运动手表的功能是怎么管用的

运动手表的各项功能是怎么实现的呢？下面是简单的介绍，包括：GPS定位，计步器，测心率，量血压，呼吸频率，游泳，睡眠质量，登高。

GPS定位

GPS靠卫星定位。31颗卫星，在20200公里高的6个轨道上转，每天绕地球两圈。轨道均匀分布，在地球上任何时间地点，都能同时看见至少4颗GPS卫星。太阳能板永远向着太阳，天线向着地球。

每颗卫星以广播的方式不停发送短信，内容是自己当前位置，并标明发送时间。运动手表的GPS模块负责接收卫星的短信和定位计算。GPS模块就照片里那样，东西不大，可里边计算量大，很费电。fitbit开着GPS也就能撑5个小时，garmin forerunner 935 据说能到24小时。

如果GPS模块的时钟和卫星上的同步，发送和接收短信的时间差就是短信飞过来的时间。有了这个时间，又知电磁波每秒30万公里，就可以算出手表和发短信时卫星的距离。知道了3颗卫星的（X,Y,Z）坐标，又知道它们和手表的距离，就可以算出手机的（X,Y,Z）坐标（3个方程求3个未知数）。

可是，卫星有高精度原子钟，而手表没有，时钟会有偏差，导致直接算出的距离不准。所以定位要用到第4颗卫星，这样可以列出四个方程，未知数是手表的（X,Y,Z）坐标加上时间偏差。用这4个方程就可以算出这4个未知数，算出的（X,Y）坐标用经纬度表示。手表的每个坐标，都是收到卫星短信后计算的结果。

卫星在天上无依无靠，它的位置要靠地面站确定。GPS系统有16个分布全球的地面站。每颗卫星至少被3个地面站同时跟踪，用雷达测出卫星位置再传给卫星，让它知道自己在哪。

计步器是怎么工作的
计步器记录走的步数，是利用加速度传感器（Accelerometer)来做的。加速度传感器小小的（2X2mm），用处很多，手机，手表上都有。

只要动，就会有加速度。像动静，快慢，方向的转换，碰撞，冲击，旋转都会产生加速度。传感器很灵敏，能察觉微小的动作，比如晃一下或敲一下屏幕显示时间。

现在用的是这种三轴传感器，可分别测量（X,Y,Z)3个方向的加速度。即使在静止时，也有重力加速度，所以3个方向的加速度不会都是零。根据3个方向加速度数值的比例，可以知道传感器在静止时的方向，也是手表或手机的方向。知道了方向就可以利用，比如手机就可以做横看竖看转换。

走路时的加速度画出来是这样的。

把总加速度的毛刺过滤掉，可以得到光滑的波形。这里每个波就代表一步。接下来的计步就很直接了，数数有几个波，就是走了几步。

手表的计步器还要考虑胳膊的动作，不能手晃晃就算走路。要能分辩走跑和单纯动胳膊动作的区别。

计步器能告诉你走了多远，但是经常不准，因为步长是估计的（步数x步长=距离）。有的计步器用GPS校准步长：GPS距离/步数=实际步长，这样会比较准。

测心率是怎么回事
测心率用PPG传感器。PPG由发绿光的LED和光电二极管（photodiode）组成。LED照射皮肤，光电二极管把反射的光转换为电信号。

血是红的，反射红光而吸收绿光，当脉搏传到手腕时，血管血量增加，对绿光的吸收增加，使反射光减少。两次脉搏之间，血管血量减少，对绿光的吸收减少，使反射光增加。这重复的一减一增转换成电信号就是一波又一波，代表心跳。

PPG传感器的数据画出来是这样的。每个尖峰就是一次心跳。

从两个尖峰(心跳）之间的时间可算出心率。比如两个心跳之间如果是一秒，心率就是每分钟60下，半秒，就是120下。

运动手表测心率的问题就是运动。比如走路跑步的时候，胳膊把血甩到手腕，和由心跳引起的血量变化混在一起，不易分辨。图中(a)是静止时PPG数据，(b)是运动时数据。

一般用加速度解决这个问题。运动产生加速度，知道了加速度频率以后，可以在PPG数据里把相关频率过滤掉，这样会好得多。现在运动时测的心率还是不如静态时准。

量血压
有的运动手表有量血压功能。量血压是利用脉搏传递时间（PTT，Pulse Transit Time）和血压的相关性。脉搏从心脏传到手腕的时间，叫脉搏传递时间（PTT），这个时间和血压相关。血压高会让血流加快，脉搏传递时间缩短。血压低，传递时间延长。

脉搏从心脏开始的时间用ECG（心电图）传感器测出。脉搏到手腕时间用PPG测出（PPG就是测心率的那个）。

表达PTT和血压相关性数学模型的具体参数，要通过用正规血压计的校准来确定。PTT还是个早期的技术，不一定准。

呼吸频率
呼吸频率也是一项重要的健康指标。通过心率的变化可以算出每分钟呼吸的次数。人们很早就知道，吸气的时候心跳会加快，呼气的时候心跳会减慢。下图显示心率和呼吸的关系，蓝色波峰是吸气，波谷是呼气，红色是PPG测的心跳。利用这个关系，可以通过PPG测出的心跳数据算出呼吸频率。

游泳数据
游泳的划水次数，泳池来回游的次数，每趟的时间等，都可以从手表加速度数据推导出来，加上陀螺仪（Gyro）和罗盘仪(compass)可以得到更准确的结果。3轴陀螺仪用来测量围绕(X,Y,Z)三个轴旋转的角速度，3轴罗盘仪是测方向的罗盘。通常三种传感器做在一起，称为9轴运动传感器（3x3x1mm）。

罗盘能测出胳膊的指向。在泳池来回游，一来一去，胳膊的指向不一样，从而可以知道来去的转换时间。仰泳，自由泳，蛙泳胳膊的指向都不一样，可用来判断游泳的姿势。

睡眠质量
一次睡眠有4-6个睡眠周期，每个周期平均90分钟。每个周期有3个阶段：浅睡，深睡，和REM睡。手表利用加速度数据察觉身体的动作，和心率的变化一起推导出睡眠的阶段，并用来评估睡眠质量。

登高计算
越高气压越低。两点间的高度差可以用气压差算出来。气压计现在已经可以做得很小。

不管是爬山还是爬楼梯，Elevation Gain都可以通过手表上的气压计数据算出来。