Analiza dokładności pozycjonowania pojazdu w ruchu miejskim za pomocą smartfonów wyposażonych w chipset GPS oraz GPS/GLONASS

Transkrypt

1 CIEĆKO Adam 1,2 GRUNWALD Grzegorz 1 ŁĄTKA Karolina 1 Analiza dokładności pozycjonowania pojazdu w ruchu miejskim za pomocą smartfonów wyposażonych w chipset GPS oraz GPS/GLONASS WSTĘP Rozwój satelitarnych systemów nawigacyjnych jest jednym z większych osiągnięć technologicznych ostatnich czasów. Niezwykle ciężko jest dzisiaj określić zamknięty zbiór użytkowników systemów GPS czy GLONASS, bowiem systemy nawigacje są obecnie niezbędne niemal w każdej dziedzinie życia. Miniaturyzacja odbiorników, nowe techniki pomiarów w tym rozwiązania wielosystemowe, informatyzacja oraz niezliczone aplikacje są bezpośrednią przyczyną rosnących potrzeb nowoczesnej cywilizacji. Przedstawione w artykule wyniki badań maja na celu odpowiedzieć na pytanie dotyczące dokładności i jakości pozycjonowania za pomocą budżetowych telefonów komórkowych wyposażonych w chipset GPS oraz GPS/GLONASS. Jednocześnie praca pozwala na ocenę odbiorników wielosystemowych GPS/GLONASS, które do niedawna zarezerwowane były dla profesjonalnych zastosowań w geodezji i nawigacji, a dziś powoli stają się standardem w urządzeniach typu smartfon czy aparat fotograficzny. 1. ODBIORNIKI GNSS W TELEFONACH KOMÓRKOWYCH Pierwsze prace nad systemem telefonii komórkowej rozpoczęto już w latach tych ubiegłego stulecia. Praca takiego systemu polega na wykorzystaniu stacji bazowej, która wysyła sygnały nadawczo odbiorcze do szeregu podstacji obsługujących posiadaczy telefonów komórkowych w swoim zasięgu działania. Pierwszym, prawdziwie przenośnym telefonem komórkowym była Motorola MicroTAC 9800X z roku 1989, ponieważ wszystkie poprzednie modele, ze względu na wagę i wymiary mogły służyć jedynie w samochodach [1, 4]. Lata 90-te ubiegłego wieku i początek wieku obecnego to bardzo dynamiczny rozwój branży telefonii komórkowej, która ewoluowała na bardzo wysoki poziom technologiczny. W ciągu dwudziestu lat funkcje telefonów komórkowych wzbogacono m.in. o odtwarzacze mp3, dyktafony, latarki, aparaty fotograficzne, kamery cyfrowe oraz szereg aplikacji, które obecnie są dostępne w każdym smartfonie. Oprócz wyżej wymienionych udoskonaleń wprowadzanych do telefonów komórkowych, jednym z bardziej istotnych jest wbudowanie w telefon odbiornika GPS. Pierwszym, innowacyjnym modelem był telefon Benefon Esc! (rysunek 1). Został on zaprojektowany jako typowo outdorowy aparat wodoodporny i wstrząsoodporny z dużym ciekłokrystalicznym wyświetlaczem, idealnie sprawdzał się w zmiennych warunkach atmosferycznych. Pojawił się w sprzedaży w 1999 roku. Mimo tego, iż był to pierwszy taki model, posiadał szeroką funkcjonalność, która obejmowała miedzy innymi: wyświetlanie aktualnej pozycji na mapie, definiowanie punktu początkowego i końcowego trasy wraz z wybieraniem najbardziej optymalnej trasy, pomiar prędkości, azymutu oraz wysokości nad poziomem morza, a także inne funkcje nawigacyjno informacyjne. Telefon Benefon Esc! spotkał się z pozytywnym przyjęciem wielu użytkowników i w krótkim czasie moduł GPS został zastosowany także w topowych modelach telefonów innych producentów [3, 4, 5]. Wraz z pojawieniem się telefonów z funkcją GPS równocześnie rozwijały się odpowiednie oprogramowania, obecnie do 1 Uniwersytet Warmińsko Mazurski w Olsztynie, Wydział Geodezji, Inżynierii Przestrzennej i Budownictwa, ul. Prawocheńskiego 15, Olsztyn, tel , fax , a.ciecko@kgsin.pl 2 Wyższa Szkoła Oficerska Sił Powietrznych w Dęblinie, Wydział Lotnictwa, ul. Dywizjonu 303 nr 35, Dęblin, tel , fax , a.ciecko@kgsin.pl 737

2 najbardziej znanych należą: Google Maps, TomTom, NaviExpert, Here Nokii, a także polska AutoMapa. Wykorzystanie w telefonie komórkowym sygnałów GPS do nawigacji było znaczącym osiągnięciem technologicznym. Uzyskanie przez rosyjski system GLONASS pełnej zdolności operacyjnej w 2011 roku otworzyło przed elektronikami nowe możliwości wykorzystania do nawigacji dodatkowych 24 satelitów rosyjskiego systemu. Skonstruowanie odbiornika dwusystemowego GPS/GLONASS pozwala dziś użytkownikowi na korzystanie z ok. 55 satelitów, co umożliwia wyznaczenie pozycji nawet w miejscach o znacznie ograniczonym dostępie do sfery niebieskiej. Pierwszym smartfonem, kompatybilnym z systemami GPS oraz GLONASS był, wprowadzony do sprzedaży w roku 2011 telefon MTS 945 firmy ZTE z układem Qualcomm Snapdragon MSM7230 (rysunek 1). Ten innowacyjny smartfon dział w systemie Android 2.2 i był wyposażony w kolorowy 3,2 calowy dotykowy wyświetlacz o rozdzielczości 400x240 pikseli [6]. Rys. 1. Pierwszy telefon z wbudowanym odbiornikiem GPS - Benefon Esc! (po lewej) oraz pierwszy smartfon z odbiornikiem GPS/GLONASS - MTS 945 (po prawej) 2. BADANIE DOKŁADNOŚCI POZYCJONOWANIA GPS ORAZ GPS/GLONASS ZA POMOCĄ SMARTFONÓW Celem przeprowadzonych badań było porównanie dokładności pozycjonowania telefonów komórkowych wyposażonych w chipset GPS oraz GPS/GLONASS w zmiennych warunkach obserwacyjnych (teren odkryty, różnego rodzaju naturalne zasłony) podczas nawigacji w ruchu miejskim. W ramach eksperymentu przeprowadzono pomiar metodą dynamiczną, wykorzystując do tego celu rower. Pomiar odbył się 29 września 2014 roku, warunki atmosferyczne były bardzo korzystne bezchmurne niebo, 19 C, ciśnienie 995 hpa. Dane rejestrowano w godzinach od 11:05 do 13:00 czasu lokalnego (9:05 11:00 czasu UTC) [2]. Do wykonania pomiaru wykorzystano trzy urządzenia GNSS (rysunek 2): a) odbiornik GPS Thales Mobile Mapper Pro, z możliwością rejestrowania surowych danych obserwacyjnych i wykonania post-processingu - pozycja odniesienia (referencyjna); b) smartfon Samsung Galaxy Core Plus wyposażony w chipset GPS/GLONASS; c) smartfon Krüger&Matz MOVE z chipsetem GPS. Całkowita długość trasy wyniosła prawie cztery kilometry i prowadziła przez olsztyńskie osiedla Kortowo, Dajtki i Likusy. Teren wzdłuż trasy był urozmaicony zarówno pod względem ukształtowania terenu jak i zasłon terenowych w postaci lasu (droga na osiedle Dajtki prowadząca przez las), wysokich budynków (bloki na osiedlu Likusy), występowały także fragmenty bez zasłon. 738

3 Rys. 2. Urządzenia GNSS wykorzystane w badaniach, od lewej - Thales Mobile Mapper Pro, Samsung Galaxy Core Plus oraz Krüger&Matz MOVE Średnia prędkość jazdy rowerem podczas eksperymentu wynosiła około 10 km/h. Odbiorniki biorące udział w badaniach umieszczono na specjalnym stelażu w formie plecaka, w trakcie pomiaru urządzenia znajdowały się nad głową obserwatora w celu uzyskania najlepszego dostępu do sygnałów GNSS - rysunek 3. Rys. 3. Pojazd wykorzystany podczas badań oraz stelaż z zamontowanymi urządzeniami pomiarowymi W każdym z badanych telefonów zainstalowano dwie aplikacje: GPS NMEA Tool oraz NMEA Tools pozwalające nagrywać trajektorię i dane pomiarowe GNSS w formacie NMEA Surowe dane obserwacyjne z odbiornika Thales Mobile Mapper zaimportowano do programu MobileMapper Office gdzie przeprowadzono ich postprocessing. Do postprocessingu wykorzystano dane z Aktywnej Sieci Geodezyjnej EUPOS ze stacji referencyjnej KROL. Obliczenia w trybie DGPS postprocessing pozwoliły uzyskać trajektorię referencyjną (odniesienia) badanej trasy o dokładności rzędu kilku metrów, do dalszych analiz wybrano fragment trasy której dokładność osiągnęła ok. 2 m - taka dokładność pozwoliła na realne oszacowanie dokładności pozycjonowania testowanych aparatów telefonicznych. Dokładność trajektorii odniesienia analizowanego fragmentu trasy przedstawiono na rysunku 4 [2]. 739

4 Rys. 4. Dokładność trajektorii odniesienia z urządzenia Thales Mobile Mapper, czas UTC Kolejnym etapem badań było określenie dokładności pozycjonowania oraz wyznaczenie podstawowych parametrów nawigacyjnych, takich jak liczba satelitów oraz współczynnik PDOP dla analizowanych urządzeń. Graficznie wyniki przedstawiono na rysunkach 5 oraz 6, wynika z nich, że lepszym urządzeniem w badaniu okazał się smartfon Samsung Galaxy Pro Core wyposażony w chipset GPS/GLONASS. Dotyczy to dokładności wyznaczania pozycji zarówno długości, a przede wszystkim wysokości. Niewątpliwie wpływ na lepszą dokładność miała większa liczba obserwowanych satelitów, a także korzystniejszy współczynnik PDOP - rysunek 6. Rys. 5. Dokładność trajektorii odniesienia z urządzenia Thales Mobile Mapper, czas UTC Rys. 6. Dokładność trajektorii odniesienia z urządzenia Thales Mobile Mapper, czas UTC Ponadto, dane zarejestrowane telefonem Samsung Galaxy Pro Core (GPS/GLONASS) wykazują wysoką ciągłość (dane zarejestrowane z jednosekundowym interwałem pomiarowym bez przerw), podczas gdy drugi smartfon (chipset GPS) miał kilkusekundowe, przypadkowe przerwy w każdej minucie testu. Mimo, że dokładność każdego z testowanych telefonów odbiega od pozycji wyznaczonej precyzyjnie przez odbiornik Thales Mobile Mapper uzyskane wyniki, biorąc pod uwagę 740

5 niską cenę chipsetów użytych w telefonach, należy uznać za satysfakcjonujące, szczególnie dla użytkownika który używa nawigacji w telefonie do celów rekreacyjnych. Przeciętne błędy (wartości bezwzględne błędów) pozycjonowania testowanych telefonów przedstawiono na rysunku 7. Najwyższą przeciętną dokładność uzyskano dla współrzędnych długości - dokładność decymetrowa. Wyznaczenie współrzędnych szerokości było już nieco mniej dokładne 4 metry dla chipsetu GPS/GLONASS i 6 metrów dla GPS. Najmniejszą dokładność uzyskano w wyznaczeniu wysokości. Odbiornik GPS/GLONASS uzyskał przeciętną dokładność w granicach 6 metrów, natomiast w przypadku GPS błąd wyniósł powyżej 10 metrów [2]. Rys. 7. Przeciętne błędy (wartości bezwzględne błędów) pozycjonowania W celu wizualizacji trajektorii pojazdu, obserwacje w formacie NMEA zaimportowano do aplikacji Google Earth, która pozwala na trójwymiarową wizualizację powierzchni kuli ziemskiej. Program oferuje zdjęcia satelitarne, fotografie terenu oraz mapy każdego zakątka świata. Pośród wielu interesujących funkcji programu istnieje możliwość zapisywania konkretnych tras, oznaczania ciekawszych miejsc, a także istnieje możliwość dodawania własnych opisów, zdjęć bądź filmów do konkretnej lokalizacji. Program ten jest doceniany nie tylko przez zwykłych użytkowników, ale jest także często wykorzystywany przez użytkowników profesjonalnych. Zrzuty trajektorii z ekranu Google Earth na rysunku 8 ukazują zachowanie odbiorników przy częściowej zasłonie nieba przez drzewa. W zbliżeniu dokładnie widać istotne rozbieżności we fragmentach obu obserwacji. Żaden z odbiorników nie jest do końca stabilny w rejestracji danych. Fotografie jednak pokazują, że pomiar smartfonem z modułem GPS/GLONASS - kolor zielony odpowiada bardziej rzeczywistej trajektorii niż pomiar modułem GPS - kolor czerwony [2]. Rys. 8. Trajektoria ruchu pojazdu z programu Google Earth, czerwony - chipset GPS; zielony - chipset GPS/GLONASS 741

6 WNIOSKI Przeprowadzone testy dostarczyły badania dokładności pozycjonowania telefonów komórkowych wyposażanych w odbiornik GNSS z modułem GPS oraz z modułem GPS/GLONASS. Samsung Galaxy Core Pro (moduł GPS/GLONASS) uzyskał zdecydowanie bardziej dokładne pomiary osiągając kilkumetrową dokładność współrzędnych płaskich i sześciometrową dokładność dla współrzędnej wysokościowej. Z kolei Krüger&Matz MOVE (moduł GPS) osiągnął ponad dwukrotnie gorszą dokładność określenia wysokości wynoszącą prawie 15 metrów, współrzędna dla szerokości określona została z dokładnością sześciu metrów. Dokładność dla długości była jednak lepsza niż w Samsugu i wyniosła ok. 20 centymetrów. Biorąc pod uwagę, że wyniki otrzymano dla metody autonomicznej i pomiaru dynamicznego w ruchu miejskim, a co za tym idzie w trakcie testu występowały liczne zasłony terenowe drzewa, tafla jeziora oraz budynki, uzyskana dokładność pomiaru powinna satysfakcjonować większość użytkowników. Wyznaczone dokładności pozwalają stwierdzić, że popularne, dostępne obecnie na rynku telefony komórkowe, które mimo działania w oparciu o jedne z najtańszych modułów GPS i GPS/GLONASS, z powodzeniem mogą być wykorzystywane w procesie nawigacji. Stwierdzić należy również, że w ciągu testu nie odnotowano dłuższych niż kilka sekund przerw w wyznaczaniu pozycji, a w przypadku chipsetu GPS/GLONASS takie przerwy praktycznie wcale nie wystąpiły. Można więc stwierdzić, że zachowane zostały niezwykle ważne w procesie nawigacji parametry takie jak ciągłość i dostępność pomiaru, co pozwala na śmiałą konkurencję telefonów komórkowych wyposażonych w moduł GNSS z typowymi odbiornikami nawigacyjnymi dostępnymi na rynku [1, 2]. Przeprowadzone badania pokazują, że wykorzystanie obu systemów satelitarnych w telefonie komórkowym zapewnia wyższe dokładności pomiaru i lepszą dostępność niż sam GPS. Mając na względzie planowane modernizacje systemów, m.in. nowe sygnały cywilne, a także rozwój nowych systemów satelitarnych (Galileo, BeiDou) w przyszłości możemy się spodziewać jeszcze lepszych dokładności oraz dostępności nawigacji satelitarnej nawet dla użytkowników wyposażonych w podstawowe modele telefonów komórkowych. Streszczenie Rozwój satelitarnych systemów nawigacyjnych jest jednym z większych osiągnięć technologicznych ostatnich czasów. Niezwykle ciężko jest dzisiaj określić zamknięty zbiór użytkowników systemów GPS czy GLONASS, bowiem systemy nawigacje są dzisiaj niezbędne niemal w każdej dziedzinie życia. Miniaturyzacja odbiorników, nowe techniki pomiarów w tym rozwiązania wielosystemowe, informatyzacja oraz niezliczone aplikacje są bezpośrednią przyczyną rosnących potrzeb nowoczesnej cywilizacji. Przedstawione w artykule wyniki badań mają na celu odpowiedzieć na pytanie dotyczące dokładność i jakości pozycjonowania za pomocą budżetowych telefonów komórkowych wyposażonych w chipset GPS oraz GPS/GLONASS. Jednocześnie praca pozwala na ocenę odbiorników wielosystemowych GPS/GLONASS, które do niedawna zarezerwowane były dla profesjonalnych zastosowań w geodezji i nawigacji, a dziś powoli stają się standardem w urządzeniach typu smartfon czy aparat fotograficzny. Słowa kluczowe: GNSS, GPS, GLONASS, GSM, smartfon, nawigacja Accuracy analysis of GNSS vehicle positioning in urban environment using smartphones equipped with GPS and GPS/GLONASS chipset Abstract Development of satellite navigation systems is one of the greatest technological achievements of recent times. It is extremely difficult to determine a closed group of GPS or GLONASS users since these systems are essential in almost every field of today's life. Receiver miniaturization, new measurement techniques including multi-system solutions, computerization and countless applications are the main reason of the increasing needs of modern civilization. Presented in this paper results are intended to answer the question about the accuracy and quality of positioning using a budget mobile phones equipped with GPS and GPS/GLONASS chipset. At the same time this work allows for the assessment of GNSS multisystem (GPS/GLONASS) receivers, which until recently were reserved for professional use in geodesy and navigation, and today are slowly becoming the standard for devices such as a smartphone or camera. 742

7 Keywords: GNSS, GPS, GLONASS, GSM, smartphone, navigation BIBLIOGRAFIA 1. Borowski B., 2010, Wykorzystanie Globalnego Systemu Pozycjonowania w telefonach komórkowych GSM, praca magisterska, UWM w Olsztynie, Łątka K., 2015, Badanie dokładności pozycjonowania GPS/GLONASS za pomocą smartfona, praca inżynierska, UWM w Olsztynie, PETROVSKI I.G., 2014, GPS, GLONASS, Galileo and BeiDou for Mobile Devices, Cambridge University Press, United Kingdom