Nauka w świecie cyfrowym okiem młodego inżyniera – nawigacja mobilna w miastach | Politechnika Gdańska

Zależności pomiędzy dokładnością pozycjonowania danego smartfona a jego specyfikacją techniczną są skomplikowane i trudne do jednoznacznego określenia. Wpływ mają na to również zmienne parametry takie jak ukształtowanie terenu, kształt trasy czy prędkość poruszania się użytkownika. Prezentowana praca stanowi raport z przeprowadzonego badania, którego celem była ocena precyzji lokalizowania wybranych terminali mobilnych pracujących pod kontrolą systemu operacyjnego Android. Analizy dokonano, badając cztery urządzenia o odmiennej specyfikacji technicznej, w zróżnicowanym środowisku miejskim, w ruchu pieszym. Na podstawie zebranych danych sformułowano wnioski i zalecenia, które mogą być przydatne zarówno dla programistów, jak i samych użytkowników aplikacji, a także producentów sprzętu oraz oprogramowania.

Wprowadzenie

Historycznie ewolucja sposobu wyznaczania pozycji użytkownika obejmuje różnorodne techniki, począwszy od obserwacji gwiazd aż po wykorzystanie sztucznych satelitów, które generują sygnały i przesyłają je na powierzchnię Ziemi. Współczesne urządzenia mobilne, takie jak smartfony, korzystają z zaawansowanych systemów lokalizacyjnych i nawigacyjnych, które stanowią nieodzowny element w dzisiejszym świecie zglobalizowanej komunikacji i mobilności.

Zintegrowane moduły bezprzewodowe w smartfonach umożliwiają korzystanie z różnych globalnych systemów nawigacji satelitarnej (GNSS). Warto podkreślić, że każde nowoczesne urządzenie mobilne wyposażone jest ponadto w układ scalony efektywnie przetwarzający sygnały GNSS. Dzięki globalnym systemom nawigacji satelitarnej, takim jak amerykański GPS (Global Positioning System), rosyjski GLONASS (Global Navigation Satellite System), europejski Galileo, chiński BeiDou (Wielka Niedźwiedzica), indyjski NavIC (Navigation with Indian Constellation) czy japoński QZSS (Quasi-Zenith Satellite System), które to zostały porównane w tabeli 1, osiągamy zdolność dokładnego określania położenia terminala użytkownika w czasie rzeczywistym.

Owe technologie nie tylko umożliwiają precyzyjne określanie położenia użytkownika, ale także pełnią rolę kluczowych narzędzi wspierających różnorodne aspekty codziennego życia. Jednocześnie technologie Bluetooth i Wi-Fi, działające głównie w pasmach 2,4 i 5 GHz, mogą wspomagać nawigację zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz budynków. Współpraca różnych systemów oraz rozwijanie precyzyjnych algorytmów stanowi istotny element tego dynamicznego obszaru badawczego.

Opis badania

Badanie miało na celu określenie wpływu różnych czynników, takich jak np. ukształtowanie terenu, długość i kształt trasy, komponenty użyte w smartfonach. Określono kilka scenariuszy testowych i zebrano dane z wykorzystaniem narzędzia GNSS Logger dostępnego na platformie Android. Analizując efektywność i dokładność satelitarnych systemów pozycjonowania, dążymy do pełnego zrozumienia potencjału, jaki niosą te technologie. Otrzymane rezultaty mogą pomóc potencjalnym nabywcom smartfonów w wyborze urządzenia dla siebie, w przypadku gdy dokładność wyznaczonej lokalizacji jest dla nich czynnikiem priorytetowym.

Testowane urządzenia

Badania przeprowadzone zostały z wykorzystaniem następujących modeli smartfonów: Poco X3 NFC, Realme GT Master Edition, Xiaomi Mi 9T oraz Samsung Galaxy S9+. Telefony pochodziły od różnych producentów, na polski rynek trafiały w ciągu ostatnich kilku lat. Ich specyfikację przedstawiono w tabeli 2. Urządzenia marki Xiaomi (Mi 9T, Poco X3 NFC) oraz Realme GT zostały zaprojektowane w Chinach, a Samsung Galaxy S9+ pochodzi z Korei Południowej. W tabeli 3 wyszczególnione zostały systemy satelitarne wspierane przez poszczególne urządzenia według specyfikacji producenta.

Metodologia badań

W celu przeprowadzenia badań wyznaczono trzy trasy uwzględniające różne warunki terenowe. Na każdej trasie wykonano pomiary pieszo ze średnią prędkością 4,5 km/h. Przed przeprowadzeniem testów od telefonów zostały odłączone wszystkie akcesoria. Ponadto zostały one wyjęte z ochronnych etui, które często mają wbudowany magnes, wykorzystywany m.in. do uśpienia urządzenia lub zamknięcia kabury. Aby zapewnić jak najlepszą wiarygodność wyników, zadbano również o to, aby wszystkie urządzenia podczas pomiaru miały tę samą orientację. W tym celu smartfony ustawiono obok siebie i stabilnie zamontowano na kierownicy roweru na specjalnie przygotowanych uchwytach. Dane zbierano za pomocą aplikacji GNSS Logger, a następnie przetworzono z wykorzystaniem oprogramowania GNSS Analysis App (do generowania zestawień wyników i wykresów) oraz QGIS (do opracowania wizualizacji tras).

Scenariusze testowe

W pierwszym scenariuszu testowym trasa była w przybliżeniu kwadratem (rys. 1). Pomiary zrealizowano wokół Olivia Business Centre, w otoczeniu wysokich budynków i wieżowców, w tym obok Olivia Star – najwyższego budynku w Gdańsku, liczącego 180 m wysokości. Pomiary wykonywano w pogodny dzień. W drugim scenariuszu testowym trasa stanowiła w przybliżeniu linię prostą, gdzie z jednej strony znajdował się falowiec (trzeci najdłuższy budynek w Europie), a z drugiej, w nieco większej odległości od drogi, znajdowały się niższe zabudowania (rys. 2). Pomiary wykonywano w pogodny dzień. Trzeci scenariusz testowy obejmował prosty odcinek trasy na molo w Sopocie otoczony otwartym terenem (rys. 3). Niespodziewanie testy odbyły się w pochmurny i ulewny dzień.
 dotyczące wszystkich scenariuszy testowych zostały podsumowane w tabeli 4.

Wyniki badania

I scenariusz testowy

Jak pokazano na rys. 4, największą rozbieżność od trasy referencyjnej wykazał telefon Xiaomi Mi 9T. Jednakże ślady pozostałych modeli urządzeń również obarczone były znaczną niedokładnością. Podczas badania liczba obserwowanych satelitów była równa dla wszystkich modeli i wynosiła 46. Różnice pojawiły się przy liczbie satelitów monitorowanych – najwięcej przez Realme GT i Samsunga Galaxy S9+ (40 satelitów). Pozostałe urządzania monitorowały jedynie 26 satelitów. Informacje te zebrano w tabeli 5.

II scenariusz testowy

Przebyta trasa została najlepiej odwzorowana przez telefon marki Samsung (rys. 5). Wskazania innych urządzeń również nie odbiegały znacząco od trasy wzorcowej. Może to wynikać z kształtu trasy, gdyż nie występowały na niej liczne zakręty. Liczba obserwowanych przez urządzenia satelitów była odmienna: telefon Realme GT monitorował ich aż 44, natomiast Xiaomi Mi 9T jedynie 24, co przedstawiono w tabeli 6. Nie wpłynęło to jednak w znaczący sposób na precyzję pomiarów w tym środowisku. Warto zaznaczyć, że telefony marki Samsung oraz Realme zaobserwowały satelitę J194 z konstelacji QZSS, pomimo braku informacji od producenta koreańskiego o wsparciu dla tego systemu nawigacji satelitarnej. Co więcej, konstelacja QZSS w teorii obejmuje swoim zasięgiem Japonię oraz Australię i Oceanię. Mimo to sygnał z tego satelity został odebrany w centrum Europy w Gdańsku. W przypadku telefonu Realme GT satelita J194 nie tylko był obserwowany, ale też monitorowany (nadzwyczaj dobre warunki odbioru emitowanego sygnału).

III scenariusz testowy

Przedstawiony na rysunku 6 fragment trasy był linią prostą o długości około 255 m. Samo usytuowanie mola na otwartym akwenie oferuje unikalną perspektywę do przeprowadzenia kampanii pomiarowej. Brak przeszkód naturalnych oraz wytworzonych przez człowieka spowodował, iż wszystkie modele telefonów wykazały na tej trasie bardzo wysoką dokładność pomiarów. Liczba obserwowanych satelitów przez telefony marki Realme GT i Samsung wyniosła 46, a monitorowanych 44 (tab. 7). W przypadku telefonów Poco X3 oraz Xiaomi Mi 9T liczba obserwowanych satelitów była równa 48, natomiast pierwszy model monitorował 35 satelitów, a drugi 32. Dodatkowo jedno z urządzeń (Realme GT) zarejestrowało sygnał z japońskiego QZSS.

Podsumowanie

Wszystkie trasy pomiarowe charakteryzowały się różnymi kształtami oraz zróżnicowanym profilem terenu. Zgodnie z przewidywaniami najmniejsze odstępstwa od trasy wzorcowej wystąpiły na molo w Sopocie. Brak przeszkód terenowych, a także kształt trasy (który był prostym odcinkiem) spowodowały, że dokładność określania pozycji każdego smartfona była wysoka. Najmniejsza precyzja lokalizowania urządzeń mobilnych wystąpiła
w przypadku wykonywania manewru skrętu w otoczeniu wysokich budynków. Dynamiczna zmiana kierunku ruchu powodowała znaczne odstępstwa punktów pomiarowych od trasy referencyjnej.

Trudne warunki, w których użytkownicy oczekują dokładnego wyznaczenia położenia przez urządzenie mobilne, takie jak kaniony miejskie, są dużym wyzwaniem dla producentów smartfonów. Liczne odbicia sygnałów z satelitów GNSS od budynków wpływają negatywnie na precyzję określania pozycji. Podczas analizy danych z wykonanych pomiarów można jednoznacznie stwierdzić, że telefon Samsung Galaxy S9+ dawał w takich warunkach najkorzystniejsze rezultaty. Z kolei telefon Xiaomi Mi 9T zwykle rejestrował najniższe moce sygnałów pochodzących od satelitów GNSS, przez co trasy zawierające liczne zakręty znacząco odbiegały od trasy wzorcowej. Odcinki tras będących linią prostą w przypadku wszystkich telefonów pokrywały się z trasą odniesienia z zadowalającą dokładnością.

Istotnym aspektem, który warto podkreślić, są deklarowane przez producentów wspierane systemy GNSS. Pomimo braku informacji o obsługiwaniu konstelacji Galileo w specyfikacji telefonu Xiaomi Poco X3, telefon ten bez problemu odbierał sygnały z tych satelitów i brał je pod uwagę podczas wyznaczania pozycji. Podobna sytuacja została zaobserwowana w przypadku Samsunga Galaxy S9+ w odniesieniu do konstelacji QZSS.

Zatem który producent okazał się najlepszy? Jaki smartfon warto wybrać u operatora przy przedłużeniu umowy? Same koncerny często nie ujawniają szczegółowych danych dotyczących wbudowanych modułów, a co więcej w przeprowadzanym badaniu wykazano rozbieżność pomiędzy uzyskanymi pomiarami a specyfikacją techniczną telefonu. Wyniki przeprowadzonych testów mogą być punktem odniesienia dla innych analiz dokładności pozycjonowania urządzeń mobilnych. Przedstawione wnioski są istotne zarówno dla producentów sprzętu i oprogramowania, jak i użytkowników, którzy rozważają zakup nowego urządzenia.
***
Artykuł powstał w ramach projektu badawczego pt. „Dokładność pomiarów w systemach mobilnych i satelitarnych”, realizowanego na Wydziale Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej.

Przemysław Falkowski-Gilski przemyslaw.falkowski-gilski@pg.edu.pl
Joanna Piotrowska, Łukasz Potrykus, Jakub Olszewski, Daria Cygańska