心率飘&GPS飘？跑表让你忍无可忍吗？

运动手表、运动手环已经成为跑步以及其他运动爱好者不可或缺的重要可穿戴设备，它们在帮助跑者记录心率、跑量，评估运动强度、反映运动效果等方面发挥重要作用。

手表轻巧佩戴方便，相比拿着笨重的手机记录跑步，轻松方便了许多。

但跑者在使用跑表过程中，有没有注意到心率，特别是高心率时测量精度严重下降，GPS也经常飘，一场马拉松下来显示跑了42点大几甚至43公里比比皆是。

今天我们就从技术角度分析一下跑表心率测量和GPS轨迹记录两大功能经常出问题的原因。

跑步手表从测量技术方面主要分为两类，一类是心电测量技术，一类是光电测量技术。

心电测量准确可靠，但由于必须使用心率带，一些跑者会觉得有束缚感，而光电测量技术则完全不需要额外再使用心率带，大大减轻了跑者负担从而受到跑者青睐，光电手表似乎有越来越取代心率带手表的趋势。

跑表心率测量不准的情况通常只会发生在光电手表中，并且往往低心率时各家品牌的光电手表基本都准确，高心率比如当心率超过160时，基本上哪家的精度都好不到哪儿去？这是什么原因呢？

光电手表的测量原理

光电手表的测量方法学名“光电容积脉搏波描记法”，英文表达为PhotoPlethysmoGraphy，简称PPG技术。

其基本原理是这样的：当光束照射到皮肤表面时，光束可以穿透皮肤，然后通过透射或反射方式传送到发光源旁边的光接收器，在此过程中由于受到皮肤、肌肉、血液的吸收衰减作用，接收器检测到的光强度将减弱。

像皮肤、肌肉和其他组织对光的吸收是基本不变的，而血管里的血液在心脏节律性的收缩舒张作用之下，呈现周期性搏动血流特征，心脏每跳动一次，动脉血管就搏动一次并且带来血流脉冲式流动，当心脏收缩时，血流量增加，血液对于光的吸收增强，检测到的光强度变小。

而在心脏舒张时，正好相反，检测到的光强度增加，这就使得使光接收器接收到的光强度呈现跟动脉搏动同样的节律变化，当我们把光转换成电信号时，电信号同样呈现脉冲式特征，这样提取脉冲信号，就能计算出每分钟的心跳次数，也就是心率。由于血液是红色的，反射红光，吸收绿光，所以绝大多数光电手表是发射绿光。

如果你觉得上面表达有些晦涩，我们可以举个例子假设手表的发光数值为100，皮肤、肌肉组织恒定吸收10，血液总吸收为15，那反射后为100－10×2－15＝65（因为要进出两次穿透皮肤），这时心脏收缩，一股血流涌过来，血液总吸收变成了30，那反射后为100－10×2－30＝50，由于血液是周期性脉冲式流动，所以发光数值就一直呈现65－50－65－50－65－50－65－50－65－50这样的周期变化，通过计算每秒多少次脉冲变化，就得出你的心率。

影响光电手表测量精度的原因有这些

虽然很多手表都声称自己测量准确，但还是能发现光电手表的准确性并不是100%，影响光电手表的主要因素至少有这么一些。

1、干扰信号

事实上，光电式心率测量设备最大的技术障碍是如何将生物特征信号从大量乱七八糟的干扰信号中分离出来，当光线射入一个人的皮肤时，由于光线被人体不同组织所吸收，所以只有一小部分光线返回给光接收器，并且这些微弱的被返回的光线中，只有一点点是由心脏收缩的血流量调节的，剩下的都分散在非搏动性生理物质上，例如皮肤、肌肉等等。

因此，人体处于剧烈运动状态时，皮肤、肌肉这些非搏动性生理物质也产生移动，而这种移动就会导致光线吸收产生变化，由此导致很难从光线中发现真实血流量变化所带来的光线变化特征。

此外，周围光线干扰还加剧这个问题的严重性，所以光电手表佩戴要适度紧一点，如果松松垮垮，大量自然光线也会被光接收器所接受，甚至创造出近似生理性质的脉动信号。

因此，在腕带式光电手表的使用过程中，通常会要求携带者佩戴严实，以避免漏光而使得环境光线对测量产生干扰。

2、皮肤肤色

人们肤色不同，颜色深浅不同，也会对对光的吸收产生不同影响，这就意味着光电式心率测量设备传感器捕获的光的强度和波长是取决于穿戴手表的人的肤色的。

例如，深色皮肤吸收绿色光较多，如果皮肤颜色较深，那么测量心率的准确性就会下降，这是不是意味着黑人使用光电式心率手表几乎没有可能？

还有些人有纹身，这也是苹果被人们诟病的“纹身门”，手腕有纹身的苹果手表用户发现显示屏上的数据显示非常微弱，甚至没有。

也许你会问，肤色浅是不是测量准确性会提高，遗憾的是，肤色越浅的人，反射光则在明亮的光束下又越容易散掉。

3、信号交叉问题

具有周期性特征的运动比如跑步会产生交叉干扰方面的问题，而光电手表恰恰测量的最主要的运动就是跑步这类运动，这就是矛盾所在，因为光信号数据通常与摆臂频率或者步频频率（140-190步/分）处于同一个区间里。

许多光电手表的运算法则很容易将通过光电手表测量的摆臂、步频等信息错误解读成心率，因为跑步时规律地摆臂本身就会成为一个特定的信号干扰。

因为当心率和摆臂频率、步频接近重叠时，许多光电手表倾向于锁定摆臂频率并将其显示为心率，夸张一点说，光电手表显示的是你的步频，而不是心率，这就解释了为什么明明跑得不是特别快，自己心率肯定没有到180，但光电手表显示心率为180，因为此时跑表错误的测量了你的步频，你当时步频正好差不多180，是不是很崩溃？

4、佩戴部位

事实上，腕部是最不能做到精确测量的部位之一。因为这个区域（肌肉、肌腱、骨头等等）会产生更高的光线干扰，并且手腕部位的血管结构有高度的变异性，但是戴手表肯定就是戴在手腕上，矛盾就在这里！

其实，前臂或者上臂部位被认为是更好的选择，因为在那里的皮肤表面有更高的血管密度。

对于光电手表来说，耳朵是至今为止被认为最佳的部位。因为那里只有软骨和毛细血管，即使身体在运动耳朵也不会有的太多位移，因此大大减少了对于光线的干扰。

混合耳机技术和光电技术的耳挂式心率测量装置会不会成为未来一种的新的技术选择呢？

前文已经说其实手腕并不是一个特别好的测量心率的部位，但手表都是戴在手腕上，目的只是方便跑者随时查看手表，矛盾之处就在这里了。

那么有不有戴在膀子上的光电手表呢？有的，比如芬兰polar OH1就是戴在大臂或者小臂处（价格为1000元左右），而且它有多达6个发光头，通过增加发光头和心率校正算法，其测量心率的准确度优于一般手腕式心率表，但其弊端也很明显，跑步时不能随时看心率，而是要通过手机APP看测量等等。

GPS定位的基本原理

我们常常将定位叫做GPS定位，GPS是全球定位系统Global Positioning System的简称。

其实GPS专指美国于70年代开始建设，1994年全面建成，在全球范围内应用最广历史最悠久的定位系统，除了美国GPS，还有我国北斗、俄罗斯Glonass（格洛纳斯）、欧洲Galileo（伽利略），一起统称全球四大卫星导航定位系统。

所以真正的全球卫星导航定位英文是Global Navigation Satellite System，简称GNSS，所以只不过美国GPS率先应用，美国先占有了这个名词，所以我们就常常把定位称为GPS定位，真正的准确说法应该是GNSS定位。

GPS定位需要通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置，根据空间解析几何，理论上只需要测出3颗卫星到地面点的距离就可以确定该点的三维坐标了（x，y，z），第四颗星是用来校准时间误差的，卫星上的授时时间计算是用原子钟这种极度精确的方式来实现的，因此至少需要观测4颗卫星才能计算出你的位置。

为什么手表GPS定位慢

跑步APP定位快？

跑者有没有发现这样一种现象，如果你戴着手表跑步，跑步时启动手表的开始记录功能，往往需要延迟一段时间才能显示有GPS信号，这是启动GPS模块搜索卫星的过程。

那为什么用手机上的跑步APP或者用百度地图APP导航，往往很快就能显示定位呢？

首先，手机体积比手表大多了，这使得陶瓷天线可以做得更大，自然接收信号的能力就更强，更为重要的是手机除了GPS定位以外，还采用了名为AGPS（Assisted GPS，网络辅助GPS）的定位技术，借助蜂窝网络的数据传输功能，可以达到很高的定位精度和很快的定位速度。

而我们带着手表跑步就不同了，手表的天顶范围比较小，能接收到的信号不如车载导航，并且很多手表中又没有附近道路的定位信息，无法锁定至附近道路，只能存储实际接收到的经纬度及高度坐标，这样就容易出现“上房下河”的现象了。

因此手机是牺牲个人隐私为前提的多重定位（基站+WiFi+蓝牙+GPS+AGPS+历史数据），而手表定位模块只是用GPS天线，所以显得搜星慢一些。

但是手表如果能够与手机经常同步，就相当于使用“AGPS辅助定位”功能，大大提升了定位速度。

为什么跑表GPS轨迹飘忽必定

GPS定位的精度是受到很多因素影响的，首先，GPS全球定位系统最早是美国为军事目的而建立的，后来开放供民间使用。美国为军用和民用安排了不同的频段，军用频段精度可达1米，而民用GPS理论精度只有10米左右。

美国在90代中期为了自身的安全考虑，在民用卫星信号上加入了SA (Selective Availability)，进行人为扰码，这使得一般民用GPS接收机的精度只有100米左右。

2000年SA干扰被取消，全球的民用GPS接收机的定位精度在一夜之间提高了许多，大部分的情况下可以获得10米左右的定位精度。

所以本身民用级GPS精度就是10米，所以田径场一圈是400米这肯定是定值，你跑了一圈，跑表显示是390米或者410米这是完全正常的，这不是你的手表的问题而是GPS本身精度的问题。

接下来我们要说说GPS定位产生偏差的原因有哪些？

产生误差的原因有很多，比如卫星信号在穿越地球大气层的时候有大气延迟效应、电磁波经如高楼大厦反射多次后的多径效应、卫星星历误差、卫星和接收器的时钟误差以及相对论效应等等。

这些误差造成定位精度差不多就是10-40米。举例来说，你站在原地站着不动保持5分钟，你的位移是零，而实际上5分钟后，GPS定位漂移的关系，可能显示了移动了十几米，而且轨迹覆盖近乎是球状的。

对于跑者而言，定位以及距离测量受到干扰的常见原因有这样一些：

下雨天，空气中水分多，影响了信号的传输。夏季雨多潮湿，再加之高温蒸发，使得空气中的水分变多，从而影响GPS信号的传输。

在一些高层建筑物密集的地方，或者地下建筑，如地下停车场、地下商场、地铁、隧道等，由于受到墙体的遮挡折射，信号误差增大，另外室内信号衰减较大，所以造成定位不精准。这是为什么很多跑者发现在高层小区绿道上跑步轨迹和距离都非常不准的重要原因。

跑步方式以及软件算法也会影响到精度，跑者有没有发现如果沿着直线跑步，一般比较精确，如果反复拐弯那么GPS轨迹误差就是开始增加。

另外，GPS并不是连续地检查它们的位置，间隔的几秒钟、20秒甚至更长检查一次位置，都可能会造成记录不准，厂家会采用轨迹差值算法来弥补其测量不准的问题。

跑马时跑表显示的距离

为什么往往都会超过42.195公里

跑过马拉松的跑者往往都会注意到这样一个情况，达到终点时距离显示往往超过42.195公里，甚至达到43公里多都很正常，产生误差的锅不能全部由跑表背。

这里要给跑者介绍一个重要的概念——沿最短距离跑进（the shortest possible route，SPR）的概念。

国际马拉松丈量员都是由国际路跑协会（AIMS）认定的，国际马拉松丈量员分为A、B、C 三个级别。国际田联的金、银、铜和AIMS的马拉松赛事，其赛道必须由国际马拉松B级以上的丈量员进行赛道丈量才予以承认。国际马拉松丈量员测量时都是按照跑进时沿最短距离测量。

我们以下图为例，赛道丈量是按照左图最短距离测量，也即切过转角处，这条线路就是最佳跑进线路，但跑者实际跑步则可能按照右边的线路跑，这样就会导致经过这一段距离延长。

再比如马拉松赛道丈量是按照下图黑色线，而跑者实际跑步则是红色线，这样就会导致距离变长，即便运动员也不一定完全按照“最短距离跑进”，所以有些马拉松比赛会在地面上标出这条SPR线，方便运动员沿最短距离跑进。

因此，如果每公里比SPR线多跑个5-10米，再加上跑表GPS本身误差每公里5-10米也完全正常，算到40多公里中，那么一场比赛下来，跑者实际跑进距离比42.195多出几百米到1公里左右，这毫不奇怪呀！

有的手表“飘”得厉害

有的相对准确是真的吗？

经常有跑者反映自己的手表GPS“飘”得厉害，有的则说记录还蛮准的，那么不同手表真的有那么大差距吗？

如果你的手表回回跑步GPS运动轨迹和距离测量误差都很大，那么真的是买错表了，如果只是偶尔“飘”，那么就问题不大。

正如前文所说，GPS定位不精准受到很多因素影响，如果你跑步时穿过一长段隧道，或者在高楼大厦附近跑，那么偶尔出现测量不准也是正常现象。

如果一款手表应用了多种定位系统，比如松佳明新款Fenix 6运动手表、高驰同时支持GPS、北斗、GLONASS三大定位系统，也那么测量精度就会提高，手表应用多种导航系统是未来的发展趋势。

北斗导航定位系统历时了一代、二代、三代的发展，目前已经为全球提供服务的北斗导航系统已经相当成熟，今年我国入网的智能手机中70%都支持北斗导航系统，未来越来越多的硬件包括可穿戴肯定都会支持北斗系统，那么北斗系统会比GPS更精确吗？

根据北斗卫星导航系统发展报告公布的参数，北斗系统定位导航授时服务性能方面，定位精度为水平10米、高程10米，看起来和GPS差不多，而实测结果表明，在亚太地区，定位精度水平5米、高程5米。在道路上北斗可以使用的精度可以达到亚米级的0.5米左右。

所以，我们有理由相信，未来跑步手表精度在北斗加持下，能更加精准。

总结

光电手表测量技术经过多年发展和算法优化，在安静以及中低强度运动时，精度已经足够好，但在高心率时，由于影响因素众多，误差开始加大，有些光电手表则戴在小臂、大臂而非手腕上，又或者采用多个发光头和接收器多通道测量，其目的都是为了避免影响因素，提高测量精度。

此外虽然民用GPS定位精度有限，所以GPS出现一定的测量精度误差是正常现象，应用多种导航系统，特别是北斗导航系统的加持，加之跑表GPS轨迹差值算法优化等等，未来跑步手表的定位和测距精度也许还能进一步提升。

文章来源于微信公众号“慧跑”，观点仅代表作者。