alsperGIS



Smartphone GNSS doppia frequenza


Questa pagina contiene appunti e annotazioni prese dal web giusto per avere un'idea della situazione. Potrebbe contenere errori.


(1 Febbraio 2019)


Alla fine del 2018 è arrivato il primo smartphone dedicato al mercato di massa con la capacità di ricevere i segnali di posizionamento satellitare (GNSS = Global Navigation Satellite System) su due frequenze. Mentre i comuni dispositivi economici (< 1000 euro) ricevono solo i segnali GPS (L1), GLONASS (G1) e GALILEO (E1) con frequenza tra 1559 e 1610 MHz, i nuovi dispositivi possono ricevere anche segnali con frequenza più bassa (1164-1189 MHz); questa banda di frequenza più bassa è usata dai sistemi GPS (L5) e GALILEO (E5a).
(>> https://gssc.esa.int/navipedia/index.php/GNSS_signal)
(I sistemi professionali usano già da tempo la doppia frequenza sfruttando invece segnali > 1200 MHz)


Il primo smartphone con ricezione GNSS in doppia frequenza è stato il cinese Xiaomi Mi 8 che come chip principale ha uno Snapdragon 845 Qualcomm SDM845 ma per la ricezione GNSS usa un Broadcom BCM47755.

Al momento (gennaio 2019) gli smartphones con tale caratteristica dovrebbero essere 5 o 6, tutti cinesi:

MARCA MODELLO DISPLAY Prezzo euro Chip x GNSS
Xiaomi Mi 8 6,21
(1080x2248)		 400 (mediaworld)
600 (trony)
Broadcom BCM47755
Xiaomi Mi Mix 3 6,39
(1080x2340)		 500-600 (indicativo)
 Broadcom BCM47755 ?
Huawei Mate 20 6,53
(1080x2240)		 800 (mediawolrd)
550 (unieuro)
 Kirin 980 ?
Huawei Mate 20 Pro 6,39
(1440x3120)		 1100 (mediaworld)
1030 (unieuro)
Kirin 980 ?
Honor View 20 6,4
(1080x2310)		 700 (mediaworld)
630 (unieuro)
 Kirin 980 ?
Honor Magic 2 6,39
(1080x2340)		 600-700 (indicativo)
 Kirin 980 ?
(prezzi aggiornati al 13-02-2019)

Inoltre è stato annunciato il chip Qualcomm Snapdragon 855 che dovrebbe ricevere in doppia frequenza (https://insidegnss.com/qualcomm-launches-snapdragon-855-with-dual-frequency-gnss-and-5g/); si aspetta di capire quali saranno gli smartphones con tale chip (i possibili candidati sono: Samsung Galaxy S10,  Redmi Note 7, Lenovo Z5 Pro GT, Sony Xperia XZ4, Vivo Apex 2019, Xiaomi Mi 9, ZTE Axon 10 Pro, ..).

Sean Barbeau, per verificare la ricezione dei segnali GNSS, ha sviluppato l'app GPSTest per Android che mostra la lista di satelliti connessi ed i relativi dati tra cui la Carrier Frequency (CF) cioè la frequenza di trasmissione (L1, L5, E1, E5 ...). Nella pagina https://medium.com/@sjbarbeau/dual-frequency-gnss-on-android-devices-152b8826e1c vengono discussi alcuni dispositivi: gli unici in cui compare il valore CF sono i modelli Xiaomi Mi 8 e Mi Mix 3.



   Accuratezza

Il sito https://www.notebookcheck.net/ presenta recensioni di vari modelli di smarthpone nelle quali il posizionamento GNSS viene spesso confrontato con un dispositivo Garmin Edge. Esempi:
https://www.notebookcheck.net/Xiaomi-Mi-8-Explorer-Edition-Smartphone-Review.336456.0.html: Xiaomi Mi 8 Explore vs Garmin Edge 520 (29 Settembre 2018): l'accuratezza del Mi 8 è peggio
https://www.notebookcheck.net/Huawei-Mate-20-Pro-Smartphone-Review.338680.0.html: Huawei Mate 20 Pro vs Garmin Edge 500 (17 Ottobre 2018): l'accuratezza del Mate 20 sembre leggermente meglio ma gli esempi sono in zone aperte su percorsi quasi diritti.
https://www.notebookcheck.net/Xiaomi-Mi-Mix-3-Smartphone-Review.372371.0.html: Xiaomi Mi Mix 3 vs Garmin Edge 500 (1 Dicembre 2018): l'accuratezza del Mi Mix 3 sembra leggermente meglio.
https://www.notebookcheck.net/Huawei-Mate-20-X-Smartphone-Review.393021.0.html: Huawei Mate 20 X vs Garmin Edge 500 (10 Gennaio 2019): l'accuratezza del Mate X sembre leggermente meglio.
Huawei Mate 20 sembrerebbe lo smartphone migliore, tuttavia si tratta di confronti approssimativi non determinanti.


Test più rigorosi sono:

https://www.nsl.eu.com/nsl-jcms/about-nsl/nsl-blog/15-products-and-services/55-xiaomi-mi8: dispositivo professionale Septentrio PolaRex5e vs Xiaomi Mi 8 vs Samsung S8 (6 Luglio 2018): il Mi 8 sembra molto meglio del Samsung S8 in condizioni stazionarie ma non viene specificato l'ambiente del test.
https://www.nsl.eu.com/nsl-jcms/about-nsl/nsl-blog/15-products-and-services/56-xiaomi-mi8-2: data quality from Xiaomi Mi 8 (31 Luglio 2018).

e soprattutto:

https://www.mdpi.com/2079-9292/8/1/91/htm: (31 Ottobre 2018) Tre ricercatori italiani (Umberto Robustelli, Valerio Baiocchi, Giovanni Pugliano) hanno analizzato i dati di posizionamento ottenuti da uno smartphone Xiaomi Mi 8 in due siti con bassa ed alta presenza di multipaph. Le misurazioni sono state fatte rispettivamente il 3 ed il 12 ottobre 2018.
In entrambi i sito lo smartphone è rimasto fermo 1 ora per acquisire dati GNSS; usando l’app rinexOn (https://www.flamingognss.com/rinexon) i dati grezzi sono stati salvati in formato RINEX 3.0.3. Tali dati sono stati quindi elaborati con RTKlib (http://www.rtklib.com/) e Matlab (viene detto che RTKlib non lavora su frequenza E5a: da verificare con le versioni più aggiornate).
(Strumento di riferimento: ricevitore geodetico TOPCON GRS-1 + antenna TOPCON PG-A1.)
Figura 6 (https://res.mdpi.com/electronics/electronics-08-00091/article_deploy/html/images/electronics-08-00091-g006.png): sfruttando più costellazioni (GPS+GLONAS+GALILEO) l’errore è ovviamente minore che con solo GPS, comunque, usando la sola banda di frequenze L1/E1, rimane nell’ordine di 10 m dove i segnali riflessi sono pochi e 20 m dove  il multipath è elevato.
Figura 5 (https://res.mdpi.com/electronics/electronics-08-00091/article_deploy/html/images/electronics-08-00091-g005.png): l’errore di multipath per la banda di frequenze L1/E1 è minore per i satelliti Galileo rispetto a GPS in entrambi i siti (personalmente ho il dubbio che possa dipendere dalla diversa posizione dei satelliti; per verificare che sia una differenza sistematica servirebbero più prove).
Figura 8 (https://res.mdpi.com/electronics/electronics-08-00091/article_deploy/html/images/electronics-08-00091-g008.png):  l’errore di multipath per la banda di frequenze L5/E5 è minore rispetto alla banda L1/E1.
Figura 9 (https://res.mdpi.com/electronics/electronics-08-00091/article_deploy/html/images/electronics-08-00091-g009.png): l’errore di posizionamento ottenuto dai soli satelliti Galileo con la banda E5a è minore rispetto alla banda E1 ma rimane comunque intorno ai 5 m dove il multipath è scarso (nel sito con multipath elevato non è stato fatto il calcolo a causa della scarsità di satelliti Galileo).
Secondo i ricercatori la qualità ovviamente migliore del sistema di rilevamento professionale usato per la comparazione è dovuto soprattutto all’antenna.




Altre pagine interessanti:

https://www.gpsworld.com/accuracy-in-the-palm-of-your-hand/: (2015) alcuni ricercatori dell'università texana di Austin hanno fatto esperimenti con uno smartphone Samsung per analizzare gli errori nel posizionamento GNSS e migliorarne l'accuratezza. Il punto debole degli smartphone sta nell'antenna, infatti la causa principale di errore è il multipath (dovuto alla presenza di segnali riflessi) che nelle antenne professionali (geodetiche) viene annullato da accorgimenti tecnici mantre nelle antenne integrate negli smartphone si fa sentire pienamente. La probabilità di ottenere una misurazione corretta aumenta se si aspetta del tempo; il tempo necessario a raggiungere una buona probabilità (TAR: Time to Ambiguity Resolution) varia da alcuni secondi per le antenne professionali a centinaia di secondi (cioè minuti) per le antenne degli smartphone. Secondo i ricercatori si può diminure il tempo necessario ad una buona acquisizione semplicemente muovendo casualmente lo smartphone: "autocorrelation time of the phase residuals decreases from hundreds of seconds when the antenna is static to less than a second when the antenna is moved even slowly (a few centimeters per second)".
Da qui era partita la startup Radiosense per creare soluzioni low-cost con precisione centimetrica ma non trovo informazioni al riguardo ed il sito www.radiosense.com sembra attualmente inesistente.

https://www.flamingognss.com/
FLAMINGO (Fulfilling enhanced location accuracy in the mass-market through Initial Galileo Services) è un progetto per sviluppare un sistema di rilevamento ad alta precisione (50 cm) a basso costo (smartphone) sfruttando in particolare i satelliti Galileo.




SOFTWARE

App x smartphone (serve Android 7 o superiore ed un dispositivo compatibile, https://developer.android.com/guide/topics/sensors/gnss#supported_devices):

GPSTest: app open-source per verificare i satelliti agganciati; per ogni satellite è indicata anche la frequenza (CF: Carrier Frequency; L1, L5, E1, E5,…).
https://github.com/barbeau/gpstest
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.android.gpstest&hl=it
https://medium.com/@sjbarbeau/dual-frequency-gnss-on-android-devices-152b8826e1c

GNSS Compare: app open-source per confrontare le prestazioni di GPS e Galileo (o l’uso di entrambe).
https://gnss-compare.readthedocs.io/en/latest/
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.galfins.gnss_compare
https://galileognss.eu/gnss-compare-app/

rinex ON: app per registrare i dati grezzi in formato RINEX, supporta anche la doppia frequenza (L1/E1 + L5/E5) ed i segnali da satelliti Beidou.
https://www.flamingognss.com/rinexon
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.eu.nsl.rinexON

Geo++ RINEX Logger: altra app per registrare dati GNSS grezzi in formato RINEX.
http://www.geopp.de/logging-of-gnss-raw-data-on-android/
https://play.google.com/store/apps/details?id=de.geopp.rinexlogger

GPSLogger: app per registrare le coordinate GNSS ad intervalli prefissati di tempo, pensata per lavorare in background con basso consumo di batteria; salva anche in formato NMEA.
https://gpslogger.app/
https://play.google.com/store/apps/details?id=com.mendhak.gpslogger

Qfield: app di GIS da usare in combinazione con QGIS (su PC)
https://www.qfield.org/
https://play.google.com/store/apps/details?id=ch.opengis.qfield&hl=it



Applicazioni per PC:

RTKLIB: applicazione open-souce per elaborare i dati GNSS grezzi
http://www.rtklib.com/
https://rtklibexplorer.wordpress.com/

QGIS: applicazione GIS open-source
https://www.qgis.org/it/site/
(>> QGIS su questo sito)


Febbraio 2019
Alessandro Perego