GPS的補充，QZSS的L1和L5頻段和GPS相同。

    目前，全球支持L1+L5雙頻段的定位衛星已經達到30顆，未來發射的衛星也都將支持雙頻。可見，為了更高的定位精準度，支持L1+L5雙頻無論是衛星還是智能手機等接收器，都是未來必然的趨勢。而在當下，論拯救路癡，率先對雙頻GPS、Galieo、QZSS系統進行支持，定位精度超高的小米8可謂當仁不讓。

本文編輯：張前

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