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【定位不准的烦心事系列】第2篇（卫星信号弱到底是咋回事）

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：
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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：
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普通用户没有这个条件，起码也得是星链这种
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但实际上为了移动性，定位卫星天线都做的很小，比如
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这个尺寸还是没法做进手机，手机里的天线长这样
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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）
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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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