小米8的双频GPS定位,算黑科技吗?真比GPS单频精度高10倍?

2018-07-23

小米8把双频GPS定位作为一大卖点来宣传,宣传的广告词是:全球首款双频GPS手机,支持L1+L5双频定位,双频信号协同工作,在城市复杂环境中,有效改善导航精准度。

作为研发GPS定位器的专业厂家,对双频GPS定位的精准度非常关心。从理论上给出一个分享。希望使用过小米8的人更多的分享一下实际体验。

现在我们做的定位产品很多支持北斗,GPSGLONASS,准确的说法是三模多频的,跟小米8使用的博通芯片主要差别在GPS的频点上少一个。其实在信号好的情况下也可以精确到5米。与小米的GPS双频差多少呢?下面从原理上分析一下。

首先我们看看主流卫星定位系统的频率分布图:说的GPS双频,就是指GPSL1L5频段。



然后分析一下GPS定位的原理(用GPSL1L2频点举例,L5频点调制原理类似):

 

这个是GPS信号产生框图,主要过程:


导航电文50Hz(就是GPS初始的数据,卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息)--扩频1.023MC/A码)或10.23MHzP码)---调制L1,或者L2上发射。

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星(至少4颗星)的数据就可知道接收机的具体位置。

要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距Pseudo Range,缩写成PR):当GPS卫星正常工作时,会不断地用10二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。

大家熟悉的GPS使用的伪码主要有两种,分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距1微秒,波长约等于于300m(光速30万公里/1.023M=300米左右);P码频率10.23MHz,重复周期266.4天,码间距0.1微秒,波长约等于30m
民用的C/A+电文被调制到L1频段发射出去,军用的P+电文被调制到L1L2频段发射,2010年开始L5频段给民用,也使用10.23M的频率扩频原始电文。

 

这就是下图小米发布的L5L1定位精度高10倍的由来,但这是偷换概念!


300mL1使用的C/A码波长)与30mL5使用的码波长)只是码的波长的10倍而已!

我们通常所说的GPS定位精度,不是伪码的精度,是用户的真实位置与GPS得到的位置的误差距离!

如果按定位精度是单频的10倍,现在GPS单频定位精度可以到5米,那GPS双频就应该是0.5米,现在的条件下,单点定位(不用差分)是达不到的。

 

那双频定位精度能达到多少呢?

GPS的定位精度取决与卫星(星历误差与模型误差,时钟误差等),信号传播(电离层折射,对流程折射、多径效应等),信号接收(接收机天线性能,噪声干扰等)等综合因素。GPS定位精度随着时间、地点的不同有一定的差别。下图中SPSStandard Positioning Service标准定位服务)是民用的,PPSPrecise Positioning Service精确定位服务)是军用的。实际测试使用的效果比下图还要好,军用的使用是双频L1L2频段,好的条件下可以到2米左右的精度。


 

小米8使用的是L1L5双频,小米8的双频GPS定位精度在信号好的条件下可以到3-5米。这个与GPS单频定位精度5米比,有进步,但不是革命性的。所以小米这个双频定位说是黑科技,只能嘿嘿了。。。

但是,双频定位优点还是有的:

1、两个频率可以消除电离层误差。

不同频率的信号通过相同介质的折射率不同。卫星同时发射了两个频率的信号,而手机接收到的时间却不一样,这样就给了手机一个推算大气层误差的机会,进而去消除。

2 L5的码片更短,扩频码自相关峰更尖锐,理论上有更好的抗多径性能。

3、 L5的传输功率比L1L2C(也是给民用的)更大。

4L5采用现代信号设计,包括多种消息类型和前向纠错

缺点也是有的:

1、定位精度提高不明显。

2、增加了硬件成本,还是要消费者买单。

3、L5现在有12GPS卫星提供服务,在2024年才可以24颗卫星全覆盖。所以现在使用双频,会出现有时候工作在单频的情况。

4、不如直接上GPS三频L1L2CL5),定位精度可以到亚米级(1米以内),但L2C要在202124颗卫星全覆盖,L52024年全覆盖。

 

以上说的都是单点定位我们GPS定位器,手机都是单点定位的产品。

与单点定位相对应的,是相对定位(差分定位

单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它大多采用伪距观测量,单点定位单频方式精度可达5米,双频方式精度可达3米。

相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距差分RTD,精度可到亚米级别),采用相位差分RTK,精度可达厘米)。

大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。而手机,大多数是在城市环境下,高楼遮挡以及多径影响很大。在没有差分的情况下达到35米也是很难的。考虑到芯片的功耗等,目前手机芯片不太适合差分定位。

 

综上所述,小米8双频GPS只是一个噱头,国内首个使用GPS双频定位的手机这点是没错的,但这个不算什么黑科技,定位精度也没有大幅度的提升。如果真的好用,其他厂家买博通的定位芯片就轻松拥有了这个“黑科技”,根本没什么门槛,真正的门槛是自己拥有研发芯片与OS的能力,这点华为到是一点点的在沉淀,自己的麒麟CPU都出货都已经是亿级的了。小米也投了芯片公司,但都是资本的力量,不是靠自己技术沉淀下来的。

小米的营销、整合产业链的能力是一流的,5%的硬件低利润,所到之处,同行都给饿的没米了。小米号称不在硬件上赚钱,主要靠广告,软件互联网服务赚钱,但现在看,还是连续几年都是亏损的,有人会说,亚马逊20年内也是经常亏损,也不耽误成为世界第三大市值的公司,也不耽误贝索斯成为世界首富。好吧,小米在下一盘大棋,但愿在不久的将来,可以看到一个可以盈利的拥有自己核心技术的真正独角兽,不要在出双频GPS这样的“黑科技”了。

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