基于安卓系統無信號狀態下的手機APP導航定位

王偉棟，周志易，李曉莉，符永清，張水根

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

1 引 言

GPS導航定位技術在國民生產和社會發展的應用越來越廣泛，已經融入較多的學科領域。未來的GPS民用技術將向著使用可靠性、經濟性、快速、高精度方向發展。能夠更好更全面地使用GPS技術，是目前廣大用戶的強烈需求。

安卓系統目前是全球第一大用戶操作系統，激活設備超過20億臺，占據了大部分的移動市場。安卓系統以其開放的姿態和強大的功能受到廣大開發者的喜愛。根據自身需求在安卓平臺上開發合適的應用是現在以及未來的熱點。

目前的海上定位導航設備是基于一套完整的航海自主移動平臺，且都裝配在大型的船上，精度較高、定位速度快，但是體積龐大，價格昂貴，出現導航故障時不易發現和糾正。雖然目前手機軟件市場存在較多導航定位軟件，但是在無移動數據信號覆蓋的情況下，依然不能進行導航，無法滿足用戶的需要。而在陸地導航定位時，需購買相應的導航設備，價格較貴，攜帶也不方便。而智能手機在國內基本上普及，時刻攜帶在身邊，且具有GPS定位功能。所以，在航行的過程中，用戶擁有一款可以在無信號覆蓋的情況下，通過手機進行實時定位且能確定航線方向的手機APP非常重要。

2 思路、原理及數學模型

2.1 主要設計思路(如圖1所示)

2.2 數據處理原理

利用手機GPS獲取到的橢球面上大地元素，按照白塞爾投影條件投影到輔助球面上，得到球面相應值，即實現橢球面向球面的過渡；在球面上解算大地問題；按球面上得到的數值計算橢球面上的相應數值，即實現從圓球向橢球的過渡。

圖1 設計思路框圖

2.3 數學模型

橢球的大地元素與球面大地元素之間的關系，如圖2所示。

圖2 橢球與球面大地元素關系圖

在橢球面上大地線微分方程為：

(1)

在單位圓球面上，易知大圓弧的微分方程為：

(2)

由以上兩組關系式易知二者有如下關系式：

(3)

3 程序設計

3.1 程序設計流程圖

利用JAVA語言設計的程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序設計流程圖

3.2 程序開發實例

本軟件是基于Android Studio開發平臺，適用的最低版本為Android 6.0。程序界面主要包括正反算按鈕、定位按鈕、用戶所在地、目的地、大地距離、大地方位角等顯示框。本程序生成一份apk安裝文件，可直接安裝在Android系統的智能手機上進行使用。

(1)手機GPS自動定位

將手機處于室外開闊處，并打開GPS定位功能，啟動軟件便可自動定位獲取所在地的經緯度。獲取到的經緯度界面如圖4所示。

(2)實時經緯度獲取

點擊如圖5所示的位置一的獲取按鈕，將實時獲取的經緯度顯示到如圖5所示界面的兩個文本框中使用。

圖4 經緯度的獲取

圖5 經緯度的顯示

(3)功能按鈕

功能按鈕如圖6所示，反算按鈕進行大地主題的反算，正算按鈕用來進行大地主題的正算，清除按鈕用來清空所有文本框，保存按鈕用來保存結果數據，設置按鈕用來選擇一個路徑存儲數據，路徑如圖7所示。

圖6命令按鈕

圖7 保存路徑

(4)實時大地主題解算

算法程序令該經緯度坐標作為獲取的參數1，目的地經緯度坐標作為輸入的參數2，不斷地進行實時的經緯度獲取并調用白塞爾大地主題的反算算法，計算當前點與目標點之間的大地距離和大地方位角。

大地主題反算的數據實時獲取如圖8所示。在兩個不同的位置分別獲取，便可得到兩個位置實時數據。實時解算的結果如圖9所示。

圖8 目標位置的實時獲取

圖9 解算的結果

從圖7中可得到大地距離和大地正反方位角，用戶根據這些數據可得知與目的地的距離并調整航行方向，順利抵達目的地。

(5)手動輸入進行大地主題的解算

該程序不僅可以通過手機自動定位實時進行大地主題的解算，也可以通過手動輸入數據進行大地主題解算，手動輸入按正算反算所需數據進行輸入，手動輸入如圖10所示。

圖10 手動輸入數據

4 程序設計部分問題說明

4.1 定位精度問題

手機內置GPS模塊雖然定位速度快，且不受手機信號的影響，但是其定位精度不容樂觀。為了能夠更好地提高定位效果，本文嘗試使用其他的星基系統。廣域差分系統(WAAS)通過向用戶播發鐘差改正數、大氣時延等一系列改正信息，幫助用戶改善定位精度。若用戶手機無法支持WAAS信號，那么可改進原始觀測數據的計算方法。如電離層雙頻改正、衛星高度角定權、收集多種衛星系統的觀測數據。

4.2 初始化定位問題

手機GPS和GPS接收機一樣，存在初始化定位速度較慢的問題。時間一般為 10 min～30 min，這在航行失去信號情況下是無法接受的。在不失定位精度的前提下，本文認為應進行熱啟動，即保持手機定位功能開啟，這樣在需要時可快速獲取坐標。此外，船只的移動速度越小，定位所需時間越少。手機應處于船只開闊處，利于接收衛星信號。

5 結 語

研究開發的軟件可直接利用安卓設備的GPS信號接收功能，并根據大地主題解算的算法快速得到用戶所在地至目的地的大地距離和方位。經測試，在沒有其他導航設備并關閉安卓手機數據功能的情況下，基本可實現導航功能。雖然能達到預計效果，但是也存在一些問題，比如精度不高，不能顯示路況等。在未來的研究方向中，提高精度和能夠較好顯示路況是最主要的兩個工作，軟件的應用前景將會得到很大提升。