Posicionamento pelo GNSS via Smartphones: Histórico e Novas Tecnologias

Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 518 Revista Brasileira de Cartografia ISSN 18080936 httpsdoiorg1014393revbrascartogr Sociedade Brasileira de Cartografia Geodésia Fotogrametria e Sensoriamento Remoto Posicionamento pelo GNSS via smartphones breve histórico e contextualização de novas ferramentas e tecnologias Positioning by GNSS via smartphones brief history and contextualization of new tools and technologies Allan Gomes1 Paulo Sergio de Oliveira Júnior2 e Claudia Pereira Krueger3 1 Universidade Federal do Paraná Departamento de Geomática Curitiba Brasil allangmssgmailcom ORCID httpsorcidorg0000000307300287 2 Universidade Federal do Paraná Departamento de Geomática Curitiba Brasil psergiojgmailcom ORCID httpsorcidorg0000000170006924 3 Universidade Federal do Paraná Departamento de Geomática Curitiba Brasil cpkrueger64gmailcom ORCID httpsorcidorg0000000248391317 Recebido 022022 Aceito 052022 Resumo O propósito deste artigo é resgatar o histórico dos meios de se obter a geolocalização em ambientes externos enfatizando os smartphones com sistema operacional Android e a utilização do receptor GNSS Global Navigation Satellite System presente no mesmo Além disso são apresentadas as principais ferramentas e tecnologias relacionadas a temática alguns resultados promissores quanto à qualidade posicional passível de ser obtida atualmente e ainda os desafios e perspectivas futuras deste objeto no cenário mundial Devido aos avanços tecnológicos direcionados aos dispositivos móveis tais como os smartphones smartwatches e tablets surgiram diversas aplicações que movimentam importantes segmentos do mercado global Atualmente os dispositivos móveis possuem diversos sensores os quais possibilitam centenas de aplicações e funcionalidades Neste sentido o receptor GNSS presente nestes dispositivos se destaca por dar suporte a geolocalização com uma maior acurácia em ambientes externos O posicionamento a partir de sensores presentes em dispositivos móveis vem ganhando atualizações e melhorias à medida que inovações tecnológicas surgem Dentre as inovações nesta temática destacase a possibilidade de aquisição dos dados GNSS brutos a partir de determinados dispositivos com sistema operacional Android igual ou superior a versão Nougat Dessa forma o usuário pode obter informações essenciais como as informações da fase da onda portadora que corroboram com a obtenção de coordenadas mais acuradas Do mesmo modo o surgimento de smartphones que empregam receptores multiGNSS como o Xiaomi mi 8 podem contribuir com uma maior qualidade do posicionamento Aliado a estas inovações e a partir de determinados métodos de posicionamento podese atualmente obter coordenadas com acurácia ao nível centimétrico a partir de smartphones Palavraschave Dispositivos Android Inovação Satélite Acurácia Abstract The purpose of this article is to rescue the history of the means of obtaining geolocation in external environments emphasizing smartphones with Android operating system and the use of the GNSS Global Navigation Satellite System receiver present in it In addition the main tools and technologies related to the theme are presented some promising results regarding the positional quality that can be obtained today as well as the challenges and future perspectives of this object on the world stage Because the technological advances aimed at mobile devices such as smartphones smartwatches and tablets several applications have emerged that move important segments of the global market Currently mobile devices have several sensors which enable hundreds of applications and functionalities In this sense the GNSS receiver present in these devices stands out for supporting geolocation with greater accuracy in external environments Positioning from sensors present in mobile devices has been gaining updates and improvements as technological innovations emerge Among the innovations in this theme the possibility of acquiring raw GNSS data from certain devices with an Android operating system equal to or greater than the Nougat version stands out In this way the user can obtain essential information such as information on the phase of the carrier wave which corroborates with obtaining more accurate coordinates In the same way the emergence of smartphones that employ multiGNSS receivers such as the Xiaomi mi 8 can contribute to a higher quality of positioning Allied to these innovations and from certain positioning methods it is currently possible to obtain coordinates with accuracy at the centimeter level from smartphones Keywords Devices Android Innovation Satellite Accuracy Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 519 1 INTRODUÇÃO Ao longo dos anos diversas tecnologias vêm sendo agregadas aos dispositivos móveis de modo que esses aparelhos passaram a ser chamados de dispositivos inteligentes smart De acordo com DiMarzio 2017 os dispositivos smart são aqueles que possuem sistemas operacionais plataformas como os telefones celulares smartphones tablets e relógios smartwatchs Graças a mobilidade ao poder de processamento armazenamento comunicação heterogeneidade de sensores dentre outras características os smartphones tornaramse item essencial para diversos usuários além de um sofisticado suporte as centenas de atividades individuais e colaborativas Segundo Tilak 2013 haviam mais de 3 bilhões de usuários no ano de 2013 além disso estimase que no ano de 2020 o smartphone tenha sido o dispositivo eletrônico mais utilizado no mundo com aproximadamente 35 bilhões de usuários GSA 2019 No Brasil o número de dispositivos é maior que a população desde o ano de 2017 Ainda estimase que no ano de 2021 haviam cerca de 250 milhões de aparelhos operacionais MEIRELLES 2021 Diante do número expressivo de smartphones operacionais existentes é interessante observar que cerca de 50 de todos os aplicativos apps disponíveis na Google Play Android e Apple App Store iOS utilizam informações de localização GSA 2017a Com a popularização do Sistema Global de Navegação por Satélite GNSS devido principalmente a sua disponibilidade ser global e gratuita houve um aumento expressivo no número de receptores GNSS inseridos nos smartphones Segundo a GSA 2017b cerca de 80 dos dispositivos GNSS ativos em 2017 estavam instalados em smartphones enquanto que apenas 8 estavam ativos em receptores geodésicos convencionais isto se deve em parte ao seu baixo custo e a facilidade com que se pode obter informações de Posição Velocidade Navegação e Tempo PVT e PNT provenientes principalmente do GNSS As informações PVT eou PNT são necessárias em diversas aplicações especialmente nos Serviços Baseados em Localização SBL os quais possibilitam que determinados serviços usufruam do conhecimento da localização do usuário DEFENSE SECURITY TRANSPORTATION 2019 Algumas das aplicações do SBL incluem as cidades inteligentes1 redes sociais jogos marketing assistência médica vigilância segurança pública rastreio dentre outros USMAN et al 2018 Uma das principais inovações relacionadas aos dispositivos smart consiste na possibilidade de obter as informações brutas coletadas por receptores GNSS compatíveis com o sistema operacional Android Nougat e superiores MALKOS 2016 No contexto das inovações tecnológicas destacase o surgimento de aparelhos como o Xiaomi Mi 8 Ele foi o primeiro smartphone no mundo a integrar um receptor GNSS de dupla frequência GPS L1 e L5 GLONASS L1 Galileo E1 e E5a BeiDou B1C e QZSS L1 e L5 possibilitando uma maior confiabilidade aos usuários principalmente em cenários urbanos pois se uma das frequências falhar a outra poderá ser usada como alternativa GPS WORLD STAFF 2018 Diante do exposto notase que ao longo dos anos houve transformações tecnológicas significativas no âmbito dos smartphones que de certo modo contribuíram para que este equipamento se tornasse praticamente onipresente no cotidiano da sociedade Assim esta pesquisa norteiase em apresentar as evoluções tecnológicascientíficas relacionadas à obtenção de informações de geolocalização via smartphones buscando discutir e apontar alguns dos seus desafios Salientase no entanto que será dada ênfase aos casos onde o posicionamento é realizado em ambiente externo outdoor considerando ainda o emprego do receptor GNSS Este artigo está estruturado da seguinte forma a seção 2 aborda algumas características e tecnologias relacionadas ao posicionamento via smartphones Os métodos e tecnologias que possibilitam realizar o posicionamento via smartphones são indicados na seção 3 A qualidade posicional dos smartphones é discutida na seção 4 A seção 5 apresenta alguns dos desafios e perspectivas futuras relacionadas a temática As considerações finais estão na seção 6 1 Uma cidade inteligente é um lugar onde as redes e serviços tradicionais se tornam mais eficientes com o uso de soluções digitais em benefício de seus habitantes e negócios COMMISSION sd Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 520 2 FATOS HISTÓRICOS E TECNOLOGIAS RELACIONADAS AO POSICIONAMENTO VIA SMARTPHONES Diversas tecnologias e fatos históricos estão relacionados à obtenção da geolocalização pelos usuários de dispositivos móveis Dentre os fatos destacase a técnica denominada Disponibilidade Seletiva Selective Availabity SA empregada no sistema NAVSTARGPS NAVigation Satellite with Time And Ranging Global Positioning System pelo departamento de defesa dos Estados Unidos da América EUA até maio de 2000 De forma geral esta técnica degradava a qualidade do posicionamento na ordem de dezenas de metros LEICK RAPOPORT TATARNIKOV 2015 Desde então as informações provenientes do GPS passaram a ser essenciais em diversos setores incluindo o setor de Telecomunicações Segundo OConnor et al 2019 o GPS gerou cerca de 686 milhões de dólares em benefícios econômicos para o setor de Telecomunicações entre os anos de 1984 e 2017 Ainda os autores estimam que em eventual interrupção do GPS durante 30 dias haveriam perdas de aproximadamente 10 milhões de dólares nos Estados Unidos da América EUA Destacase ainda o Ato 911 ou Lei de Comunicações Sem Fio e Segurança Pública de 1999 The Wireless Communications and Public Safety Act of 1999 estabelecido nos EUA pela Comissão Federal de Comunicações Federal Communications Commission FCC O objetivo do Ato 911 consiste em melhorar a segurança pública do país através de uma infraestrutura de comunicação contínua para os serviços de emergência Além de tornar o 911 um número de emergência Norte Americano a FCC buscou aprimorar a ajuda em situações de emergência a partir de determinadas regras envolvendo as tecnologias sem fio como a norma Enhanced 911 E911 FCC 2020 O E911 exige que as operadoras de celular disponibilizem a localização do usuário quando uma chamada de emergência for acionada No contexto dos telefones móveis a operadora deve fornecer a latitude e longitude do dispositivo com acurácia entre 50 a 300m dependendo do tipo de tecnologia utilizada via internet ou GPS por exemplo DIGGELEN 2009 FCC 2020 Por conseguinte os requisitos estabelecidos pelo E911 e iniciativas semelhantes como o E112 União Europeia estimularam a adoção global de receptores GPS em telefones celulares BANVILLE DIGGELEN 2016 Em determinadas situações de emergência como em um foco de incêndio acidente de trânsito resgate de pessoas perdidas eou desorientadas acidentes domésticos entre outras a acurácia posicional em torno de 50 metros é um valor adequado Neste contexto em um estudo realizado em quatro EstadosMembro da União Europeia foi identificado que 71 das chamadas de emergências realizadas em 2017 foram feitas por smartphones EC 2018 Em dezembro de 2018 o Código Europeu de Comunicações Eletrônicas tornou obrigatório que a partir de dezembro de 2020 todos os EstadosMembros da União Europeia utilizem as informações de localização para identificar pessoas que ligam para serviços de emergência EU 2018 O projeto AML Advanced Mobile Location é uma tecnologia que visa atender a este requisito aprimorando a localização fornecida pela rede de telefonia mediante a utilização de informações complementares via GNSS ou via internet EENA 2016 Mais de 13 países já aderiram a esta tecnologia incluindo a Nova Zelândia onde as mensagens AML referente as posições das chamadas realizadas por aparelhos Android e iOS apresentaram acurácia média melhor que 50 e 100m em mais de 72 e 84 dos casos respectivamente EENA 2019 Visando aprimorar ainda mais as informações de localização do usuário em situações de emergência a Comissão Europeia estabeleceu que todos os smartphones vendidos na União Europeia a partir de 17 de março de 2022 tenham receptor GNSS e ainda que sejam compatíveis com o sistema Galileo EC 2018 Além das situações de emergência mencionadas anteriormente diversas aplicações móveis buscam por soluções cada vez mais acuradas tais como publicidade Locationbased advertising realidade aumentada saúde mhealth mapeamento gerenciamento de ativos em cidades inteligentes smart city dentre outros GSA 2017b Em virtude dos avanços tecnológicos mencionados anteriormente além de outros fatores o posicionamento e navegação via smartphones se modificou ao longo dos anos As principais maneiras de se obter dados PVT Posição Velocidade e Tempo eou PNT Posição Navegação e Tempo são abordados na próxima seção Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 521 3 CARACTERÍSTICAS DO POSICIONAMENTO VIA SMARTPHONES Usualmente a maneira de se obter a localização a partir de smartphones consiste na combinaçãofusão de informações provenientes de diversas fontes De acordo com Heuberger Elst e Hanke 2011 o posicionamento a partir de smartphones pode ser realizado utilizando o receptor GNSS através de um Sistema Global para Comunicações Móveis GSM originalmente Groupe Special Mobile e via Redes Locais Local Area Network LAN Por outro lado de uma maneira genérica Gikas e Perakis 2016 classificam as tecnologias de localização em smartphones como Rádio Frequência GNSS e Inerciais Atualmente a maior parte dos modelos de smartphones disponíveis possuem sensores como acelerômetro magnetômetro giroscópio receptor GNSS câmera de proximidade pressão temperatura humidade dentre outros GIKAS PERAKIS 2016 KOS et al 2016 PEI et al 2013 TILAK 2013 Além do receptor GNSS alguns destes sensores também podem fornecer informações de posição ao usuário A Figura 1 apresenta algumas das ferramentas utilizadas para obtenção da posição do smartphone Figura 1 Algumas das técnicas e ferramentas que podem ser utilizadas para obter a posição a partir dos smartphones RFID significa identificação por radiofrequência do inglês RadioFrequency IDentification NFC significa comunicação de campo próximo do inglês NearField Communication Fonte Adaptada de PEI et al 2013 Em relação ao posicionamento GNSS a posição do usuário é estimada utilizando as distâncias medidas entre a antena do receptor do usuário e a posição de pelo menos quatro satélites Atualmente há quatro constelações GNSS operacionais ou em desenvolvimento GPS EUA GLONASS Rússia BeiDou China e Galileo Estados membros da União Europeia Dessa forma combinando sinais de múltiplas constelações é possível aprimorar a acurácia posicional principalmente em ambientes de difícil captação dos sinais como em cânions urbanos por exemplo Vale mencionar que em junho de 2020 a constelação BeiDou se tornou completa BDS 2020 Outro fator que corrobora com a qualidade do posicionamento diz respeito aos sinais enviados pelos satélites rastreados Segundo Laurichesse e Banville 2018 todos os satélites pertencentes às constelações Galileo e BeiDuo têm capacidade de envio de pelos menos três frequências Dessa forma quanto mais sinais o usuário recebe maior será a sua flexibilidade na escolha dos satélites e sinais que ele pode incluir no pós processamento dos dados por exemplo De acordo com Diggelen Want e Wang 2018 todos os smartphones possuem receptor GPS ou GNSS capaz de rastrear a frequência L1 157542 MHz Até maio de 2018 os receptores GNSS presentes em smartphones operavam com apenas uma frequência O smartphone Xiaomi Mi 8 foi o primeiro no segmento a empregar um receptor GNSS de dupla frequência Esse receptor foi desenvolvido pela empresa Broadcom e se pode definilo como um receptor Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 522 multiGNSS pois tem capacidade de coleta de dados provenientes de múltiplas constelações GPS GLONASS Galileo QZSS e BeiDou e múltiplas frequências L1 E1 L5 e E5a TECHNOLOGY 2018 A frequência L5 117645 MHz é compatível com as constelações GPS Galileo BeiDou QZSS QuasiZenith Satellite System e NAVIC Indian Regional Navigation Satellite System IRNSS A Tabela 1 apresenta os principais sistemas de posicionamento e seus respectivos sinais e frequências disponíveis Tabela 1 Principais sistemas de posicionamento sinais e frequências disponíveis SBAS Satellite Based Augmentation System Sistema Sinal Frequência MHz Sistema Sinal Frequência MHz GPS L1 CA 157542 BeiDou B1l 156109 L1C 157542 B2l 120714 L2C 122760 B3l 126852 L2P 122760 B1C 157542 L5 117645 B2a 117645 GLONASS L1 CA 159806 160931 NAVIC L5 117645 L2 C 124293 125168 SBAS L1 157542 L2 P 124293 125168 L5 117645 L3 OC 120202 QZSS L1CA 157542 Galileo E1 157542 L1C 157542 E5a 117645 L2C 122760 E5b 120714 L5 117645 Elaboração Os autores 2022 Em 2021 a Xiaomi lançou o Mi 11 cujo receptor é capaz de coletar informações de um número maior de satélites principalmente aqueles pertencentes a constelação BeiDou e também informações referentes a frequência B2a BeiDou A Figura 2 expõe uma comparação entre os dois smartphones durante um rastreio GNSS simultâneo realizada em CuritibaPR no dia 5 de outubro de 2021 Figura 2 Constelações e frequências rastreadas simultaneamente pelos smartphones Xiaomi Mi 8 e Mi 11 em CuritibaPR em 05 de outubro de 2021 Elaboração Os autores 2022 Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 523 31 GNSS Assistido GNSSA Receptores GPS convencionais normalmente necessitam da denominada inicialização onde são necessários vários segundos para rastrear as efemérides transmitidas contendo os parâmetros de órbitas e correções dos relógios dos satélites e aproximadamente 30s para a decodificação dos dados dos satélites de modo que o tempo total para se obter uma posição com precisão almejada Time to first fix TTFF seja de aproximadamente 1 minuto DIGGELEN 2009 O GNSS Assistido GNSSA do inglês Assisted GNSS AGNSS é uma técnica que utiliza fontes alternativas de comunicação com o intuito de aprimorar a performance do posicionamento no smartphone O GNSSA combina a CNT Cellular tower triangulation WPS WiFi positioning system e o GNSS conforme ilustrado na Figura 3 DIGGELEN 2009 Figura 3 Funcionamento do GNSSA Elaboração Adaptada de Diggelen 2009 O GNSSA permite por exemplo que o receptor GNSS conheça quais frequências espera captar mesmo antes de efetuar esta busca reduzindo o TTFF de minutos para milissegundos DIGGELEN 2009 GOOGLE DEVELOPERS 2020 Com esta redução o consumo de energia também é menor além disso mesmo em situações onde o posicionamento GNSS é dificultado como em cânions urbanos por exemplo os usuários podem obter a localização graças a esta assistência GIKAS PERAKIS 2016 Ao ligar um receptor o TTFF depende das informações referente às órbitas e dos relógios dos satélites logo três diferentes tipos de inicialização start são possíveis Cold start início frio Warm start início morno e Hot start início quente DIGGELEN 2009 ZHANG GAO 2015 Segundo Zhang e Gao 2015 o Warm start é o mais comum onde o receptor tem conhecimento acerca do tempo time Ao utilizar fontes externas como a rede 4G ou a rede WiFi por exemplo podese obter a posição estimada do smartphone dados de assistência que incluem as efemérides dos satélites data e tempo modelos ionosféricos almanaque frequências de referência dentre outros DIGGELEN 2009 GSA 2017b O almanaque dos satélites contém as informações essenciais para o cálculo das posições aproximadas dos satélites mesmo daqueles que não estão sendo rastreados Os modelos ionosféricos por outro lado são essenciais para correção dos efeitos ionosféricos Tais correções são importantes pois os erros sistemáticos provocados pelos efeitos ionosféricos degradam substancialmente a qualidade do posicionamento MONICO 2008 No que se refere as redes locais sem fio Wireless Local Area Networks WLAN vale mencionar que estas redes possuem alcance de comunicação que varia entre 50 e 100 metros logo é necessário que exista uma rede de pontos de acesso densa para que esta tecnologia funcione adequadamente GIKAS PERAKIS 2016 Dessa forma esta tecnologia normalmente é utilizada em ambientes internos indoor Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 524 32 Acesso aos dados GNSS brutos Os aplicativos apps em si não podem acessar diretamente os sensores físicos Sistemas MicroEletro Mecânicos MEMS pois os sinais provenientes destes são processados pelo sistema operacional do smartphone e disponibilizados em um formato padronizado compatível KOS et al 2016 Por conseguinte o tipo de sistema operacional ex Android e iOS tornase outro obstáculo no desenvolvimento de aplicativos para o posicionamento DABOVE PIETRA LINGUA 2017 O conjunto de protocolos que fornece aos desenvolvedores acesso às funções do sistema é denominado de Interface de Programação de Aplicativos IPA do inglês Application Programming Interface API Na plataforma Android os aplicativos têm acesso aos dados GNSS através da IPA de localização androidgsmlocation Essa IPA possibilita a otimização da localização mediante o emprego do GNSS Assistido porém o cálculo das soluções PVT é realizado internamente pelo módulo GNSS de modo que apenas as soluções finais possam ser acessadas GSA 2017b Vale destacar que cada versão do Android é caracterizada com determinado nível de IPA como exemplo citase o Android 11 que possui IPA de nível 30 e o Android 12 que possui IPA de nível 31 Em virtude da restrição eou limitação da IPA em algumas aplicações os desenvolvedores não têm acesso a todas as informações coletadas por determinado sensor Para Realini et al 2017 a acurácia posicional via smartphones se torna limitada devido às restrições mencionadas anteriormente pois elas dificultam a implementação de determinadas técnicas e métodos de posicionamento por satélites obstando a possibilidade de melhora na acurácia posicional e minimização eou correção dos erros inerentes ao posicionamento No ano de 2016 surgiu uma das principais inovações relacionadas ao posicionamento GNSS via dispositivos móveis A Google desenvolvedora da plataforma Android anunciou durante a conferência IO 2016 a possibilidade de aquisição dos dados GNSS brutos pela primeira vez graças a uma nova IPA androidlocation implementada no sistema operacional Android Nougat IPA de nível 24 e sucessores MALKOS 2016 Dentre as principais informações podese acessar as mensagens que possibilitam o cálculo das pseudodistâncias informações Doppler e observações da fase da onda portadora ZHANG et al 2018 As técnicas de posicionamento GNSS que buscam alta acurácia recorrem a utilização das informações da fase o que possibilita a obtenção de acurácia posicional ao nível centimétrico até milimétrico LEICK RAPOPORT TATARNIKOV 2015 A Figura 4 apresenta de forma simplificada as diferenças entre as IPAs mencionadas Figura 4 À esquerda a API androidgmslocation e à direita a IPA androidlocation disponível na plataforma Android Nougat e superiores Fonte Gomes 2019 Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 525 É importante mencionar que embora as IPAs permitam o acesso à determinada informação os fabricantes não são obrigados a adotar estes recursos nos seus dispositivos móveis Atualmente já existem smartphones capazes de captar informações da fase dentre eles destacase o smartphone Xiaomi Mi 8 o qual também possibilita o armazenamento de mensagens de navegação2 Contudo embora o receptor GNSS presente no Mi 11 seja capaz de interpretar um número maior de informações que seu antecessor Mi 8 o mesmo não possibilita o acesso as informações referentes a observação da fase da onda portadora Os dados GNSS brutos podem ser utilizados por desenvolvedores de apps para aprimorar a qualidade do posicionamento obtido via dispositivos compatíveis havendo ainda a possibilidade de criar soluções multi GNSS múltiplas frequências e constelações proporcionando assim maior flexibilidade na realização de integrações entre os diversos sensores presentes nos smartphones CECCATO et al 2018 MIRALLES et al 2018 Antes do sistema operacional Android Nougat era impossível aprimorar o posicionamento GNSS sem o emprego de um hardware externo ZHANG et al 2018 As observáveis GNSS contêm diversos erros devido à propagação do sinal GNSS na atmosfera localização geográfica do usuário multicaminho dentre outros erros que degradam a qualidade posicional Estes erros podem ser modelados minimizados eou eliminados O multicaminho ocorre quando o sinal emitido pelo satélite de posicionamento é refletido ou difratado em superfícies normalmente próximas ao receptor GNSS Esse fenômeno pode causar erros nas medições do código e na fase da portadora e portanto é tratado como interferência prejudicial LEICK RAPOPORT TATARNIKOV 2015 Além das técnicas de posicionamento existem ainda ferramentas e metodologias que podem ser utilizadas para minimizar eou eliminar estes erros No entanto algumas destas correções só são possíveis mediante a utilização dos dados GNSS brutos normalmente armazenados em arquivos no formato universal Receiver Independent Exchange Format RINEX Especificamente para o posicionamento com smartphones alguns erros são amplificados como os efeitos de multicaminhamento dos sinais e a variação do centro de fase da antena haja vista as dificuldades advindas do formato do dispositivo YAN et al 2020 O centro de fase da antena é o ponto virtual onde as medidas dos sinais são referenciadas porém além de ser diferente para cada portadora o centro de fase não é estável e varia com a intensidade e a direção dos sinais MONICO 2008 Além da posição receptor o usuário não tem o conhecimento acerca das informações das variações do centro de fase da antena de alguns dispositivos as quais são fundamentais para o posicionamento de alta acurácia DABOVE PIETRA 2019 LEICK RAPOPORT TATARNIKOV 2015 Para Netthonglang Thongtan e Satirapod 2019 os smartphones podem fornecer informações de posição mediante o pósprocessamento dos dados com acurácia ao nível centimétrico desde que as informações de posição e do centro de fase da antena GNSS sejam conhecidas No ano de 2020 a Google lançou a plataforma Android 11 IPA de nível 30 nessa versão foi introduzida uma nova ferramenta com o intuito de contornar o problema da ausência de informações da antena GNSS Os dispositivos compatíveis com essa versão podem fornecer informações como os offsets do centro de fase da antena Phase Center Offset PCO e a variação do centro de fase Phase Center Variation PCV para a frequência empregada GOOGLE sd Contudo a Google não informa qual foi a metodologia adotada para a obtenção desses parâmetros A Figura 5 apresenta algumas informações referente a antena GNSS presente no smartphone Xiaomi Mi 11 Estas informações foram obtidas através de dois aplicativos denominados GPSTest v3916 e GnssLogger v30010 Porém há uma incoerência nos dados apresentados pelos aplicativos pois até o momento não existe indícios de que há algum dispositivo móvel capaz de armazenar dados provenientes da frequência 12276 MHz L2 Dessa forma acreditase que essas informações se referem a frequência 117645 MHz L5 2 As mensagens de navegação fornecem as informações necessárias para o cálculo das posições dos satélites e que permitem efetuar correções da ionosfera MATSUOKA CAMARGO 2002 Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 526 Figura 5 Informações de PCO e PCV da antena GNSS presente no smartphone Xiaomi Mi 11 Elaboração Os autores 2022 Darugna et al 2020 observaram que a calibração da antena do smartphone Huawei Mate20X é evidenciada como um recurso para o posicionamento com resolução de ambiguidades3 Ainda de acordo com Wanninger e Hesselbarth 2020 mediante a utilização dos parâmetros de calibração da antena GNSS presente no smartphone Huawei P30 podese obter com sucesso a solução das ambiguidades apenas para o GPS L1 Mediante o pósprocessamento de dados com uma estação de referência geodésica os autores obtiveram desviospadrão de poucos centímetros após 5 min e 2 cm após 60 min Após o lançamento do Android 7 foram desenvolvidos diversos apps que realizam o acesso aos dados brutos e os armazenam seja em formato específico ou no formato universal RINEX Dentre estes citamse GPSTest GnssLogger Geo RINEX Logger Rinex On Gnut Client GNSS Compare RTCM Converter PPP WizLite GOOGLE PLAY 2020 Figura 6 Figura 6 Aplicativos que permitem o armazenamento de informações GNSS em formato RINEX RinexOn esquerda e GeoRINEX Logger direita Elaboração Os autores 2022 3 Ambiguidade é o número de ciclos inteiros entre as antenas do satélite e do receptor na primeira época de coleta de dados GNSS Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 527 Caso o usuário não disponha de um aparelho mas queira verificar se determinado dispositivo é compatível o mesmo pode consultar a lista de dispositivos que suportam o acesso aos dados GNSS brutos no site de desenvolvimento Android ANDROID DEVELOPERS sd Contudo sugerese utilizar como fonte de pesquisa o banco de dados do aplicativo GPSTEST GPSTEST sd cujo acesso pode ser realizado através do navegador Google Chrome Nesse banco de dados há um número maior de informações sobre a compatibilidade de milhares de dispositivos normalmente este banco de dados é atualizado à medida que um novo dispositivo realiza um rastreio Vale ressaltar que o modelo do aparelho pode variar frente a diversos fatores por exemplo o Mi 8 versão Global fornece informações da fase da onda portadora diferentemente das versões Mi 8 Lite e Mi 8 SE GPSTEST sd Outra questão relevante aos usuários diz respeito a versão do aplicativo utilizado e a sua otimização quanto a versão do Android e do sistema do fabricante Nos testes realizados com os smartphones Xiaomi Mi 8 Android 10 e MIUI 1201 e Mi 11 Android 1254 e MIUI 12540 os aplicativos RinexOn versão 13 e GNSS Compare versão 053 não funcionaram no modelo Mi 11 No entanto após a atualização do sistema MIUI da Xiaomi para a versão 1304 o app RinexOn versão 13 funcionou corretamente Dessa forma recomendase que o usuário realize testes com diferentes aplicativos e que mantenha seu dispositivo e aplicativos sempre atualizados Mediante uma análise sobre a relevância deste novo cenário no posicionamento GNSS os autores sugerem classificar os métodos de aquisição de dados via dispositivos móveis com sistema operacional Android como Método Clássico realizado via a IPA androidgsmlocation onde só é possível a obtenção de soluções PVT computadas internamente pelo módulo GNSS Método Moderno caracterizado pelo acesso aos dados GNSS brutos principalmente pelas informações da fase da portadora através da IPA androidlocation sendo possível o desenvolvimento de soluções multiGNSS e a realização do pósprocessamento dos dados brutos 33 Controle Automático de Ganho CAG Os receptores geodésicos convencionais priorizam a performance do equipamento e a qualidade dos dados obtidos por sua vez o consumo de energia não é prioridade Por outro lado os smartphones utilizam a técnica denominada Duty Cycle justamente para reduzir o consumo de energia porém esta técnica afeta diretamente a qualidade do posicionamento GSA 2017b O Duty Cycling ou Controle Automático de Ganho CAG é uma ferramenta implementada no sistema Android que tem a função de ativar e desativar o rastreamento dos sinais GNSS durante curtos intervalos de tempo milissegundos Figura 7 Essa alternância no entanto provoca descontinuidades nas observações da fase interferindo na qualidade do posicionamento LIU et al 2019 REALINI et al 2017 Figura 7 Funcionamento da ferramenta Duty Cycle ou Controle Automático de Ganho Elaboração Os autores 2022 No ano de 2017 a Google lançou o Android Oreo IPA de nível 25 o qual possibilita que o CAG seja desabilitado neste sistema e em versões superiores Para desativar a ferramenta CAG em seu dispositivo o usuário deve acessar as configurações do desenvolvedor e ativar a função Forçar medições completas de GNSS conforme demonstrado na Figura 8 Contudo ressaltase novamente que embora a plataforma permita esta funcionalidade os fabricantes não são obrigados a implementar tais ferramentas nos dispositivos 1 s 2 s 3 s 4 s Períodos onde ocorre o rastreamento dos sinais Sem Rastreio Sem Rastreio Sem Rastreio Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 528 Figura 8 Maneira de ativar o rastreio contínuo nos smartphones Xiaomi Mi 8 e Mi 11 Elaboração Os autores 2022 Liu et al 2019 observaram a existência de vários períodos de tempo onde os smartphones HUAWEI P10 e Samsung S8 não rastrearam nenhum satélite enquanto que o tablet Nexus 9 com a função CAG desabilitada rastreou normalmente conforme apresentado na Figura 9 Figura 9 Número de satélites rastreados a partir do Tablet Nexus 9 preto e via os smartphones P10 vermelho e S8 azul Fonte Adaptada de Liu et al 2019 Além da baixa qualidade da antena presente no smartphone a ferramenta CAG também é outra barreira quanto à obtenção de soluções com alta acurácia via estes dispositivos BANVILLE DIGGELEN 2016 HÅKANSSON 2019 Os resultados obtidos por Paziewski Sieradzki e Baryla 2019 mostraram uma divergência crescente entre os dados de fase e de código após a ativação da ferramenta CAG a partir do smartphone Huawei P20 Além disso a ativação da ferramenta CAG causou repetidas variações nos dados do código o que também é considerado um efeito relacionado ao relógio do receptor Finalmente os autores salientam que a ativação da ferramenta CAG impede que as ambiguidades sejam solucionadas por conseguinte ela pode ser considerada um fator limitante no que se refere à utilização de determinados métodos de posicionamento 4 QUALIDADE DO POSICIONAMENTO GNSS VIA SMARTPHONES Dentre as tecnologias apresentadas nas seções anteriores o GNSS é aquele mais adequado para aplicações que requerem alta acurácia e em ambientes externos outdoor No entanto é difícil obter um Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 529 posicionamento de alta acurácia via smartphones sem a necessidade de um hardware externo e sem as observações GNSS brutas O primeiro telefone celular comercial com receptor GPS foi lançado no ano de 1999 BANVILLE DIGGELEN 2016 No entanto podese estimar que a acurácia posicional deste telefone tenha sido superior a 30 m visto que apenas no ano seguinte a Disponibilidade Seletiva foi desativada O posicionamento por GNSS via smartphones é afetado por erros atmosféricos erros das órbitas de satélites dos relógios multicaminho dentre outros PESYNA et al 2017 Para Li e Geng 2019 o multicaminho e o ruido do receptor são as duas principais fontes de erros nas medições Gogoi et al 2018 ressaltam que as interferências diretas na intensidade do sinal provocadas pelo multicaminho tem sido o principal fator limitante na obtenção de coordenadas acuradas Em condições de pouco multicaminho podese obter acurácia posicional em torno de 2 a 3 metros porém sob condições adversas a acurácia é degradada em 10 m ou mais PESYNA HEATH HUMPHREYS 2014 ZHANG et al 2018 Neste contexto Pesyna et al 2014 e Pesyna et al 2017 consideram que a antena GNSS de baixo custo presente nos smartphones é uma das principais barreiras na obtenção de acurácias ao nível centimétrico Nos últimos anos os estudos direcionados à determinação da precisão e acurácia alcançável com dispositivos smartphones se multiplicaram Pesyna Heath e Humphreys 2014 conectaram uma antena externa a um smartphone possibilitando a geração de observações de fase e do código Logo mediante o pós processamento dos dados os autores obtiveram acurácia ao nível centimétrico Entretanto os resultados obtidos pelos autores limitaramse à demonstração da possibilidade do emprego de uma antena GNSS junto ao smartphone isto é eles contornaram as limitações do smartphone como a versão da plataforma operacional e a qualidade da antena presente no dispositivo conforme salienta Realini et al 2017 De forma semelhante Li e Geng 2019 utilizaram uma antena externa e comprovaram a baixa capacidade de supressão do multicaminho pelas antenas GNSS presente nos dispositivos móveis Em sua pesquisa os autores descobriram que o ruído da pseudodistância nos dispositivos móveis é cerca de 10 vezes maior que o de receptores geodésicos Dentre as pesquisas relacionadas ao acesso aos dados GNSS brutos citase a pesquisa desenvolvida por Realini et al 2017 Os autores demonstraram ser possível obter precisão com nível decimétrico com um tablet mediante o pósprocessamento de dados obtidos a partir de levantamentos realizados pelo método de posicionamento relativo estático rápido Nesse método de posicionamento a posição de um ponto é determinada com relação à de um ou mais pontos cujas coordenadas são conhecidas KAPLAN HEGARTY 2017 Ambos os métodos relativo estático e relativo estático rápido tem o mesmo princípio o que os difere é a duração da campanha de coleta de dados Dabove e Pietra 2019 demonstraram que o uso do posicionamento GNSS diferencial com dados oriundos de aparelhos smartphones pode produzir resultados melhores que 60 cm em tempo real se uma rede de estações de referência estiver disponível Nesse estudo foram analisados os aparelhos Samsung Galaxy S8 e Huawei P10 plus ambos com sistema operacional Android O método de posicionamento diferencial consiste no uso de um receptor estacionário em um ponto com coordenadas conhecidas de modo que as correções geradas são enviadas em tempo real por meio de um sistema de comunicação KAPLAN HEGARTY 2017 Yan et al 2020 realizaram testes que produziram resultados promissores com dois aparelhos Huawei P10 simples frequência e Xiaomi Mi 8 dotado de módulo de dupla frequência Os autores efetuaram o pós processamento pelo método de posicionamento relativo e compararam os resultados obtidos com os dados GNSS dos smartphones aos resultados obtidos com um receptor geodésico convencional Em termos de acurácia horizontal o Huawei P10 proporcionou 50 cm de discrepância em relação ao posicionamento efetuado com receptor geodésico Por outro lado o Xiaomi 8 apresentou 10 cm de acurácia evidenciando o ganho da dupla frequência No Brasil Gomes e Krueger 2020 avaliaram a acurácia do smartphone Xiaomi Mi 8 em modo estático a partir de diferentes métodos de posicionamento mediante o pósprocessamento dos dados a partir do método relativo e obtiveram acurácia planimétrica entre 49 e 98 cm enquanto que o método de posicionamento por ponto preciso PPP proporcionou acurácia planimétrica entre a 22 e 100 cm O método PPP utiliza as observáveis da fase da onda portadora e informações precisas referente às órbitas e erros dos Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 530 relógios dos satélites além de outros modelos matemáticos KAPLAN HEGARTY 2017 Além disso o PPP não requer outro receptor tornandoo vantajoso em relação ao método de posicionamento relativo Gomes Klein e Krueger 2021 alcançaram acurácia planimétrica de aproximadamente 12 cm em modo estático com o Xiaomi Mi 8 Os autores obtiveram as coordenadas via o serviço online IBGEPPP utilizando apenas as constelações GPS e GLONASS e a frequência L1 e combinaram técnicas de ajustamento baseado nos mínimos quadrados para obter uma solução mais acurada A Tabela 2 apresenta os resultados da acurácia posicional obtida por algumas investigações no âmbito dos dispositivos móveis Tabela 2 Acurácia posicional obtida a partir de dispositivos móveis de acordo com algumas pesquisas Publicação Dispositivo móvel utilizado na pesquisa Acurácia 2D aproximada m SIKIRICA et al 2017 Huawei P10 500 1000 ZHANG et al 2018 Tablet Google Nexus 9 060 SPECHT et al 2018 Samsung Galaxy Y S3 Mini S4 S5 S6 e S7 367 962 LACHAPELLE GRATTON 2019 Huawei Mate 20X 100 LIU et al 2019 Tablet Google Nexus 9 Huawei P10 e Samsung S8 200 FORTUNATO et al 2019 Xiaomi Mi 8 100 200 ROBUSTELLI et al 2020 Xiaomi Mi 8 e Samsung S8 051 Mi 8 e 564 S8 GOMES KRUEGER 2020 Xiaomi Mi 8 022 100 GOMES KLEIN KRUEGER 2021 Xiaomi Mi 8 012 088 Elaboração Os autores 2022 5 DESAFIOS RELACIONADOS AO POSICIONAMENTO GNSS VIA SMARTPHONES O posicionamento via smartphones baseado no GNSS está inerente as mesmas influências que os receptores GNSS convencionais especialmente quanto as perturbações sofridas pela onda eletromagnética durante sua trajetória Além dessas perturbações existem ainda outras vulnerabilidades eou interferências como os ataques jamming e spoofing e falhas nas antenas que podem comprometer a qualidade do posicionamento ACHANTA WATT SAGEN 2015 O jamming é um bloqueio provocado nos sinais GNSS rastreados e que pode trazer riscos aos usuários Existem equipamentos que bloqueiam os sinais GNSS e por isso em determinados países como os EUA eles são proibidos ACHANTA WATT SAGEN 2015 O spoofing tratase de uma interferência intencional ou não que pode fornecer uma solução de tempo ou posição incorreta Isso pode ocorrer quando o receptor do usuário não consegue identificar a diferença entre os sinais reais dos satélites e os sinais falsificados Ataques spoofing vem se tornando uma séria ameaça às aplicações que utilizam informações provenientes do GNSS via dispositivos móveis CECCATO et al 2018 De acordo com Akos 2012 o CAG pode ser uma ferramenta complementar a outras metodologias para prevenir e detectar os ataques spoofing Além disso o autor menciona a combinação de acelerômetros ou outros sensores e CAG como um meio muito eficaz de detecção destes ataques Receptores GNSS de dupla frequência além de proporcionarem uma melhor acurácia são mais resistentes aos ataques jamming e spoofing Os sinais L5E5a estão localizados em bandas compartilhadas com o Serviço de Rádio Navegação Aeronáuticas ARNS sigla em inglês para Aeronautical Radio Navigation Service ou seja estão sujeitas a maiores proteções regulamentais LEICK RAPOPORT TATARNIKOV 2015 Segundo Liu et al 2019 os principais motivos que interferem na qualidade do posicionamento obtido por smartphones são as antenas e o receptor GNSS de baixo custo e baixa potência De acordo com Monico 2008 devido a estrutura dos sinais todas as antenas devem ser polarizadas circularmente Contudo usualmente a antena utilizada em smartphones é uma Antena Planar F Invertida Planar InvertedF Antenna PIFA de baixo custo a qual usa polarização linear em vez de circular tornando os smartphones mais susceptível aos efeitos do multicaminho BANVILLE DIGGELEN 2016 GSA 2017b Outro fator relevante consiste na localização da antena no smartphone a qual é ditada mais pelo seu design do que pelas restrições de Rádio Frequência o que pode resultar em locais inadequados tendo em vista que a manipulação do dispositivo pelo usuário pode degradar ainda mais a recepção dos sinais GNSS GSA Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 531 2017b HUMPHREYS et al 2016 É válido ressaltar que o posicionamento GNSS no Brasil tem desafios ainda maiores no que concerne a mitigação dos efeitos da ionosfera haja visto que o país está localizado em grande parte na região equatorial e de baixas latitudes caraterizada pela presença da cintilação ionosférica VANI et al 2019 Nesse sentido os novos smartphones capazes de rastrear duas frequências ou mais poderão proporcionar avanços para mitigação do efeito ionosférico 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS E PERSPECTIVAS FUTURAS Este artigo fornece uma visão geral sobre as potencialidades do posicionamento GNSS via smartphones na atualidade Em virtude de seu custo ser relativamente baixo quando comparado a receptores geodésicos aliado ainda a flexibilidade da fusão das várias ferramentas e funcionalidades dos diversos sensores presentes no mesmo observase que há um cenário promissor no emprego de smartphones como ferramenta para atividades profissionais na engenharia como por exemplo levantamentos cadastrais posicionamento de embarcações atualizações de cartas mapeamento e georreferenciamento de imagens de satélites LANDSAT Com base nas pesquisas citadas podese estabelecer que a acurácia atual do posicionamento absoluto com smartphones é da ordem de 2 a 3m sob boas condições de visibilidade e disponibilidade de satélites Diante do novo cenário onde as observações GNSS brutas são utilizadas os autores já verificaram resultados de qualidade decimétrica no modo PPP No que se refere ao posicionamento relativo embora ainda existam muitos desafios a literatura traz resultados da ordem de 10 cm para o posicionamento relativo estático pós processado e de aproximadamente 10 a 30 cm para o tempo real O uso de soluções multiGNSS receptores de dupla frequência e o emprego de informações externas possibilitam elevar a acurácia para níveis ainda mais significativos Esperase que futuramente seja possível empregar os smartphones em aplicações que antes eram restritas apenas aos receptores geodésicos Embora tenham surgido diversas tecnologias e ferramentas com o propósito de melhorar a acurácia posicional obtida a partir dos smartphones ainda há limitações Dentre essas citase a baixa qualidade da antena GNSS e sua alta sensibilidade quanto as interferências sofridas pelos sinais o que corrobora com a suscetibilidade ao efeito do multicaminho Agradecimentos Os autores agradecem ao Programa de PósGraduação em Ciências Geodésicas PPGCG à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorBrasil CAPES pela concessão da bolsa de doutorado ao primeiro autor número do processo 40001016002P6 Contribuição dos Autores O autor A G foi responsável pela conceptualização pesquisa visualização redação e edição E os autores P S O J e C P K foram responsáveis pela supervisão e revisão do artigo Conflitos de Interesse Os autores declaram que não há conflito de interesse Referências ACHANTA S WATT S T SAGEN E Mitigating GPS Vulnerabilities In POWER AND ENERGY AUTOMATION CONFERENCE 2015 Spokane Anais Spokane 2015 p 67 AKOS D M Whos Afraid of the Spoofer GPSGNSS Spoofing Detection via Automatic Gain Control Rev Bras Cartogr vol 74 n 3 2022 DOI httpdxdoiorg1014393rbcv74n364507 532 AGC Navigation Journal of The Institute of Navigation USA 2012 v 59 n 4 p 281290 ANDROID DEVELOPERS Raw GNSS Measurements Disponível em httpsdeveloperandroidcomguidetopicssensorsgnss Acesso em 21 mai 2019 BANVILLE S DIGGELEN F VAN Precise positioning using raw GPS measurements from Android smartphones 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CAPES na área de concentração de Geodésia e Levantamentos Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição 40 Internacional CC BY Esta licença permite que outros distribuam remixem adaptem e criem a partir do seu trabalho mesmo para fins comerciais desde que lhe atribuam o devido crédito pela criação original