【定位不准的烦心事系列】第2篇:卫星信号弱到底是咋回事

高德技术
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对于每个使用手机导航App的用户来说,最怕听到的就是“卫星导航信号弱”这个提示,因为这意味着定位不准了,用户可能无法获得准确的指引。那么信号弱到底是咋回事呢?明明没有遮挡,咋就收不到信号呢。今天我们简单讲一下信号弱的产生原因,以及规避的方法。

目前高德地图播报信号弱的时机,是在导航过程中,手机没有上报卫星定位结果。我们对信号弱问题进行了一个分析,原因如下:

可见,在大部分情况下(80%),确实是卫星信号弱,不足以进行卫星定位,少数情况下卫星数够,信号也够强,但是仍然无法定位,原因可能是设备收到的卫星报文存在异常,导致无法顺利解算出卫星位置,或者不同卫星给出的报文信息相互矛盾,难以确定用户的真实位置。

那么,什么原因导致设备搜不到星,或者能搜到星但是信号微弱呢?这里面存在两种可能:

1.手机周边存在电磁干扰源,导致卫星信号被掩盖在其他信号之下,无法锁定卫星。卫星信号从2万公里远的卫星处发出,到达地面时信号强度已经严重衰减,与4G/5G信号对比,其强度只有4G/5G信号的一万亿分之一,所以大家印象中的卫星信号接收天线一般是这样的:

普通用户没有这个条件,起码也得是星链这种

但实际上为了移动性,定位卫星天线都做的很小,比如

这个尺寸还是没法做进手机,手机里的天线长这样

天线变的这么小,信号接收效果肯定差很多,所以定位信号在设计上做了很多处理,使得即使很微弱也能被识别和解码。主要的方法,就是降低数据传输速率(根据香农定理),用更长的时间发送一个比特,最终GPS的数据发送速率只有50Bit/秒,要发送一个完整的定位报文需要6秒。作为对比,5G的数据速率可以达到Gb/s。尽管如此,终端设备还是有一定的概率无法成功读取卫星报文,特别是在强电磁环境下。

强电磁环境并不是我们想象中的大功率信号源附近,因为定位信号十分微弱,任何信号源都可能对定位信号造成干扰,特别是定位信号的频段内,主要是1.1G-1.6GHz这个区间,这个区间内的干扰源很多,一些其他频段信号的谐波也会干扰到定位信号,比如车上的各种电子设备。

现在一些手机厂商在做一些检测工具能够识别车上的干扰源,在这个功能完善以前,普通用户可以尝试在车内改变手机的摆放位置,比如远离中控台,放在靠近挡风玻璃的地方,看看信号是否能恢复。注意,由于一个卫星报文需要6秒才能读取完毕,所以改变位置后需要等待几秒钟才能看到效果。有条件的话,可以走到车外,彻底排除车内的干扰。如果车外可以车内不行,则说明不是手机的问题。

说一个题外话,Spacex发射了星链卫星后,很多人想象,以后是不是可以直接用手机打卫星电话,从原理上讲其实不太现实,虽然星链卫星轨道比定位卫星轨道低很多(几百公里 vs 2万公里),但信号的衰减是不可避免的,即使能收到卫星信号,其数据速率也非常低,更困难的是让卫星接收到手机的信号(定位信号是完全单向的,手机不需要反向发信息)。之前铱星给出的方法是配一个巨大的天线。这可能是未来解决信号弱问题的一个办法(手机增加一个插孔,可以外接天线)

2. 如果在完全空旷的地方,在车外还是无法定位,而且周边也没有其他电子设备,那大概率就是手机的问题。这种情况下,只能通过“重启大法”来解决了。很多用户在出现问题后会尝试重新导航,或者重启地图App,其实这种方式大概率没用,因为此时是手机系统无法定位了,而不是地图App无法定位,重启App没有效果。

据我们观察,各个手机厂商的手机,都不同程度的存在这种问题,这主要受GNSS芯片和天线影响,一般而言,高端机型采用的芯片质量会更好一些,卫星信号的跟踪和解算能力也更强一些,而老旧机型出问题的概率相对更高。

最后,如果用户找不到干扰源,又不想重启手机,就没有办法导航了么?当然不是,高德地图做了大量工作去优化弱信号下的导航体验。从2019年开始,高德地图上线了智能定位功能,就是为弱信号的场景提供持续定位的能力。智能定位主要采用以下能力提供持续的定位能力:

  • 传感器推算:利用手机上的加速度计、陀螺仪、地磁计去判断手机的速度变化和方向变化,再配合地图匹配来判断当前所处的道路,这样即使在进入隧道以后,车标也可以持续移动。这种惯导方式在30秒内可以保持较高的定位精度,时间再长就要结合其他定位方法来保持精度了。
  • 网络点推算:网络定位是手机上另一个重要的定位能力,在室内没有卫星信号的时候都是通过网络定位来实现定位的,其原理是利用扫描到的周边基站和Wifi来完成定位,其精度在30米-200米不等。一般是市区内Wifi比较密集,定位效果比较好,在郊区或高速上只能依靠基站,车标更新会有一些卡顿或者延迟。
  • 卫星弱信号解算:针对手机设备有扫描到卫星,但是无法给出定位结果的场景,高德做了一些算法优化,使得在这种情况下仍然可以提供卫星定位结果。

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