Der Low-cost-GNSS-Empfänger in der Hosentasche

Globale Satellitennavigationsdienste (GNSS) sind heutzutage ein wesent­licher Bestandteil unseres täglichen Lebens. So verwenden unzählige Smartphone-Applikationen die vom Gerät mittels GNSS berechnete Position. Allerdings ist diese geräteinterne Smartphone-Positionierung eine „Black-Box-Lösung“, die nur die Koordinaten des Gerätes ausgibt und den Nutzer:innen keinerlei Möglichkeit gibt, die Berechnung zu beeinflussen. Daher kann die Veröffentlichung von Android 7 im Jahr 2016 als Meilenstein für die GNSS-Community gesehen werden. Seit diesem Update ist es möglich, auch auf die GNSS-Messungen von Android-Smartphones zuzugreifen, was Android-Nut­zer:innen vollkommen neue Möglichkeiten eröffnet. So bietet der direkte Zugriff auf die GNSS-Messungen von Android-Smartphones ein breites Forschungsfeld und hat zu einer Vielzahl von Untersuchungen geführt - zum Beispiel kann die Smartphone-Position mit eigenen Korrekturdaten und Algorithmen berechnet werden. So kann die Genauigkeit im Vergleich zur geräteinternen Koordinatenlösung verbessert werden, und insbesondere Precise Point Positioning hat sich hierfür als ausgezeichneter Ansatz erwiesen. Andererseits ist es auch möglich, die GNSS-Messungen von Android-Nutzer:innen mittels Crowdsourcing zur Untersuchung der Atmosphäre zu sammeln (CAMALIOT Projekt der ETH Zürich). 

Was kann mein Smartphone?

Typischerweise haben aktuelle Smartphone-Modelle dank moderner Hardware und Software bessere GNSS-Fähigkeiten als ältere Geräte, die nur auf Ein-Frequenz-Signale von GPS ausgelegt sind. Im Gegensatz dazu empfängt ein modernes Smartphone im besten Fall Signale von allen vier GNSS (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou) und das sogar auf zwei Frequenzen (L1- und L5-Frequenzband). Darüber hinaus erlaubt das Smartphone im Idealfall auch den Zugriff auf die Phasenmessung. Allerdings erfüllen selbst ganz aktuelle Smartphone-Modelle nicht unbedingt alle diese Eigenschaften und so ist es, etwa bei einem Neukauf, gar nicht so leicht, das ideale Gerät im Hinblick auf dessen GNSS-Fähigkeiten zu finden. Manche Smartphones liefern keine Zwei-Frequenz-Messungen oder der Zugriff auf die Phasenmessung ist blockiert, selbst wenn ein geeigneter Chip verbaut ist. Ein Grund dafür können Software-Restriktionen sein. Andererseits gibt es auch länderspezifische Unterschiede. Zum Beispiel empfängt ein Google Pixel 8, gekauft in den USA, keine BeiDou-Signale, ein „österreichisches“ Pixel 8 aber schon. Mit der Applikation GPSTest von Sean Barbeau kann jede/r überprüfen, welche GNSS-Fähigkeiten das eigene Smartphone hat. Außerdem bietet die zugehörige Datenbank (https://bit.ly/gpstest-device-database) einen allgemeinen Überblick über alle Smartphone-Modelle.  

Generell ermöglicht Android den Zugriff auf die Messungen des GNSS-Chips in Form von Zeitstempeln der empfangenen Signale. Daher müssen die üblichen GNSS-Beobachtungen (Code, Phase, Doppler-Verschiebung) erst aus diesen Zeitstempeln generiert werden. Glücklicherweise existieren verschiedene Applikationen, die diese Aufgabe übernehmen und RINEX-Files zur Weiterverarbeitung erzeugen (z. B. Google GnssLogger, CAMALIOT, Geo++ RINEX Logger). Allerdings ist die Generierung der Code-Pseudorange ein wenig kompliziert und wird nicht von allen Applikationen korrekt durchgeführt. Daher sollten die auf diese Weise erzeugten RINEX-Files vor der Weiterverarbeitung sorgfältig geprüft oder Software verwendet werden, die die Smartphone-Messungen in Form der Zeitstempel verarbeiten kann.   

Herausforderungen

Zur erfolgversprechenden Verwendung der GNSS-Messungen von Smartphones müssen ­einige Herausforderungen bewältigt werden. Der Grund dafür ist, dass Smartphones mit einfacher und kostengünstiger GNSS-Hardware ausgestattet sind. Dementsprechend sind die GNSS-Messungen von deutlich niedrigerer Qualität und weisen andere Charakteristiken auf, als wir es von geodätischen Empfängern und Antennen kennen. Außerdem gibt es gewisse Eigenheiten wie zum Beispiel „Duty Cycling“. Android-Smartphones aktivieren und deaktivieren normalerweise die GNSS-Hardware in kurzen Abständen, um die Akkulaufzeit des Smartphones zu erhöhen. Durch dieses Verhalten können GNSS-Signale nicht kontinuierlich getrackt werden und es treten etwa Sprünge in der Code-Beobachtung auf. Erfreulicherweise kann Duty Cycling in den aktuellsten Android-Versionen deaktiviert werden. 

Smartphones liefern üblicherweise GNSS-­Messungen mit einer zeitlichen Auflösung von einer Sekunde und die Carrier-to-Noise Density (C/N0, Maß für die Signalstärke) ist typischerweise um 10 dBHz geringer und variiert stärker (Abbildung 2) als bei hochwertigen GNSS-Geräten. Weiters ist das Messrauschen der Code- und Phasenmessung bei Smartphones um einen Faktor 10-100 höher. Darüber ­hinaus treten regelmäßige Ausreißer und Multipath-Effekte in den GNSS-Messungen von Smartphones auf und müssen mit geeigneten Algorithmen detektiert werden. Typischerweise gibt es im Gegensatz zu geodätischen GNSS-Geräten bei Smartphones keine Korrelation zwischen der Genauigkeit der GNSS-Messung und dem Elevationswinkel des Satelliten. Diese Eigenschaften müssen bei der Verwendung von Smartphone-GNSS-Daten berücksichtigt werden. 

Smartphone PPP

Precise Point Positioning (PPP) ist eine innovative Positio­nierungsmethode und hat sich aufgrund ihrer Eigenschaften als hervorragende Technik für die genaue Positionierung von Smartphones erwiesen. Bei PPP werden präzise Satellitenbahnen, -uhren und -biases mit komplexen Modellen und Algorithmen zur Schätzung der Nutzer:innen-Position kombiniert. Im Gegensatz zu relativen Verfahren werden keine nahegelegenen Referenzstationen benötigt. Darüber hinaus kann PPP aufgrund großer Flexibilität sehr gut mit GNSS-Beobachtungen geringer Qualität umgehen. Das größte Manko von PPP ist üblicherweise die Konvergenzzeit, also die Zeitdauer, bis der gewünschte Genauigkeitsbereich erreicht ist. 

Seit Jänner 2023 überträgt der Galileo High Accuracy Service (HAS) kostenfreie PPP-Korrekturdaten für GPS und Galileo über das Satellitensignal auf der E6 Frequenz und das Internet. Dieser Service ermöglicht, abhängig von der Qualität des GNSS-Empfängers und der Positionierungsalgorithmen, Genauigkeiten im Bereich weniger Dezimeter und eignet sich daher ausgezeichnet für Smartphones. Abbildung 3 zeigt die echtzeittauglichen PPP-Ergebnisse für ein Google Pixel 7 Pro, die mit dem Galileo HAS und der Open-Source-Software der TU Wien „raPPPid“ (https://github.com/TUW-VieVS/raPPPid) erzielt wurden. Unter guten Bedingungen können mit Smartphones nach einer Konvergenzzeit von rund zwei Minuten ­Lagegenauigkeiten im Dezimeter-Bereich erreicht werden. Nach einer längerer Konvergenzzeit von bis zu 8 Minuten erzielt auch die 3D-Position Sub-Meter-Genauigkeit. 

Basierend auf diesen Ergebnissen wird im Rahmen einer Zusammenarbeit und des Forschungsprojektes APPP (Advanced Precise Point Positioning for mass market GNSS ­receivers) gemeinsam mit Upstream Mobility und den Wiener Netzen/EPOSA eine Android-Applikation entwickelt. Diese ­Applikation führt die PPP-Berechnungen direkt am Smartphone durch (Abbildung 4) und soll den Nutzer:innen auf diese Weise eine dezimetergenaue Positionierung mit dem Smartphone ermöglichen. Weiterführende Forschungsarbei­ten für eine genaue und stabile Positionslösung auch in kinematischen Anwendungsfällen sind in Planung. Dafür sollen unter anderem zusätzliche Smartphone-Sensoren (z. B. Be­schleunigungsmesser) in das Positionierungs-Modell aufgenommen werden.

Marcus Franz Wareyka-Glaner, Höhere Geodäsie, Department für Geodäsie und Geoinformation, Technische Universität Wien, Wien, Österreich
Christian Klug, Gottfried Thaler, Wiener Netze GmbH, Wien, Österreich

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