GPS在可穿戴设备中的工作原理——以及为什么它会耗费大量的电池电量

几个月前，我在跑步时同时使用了三款不同的设备。为什么呢？这又是一个关于截止日期以及我自己的拖延习惯的长故事…… 当我跑完步回到家后，那款使用GPS功能的智能手表的电池电量已经只剩下15%左右了；而那些依靠手机GPS功能运行的智能手环和智能戒指的电池电量却几乎没有减少。就在那时，我才真正意识到：GPS功能实际上会消耗设备多少电量，以及大多数人在看到手表提供导航信息时，其实并不了解其中的具体原理。 那么，让我们来详细了解一下吧：可穿戴设备中的GPS功能究竟是用来做什么的？为什么它会如此耗电？在长途徒步过程中，又该如何节省电池电量呢？

目录

• 当你的手表显示“正在获取GPS信号”时，实际上发生了什么？

  • GPS、GLONASS、Galileo——为什么你的手表会同时使用这些技术？

• 为什么GPS功能会如此耗电？

• 独立GPS与连接手机的GPS系统有什么区别？

• 哪些可穿戴设备在GPS功能使用上表现较好，哪些则不然？

• 哪些可穿戴品牌正在采取措施解决这个问题？

• 如何在不丢失GPS数据的情况下节省电池电量？

• 这种权衡在短期内是不会消失的。

当你的手表显示“正在获取GPS信号”时，实际上发生了什么？

其实，你的可穿戴设备并不是在接收某一颗卫星发出的信号，而是同时在接收至少四颗绕地球运行的卫星发出的信号。然后，它会根据这些信号到达设备所需的时间来计算出自己的位置。 这种技术被称为“三边测量法”，其背后的数学原理同样适用于智能手机、汽车导航系统以及手表。不过，对于这么小的设备来说，完成这样的计算任务确实非常困难——因为手表内部装有微型天线和处理器，而这些部件需要实时进行各种运算。而且，只要设备处于开启状态且你在移动，这种计算就会每秒钟持续进行一次。也就是说，每隔一秒钟左右，你的手表就会接收并处理那些距离地球超过12,000英里的卫星发出的信号。 对于这么小的设备来说，这样的功能要求确实相当高了。

现代可穿戴设备已经很少单独使用GPS了。根据所使用的芯片组不同，这些设备会同时利用GPS（美国系统）、GLONASS（俄罗斯系统）、Galileo（欧洲系统），在某些情况下还会使用QZSS或北斗系统发出的信号。

通过同时接收多个卫星系统的信号，可穿戴设备能够更快、更准确地获取信号，尤其是在视野受阻的情况下——比如在密集的城市环境中或在树荫下移动时。

这一功能非常实用。我曾经测试过一些需要花费数分钟才能接收到GPS信号的可穿戴设备，也试过同一品牌配备多频段接收功能的新型号，后者几乎可以瞬间建立连接。

不过，同时使用多个卫星系统的缺点是会消耗更多的电量。这实际上是在精度、速度与电池续航时间之间的一种权衡，而很多用户并不了解这一点。

为什么这种设备的耗电量如此之大

可以毫不夸张地说，GPS功能是目前最耗电的功能之一。以下就是导致其高耗电的原因：

首先，在整个锻炼过程中，GPS接收器都会持续处于工作状态。与心率监测器不同——后者每秒只检测几次数据，并且只有在应用程序打开时才会与手机进行同步——GPS芯片在工作时是不会停止运行的。

此外，大多数人在锻炼时会保持显示屏处于开启状态，以便查看自己已经跑了多远，或者在探索新路线时查看方向信息。

由此可见，有两大功能会在同一时间消耗大量电量。

我在测试一款中等品质的跑步手表时就遇到了这个问题。在正常使用条件下，这款手表的续航时间约为一周；但只要进行几次时长为1小时的跑步训练且开启GPS功能，它就需要每2到3天充电一次。

独立式GPS与手机连接式GPS

还有一点需要注意：有些健身可穿戴设备，尤其是那些简单的追踪器，并没有自己的GPS芯片。它们是通过蓝牙从智能手机接收GPS数据，因此在使用这些设备时必须随身携带手机，地图信息才会显示出来。

而其他设备，比如跑步者使用的GPS手表，则内置了独立的芯片和天线。这样一来，即使把智能手机留在家里，也能获得准确的地图信息和路线指引，因为所有数据处理工作都由手表来完成。这种方式虽然更加方便，但在使用过程中确实会消耗更多的电量。

各可穿戴品牌正在采取哪些措施来解决这一问题

最近，大多数可穿戴设备的改进并不在于让卫星系统更加高效地工作，而是致力于通过利用现有数据来提升芯片的处理能力。

例如，有一些较新的低功耗芯片组，它们的设计使得只有在需要获取新坐标时才会偶尔激活GPS功能。在这段时间里，这些设备会利用加速度计和陀螺仪来估算你的位置。

这种将GPS数据与运动传感器数据结合在一起的处理方式被称为“传感器融合”，这也是为什么新型设备能够在保持高精度的同时延长使用时间的原因。这样一来，GPS模块就不会每秒钟都消耗最大的电量，而只是在需要时偶尔使用而已。

还有一种辅助GPS系统，这类设备会在你开始活动之前，通过Wi-Fi或手机来下载卫星位置信息。这就是为什么现在有些手表几乎可以瞬间锁定信号的原因——与几年前相比，那时你可能需要在自家车道上挥动手臂等待屏幕上出现信号点呢。

这并不意味着电池相关的成本已经完全消失，但确实说明这些成本正在逐渐降低。五年前的旧手表与今年新上市的手表之间的差距是非常明显的。

哪些可穿戴设备真正经得起考验，哪些则不能

像Garmin、Coros和Suunto这类专为跑步设计的智能手表，首先就注重电池续航时间。

Garmin Forerunner 570在普通GPS模式下可使用18小时，在全卫星系统模式下可使用13小时。而Coros Apex 2 Pro的表现更为出色：在GPS模式下可使用66小时，在超长距离跑步模式下则只需偶尔使用GPS数据，主要依靠运动传感器的数据来定位，因此最多可使用200小时。如果你正在为马拉松训练或计划进行一整天的户外活动，这类手表才是你的最佳选择。

主流智能手表更注重功能体验而非电池续航时间。Apple Watch Ultra 2在普通GPS模式下可使用12小时，在低功耗模式下可使用长达17小时。Samsung Galaxy Watch Ultra在其特殊的运动低功耗模式下可使用48小时，但如果一直处于普通GPS模式，其电量消耗会很大，因此这类手表只适合用于短距离步行或周末的10公里跑步。

智能手环由于电池容量有限，如果安装了GPS芯片，其续航时间会从6到9天大幅下降到只有几小时，因此它们会利用智能手机的GPS功能。这就是为什么我在跑完10公里后，我的智能手环和手表的电量仍然充足，而手表却已经没电的原因。Ultrahuman Ring Pro现在一次充电后可使用长达15天，如果搭配保护壳使用，续航时间甚至可达45天，但无论如何，你都需要手机来帮助规划路线。

关键不在于你的设备是否配备了GPS功能，而在于它是否拥有独立的GPS芯片，以及它在使用GPS功能时是如何管理电量的。对于日常散步的人来说，Coros手表的超长距离跑步模式并不是必需的；而对于喜欢进行长途越野跑的人来说，依赖智能手机连接的智能手环也远远不够用。

如何在不丢失GPS数据的情况下节省电池电量

如果你想保持GPS追踪功能，同时又不想每隔一天就需要为手表充电，那么有几种方法可以尝试。

• 大多数手表都有一种名为“省电模式”的GPS追踪选项，这种模式下设备的采样频率会降低。虽然在急转弯时定位精度会有所下降，但对于绝大多数运动来说，在地图上几乎看不出这种差异。

• 如果你在进行的运动并不需要多频段或全卫星系统进行定位，那么你可以关闭这些功能。如果你只是在开阔的公园里跑步或者沿着熟悉的路线锻炼，其实并没有必要使用全卫星系统。

• 在锻炼时，你可以将屏幕亮度调低，或者关闭始终显示屏幕的功能。虽然这些措施对GPS定位没有直接影响，但它们确实是运动过程中消耗电池电量较大的因素之一。

• 最后，你可以在出门前先在家里下载好地图数据，这样在户外使用时定位效率会更高。

我在进行长距离跑步之前和跑步期间都会采取这些措施。实际上，“正常追踪模式”与“省电模式”之间的电量消耗差异仅相差几个百分点。但在长时间的运动过程中，这种差异可能会变得非常明显。

这种权衡在短期内不会改变

可穿戴设备中的GPS功能确实非常实用，但成本也相对较高。即便芯片技术取得了进步，我认为这种情况在短期内也不会有太大变化。

电池成本的问题依然存在，不过由于传感器技术的融合以及更高效芯片的运用，你实际感受到的电池消耗量正在逐渐减少。

每次你的手表在运动过程中突然没电了，很可能并不是因为电池质量不好，而是因为它在你跑步的每一秒都在持续工作、消耗电量。