Android手機GPS和A-GPS定位精度分析

畢京學，甄　杰，郭　英

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

Android手機GPS和A-GPS定位精度分析

畢京學1，2，甄杰2，郭英3

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

介紹了手機GPS定位的基本原理，分別利用手機GPS模塊定位和A-GPS定位方式對同一參考點測量30 min，通過定位數(shù)據(jù)分析智能手機GPS室外定位精度。定位結(jié)果表明:移動設備集成的GPS模塊與GPS接收機在定位精度和穩(wěn)定性等方面有很大差異；手機GPS模塊定位可滿足導航需求；A-GPS在一定時間內(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，需將測量時間控制在5 min內(nèi)。

手機GPS；A-GPS；定位精度

iOS、Android、Windows Phone等操作系統(tǒng)的智能手機都集成了 GPS模塊，甚至有些手機支持GLONASS和北斗定位，見表1。手機定位衍生的手機導航、手機地圖與手機社交服務，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（location based service，LBS）需求量逐年遞增?？v觀國內(nèi)外，自A-GPS技術出現(xiàn)，智能手機室外定位的科研成果較少，應用較多，主要原因是手機端集成的GPS定位模塊造價低廉，在性能上與測量型GPS接收機相差甚遠。謝翔等研究了手機在室內(nèi)多種環(huán)境下的定位精度［1］；李傳軍等研究了GPS手機差分系統(tǒng)［2］；任超研究了基于 GPSOne技術的智能手機定位精度及可靠性［3］；Zandbergen等比較了輔助GPS、WiFi和蜂窩定位技術［4］，還研究了高靈敏度GPS手機的定位精度［5］；除此以外多是基于手機GPS的應用開發(fā)［6-9］。而移動地圖之所以有較好的定位和導航性能，是因為引入了地圖約束。總而言之，微型GPS模塊硬件性能決定了手機GPS的定位效果。

表1　國內(nèi)熱門智能手機定位硬件配置

本文利用紅米Note手機獲取衛(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，致使無法分析手機中GLONASS和BeiDou定位精度，因此以手機GPS定位研究為主。為方便描述，將手機GPS定位分為普通GPS模塊定位和A-GPS定位。

一、手機GPS定位技術

1.手機GPS定位原理

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

（1）普通GPS模塊定位

手機開啟普通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)絡輔助定位技術。由于無線通信蜂窩基站可以實時跟蹤衛(wèi)星，含有A-GPS模塊的手機發(fā)送定位請求信息時，定位服務器可以向手機傳輸一些輔助數(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，縮短搜索時間，使第一次定位時間（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；三是A-GPS定位服務器，負責位置計算和位置分發(fā)。

表2　部分衛(wèi)星狀態(tài)數(shù)據(jù)

圖1　手機GPS定位原理

2.A-GPS定位工作流程［11］

1）手機把所在蜂窩小區(qū)附近的基站地址通過通信網(wǎng)絡傳輸?shù)轿恢梅掌鳌?/p>

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

3）手機依據(jù)相關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）手機解調(diào)接收GPS原始信息后，計算手機到衛(wèi)星的偽距，并把相關定位信息發(fā)送給位置服務器。

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

6）手機上的應用調(diào)用定位結(jié)果進行可視化顯示。

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GPS定位精度試驗

1.試驗描述

首先，利用CORS在某點實測30 s獲得較準確的WGS-84坐標，該點位于中國測繪創(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測量及坐標轉(zhuǎn)換”軟件的三星Note8手機放置在該點，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GPS測量中高程誤差遠遠大于10 m，為避免平面坐標轉(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.試驗結(jié)果與分析

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

圖2　手機GPS模塊定位結(jié)果

由圖2可知，在前260 s，手機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%的點位誤差在5 m以內(nèi)，55.4%的點位誤差落在3 m以內(nèi)。盡管大部分點位誤差在5 m內(nèi)，但均不在前260 s穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，定位精度較高的點位隨機性較大，手機GPS模塊定位精度不可靠。

圖3　手機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%的點位誤差在3 m內(nèi)，有97.7%的點位誤差在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GPS模塊和A-GPS模塊正常使用時間較短，都在5 min以內(nèi)；長時間使用會產(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)果隨機性太強，穩(wěn)定性較差。

三、結(jié) 論

根據(jù)以上試驗數(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GPS普通模塊定位精度為5～10 m，可應用于汽車導航、社交、商場購物促銷等對定位要求不高的基于位置服務中。

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

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

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

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

［3］ 任超，吳偉，彭家頔，等.基于GPSOne技術的智能手機定位精度及可靠性研究［J］.測繪通報，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手機平臺的自主旅游系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.廣州:華南理工大學，2011.

［7］ 翟玉山.基于Android平臺手機地圖的設計與實現(xiàn)［D］.西安:西安電子科技大學，2012.

［8］ 凡里偉.Android平臺手機防盜系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［D］.大連:大連理工大學，2012.

［9］ 張志清.基于Android的移動社交產(chǎn)品客戶端設計與實現(xiàn)［D］.北京:北京交通大學，2012.

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

［11］ 曹科.基于智能手機的A-GPS定位技術的研究與實現(xiàn)［D］.成都:電子科技大學，2007.

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

首屆地圖學理論與方法研討會成功召開

［本刊訊］ 6月25—26日，首屆地圖學理論與方法研討會在蘭州交通大學舉辦。來自香港理工大學、武漢大學、中山大學、南京大學、北京大學、中南大學、南京師范大學、北京師范大學、中國測繪科學研究院等高校與科研院所的30多名地圖學與地理信息科學專家蒞臨會議，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“地圖綜合與空間關系理論”，重點探討了地圖綜合的理論、方法與技術，空間關系理論及應用、地圖學新進展、大數(shù)據(jù)在地理信息研究中的應用，以及地理信息科學與技術的其他熱點問題，旨在促進學者的經(jīng)驗交流與研究成果的共享，推動學術界對地圖學的深入認識與創(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〈地圖學與地理信息工程〉學術與教育:足跡與感悟》《地圖學人類知識表達及進展》《基于機器學習的城市居民地更新信息檢測與多尺度傳遞研究》的主題報告，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位地圖學專家學者依次作了精彩的專題報告。

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

（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

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）（2013AA12A201）

畢京學（1991—），男，碩士生，研究方向為GPS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，甄杰，郭英.Android手機GPS和A-GPS定位精度分析［J］.測繪通報，2016（7）:10-13.