Проверка точности определения местоположения смартфонами

Приёмники Глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), будь то в смартфонах, автомобилях или в других устройствах, рассчитывают своё местоположение при помощи сигналов как минимум четырёх спутников из доступных ГНСС и региональных группировок. Приёмник использует разницу во времени между временем передачи со спутника и временем приёма сигнала для вычисления расстояния или дальности от спутника до приёмника. Как только устройство ГНСС получит сигналы от нескольких спутников, оно узнает положение каждого из них и расстояние до них. Чем больше спутниковых сигналов, тем выше точность позиционирования.

ГНСС – это ГЛОНАСС, Galileo, BeiDou и GPS. Для GPS, Galileo, BeiDou каждый спутник передаёт свой сигнал в разных диапазонах (до трёх). Это означает, что старые приёмники, поддерживающие только ГЛОНАСС и GPS в одном диапазоне, менее точны, чем новые устройства, поддерживающие четырёхсозвездные и двухдиапазонные системы.

Поскольку спутники вращаются на высоте 24 000 км над землёй, сигнал, поступающий на землю, слишком слаб, чтобы пройти через крышу, густую листву или туннель. Кроме того, сигнал проходит через ионосферу и тропосферу, что также влияет на время его распространения.

В плотной городской среде высокие здания также могут маскировать сигнал от определённых спутников, уменьшая количество сигналов, доступных для вычисления местоположения. Кроме того, высокие здания могут создавать эффект каньона, который отражает и умножает сигналы между спутником и приёмником, и эти «эхо» могут влиять на точность определения дальности.

Качество навигации в смартфоне зависит от приёмника ГНСС (набора микросхем), его механизма позиционирования (программного обеспечения), качества антенны и аппаратной интеграции. В дополнение к чистому ГНСС-позиционированию современные смартфоны используют инерциальные датчики (гироскопы, акселерометры и барометры) и позиционирование на основе сети (которое зависит от сетей мобильных телефонов и Wi-Fi). Эти различные технологии помогают компенсировать недостаток или отсутствие спутниковых сигналов ГНСС.

Мобильные телефоны не всегда имели встроенные навигационные системы. Первый телефон со встроенной функцией спутниковой навигации и встроенными картами от производителя телефонов «Бенефон» (Benefon) появился в 1999 году и в основном продавался в Европе, но подготовил почву для будущих телефонов с поддержкой GPS. В 2011 году МТС 945 ГЛОНАСС стал первым в мире смартфоном с поддержкой ГЛОНАСС.

Xiaomi Mi 8, появившийся в 2018 году, стал первым смартфоном с двухчастотным ГНСС. Оснащённый навигационным чипом, он может обеспечивать точность до дециметрового уровня для услуг определения местоположения и навигации транспортных средств. В настоящее время все смартфоны, кроме самых дешёвых, оснащены какой-либо навигационной системой.

Ресурс Dxomark, тестирующий смартфоны, задался целью получить общее представление о производительности ГНСС-позиционирования.

Тестовая платформа включала в себя:

• Самые точные мультисозвездия (ГЛОНАСС, GPS, BeiDou и Galileo) и трёхчастотные приёмники на рынке с возможностью обработки последних сигналов европейской группировки Galileo (E6). В дополнение к этой аппаратной платформе алгоритмы Geoflex могут вычислять точное позиционирование точек для достижения уровня точности менее 4 сантиметров. Это необходимо, чтобы получить хороший эталонный трек для сравнения с позициями тестируемых смартфонов.

• Качественные ГНСС-антенны.

• Инерциальную систему в сочетании с ГНСС для улучшения эталонного решения при недостаточном качестве или отсутствии сигналов ГНСС.

Тестировщики взяли эталонную систему и смартфоны и отправились в трёхчасовую поездку по окрестностям Парижа. Маршрут включал городские районы, районы «плотной застройки» (высокие здания близко друг к другу), районы под открытым небом и закрытые районы, такие как туннели, леса и подземные переходы. За исключением областей под открытым небом, каждая из этих сред создаёт проблемы для систем ГНСС.

Неудивительно, что более дорогие смартфоны с более быстрыми процессорами, лучшими антеннами, большим количеством созвездий, а также с двумя диапазонами показали лучшие результаты, чем более экономичные модели. Все смартфоны хорошо показали себя в открытом небе, потому что условия распространения ГНСС и SNR (сигнал-шум) очень хорошие. Однако были существенные различия в характеристиках в более сложных условиях, и особенно при прохождении тоннеля.

Устройство 10 перестало давать координаты в середине тоннеля (достигнут предел точности по акселерометрическому датчику), а Устройство 15 продолжало давать положения прямолинейно без контроля качества траектории (возможно, из-за одноосного акселерометра).

Напротив, Устройство 5 имеет 3D-гироскоп и акселерометр, которые позволяют ему следовать изгибу туннеля, что имеет значение для участков траектории без приёма ГНСС. На самом деле, Устройство 5 также имело самые близкие результаты к эталонному треку в густонаселённой городской местности, поскольку его инерционный датчик обеспечивал хорошую точность локализации между зданиями.

Появление четырёх созвездий и двухдиапазонных навигационных спутниковых технологий представляет собой значительное улучшение по сравнению с более ранними системами спутниковой навигации. Более новые приемники ГНСС, в том числе способные принимать трёхдиапазонные сигналы, станут обычным явлением даже в более экономичных смартфонах. Но какие дальнейшие улучшения мы можем ожидать, когда устройства следующего поколения будут использовать более сложные навигационные технологии, а спрос на всё более точное позиционирование будет расти?

Помимо смартфонов, мы предполагаем широкое использование технологии ГНСС во многих видах встроенной электроники и в таких устройствах, как камеры с обзором 360°. Мы думаем, что услуги коррекции ГНСС помогут производителям и конечным пользователям улучшить спутниковые сигналы и данные инерциальных датчиков, чтобы точность определения местоположения измерялась всего в сантиметрах (а не в метрах или даже в более крупных единицах расстояния). Такая точность окажет огромное влияние на мобильность людей и на самые разные услуги (например, доставку дронами).

Что касается звука, аккумулятора, камеры или дисплея смартфона, аппаратное обеспечение — это только одна часть уравнения, а программное обеспечение играет наиболее важную роль. Мы видим, что устройства с одинаковым аппаратным обеспечением не обеспечивают одинаковой точности, и это связано с настройкой программного обеспечения.

Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал