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        Android手機(jī)GPS和A-GPS定位精度分析

        2016-08-10 08:01:57畢京學(xué)
        測繪通報(bào) 2016年7期
        關(guān)鍵詞:測繪

        畢京學(xué),甄 杰,郭 英

        (1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院,江蘇徐州221008;2.中國測繪科學(xué)研究院,北京100830;3.山東科技大學(xué)測繪學(xué)院,山東青島266510)

        Android手機(jī)GPS和A-GPS定位精度分析

        畢京學(xué)1,2,甄杰2,郭英3

        (1.中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院,江蘇徐州221008;2.中國測繪科學(xué)研究院,北京100830;
        3.山東科技大學(xué)測繪學(xué)院,山東青島266510)

        介紹了手機(jī)GPS定位的基本原理,分別利用手機(jī)GPS模塊定位和A-GPS定位方式對同一參考點(diǎn)測量30 min,通過定位數(shù)據(jù)分析智能手機(jī)GPS室外定位精度。定位結(jié)果表明:移動設(shè)備集成的GPS模塊與GPS接收機(jī)在定位精度和穩(wěn)定性等方面有很大差異;手機(jī)GPS模塊定位可滿足導(dǎo)航需求;A-GPS在一定時(shí)間內(nèi)定位誤差小于5 m,可用于地理信息快速采集;為保證定位可靠性,需將測量時(shí)間控制在5 min內(nèi)。

        手機(jī)GPS;A-GPS;定位精度

        iOS、Android、Windows Phone等操作系統(tǒng)的智能手機(jī)都集成了 GPS模塊,甚至有些手機(jī)支持GLONASS和北斗定位,見表1。手機(jī)定位衍生的手機(jī)導(dǎo)航、手機(jī)地圖與手機(jī)社交服務(wù),給人們帶來了極大便利,豐富了人們的日常生活,使得基于位置的服務(wù)(location based service,LBS)需求量逐年遞增??v觀國內(nèi)外,自A-GPS技術(shù)出現(xiàn),智能手機(jī)室外定位的科研成果較少,應(yīng)用較多,主要原因是手機(jī)端集成的GPS定位模塊造價(jià)低廉,在性能上與測量型GPS接收機(jī)相差甚遠(yuǎn)。謝翔等研究了手機(jī)在室內(nèi)多種環(huán)境下的定位精度[1];李傳軍等研究了GPS手機(jī)差分系統(tǒng)[2];任超研究了基于 GPSOne技術(shù)的智能手機(jī)定位精度及可靠性[3];Zandbergen等比較了輔助GPS、WiFi和蜂窩定位技術(shù)[4],還研究了高靈敏度GPS手機(jī)的定位精度[5];除此以外多是基于手機(jī)GPS的應(yīng)用開發(fā)[6-9]。而移動地圖之所以有較好的定位和導(dǎo)航性能,是因?yàn)橐肓说貓D約束??偠灾?,微型GPS模塊硬件性能決定了手機(jī)GPS的定位效果。

        表1 國內(nèi)熱門智能手機(jī)定位硬件配置

        本文利用紅米Note手機(jī)獲取衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù),可視衛(wèi)星共20顆,其中GPS衛(wèi)星10顆,GLONASS衛(wèi)星8顆,BeiDou衛(wèi)星2顆,限于篇幅僅羅列其中8顆衛(wèi)星,見表2。通過分析發(fā)現(xiàn),盡管手機(jī)可以捕獲GLONASS和BeiDou衛(wèi)星信號,但不參與位置解算,而且Android系統(tǒng)和手機(jī)制造商未提供GLONASS 和BeiDou定位的開發(fā)接口,致使無法分析手機(jī)中GLONASS和BeiDou定位精度,因此以手機(jī)GPS定位研究為主。為方便描述,將手機(jī)GPS定位分為普通GPS模塊定位和A-GPS定位。

        一、手機(jī)GPS定位技術(shù)

        1.手機(jī)GPS定位原理

        手機(jī)GPS定位原理如圖1所示。與測量型GPS接收機(jī)工作原理相同,手機(jī)GPS定位需要至少4顆衛(wèi)星才有固定解,區(qū)別是手機(jī)GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于GPS測量型接收機(jī),僅能夠滿足導(dǎo)航定位、社交應(yīng)用、商場購物等日常應(yīng)用和娛樂生活。

        (1)普通GPS模塊定位

        手機(jī)開啟普通GPS模塊,搜索該區(qū)域可見GPS衛(wèi)星,利用捕獲的衛(wèi)星信號解算出移動用戶的位置信息,并把位置信息按照NMEA0183傳輸協(xié)議提供給接口。

        (2)A-GPS定位

        A-GPS是將GPS衛(wèi)星定位與無線蜂窩融合而成的網(wǎng)絡(luò)輔助定位技術(shù)。由于無線通信蜂窩基站可以實(shí)時(shí)跟蹤衛(wèi)星,含有A-GPS模塊的手機(jī)發(fā)送定位請求信息時(shí),定位服務(wù)器可以向手機(jī)傳輸一些輔助數(shù)據(jù),如小區(qū)上空可見衛(wèi)星和數(shù)目,以及位置改正參數(shù),可以縮小衛(wèi)星搜索范圍,縮短搜索時(shí)間,使第一次定位時(shí)間(time to first fix,TTFF)降至幾秒鐘[10]。如圖1所示,系統(tǒng)包括三部分:一是具有A-GPS功能的智能終端;二是具備衛(wèi)星跟蹤能力的無線蜂窩基站網(wǎng)絡(luò);三是A-GPS定位服務(wù)器,負(fù)責(zé)位置計(jì)算和位置分發(fā)。

        表2 部分衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)

        圖1 手機(jī)GPS定位原理

        2.A-GPS定位工作流程[11]

        1)手機(jī)把所在蜂窩小區(qū)附近的基站地址通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)轿恢梅?wù)器。

        2)位置服務(wù)器根據(jù)手機(jī)的大概位置向定位請求的手機(jī)發(fā)送與該位置相關(guān)的GPS衛(wèi)星輔助信息(主要是相關(guān)GPS衛(wèi)星的狀態(tài))和位置解算的輔助信息(GPS衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文、位置改正數(shù)據(jù)等)。

        3)手機(jī)依據(jù)相關(guān)輔助信息快速搜索到可見GPS衛(wèi)星,并接收GPS原始衛(wèi)星信號。

        4)手機(jī)解調(diào)接收GPS原始信息后,計(jì)算手機(jī)到衛(wèi)星的偽距,并把相關(guān)定位信息發(fā)送給位置服務(wù)器。

        5)位置服務(wù)器結(jié)合差分GPS基準(zhǔn)站或基站的輔助信息對接收的GPS偽距信息進(jìn)行處理,估算手機(jī)的位置,并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞謾C(jī)。

        6)手機(jī)上的應(yīng)用調(diào)用定位結(jié)果進(jìn)行可視化顯示。

        普通GPS模塊定位和A-GPS定位的比較見表3。

        表3 普通GPS模塊定位和A-GPS定位的比較

        二、手機(jī)GPS定位精度試驗(yàn)

        1.試驗(yàn)描述

        首先,利用CORS在某點(diǎn)實(shí)測30 s獲得較準(zhǔn)確的WGS-84坐標(biāo),該點(diǎn)位于中國測繪創(chuàng)新基地內(nèi),距離高樓約40 m,觀測環(huán)境較理想,附近無其他干擾。將安裝有自主開發(fā)“GPS測量及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換”軟件的三星Note8手機(jī)放置在該點(diǎn),分別以GPS模塊定位和A-GPS定位模式靜止觀測30 min,并記錄觀測數(shù)據(jù)。

        手機(jī)GPS測量中高程誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10 m,為避免平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換過程中引入高程測量誤差,故利用高斯投影把測得的經(jīng)度和緯度投影到高斯平面[12]。

        2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

        圖2和圖3分別為手機(jī)GPS模塊定位和AGPS定位的x、y方向的偏差變化趨勢、離散程度以及準(zhǔn)確度描述示意圖。

        圖2 手機(jī)GPS模塊定位結(jié)果

        由圖2可知,在前260 s,手機(jī)GPS觀測結(jié)果較穩(wěn)定,平面誤差約7 m,x方向誤差很小,y方向偏差很大,達(dá)到6.2 m;在后面的觀測過程中,由于GPS模塊內(nèi)部噪聲和系統(tǒng)誤差的影響,x和y方向均有較大誤差,x方向誤差變化較大,在1190 s左右有10 m左右偏差;有77.8%的點(diǎn)位誤差在5 m以內(nèi),55.4%的點(diǎn)位誤差落在3 m以內(nèi)。盡管大部分點(diǎn)位誤差在5 m內(nèi),但均不在前260 s穩(wěn)定區(qū)間內(nèi),定位精度較高的點(diǎn)位隨機(jī)性較大,手機(jī)GPS模塊定位精度不可靠。

        圖3 手機(jī)A-GPS定位結(jié)果

        由圖3可知,在前10 s內(nèi)定位誤差較大,結(jié)果與GPS模塊定位接近;16 s時(shí)定位精度快速提高,定位誤差約0.5 m;在后期 280 s內(nèi),A-GPS的定位結(jié)果穩(wěn)定可靠,x和y方向偏差均小于0.5 m;3 min后隨著A-GPS使用時(shí)間增長,定位結(jié)果有較大波動,GPS模塊定位誤差的影響大于位置改正數(shù)據(jù)的改正;77%的點(diǎn)位誤差在3 m內(nèi),有97.7%的點(diǎn)位誤差在5 m以內(nèi),定位精度相較高。

        比較圖2和圖3發(fā)現(xiàn),手機(jī)GPS模塊和A-GPS模塊正常使用時(shí)間較短,都在5 min以內(nèi);長時(shí)間使用會產(chǎn)生較大的噪聲或漂移,且產(chǎn)生的誤差影響要大于基站位置改正數(shù)據(jù)的影響;定位結(jié)果隨機(jī)性太強(qiáng),穩(wěn)定性較差。

        三、結(jié) 論

        根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,得到如下結(jié)論:

        1)在觀測條件較好的條件下,手機(jī)GPS普通模塊定位精度為5~10 m,可應(yīng)用于汽車導(dǎo)航、社交、商場購物促銷等對定位要求不高的基于位置服務(wù)中。

        2)在觀測條件較好的環(huán)境下,手機(jī)A-GPS定位精度較高,優(yōu)于5 m,較長時(shí)間的觀測可提高定位精度,可應(yīng)用于地理信息快速采集等。

        3)為保證手機(jī)GPS定位的可靠性,將連續(xù)使用GPS時(shí)間控制在5 min內(nèi)。

        [1] 謝翔,荊昊,郭際明.室內(nèi)環(huán)境下手機(jī)GPS定位精度研究[J].測繪通報(bào),2012(8):95-98.

        [2] 李傳華,孫禮軍,陸林濤.GPS手機(jī)的差分定位系統(tǒng)研究[J].測繪科學(xué),2012,37(3):50-51.

        [3] 任超,吳偉,彭家頔,等.基于GPSOne技術(shù)的智能手機(jī)定位精度及可靠性研究[J].測繪通報(bào),2012 (2):54-55.

        [4] ZANDBERGEN P A.Accuracy of iPhone Locations:A Comparison of Assisted GPS,WiFi and Cellular Positioning[J].Transactions in GIS,2009,13(S1):5-25.

        [5] ZANDBERGEN P A,BARBEAU S J.Positional Accuracy of Assisted GPS Data from High-sensitivity GPS-enabled Mobile Phones[J].Journal of Navigation,2011,64(3):381-399.

        [6] 夏飛陽.基于Android手機(jī)平臺的自主旅游系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州:華南理工大學(xué),2011.

        [7] 翟玉山.基于Android平臺手機(jī)地圖的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2012.

        [8] 凡里偉.Android平臺手機(jī)防盜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連:大連理工大學(xué),2012.

        [9] 張志清.基于Android的移動社交產(chǎn)品客戶端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

        [10] 馬昀.手機(jī)AGPS輔助定位技術(shù)的研究與優(yōu)化[D].北京:北京郵電大學(xué),2008.

        [11] 曹科.基于智能手機(jī)的A-GPS定位技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2007.

        [12] 畢京學(xué),郭英,張鼎凱,等.基于CORS的高精度實(shí)時(shí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法探究[J].測繪科學(xué),2015,40(1): 98-101.

        首屆地圖學(xué)理論與方法研討會成功召開

        [本刊訊] 6月25—26日,首屆地圖學(xué)理論與方法研討會在蘭州交通大學(xué)舉辦。來自香港理工大學(xué)、武漢大學(xué)、中山大學(xué)、南京大學(xué)、北京大學(xué)、中南大學(xué)、南京師范大學(xué)、北京師范大學(xué)、中國測繪科學(xué)研究院等高校與科研院所的30多名地圖學(xué)與地理信息科學(xué)專家蒞臨會議,500多名高校師生和測繪地理信息工作者參加會議。

        本次研討會的主題為“地圖綜合與空間關(guān)系理論”,重點(diǎn)探討了地圖綜合的理論、方法與技術(shù),空間關(guān)系理論及應(yīng)用、地圖學(xué)新進(jìn)展、大數(shù)據(jù)在地理信息研究中的應(yīng)用,以及地理信息科學(xué)與技術(shù)的其他熱點(diǎn)問題,旨在促進(jìn)學(xué)者的經(jīng)驗(yàn)交流與研究成果的共享,推動學(xué)術(shù)界對地圖學(xué)的深入認(rèn)識與創(chuàng)新研究。王家耀院士、李志林教授、張新長教授分別作了《我的〈地圖學(xué)與地理信息工程〉學(xué)術(shù)與教育:足跡與感悟》《地圖學(xué)人類知識表達(dá)及進(jìn)展》《基于機(jī)器學(xué)習(xí)的城市居民地更新信息檢測與多尺度傳遞研究》的主題報(bào)告,另有李滿春、王明孝、劉繼平、武芳、艾廷華、龍毅、鄧敏、杜世宏、董衛(wèi)華、遆鵬等10位地圖學(xué)專家學(xué)者依次作了精彩的專題報(bào)告。

        會上同時(shí)舉辦了國際期刊Journal of Geovisualization and Spatial Analysis(JGSA)的創(chuàng)刊揭牌儀式。會議同時(shí)決定第二屆地圖學(xué)理論與方法研討會于2017年在南京大學(xué)召開。

        (本刊編輯部)

        Accuracy of GPS and A-GPS Positioning on Android Phone

        BI Jingxue,ZHEN Jie,GUO Ying

        10.13474/j.cnki.11-2246.2016. 0213.

        P228

        B

        0494-0911(2016)07-0010-04

        2015-07-20

        國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA12A201)

        畢京學(xué)(1991—),男,碩士生,研究方向?yàn)镚PS原理及定位、室內(nèi)外無縫定位。E-mail:bjx1050@163.com

        引文格式:畢京學(xué),甄杰,郭英.Android手機(jī)GPS和A-GPS定位精度分析[J].測繪通報(bào),2016(7):10-13.

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