Android手机GPS和A-GPS定位精度分析

　　Android手机GPS和A-GPS定位精度分析

　　毕京学1，2，甄杰2，郭英3

　　(1.中国矿业大学环境与测绘学院，江苏徐州221008;2.中国测绘科学研究院，北京100830;3.山东科技大学测绘学院，山东青岛266510)

　　摘要:

　　介绍了手机GPS定位的基本原理，分别利用手机GPS模块定位和A-GPS定位方式对同一参考点测量30min，通过定位数据分析智能手机GPS室外定位精度。定位结果表明:移动设备集成的GPS模块与GPS接收机在定位精度和稳定性等方面有很大差异;手机GPS模块定位可满足导航需求;A-GPS在一定时间内定位误差小于5m，可用于地理信息快速采集;为保证定位可靠性，需将测量时间控制在5min内。

　　关键词:手机GPS;A-GPS;定位精度

　　中图分类号:P228文献标识码:B文章编号:0494-0911(2016)07-0010-04

　　iOS、Android、WindowsPhone等操作系统的智能手机都集成了GPS模块，甚至有些手机支持GLONASS和北斗定位，见表1。手机定位衍生的手机导航、手机地图与手机社交服务，给人们带来了极大便利，丰富了人们的日常生活，使得基于位置的服务(locationbasedservice，LBS)需求量逐年递增。纵观国内外，自A-GPS技术出现，智能手机室外定位的科研成果较少，应用较多，主要原因是手机端集成的GPS定位模块造价低廉，在性能上与测量型GPS接收机相差甚远。谢翔等研究了手机在室内多种环境下的定位精度[1];李传军等研究了GPS手机差分系统[2];任超研究了基于GPSOne技术的智能手机定位精度及可靠性[3];Zandbergen等比较了辅助GPS、WiFi和蜂窝定位技术[4]，还研究了高灵敏度GPS手机的定位精度[5];除此以外多是基于手机GPS的应用开发[6-9]。而移动地图之所以有较好的定位和导航性能，是因为引入了地图约束。总而言之，微型GPS模块硬件性能决定了手机GPS的定位效果。

　　本文利用红米Note手机获取卫星状态数据，可视卫星共20颗，其中GPS卫星10颗，GLONASS卫星8颗，BeiDou卫星2颗，限于篇幅仅罗列其中8颗卫星，见表2。通过分析发现，尽管手机可以捕获GLONASS和BeiDou卫星信号，但不参与位置解算，而且Android系统和手机制造商未提供GLONASS和BeiDou定位的开发接口，致使无法分析手机中GLONASS和BeiDou定位精度，因此以手机GPS定位研究为主。为方便描述，将手机GPS定位分为普通GPS模块定位和A-GPS定位。

　　一、手机GPS定位技术

　　1.手机GPS定位原理手机GPS定位原理如图1所示。与测量型GPS接收机工作原理相同，手机GPS定位需要至少4颗卫星才有固定解，区别是手机GPS定位精度远远低于GPS测量型接收机，仅能够满足导航定位、社交应用、商场购物等日常应用和娱乐生活。

　　(1)普通GPS模块定位手机开启普通GPS模块，搜索该区域可见GPS卫星，利用捕获的卫星信号解算出移动用户的位置信息，并把位置信息按照NMEA0183传输协议提供给接口。

　　(2)A-GPS定位A-GPS是将GPS卫星定位与无线蜂窝融合而成的网络辅助定位技术。由于无线通信蜂窝基站可以实时跟踪卫星，含有A-GPS模块的手机发送定位请求信息时，定位服务器可以向手机传输一些辅助数据，如小区上空可见卫星和数目，以及位置改正参数，可以缩小卫星搜索范围，缩短搜索时间，定位时间(timetofirstfix，TTFF)降至几秒钟[10]。

　　如图1所示，系统包括三部分:一是具有A-GPS功能的智能终端;二是具备卫星跟踪能力的无线蜂窝基站网络;三是A-GPS定位服务器，负责位置计算和位置分发。

　　2.A-GPS定位工作流程[11]1)手机把所在蜂窝小区附近的基站地址通过通信网络传输到位置服务器。

　　2)位置服务器根据手机的大概位置向定位请求的手机发送与该位置相关的GPS卫星辅助信息(主要是相关GPS卫星的状态)和位置解算的辅助信息(GPS卫星星历、导航电文、位置改正数据等)。

　　3)手机依据相关辅助信息快速搜索到可见GPS卫星，并接收GPS原始卫星信号。

　　4)手机解调接收GPS原始信息后，计算手机到卫星的伪距，并把相关定位信息发送给位置服务器。

　　5)位置服务器结合差分GPS基准站或基站的辅助信息对接收的GPS伪距信息进行处理，估算手机的位置，并通过网络传输到手机。

　　6)手机上的应用调用定位结果进行可视化显示。

　　普通GPS模块定位和A-GPS定位的比较见表3。

　　二、手机GPS定位精度试验

　　1.试验描述首先，利用CORS在某点实测30s获得较准确的WGS-84坐标，该点位于中国测绘创新基地内，距离高楼约40m，观测环境较理想，附近无其他干扰。

　　将安装有自主开发“GPS测量及坐标转换”软件的三星Note8手机放置在该点，分别以GPS模块定位和A-GPS定位模式静止观测30min，并记录观测数据。

　　手机GPS测量中高程误差远远大于10m，为避免平面坐标转换过程中引入高程测量误差，故利用高斯投影把测得的经度和纬度投影到高斯平面[12]。

　　2.试验结果与分析图2和图3分别为手机GPS模块定位和AGPS定位的x、y方向的偏差变化趋势、离散程度以及准确度描述示意图。

　　由图2可知，在前260s，手机GPS观测结果较稳定，平面误差约7m，x方向误差很小，y方向偏差很大，达到6.2m;在后面的观测过程中，由于GPS模块内部噪声和系统误差的影响，x和y方向均有较大误差，x方向误差变化较大，在1190s左右有10m左右偏差;有77.8%的点位误差在5m以内，55.4%的点位误差落在3m以内。尽管大部分点位误差在5m内，但均不在前260s稳定区间内，定位精度较高的点位随机性较大，手机GPS模块定位精度不可靠。

　　由图3可知，在前10s内定位误差较大，结果与GPS模块定位接近;16s时定位精度快速提高，定位误差约0.5m;在后期280s内，A-GPS的定位结果稳定可靠，x和y方向偏差均小于0.5m;3min后随着A-GPS使用时间增长，定位结果有较大波动，GPS模块定位误差的影响大于位置改正数据的改正;21测绘通报2016年第7期77%的点位误差在3m内，有97.7%的点位误差在5m以内，定位精度相较高。

　　比较图2和图3发现，手机GPS模块和A-GPS模块正常使用时间较短，都在5min以内;长时间使用会产生较大的噪声或漂移，且产生的误差影响要大于基站位置改正数据的影响;定位结果随机性太强，稳定性较差。

　　三、结论根据以上试验

　　数据分析，得到如下结论:

　　1)在观测条件较好的条件下，手机GPS普通模块定位精度为5～10m，可应用于汽车导航、社交、商场购物促销等对定位要求不高的基于位置服务中。

　　2)在观测条件较好的环境下，手机A-GPS定位精度较高，优于5m，较长时间的观测可提高定位精度，可应用于地理信息快速采集等。

　　3)为保证手机GPS定位的可靠性，将连续使用GPS时间控制在5min内。

　　参考文献:

　　[1]谢翔，荆昊，郭际明.室内环境下手机GPS定位精度研究[J].测绘通报，2012(8):95-98.[2]李传华，孙礼军，陆林涛.GPS手机的差分定位系统研究[J].测绘科学，2012，37(3):50-51.[3]任超，吴伟，彭家頔，等.基于GPSOne技术的智能手机定位精度及可靠性研究[J].测绘通报，2012(2):54-55.[4]ZANDBERGENPA.AccuracyofiPhoneLocations:AComparisonofAssistedGPS，WiFiandCellularPositioning[J].TransactionsinGIS，2009，13(S1):5-25.[5]ZANDBERGENPA，BARBEAUSJ.PositionalAccuracyofAssistedGPSDatafromHigh-sensitivityGPSenabledMobilePhones[J].JournalofNavigation，2011，64(3):381-399.[6]夏飞阳.基于Android手机平台的自主旅游系统的设计与实现[D].广州:华南理工大学，2011.[7]翟玉山.基于Android平台手机地图的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学，2012.[8]凡里伟.Android平台手机防盗系统的设计与实现[D].大连:大连理工大学，2012.[9]张志清.基于Android的移动社交产品客户端设计与实现[D].北京:北京交通大学，2012.[10]马昀.手机AGPS辅助定位技术的研究与优化[D].北京:北京邮电大学，2008.[11]曹科.基于智能手机的A-GPS定位技术的研究与实现[D].成都:电子科技大学，2007.[12]毕京学，郭英，张鼎凯，等.基于CORS的高精度实时坐标转换方法探究[J].测绘科学，2015，40(1):

　　98-101.