Android手机GPS和A-GPS定位精度分析

毕京学，甄　杰，郭　英

（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）

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）

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30 min，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5 m，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5 min内。

手机GPS；A-GPS；定位精度

iOS、Android、Windows Phone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（location based service，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。

表1　国内热门智能手机定位硬件配置

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，使第一次定位时间（time to first fix，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。

表2　部分卫星状态数据

图1　手机GPS定位原理

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。

表3　普通GPS模块定位和A-GPS定位的比较

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30 s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40 m，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30 min，并记录观测数据。

手机GPS测量中高程误差远远大于10 m，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。

图2　手机GPS模块定位结果

由图2可知，在前260 s，手机GPS观测结果较稳定，平面误差约7 m，x方向误差很小，y方向偏差很大，达到6.2 m；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1190 s左右有10 m左右偏差；有77.8%的点位误差在5 m以内，55.4%的点位误差落在3 m以内。尽管大部分点位误差在5 m内，但均不在前260 s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。

图3　手机A-GPS定位结果

由图3可知，在前10 s内定位误差较大，结果与GPS模块定位接近；16 s时定位精度快速提高，定位误差约0.5 m；在后期 280 s内，A-GPS的定位结果稳定可靠，x和y方向偏差均小于0.5 m；3 min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；77%的点位误差在3 m内，有97.7%的点位误差在5 m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5 min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5～10 m，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5 m，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5 min内。

［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］ 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.

首届地图学理论与方法研讨会成功召开

［本刊讯］ 6月25—26日，首届地图学理论与方法研讨会在兰州交通大学举办。来自香港理工大学、武汉大学、中山大学、南京大学、北京大学、中南大学、南京师范大学、北京师范大学、中国测绘科学研究院等高校与科研院所的30多名地图学与地理信息科学专家莅临会议，500多名高校师生和测绘地理信息工作者参加会议。

本次研讨会的主题为“地图综合与空间关系理论”，重点探讨了地图综合的理论、方法与技术，空间关系理论及应用、地图学新进展、大数据在地理信息研究中的应用，以及地理信息科学与技术的其他热点问题，旨在促进学者的经验交流与研究成果的共享，推动学术界对地图学的深入认识与创新研究。王家耀院士、李志林教授、张新长教授分别作了《我的〈地图学与地理信息工程〉学术与教育:足迹与感悟》《地图学人类知识表达及进展》《基于机器学习的城市居民地更新信息检测与多尺度传递研究》的主题报告，另有李满春、王明孝、刘继平、武芳、艾廷华、龙毅、邓敏、杜世宏、董卫华、遆鹏等10位地图学专家学者依次作了精彩的专题报告。

会上同时举办了国际期刊Journal of Geovisualization and Spatial Analysis（JGSA）的创刊揭牌仪式。会议同时决定第二届地图学理论与方法研讨会于2017年在南京大学召开。

（本刊编辑部）

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

国家高技术研究发展计划（863计划）（2013AA12A201）

毕京学（1991—），男，硕士生，研究方向为GPS原理及定位、室内外无缝定位。E-mail:bjx1050@163.com

引文格式：毕京学，甄杰，郭英.Android手机GPS和A-GPS定位精度分析［J］.测绘通报，2016（7）:10-13.