GPS 穩定演算法：完美軌跡背後的秘密
如果你是常用軌跡記錄 App 來追蹤自己的活動（跑步、單車、登山等）的人，在使用不同 App 的時候，有沒有看過像是下圖「失控」的軌跡？你是否懷疑過，是不是自己的 App 設定或手機哪裡有問題？
先別急著怪罪 App 或手機！其實，會出現像圖片中鬼畫符的軌跡，是因為 「GPS 定位誤差」所造成的結果；自從 GPS 技術問世、普及後，如何穩定 GPS 訊號，就一直是運用 GPS 技術的公司需要克服的問題，也是不少學術研究探討的主題。今天這篇文章，就要來跟大家談談，在 Hikingbook App 內，我們怎麼去解決這個問題，現在就一起來了解吧！
話說從頭：GPS 與定位
【Hikingbook 科普教室】認識 GPSGPS（Global Positioning System）是 1973 年美國國防部因應軍事需求而研發與建立的全球衛星定位系統，於 1983 年部分開放給民間使用（軍用版 GPS 比民用版 GPS 精準），2000 年全面開放。隨著科技的發展，GPS 系統有越來越多的演進，減少 GPS 誤差與加速處理，如：DGPS（Differential GPS，差分全球定位系統），以及在智慧型手機廣泛使用的 AGPS（Assisted GPS，輔助全球衛星定位系統）等。
GPS 定位系統，是由至少 24 顆環繞在地球周圍的衛星所組成（至 2019 年，共有 31 顆在運行），而至少要收到 4 顆 GPS 衛星的訊號，才能夠定位。因此，如果處在不見天日的地方，如：地下室、密閉空間或是抬頭只能看到一小片天空，如：高樓大廈林立的街頭、室內，都會造成定位不準或無法定位的狀況。
GPS 系統組成，可以分成三大部分：衛星、地面監控站、接收設備。地面監控站會傳遞軌道與時間等資訊、並且下指令給衛星，同時監控衛星狀況；衛星把同步後的時間與軌道資訊，傳向位於地球的接收裝備；接收裝備接收到至少 4 臺衛星所傳遞的資訊，便能計算出所在位置。三者的關係可以用下圖來理解。
既然 GPS 只需要衛星就可以運作，自然就不需要網路囉！這樣大家應該可以理解，為什麼在沒有 4G 訊號的山上，你的登山 App 依舊可以定位你的位置了吧！（至於為什麼在山上打開 Google Map 仍是一片空白呢？這個我們有機會再來跟大家聊聊囉！）
GPS 定位不需要網路，有衛星訊號就行！
硬體與軟體的協力：GPS 晶片與 App
如果說 GPS 靠的是衛星，理論上同一臺 GPS 接收裝置（如：智慧型手機、平板）取得的定位資訊是一樣的，那為什麼還會常聽到有人說「某某 App 定位超準，不像另一個 App 很容易亂飄」？
這是因為，雖然同一臺 GPS 接收裝置取得的定位資訊是一樣的（如下圖），但每個 App 看待 GPS 資訊的方式卻很可能是不一樣的；換句話說，每個 App 處理 GPS 資訊的演算法不同，造成最後每個 App 呈現出來的結果不同。打個比方，就像是一樣的食材，經由不同的廚師料理，就會產生不同的料理，是類似的道理。
我們在 App 中看到的定位資訊，是 GPS 晶片、作業系統與 App 協力合作的結果。
iOS 與 Android 的「Location Framework」
在了解 GPS 最基本的運作原理、也知道 App 中的定位資訊是硬體與軟體合作的結果後，對於一個 App 開發者來說，能優化的其實就只有 App（軟體）本身。也因此，在說明 Hikingbook GPS 穩定演算法之前，我們必須先來認識 iOS 與 Android 兩大平台的 Location Framework，看看到底一個 App 可以取得的定位資訊有哪些。
在 iOS 13 的系統版本中，可取得的定位資訊包括：座標、海拔、樓層、水平準確度、垂直準確度、時間、瞬間速度、方向。
而在 Android 10 的系統版本中，可取得的定位資訊包括：水平準確度、海拔、方位、方位準確度、緯度、經度、GPS 資訊提供者、瞬間速度、瞬間速度準確度、時間、垂直準確度。
從以上兩張表可以發現，Android 提供的定位資訊比 iOS 來得多，也因此在設計 GPS 穩定演算法時，Android App 或許可以更加準確（畢竟可參考資料較多），但其實只要使用最基本的座標、海拔、水平準確度、垂直準確度、速度與時間，便可設計出好的穩定演算法。
座標、海拔、水平準確度、垂直準確度、時間，是穩定演算法不可或缺的資訊。
Hikingbook GPS 穩定演算法（Hikingbook GPS Stabilization Algorithm）
其實，GPS 的原始訊號是很雜亂的，因此如果都不做處理，在 App 裡的呈現會非常混亂，幾乎無法參考。因此，只要有支援軌跡記錄的 App，理論上都應該要對訊號作處理，才能讓使用者看到的是接近實際行走路徑的軌跡。
Hikingbook GPS 穩定演算法（Hikingbook GPS Stabilization Algorithm）從 v5.0 推出記錄軌跡功能後，經歷多次的改版、修正與精進，才演進到最新版本 v6.5.3 所使用的設計（如下圖所示）：模型預測、準確度啟發式篩選、平滑與簡化。以下就來認識這三種設計怎麼畫出穩定不亂跑的軌跡。
1. 模型預測（Predictive modeling）
當開始記錄軌跡後，利用所累積的過往定位資訊與預測模型，能夠預測未來的定位資訊並進行校正，可大幅減少第二步驟被篩選掉的資訊。
2. 準確度啟發式篩選（Accuracy Heuristic Filtering）
利用 GPS 提供的資訊，捨棄掉不合理的資訊，如：準確度過小、距離過大等，降低軌跡四處亂竄的可能性。
3. 平滑與簡化（Smoothing & Simplifying）
適度簡化軌跡點數，不僅能夠減少 GPX 檔的檔案大小，也能夠平滑軌跡，減少在同一個地點停留導致軌跡混亂的狀況。
下圖是有使用與沒使用 Hikingbook GPS 穩定演算法記錄的結果差異。
此外，依據測試，在相同路線下，使用 Hikingbook GPS 穩定演算法所產生的 GPX 檔的檔案大小，比未使用小了 14 倍之多（如下圖），這樣的好處是可以加速資料處理速度、也更不佔裝置（手機、平板）的儲存空間。
在未來的 App 版本，我們仍將持續優化演算法的設計，讓每一次記錄的軌跡，都可以滿足「在不增加過多資料負荷下，盡可能貼近實際行走路跡」的目標。如果你在使用軌跡記錄時，仍有遇到一些異常的狀況，也歡迎隨時透過客服告訴我們！
結語
透過 Hikingbook GPS 穩定演算法，讓 App 使用者可以更準確地記錄所到之處；準確而不亂飄的完美軌跡，不僅可以保存真實的美好回憶，也讓這份紀錄更具備參考價值，進而讓登山資訊的流通、傳遞更有效，讓每個人都可以貢獻自己的足跡、分享寶貴經驗，貢獻社群。
