De status van satelietnavigatiesysteem Galileo in smartphones

Elke smartphone biedt satellietnavigatie met de systemen GPS en Glonass. Sinds eind 2016 is ook het Europese systeem Galileo actief. Wat zijn de voordelen? Hier kom je alles te weten over gps-systemen en hoe ze presteren op hedendaagse smartphones.

De sextant, het kompas, gps: het zijn allemaal uitvindingen waarmee de mens zich steeds moediger in het onbekende kon storten – of het nu ging om een nieuwe zeeweg naar Indië te zoeken of alleen een tankstation. Ook al betekent ‘links!’ en ‘rechts!’ soms niet voor iedereen hetzelfde, we navigeerden honderden jaren lang prima met een kaart, kompas en richtingsbordjes. Het lijkt erop dat die vaardigheid langzaam aan het uitsterven is, net zoals hoofdrekenen. Volgens een enquête van het KiM (Kennisinstituut voor Mobiliteitsbeleid) had in 2015 91% van de automobilisten al een navigatiesysteem in huis en 34% zelfs meer dan één type – bijvoorbeeld een zelfstandig systeem en een smartphone met navigatie-app. Rond 2020 zullen er vier wereldwijde satellietnavigatiesystemen beschikbaar zijn met meer dan 100 satellieten. Het bekende Global Positioning System (GPS) van de VS heeft ondertussen gezelschap gekregen. Systemen als GPS, Glonass, Beidou en Galileo worden ook wel GNSS (Global Navigation Satellite System) genoemd en worden allemaal onder de noemer ‘gps’ geschaard. Smartphonechips kunnen nu al enkele tientallen GNSS-satellieten raadplegen.

Tijdens oorlogen was het gebruikelijk om richtingsbordjes te verdraaien, vervalsen of weg te halen om de vijand om de tuin te leiden. Maar omdat de eigen troepen daar ook last van hadden, begon het Amerikaanse leger in 1973 met het ontwikkelen van een satellietnavigatiesysteem, het Global Positioning System (GPS). Dat moest individuele soldaten snel en betrouwbaar hun positie laten bepalen. In 1978 werd de eerste GPS-satelliet gelanceerd, maar het duurde door financieringsproblemen nog tot 1995 voordat het systeem goed bruikbaar was. Er draaiden toen 24 GPS-satellieten plus enkele reservesatellieten in zes banen om de aarde op 20.200 kilometer hoogte.

Pas nadat in 1983 een Koreaanse lijnvlucht werd neergeschoten door Sovjetgevechtvliegtuigen, stelde de Amerikaanse regering plaatsbepaling via GPS beschikbaar voor burgerdoeleinden. Tot 2 mei 2000 was het navigatiepijltje op een GPS-toestel hooguit tot op 100 meter nauwkeurig. Op die dag liet de regering van de VS het foutsignaal SA (Selective Availability) uitschakelen. Met een nauwkeurigheid van vijf tot tien meter werd het systeem plotseling voor veel meer doeleinden geschikt. Het was nu mogelijk om een navigatiepijltje op de kaart op de juiste straat te positioneren. Stratenboeken en provisorisch opgevouwen wegenkaarten konden plaatsmaken voor TomToms en voor apps als Google Maps op smartphones.

Sinds eind 2014 biedt GPS naast de signalen voor civiele en militaire doeleinden nog een derde signaal. Dit L5 moet de betrouwbaarheid voor niet-militaire toepassingen verder verbeteren en is ook bestemd voor nooddiensten.

Om de afhankelijkheid van het Amerikaanse GPS te verminderen, ontwikkelden verschillende landen eigen wereldwijde systemen, bijvoorbeeld China met zijn Beidou. Er werden ook lokale systemen gepland zoals QZSS (Japan) en INRSS (India).

Glonass: Het Russische systeem begon als vervolg op het Cicada-systeem van laagvliegende satellieten. In 1982, tijdens de Koude Oorlog, draaide de eerste Glonass-satelliet zijn rondjes. Dertien jaar later was het systeem volledig operationeel met 24 satellieten in drie banen op 19.000 kilometer hoogte. De val van de Sovjet-Unie leidde bijna tot het einde, maar in 2007 stelde de Russische president Poetin Glonass beschikbaar voor civiel gebruik. Momenteel zijn er 27 satellieten in de ruimte, waarvan er 23 actief zijn.

Glonass-satellieten versturen dezelfde code op 25 verschillende frequenties. Ze gebruiken een frequentie-multiplexmethode (FDMA). Daar komt echter verandering in, want de nieuwe Glonass K-satellieten gebruiken CDMA. Dat wordt ook gebruikt door GPS, Glonass en Beidou. Bij deze code- multiplexmethode (CDMA) gebruiken alle satellieten dezelfde frequentie en kan de ontvanger ze onderscheiden door de gebruikte code.

Het Chinese Beidou startte in 2000 als een lokaal systeem. In 2011 werd het uitgebreid tot een wereldwijde dienst. Momenteel zijn er 20 satellieten gelanceerd. In 2020 moet het netwerk van Beidou in de ruimte bestaan uit vier geostationaire satellieten, twaalf satellieten in schuine geosynchrone banen en negen satellieten die op circa 22.000 meter hoogte rondkruisen.

Kort voor de eeuwwisseling werd besloten het Europese project Galileo te ontwikkelen. De eerste testsatelliet vloog eind 2005 rond. Kort daarna waren er problemen rondom de financiering, het project werd uiteindelijk met overheidsbijdragen gered. Qua totale kosten wordt gesproken over 11 miljard euro. In 2011 kwamen de eerste officiële Galileo-satellieten IOV-1 en IOV-2. Daarna stapelden de problemen zich op: bij een raketlancering in 2014 werden twee satellieten verkeerd gepositioneerd en in januari 2017 vielen in de satellieten tien atoomklokken uit.

In november 2016 werd een Ariane 5-raket gelanceerd die vier Galileo-satellieten in een omloopbaan bracht. Op 15 december 2016 gingen de openbaar toegankelijke dienst, de versleutelde Public Regulated Service (PRS) en de zoek- en reddingsdienst officieel van start. Om het netwerk te completeren, moeten in 2017 en 2018 nog meer satellieten volgen. Dan moet het systeem zijn afgerond. De EU hecht veel belang aan Galileo, want vanaf 31 maart 2018 moeten alle Europese autofabrikanten hun nieuwe auto’s uitrusten met eCall. Dat is een ongevallensysteem dat gebruikmaakt van Galileo.

De komst van Galileo moet voor smartphonefabrikanten geen verrassing zijn. De planning en de specificaties zijn al lang genoeg bekend. Toch zijn er nog maar weinig smartphones die Galileo-signalen ontvangen. Een ‘Galileo-compatibele’ chip in een smartphone is ook nog geen garantie dat die de Galileo-gegevens ook gebruikt. Ook al ondersteunt een chipset een bepaald gps-systeem, dan nog wil dat niet zeggen dat het gebruikt wordt. Dit zie je ook bij de tests in c’t magazine 6/2018 van gps-trackers.

Chipfabrikant Qualcomm maakte in juni 2016 bekend dat een reeks Snapdragonchipsets direct van de Europese satellietnavigatiedienst gebruik kon maken, maar daar is soms wel eerst een firmware- upgrade voor nodig. Een ontbrekende update is de reden dat Galileo-ontvangst bij de Amerikaanse en Chinese versie van de Samsung Galaxy S7 (met Snapdragon 820) wel werkt, maar bij de OnePlus 3 met dezelfde chipset niet.

Qualcomms Snapdragon-chips proberen om 15 satellieten te vinden. Ze zoeken eerst naar GPS-satellieten. Ontbrekende plekken worden opgevuld met Glonass-satellieten. Pas als met GPS en Glonass geen 15 satellieten gevonden worden, probeert de chip Beidou- en Galileo-signalen eruit te filteren. Die werkwijze moet het energieverbruik van de chip beperken. Als je een smartphone van BQ op een lader of powerbank aansluit, kun je hem echter dwingen om voortdurend naar Beidou en Galileo te zoeken.

Ontwikkelaars kunnen bij de Snapdragon-SoC kiezen uit twee opties. Door data van verschillende systemen afzonderlijk te verwerken, kunnen ze controleren of een systeem een storing heeft. De tweede optie is alle ontvangen GNSS-data middelen om daaruit een positie af te leiden.

Die laatste optie gebruikt Broadcom bij zijn chipset BCM4774. Zoals gebruikelijk zijn vier satellieten voldoende om de locatie te bepalen, maar de chip combineert daar data van GPS, Glonass, Beidou en Galileo voor. Met name de Galileo-data moeten fouten beperken die worden veroorzaakt door meerwegontvangst (multipath-error) of ionosferische storingen. De speciale versie voor de iPhone 7, de BCM 47734, is in principe geschikt voor Galileo, maar de betreffende sensorhub wordt niet gebruikt door Apple omdat de A10-processor in het toestel zijn eigen sensorhub heeft.

De HiSilicon-chips Kirin 955 en 960 die in verschillende Huawei-smartphones zitten, zijn geschikt voor Galileo. Fabrikant Mediatek wordt vaak over het hoofd gezien als het gaat om chipsets die met Galileo werken, maar chips van die fabrikant zitten in meer dan 200 modellen smartphones en tablets. Zo’n chip is bijvoorbeeld de Helios X30 met tien cores en Galileo-ontvangst. Die zit onder meer in de Chinese smartphones Ulefone T3 en Vernee Apollo 2.

Vanaf Android Nougat kunnen GNSS-sensoren rechtstreeks benaderd worden via de API android.location. Daarmee kunnen apps beschikken over een reeks ruwe data, zoals ontvangstkwaliteit en foutmarges. Voorheen konden app-ontwikkelaars alleen com.google.android.gms.location van de Google Play-services gebruiken, maar dat leverde alleen de meest essentiële data op zoals de locatie.

Op de diverse test-apps kun je dan ook niet vertrouwen. De bekende app GPS-Test van Chartcross herkende op de Galaxy S6 bijvoorbeeld Galileo-satellieten, terwijl de S6 die helemaal niet kan ontvangen. Ook hardwarematig zijn er kinken in de kabel: Qualcomms chipsets van de 6xx-reeks en bijna de gehele 8xx-reeks leveren de ruwe data aan op een manier waar de nieuwe Android-API niets mee kan. Alleen bij de Nexus 9 zijn die gegevens beperkt bruikbaar. Kijk je enkel naar GPS-satellieten, dan zijn de Nexus 5x, 6P en Pixel en Pixel XL bruikbaar.

De eerste smartphone die standaard met Galileo werkte was de BQ Aquaris X5 Plus (zie c’t 05/2017, p.20). Bij een korte test bleek Galileo geen opvallende verbetering te zijn, maar we hielden goede hoop.

Met apps als GNSS View (voor iOS en Android) kun je voor elk tijdstip de zichtbare constellatie van bruikbare satellieten laten weergeven. Via filters kun je het aantal van 40 tot 55 satellieten in de augmented-reality-weergave uitdunnen. Het aantal Galileo-satellieten dat gedurende de dag zichtbaar is, varieert van vier tot tien. Dat geldt alleen bij vrij zicht op de horizon – en dat heb je zelfs in het vlakke Nederland zelden. Begrens je het zichtveld in de app op 20 graden, dan worden alle satellieten verborgen die dicht bij de horizon staan. Je ziet dan al regelmatig gaten vallen, waarbij zelfs minder dan drie Galileo-satellieten zichtbaar zijn.

Voor een praktijktest van de ontvangst hebben we verschillende apparaten gebruikt: een GPS-apparaat (Garmin Etrex 20, ingesteld op GPS), vier smartphones (Huawei P10, BQ Aquaris X5 Plus, Samsung Galaxy S7, iPhone 7 Plus), een camera (Olympus μTough TG-4) en een sporthorloge (Garmin Fenix 5). Ze hadden allemaal toegang tot GNSS-signalen en bijgewerkte A-GPS-gegevens. Op een geografische referentielocatie werd bij alle apparaten de locatietracking gestart.

De eerste die een positie had bepaald was de Garmin Etrex 20, gevolgd door de Fenix 5, BQ Aquaris X5 Plus, Huawei P10 en Samsung Galaxy S7. De iPhone 7 Plus had wat meer tijd nodig en de camera was de hekkensluiter. Tests op andere tijdstippen hadden een vergelijkbaar resultaat.

Bij het evalueren van de vastgelegde gps-tracks met de app Osmand of het pc-programma GPS-Visualizer liet de Etrex slechts enkele datapunten zien, terwijl de BQ Aquaris er heel veel toonde en daar veelvuldig tussen heen en weer sprong. Het was ook duidelijk dat de apparaten GNSS-blokken met verschillende tussenpozen vastlegden. Alle apparaten konden echter in enkele seconden een locatie bepalen en de tracks kwamen snel uit op de referentielocatie.

Bij een tweede praktijktest werd getest hoe de locatiebepaling verliep met het scenario ‘slechte ontvangst tussen hoge gebouwen’. Daarbij had de Garmin Etrex tot wel drie minuten nodig als hij alleen GPS-satellieten ontving. Pas toen ook Glonass-ontvangst geactiveerd werd, ging het zoals verwacht veel sneller.

Alle smartphones die data van verschillende GNNS-systemen kunnen combineren, hadden aan een klein stukje zichtbare hemel genoeg om minimaal vier bruikbare satellieten te vinden. Maar een zichtbare Galileo-satelliet leverde in slechts twee gevallen een bijdrage aan de geslaagde locatiebepaling.

Geen enkele smartphone gebruikt Galileo-satellieten als eerste keus, maar soms wel als extra databron. Bij voldoende GPS- en Glonass-data zijn smartphones met Galileo niet nauwkeuriger of sneller qua positiebepaling. Wel levert elke extra GNSS-dienst voordeel op in situaties met slechte ontvangst omdat data van verschillende systemen dan gecombineerd kunnen worden.

(Michael Link, c’t magazine)