Actualmente, la mayoría de las personas que observamos en la calle, en el supermercado, en el cine, e incluso en un salón de clases llevan en su mano un teléfono inteligente, o como comúnmente los conocemos: un celular. Desde mirar un capítulo de nuestra serie favorita en Netflix hasta consultar nuestro estado de cuenta bancario, son unas de “las miles” de aplicaciones que podemos hacer con nuestro celular. Sin duda, tener un teléfono inteligente en nuestras manos nos facilita realizar ciertas actividades relacionadas con la navegación. Desplazarte de un punto a otro en una ciudad en la cual nunca has estado es tan fácil, basta con abrir una aplicación y colocar la dirección de tu destino, el resto lo hace el GPS. Cuando ordenamos un café americano intenso de nuestra cafetería favorita a través de una aplicación de reparto, podemos seguir la trayectoria del café, desde que sale de la sucursal hasta estar a unos cuantos metros de tu posición, y claro, esto también es gracias al GPS. Entonces, se preguntarán, cuál fue el primer teléfono inteligente en traer esta maravillosa tecnología GPS?. En 1999, el fabricante de teléfonos móviles Benefon Esc! lanzó comercialmente el primer teléfono con GPS disponible en el mundo, el cual permitía obtener posicionamiento con un error mayor a los 100 metros o incluso más y el usuario solamente podía visualizar las coordenadas, es decir, no tenía acceso a las observables. En la Figura 1 se ilustra el teléfono móvil Benefon Esc. La mala precisión alcanzada por el Benefon Esc! era debido a la disponibilidad selectiva que consistía en la reducción de precisión en el sistema, sin embargo, el 2 de mayo de 2000 fue eliminada por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos, y la precisión aumentó diez veces más para el uso civil. Posterior a la eliminación de la disponibilidad selectiva, la precisión aumentó significativamente y las aplicaciones de uso civil se beneficiaron. El desarrollo de los teléfonos aumentó y cada vez era mayor el número de celulares con GPS en el mundo. Las mediciones GPS realizadas por los celulares no estaban disponibles para el usuario, y solamente se mostraban las coordenadas en la pantalla. Además, no se tenía conocimiento a qué observables o sistema GNSS era compatible el teléfono. Todo cambió en mayo de 2016, cuando la empresa Google anunció que las observables GNSS estarían disponibles para las aplicaciones en el sistema operativo Android, por lo tanto, generar un archivo RINEX desde un teléfono inteligente era posible.
Posterior al anuncio de Google, la comunidad científica empezó a evaluar la calidad de las observaciones GNSS adquiridas por los teléfonos inteligentes. Diversos estudios demostraron que la calidad de la antena y el ciclo de trabajo degradaban la precisión a un nivel de hasta 20 metros. La antena embebida en los teléfonos inteligentes está polarizada linealmente y no tiene la capacidad de identificar cuando una señal recibida está contaminada por multipath. Además, el ciclo de trabajo se refiere al consumo de energía, donde el receptor rastrea los datos GNSS durante 200 ms antes de apagarse durante 800 ms, lo que genera varios saltos de ciclo entre dos mediciones consecutivas.
Los chips GNSS integrados en los teléfonos inteligentes desde 1999 tenían la capacidad de rastrear solamente una frecuencia y en algunos casos eran múltiples constelaciones, pero la frecuencia única limitaba el rendimiento en posicionamiento porque el error ionosférico no se podía mitigar con alta precisión. Sin embargo, el 31 de mayo de 2018, la empresa Xiaomi lanzó el primer teléfono inteligente con un Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS, por sus siglas en inglés) de doble frecuencia del mundo: El Xiaomi Mi 8. Este modelo de teléfono inteligente anunció la era de las capacidades de medición GNSS de teléfonos inteligentes de alta precisión. El Xiaomi Mi 8 tiene incorporado el chip Broadcom BCM47755, el cual permite medir código, fase portadora, desplazamiento Doppler y relación señal-ruido (SNR, por sus siglas en inglés) de 5 sistemas globales de navegación por satélite simultáneamente, a decir, GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou y QZSS. Posterior al lanzamiento, una cantidad enorme de estudios se llevaron a cabo para evaluar el rendimiento de este modelo de teléfono en diferentes aplicaciones de la navegación y recientemente, en el posicionamiento preciso.
El Broadcom BCM47755 puede rastrear simultáneamente las señales L1/L5 del GPS, E1/E5a de Galileo, G1 de GLONASS, B1 de BeiDou y L1/L5 de QZSS. Es decir, tiene la capacidad de rastrear observables de doble frecuencia de 3 constelaciones GNSS, donde 2 son de cobertura mundial (GPS y Galileo) mientras una de cobertura regional (QZSS). Es bien conocido que las observaciones de doble frecuencia tienen un mejor rendimiento en el posicionamiento al utilizar combinaciones de frecuencias para mitigar algunas fuentes de error, como es el caso de la ionosfera. Posteriormente, en mayo del 2020, la empresa Broadcom lanza un nuevo chip GNSS llamado BCM47765, quien ofrece la capacidad de utilizar la mayor cantidad de señales L5, además, incluye la reciente tercera generación de señales BeiDou, denominada B2a. En general, el BCM47765 admite simultáneamente GPS, GLONASS, NAVIC, BeiDou, Galileo, SBAS y QZSS en las bandas de frecuencias L1/B1/E1 y L5/E5a/B2a, es decir, este chip GNSS es compatible ahora con mediciones de doble frecuencia para BeiDou. Además, otros fabricantes de chip GNSS también han desarrollado chip de doble frecuencia como Qualcomm, Samsung, Allystar, HiSilicon y Sony. Una característica importante en la calidad de los chips GNSS es la capacidad de medir la fase portadora, ya que el posicionamiento es aproximadamente 100 veces más preciso con mediciones de pseudodistancia de fase portadora que de código. La mayoría de los chips GNSS embebidos en los celulares inteligentes no miden la fase portadora. Por lo tanto, conocer cuales chips GNSS y teléfonos inteligentes tienen la capacidad de registrar fase portadora fue una necesidad para la comunidad científica. En la actualidad, existen cientos de modelos de teléfonos inteligentes en el mercado que son capaces de registrar observaciones GNSS. El Dr. Sean Barbeau investigador de la Universidad del Sur de Florida creó una lista donde se encuentran los modelos de celular y el chip GNSS que contiene. También, el Dr. Barbeau es el desarrollador principal de la App GPSTest. Esta App es una aplicación de prueba GNSS de código abierto que proporciona datos de posicionamiento como las frecuencias y constelaciones GNSS disponibles en tu celular. Se puede descargar en Play Store para Android. Algo que debo resaltar, es que los modelos de teléfonos inteligentes de iPhone no han sido considerados por los investigadores para evaluar esta tecnología GNSS, debido posiblemente a que no cuentan con chip GNSS de doble frecuencia, la delantera en esta carrera, la llevan los teléfonos con sistema operativo Android.
Tal como lo mencioné anteriormente, registrar mediciones de fase portadora es fundamental para alcanzar altas precisiones en el posicionamiento GNSS. Pero cómo sé si mi teléfono inteligente registra fase? La mejor manera de saberlo es revisando el archivo RINEX de alguna medición que realizaste con tu teléfono inteligente. Para esto, es necesario descargar la App Geo++ Rinex Logger (mi favorita) que permite generar un archivo RINEX para posteriormente ser analizado o procesado. En la Figura 2 siguiente se ilustra la cabecera de un archivo RINEX en formato 3.04 correspondiente a una medición con el teléfono inteligente Xiaomi Mi 8 y generado por la App Geo++ Rinex Logger, tal como se indica en los cuadros rojos. También, en la Figura 3 se ilustra el fragmento de un RINEX que contiene las observables de código, fase, Doppler y SNR para 26 satélites GNSS disponibles en una época de medición.
A continuación, en la Figura 4 y Figura 5 les dejo una lista con las aplicaciones Android que registran mediciones GNSS más utilizadas por la comunidad científica y los modelos de los chips GNSS más conocidos, respectivamente:
Si les interesa saber más acerca de las aplicaciones que registran mediciones GNSS los invito a leer los artículos https://doi.org/10.1080/03772063.2022.2164369 y https://doi.org/10.1186/s43020-021-00054-y.
¿Y en México?
Posterior al lanzamiento del teléfono inteligente Xiaomi Mi 8 en mayo del 2018, en la comunidad científica en la región de Europa se desarrollaron la mayoría de los estudios enfocados principalmente en la calidad de las observables, el procesamiento de los datos y los modelos de observación. Es decir, se evaluaron las observaciones GNSS de los teléfonos inteligentes para aplicaciones como el cálculo del contenido total de electrones (TEC, por sus siglas en ingles), reflectometría GNSS, monitoreo de la troposfera, etc. Y se preguntarán, y en México cómo es el rendimiento de estos teléfonos inteligente con chips dual GNSS?
En México están disponibles todas las constelaciones GNSS globales, a decir, GPS, GLONNAS, Galileo y BeiDou. Para el chip GNSS dual embebido en el Xiaomi Mi 8 están disponibles 100 satélites durante una observación de 24 hrs. En la Figura 6 se ilustra la interfaz de la aplicación GPSTest en el Xiaomi Mi 8 donde se observan los satélites y frecuencias disponibles en el chip BCM47755.
Sin embargo, el modelo del chip GNSS (BCM47755) del teléfono inteligente Xiaomi Mi 8 tiene más de 6 años desde su lanzamiento, por lo cual, no es compatible con las nuevas señales GNSS. Entonces, una nueva serie de teléfonos inteligentes fue lanzada a inicios de este año, es decir, la serie S24 de Samsung. Estos modelos traen embebido un chip GNSS con una mayor compatibilidad a señales GNSS que el Xiaomi Mi 8. En febrero del 2024, estuvo disponible a la venta el teléfono inteligente Samsung Galaxy S24 Ultra quien cuenta con un chip Qualcomm GNSS GEN9 que es compatible con las señales GPS/GLONASS/Galileo/BeiDou B1, B1C, B2a, E1, E5a, L1, L5, EGNOS. Es decir, a diferencia del Xiaomi Mi 8, es compatible con dos señales más de la constelación BeiDou de China: B1 y B2a. La señal B1C es transmitida por los satélites de Órbita Terrestre Media (MEO, por sus siglas en inglés) y los satélites de Órbita Geosincrónica Inclinada (IGSO, por sus siglas en inglés) del bloque BDS-3 (BeiDou-ICD,2017). Mientras, la señal B1 se transmite por los satélites de los bloques BDS-2 y BDS-3 (BeiDou-ICD, 2019). Por otro lado, la señal B2a se transmite en los satélites del bloque BDS-3. La señal B2a reemplazó a la antigua B2I que se transmiten en los satélites del bloque BDS-2 (BeiDou-ICD, 2017). También, el Galaxy S24 es compatible con los sistemas de aumento basados en satélites (SBAS, por sus siglas en inglés), y debido a nuestra ubicación geográfica tenemos disponible los satélites de órbita geoestacionaria pertenecientes al Sistema de Aumento de Zona Amplia (WAAS, por sus siglas en inglés). En las Figuras 7 y 8 se observan los estados de los satélites y frecuencias compatibles con el Galaxy S24 Ultra para México (Noroeste, Sinaloa) en la aplicación GPSTest. Por otro lado, en la Figura 9 se observa el número de satélites disponibles para el registro de observables en la aplicación Geo++ RINEX Logger para el teléfono inteligente Galaxy S24 Ultra.
Ahora, hablemos del posicionamiento GNSS con estos teléfonos inteligentes. En primer lugar, debemos recordar que la fase portadora no es continua en la mayoría de estos teléfonos inteligentes con chip GNSS dual (menos el Xiaomi mi 8) debido al modelo de ciclo de trabajo. En segundo lugar, las limitaciones del hardware de bajo costo, las antenas integradas presentan una alta susceptibilidad a la polarización lineal y por defecto al multipath. Y finalmente, debido al alto ruido de observación y los graves errores de multipath conducen a una baja correlación entre la relación de densidad de portadora a ruido (C/N0, por sus siglas en inglés) y la elevación del satélite correspondiente. En resumen, el ruido de las observaciones GNSS en teléfonos inteligentes es diferente al de los receptores GNSS de grado geodésico. Entonces, para obtener posicionamiento preciso con un teléfono inteligente debemos establecer un modelo estocástico diferente al de las observaciones de un receptor geodésico. Comúnmente, para las observaciones GNSS de receptores geodésicos se emplea la estrategia de ponderación dependiente de la elevación y dependiente de C/N0. Sin embargo, esta estrategia no es la adecuada para los teléfonos inteligentes debido a los impactos de los efectos del multipath, la baja correlación entre la elevación de los satélites y los valores de C/N0.
Además, es importante establecer una máscara C/N0 durante el procesamiento para no considerar las observaciones débiles con valores menores a 20 dBHz, que se interpretan como observaciones ruidosas que alteran los resultados del procesamiento. También, es fundamental conocer el centro de fase de la antena embebida en el teléfono inteligente, ya que esto nos ayudará a alcanzar una mejor precisión. A continuación, les muestro un caso de estudio publicado en la revista Earth Science Informatics (https://doi.org/10.1007/s12145-023-01148-8) donde evaluamos el rendimiento del teléfono inteligente Xiaomi Mi 8 en el posicionamiento. La Figura 10 ilustra la estrategia de instrumentación del teléfono sobre un monumento de centrado forzoso con coordenadas conocidas.
El Xiaomi se centró y niveló con ayuda de una base nivelante. Una vez localizado el centro de fase del teléfono se marcó el punto de referencia de la antena (ARP, por sus siglas en inglés) y se restó la altura entre el ARP y el punto de referencia de centrado (CRP, por sus siglas en inglés) para referenciar las coordenadas al CRP. De esta manera, las coordenadas obtenidas con el Xiaomi están referenciadas al mismo punto de referencia con coordenadas conocidas, lo cual servirá para evaluar el rendimiento en posicionamiento. Realizamos observaciones por más de 2 horas a todas las constelaciones disponibles (GPS, GLONASS, Galileo, BeiDou), sin embargo, en el procesamiento solamente consideramos las observaciones de dobles frecuencia (GPS y Galileo). Se utilizó una estación de referencia cercana al teléfono (menos de 50 metros) que registró las mismas observaciones que el Xiaomi Mi 8, posteriormente, se procesaron las observables utilizando el modo relativo cinemático con ayuda del software RTKLib. Las coordenadas de salida del proceso fueron XYZ (ECEF) y estas fueron transformadas a ENU (sistema de coordenadas topocéntricas) para evaluar el rendimiento en posicionamiento, considerando las coordenadas de referencia como origen. Como indicador de precisión se utilizó el error cuadrático medio (RMSE, por sus siglas en inglés). Tomando como referencia las coordenadas conocidas en el monumento de centrado forzoso, se alcanzaron valores de RMSE de 0.7 cm, 1.2 cm y 4.2 cm, para las componentes Este, Norte y Vertical, respectivamente. Es decir, se obtuvo posicionamiento GNSS en el orden de los centímetros.
Ahora, es posible obtener posicionamiento preciso utilizando mediciones GNSS desde un teléfono inteligente con un grado de precisión centimétrico. Y si tienen interés de adquirir un teléfono inteligente con capacidad de registrar observaciones GNSS, recuerden considerar lo siguiente:
El resto dependerá de la estrategia de medición, del centrado y el modelo estocástico establecido para el procesamiento.
Sin duda, cada año, nuevos teléfonos son lanzados al mercado con características especiales que van desde una cámara da alta calidad hasta con una IA avanzada. Lamentablemente, la reciente serie de teléfonos S24 de Samsung no tienen la capacidad de registrar la fase portadora, lo que los hace menos precisos en el posicionamiento. Sin embargo, estoy seguro de que en los próximos años la compañía surcoreana lanzará un teléfono con la capacidad de registrar la fase portadora, y posiblemente, con una tasa de adquisición mayor al segundo, lo que abrirá una nueva era en las mediciones GNSS con dispositivos de bajo costo. Además, la carrera en liderar el mercado de la navegación con dispositivos inteligentes estará entre Samsung o Xiaomi. Si les interesa saber más acerca de lo que se puede hacer con las observaciones GNSS adquiridas desde teléfonos inteligentes, los invito a leer los siguientes artículos científicos publicados en revistas científicas de alto impacto, es decir, lectura científica de confianza: https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-024-00146-5, https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-021-00054-y, https://satellite-navigation.springeropen.com/articles/10.1186/s43020-021-00042-2.
Referencias
https://www.csno-tarc.cn/en/system/constellation
(BeiDou-ICD, 2017)BeiDou Navigation Satellite System Signal In Space Interface Control Document. Open Service Signal B1C (Version 1.0). China Satellite Navigation Office, December 2017
(BeiDou-ICD, 2019) BeiDou Navigation Satellite System Signal In Space Interface Control Document Open Service Signal B1I (Version 3.0). China Satellite Navigation Office, February 2019
(BeiDou-ICD, 2017) BeiDou Navigation Satellite System Signal In Space Interface Control Document. Open Service Signal B2a (Version 1.0). China Satellite Navigation Office, December 2017
Morton, Y. J., van Diggelen, F., Spilker Jr, J. J., Parkinson, B. W., Lo, S., & Gao, G. (Eds.). (2021). Position, navigation, and timing technologies in the 21st century: Integrated satellite navigation, sensor systems, and civil applications, volume 1. John Wiley & Sons.
Vazquez-Ontiveros, J. R., Martinez-Felix, C. A., Melgarejo-Morales, A., Retegui-Schiettekatte, L., Vazquez-Becerra, G. E., & Gaxiola-Camacho, J. R. (2024). Assessing the quality of raw GNSS observations and 3D positioning performance using the Xiaomi Mi 8 dual-frequency smartphone in Northwest Mexico. Earth Science Informatics, 17(1), 21-35.