gps数学建模改进：软件算法改写GPS技术性能

gps数学建模改进：软件算法改写GPS技术性能但来自卫星的GPS信号就像阳光一样，会被建筑物、汽车、地标和其他地理因素反射，这意味着在杂乱的城市环境或树木覆盖下的道路运动时，卫星信号会产生多个反射，设备中的GPS信号接收器会因此产生混淆。这时，你的设备可能会认为你距离真实位置数十米甚至数百米，从而导致显示出错误的行进距离和路径。GPS需要你携带的设备从外太空获取信号来定位你的位置，当设备和卫星之间没有阻挡，比如你在户外开阔的天空下跑步时，GPS 工作状态最好。GPS定位系统可能会：很慢且不精确；应用的耗电量大；存在意想不到的安全隐患……关于这些缺陷，我们可以经常在媒体上看见相关报道。如下图文章中的报道：智能手表上的GPS显示路径和你实际的跑步路径很少能够完全一致。图1：“为什么你的GPS手表不完全精确”

来源：邮电设计技术 2022-09-23 15:59

GPS在智能手机、智能手表、汽车和其他设备中已经成为普遍存在的功能。但基于GPS定位功能的应用，如地图等，仍然有很多缺陷不时暴露出来，亟需改进。

为此，全球的科技公司正作着持续的努力……

01当前GPS定位系统的缺陷

GPS定位系统可能会：很慢且不精确；应用的耗电量大；存在意想不到的安全隐患……关于这些缺陷，我们可以经常在媒体上看见相关报道。

如下图文章中的报道：智能手表上的GPS显示路径和你实际的跑步路径很少能够完全一致。

图1：“为什么你的GPS手表不完全精确”

GPS需要你携带的设备从外太空获取信号来定位你的位置，当设备和卫星之间没有阻挡，比如你在户外开阔的天空下跑步时，GPS 工作状态最好。

但来自卫星的GPS信号就像阳光一样，会被建筑物、汽车、地标和其他地理因素反射，这意味着在杂乱的城市环境或树木覆盖下的道路运动时，卫星信号会产生多个反射，设备中的GPS信号接收器会因此产生混淆。这时，你的设备可能会认为你距离真实位置数十米甚至数百米，从而导致显示出错误的行进距离和路径。

图2：跑步“意外游泳”：定位路线窜进河里

如何改进GPS的缺陷？相关技术中，一些亮眼的解决方案正在出现。

9月8日，科技媒体TechCrunch 就报道了一则消息：一家剑桥大学的衍生公司通过“软件算法”实现GPS定位性能的大幅提升，弥补了GPS受制于芯片和频段的缺陷……

“软件算法”……这是否意味着GPS定位的突破性变局即将到来？

02两个关键要素：GPS芯片和频段

目前的GPS接收端主要基于芯片，不管是智能手机、汽车还是其他各类终端，都需要嵌入GPS芯片。这意味着GPS性能的改进，在很大程度上取决于芯片性能的改进。

然而，考虑到GPS芯片市场的巨大规模和推出下一代芯片的过程，对GPS性能进行更新是一座需要攀登的大山。据Techno System Research的数据，预计2022年全球卫星定位芯片出货量超过18亿个，到2027年将增长到22亿个。其中智能手机占大部分，而自动驾驶和无人机设备增长最快。

再说频段，GPS 定位基于两个无线电频段L1和L5。L1的定位性能较差，L5的定位性能精确，但定位功能精确的频段却同时存在更加耗电的问题。目前许多手机厂商推出了双频GPS的智能手机，来提高定位精度，但双频GPS显然更加耗电。

03以“软件升级”的成本实现“军用级”功能

还是以上文的剑桥大学衍生公司FocalPoint为例，它正在开发一种基于软件的解决方案，能够使GPS芯片本身不需要更换或升级就能改善性能。即：通过检测和拒绝虚假信号，包括从建筑物反射的信号和欺骗信号，来提高卫星定位接收器的灵敏度、准确性和可靠性。它用软件算法，通过了解卫星信号的方向，拒绝因反射产生的错误信号，以更高的置信度实现高精度定位。

其算法的人体运动建模系统来自设备内的传感器（加速度计、陀螺仪、气压计和指南针）数据与自定义 AI 相结合，以构建人体在空间运动的厘米级视图。然后将其与过滤的GPS信号进行更好的配对，确保排除最不准确的定位。由此，共同构建了一张更准确的行驶距离、速度和路线图，还可以实现在室内环境完全无法接收卫星信号时对运动路径的估算。

一般来说，低性能的定位使用耗电量小的频段（L1），因此定位精度较差。而性能更高的频段（L5）是计算密集型的，这是它耗电量大的原因。FocalPoint的软件算法则可以让定位性能差、耗电量小的L1频段产生比L5频段更精确的定位。这无疑有助于降低其他组件的成本。

此外，还可以识别定位欺骗。定位欺骗通过广播虚假的卫星信号以迷惑信号接收器，当信号实际上在某地方时，却显示在另一个地方。定位欺骗易被犯罪网络、黑客和诈骗者利用，随着欺骗定位技术成本的下降，企业和消费者面临的风险正在增加。软件算法通过确定每个信号的来源方向，可以立即将虚假信号检测为欺骗信号，并完全忽略，还可以查明这些信号来自物理环境中的哪个位置。

但是，识别欺骗定位的现有方案是采用军用级受控辐射模式天线 (CRPA)，以安装在碟形卫星锅的7根天线来识别欺骗信号。而一个CRPA的成本通常为 10000 美元，重7.5公斤，价格昂贵。

“我们以升级软件的成本就可以提供军用级的功能。”FocalPoint公司首席执行官Faragher却表示。

据FocalPoint网站提供的数据，仅使用软件算法就可以将GPS接收器的灵敏度提高25倍，定位精度提高10倍，并且可以使采用低耗电频段的GPS信号优于高耗电频段的信号。

04接触谷歌，瞄准苹果

据报道，因技术亮眼，FocalPoint的C轮融资已筹集了1700万美元，预计在C轮融资全部完成后将筹集2600万美元。融资将用于继续进行技术开发，并与早期客户一起推出首次商用部署。该技术目前适用于4G，未来还将适用于5G和Wi-Fi。其应用场景包括：帮助导航或定位跟踪的手机应用程序获取更准确的位置（例如跑步和其他运动）、帮助公司提供导航服务（例如运输或车队管理）、提高整体GPS的安全性等。

FocalPoint还与谷歌及其Android团队合作，测试其技术在试验中如何改善谷歌地图软件的定位功能。FocalPoint向谷歌证明，在使用他们的技术之前，谷歌无法将性能较低的L1频段用于其内部地图技术。这种内部地图技术被谷歌用于任何导航服务，包括谷歌地图及其设备。谷歌的技术是通过观察信号如何从建筑物反射来确定位置，但这必须采用性能较高的GPS频段L5，而对性能较低的GPS频段L1则无效，因此，这会导致电池消耗量的增加。此项新技术则可以让谷歌地图软件在L1频段下就能发挥作用。

图3：FocalPoint（蓝线）对比Google地图定位（红点）

无独有偶，最近苹果公司宣布了其最新的Apple Watch型号，并宣称该型号具有更长的续航，可以使用多频段来提供更精确的GPS定位。这是设备制造商改进GPS性能以及他们愿意为此进行投资的信号，为FocalPoint等初创公司提供了利用新的、更有效的技术来打入市场的机会。

05彻底提升GPS精度，行业或将迎来变局

是2000年成立的美国公司Global Locate将GPS定位带入大众消费智能手机市场，为包括苹果和三星在内的公司提供首批GPS芯片（Global Locate于2007年被博通收购）。预计2022年全球卫星定位芯片市场将达到52亿美元，其中消费移动电子领域仍然占据最大份额。

消费类手机是全球卫星定位市场出货量最高的领域，其中智能手机份额最高，其次是智能手表和平板电脑。消费类移动设备还包括笔记本电脑、专业无人机、手持设备和数码相机。

从2018年开始，智能手机开始引入双频GPS解决方案，以提供更好的导航解决方案，尤其是在城市高楼大厦间。2021年，几乎所有智能手机都安装了GPS定位。预计到 2027 年，双频GPS智能手机将占智能手机市场的39%左右份额。

图4：全球卫星定位设备市场预测

FocalPoint认为，现有的GPS技术已经不再适用，他们使命是彻底提升GPS和其他全球导航卫星系统的精确度，以此解决企业和消费者面临的问题。

有30年GPS技术经验的专家、 Global Locate创始人Scott Pomerantz称，这种以软件算法改进GPS定位精度的技术确实是新颖和开创性的，这是定位和半导体行业的一个拐点，它将解决整个行业的问题，并为依赖定位和时间信息的准确性、可靠性和安全性的商业市场创造现象级机会。

参考文献

https://techcrunch.com/2022/09/08/focalpoint-gps-series-c/

https://focalpointpositioning.com/

https://www.eetasia.com/gnss-chip-and-module-unit-shipment-to-top-2-2-trillion-units-by-2027/