Dokładność wyznaczania współrzędnych GPS. Dokładność wyznaczania współrzędnych w nawigacji GPS i przyczyny błędów GPS Satelitarne układy współrzędnych GPS i Glonass

Informacja o różnicy pomiędzy wskazaniami standardowych liczników kilometrów i nawigatorów satelitarnych.

Obecność rozbieżności pomiędzy wskazaniami licznika standardowego a danymi licznika przebiegu GPS/GLONASS może prowadzić do sytuacji konfliktowych. Artykuł ten ma na celu wyjaśnienie głównych przyczyn takich rozbieżności w odczytach przyrządów.

Licznik kilometrów to urządzenie służące do pomiaru liczby obrotów koła. Za jego pomocą można zmierzyć odległość przebytą przez pojazd. Licznik kilometrów przelicza przebytą odległość na odczyty na wskaźniku. Zwykle licznik kilometrów składa się z licznika ze wskaźnikiem i czujnika związanego z obrotem koła. Widoczna część licznika kilometrów jest jego wskaźnikiem. Wskaźnik mechaniczny zawiera szereg kół (bębenów) z numerami na desce rozdzielczej samochodu. Każde koło jest podzielone na dziesięć sektorów, z numerem zapisanym na każdym sektorze. Wraz ze wzrostem odległości przebytej przez pojazd koła obracają się, tworząc liczbę wskazującą przebytą odległość.

Licznik może być mechaniczny, elektromechaniczny lub elektroniczny, m.in. w oparciu o pokładową technologię komputerową. Każdy z powyższych typów urządzeń ma swoje własne parametry i błędy.

Przede wszystkim zauważamy, że liczniki pokładowe wszelkiego rodzaju nie należą do klasy przyrządów precyzyjnych. Dla każdego typu tych urządzeń ustalane są błędy dopuszczalne. W tym miejscu należy poczynić ważne uwagi: po pierwsze, błędy te są ustalane tylko dla samych urządzeń; wszelkie zmiany konstrukcyjne, a także fizyczne zużycie niektórych elementów pojazdu nie są objęte tym błędem; po drugie, zgodnie z wymaganiami technicznymi , prędkościomierze nie mogą zaniżać odczytów, dlatego licznik kilometrów, który jest strukturalnie połączony z prędkościomierzem, również z reguły podaje nieznacznie, ale zawyżone odczyty.

Licznik sportowy bez jakiejkolwiek kalibracji zawyża prędkość i dystans o 3,5%, co jest wymagane zgodnie z Międzynarodową konwencją o ruchu drogowym oraz GOST 12936-82, GOST 1578-76, GOST 8.262-77. Dla zwykłych liczników kilometrów nie ma takich standardów (nie zostały one nigdy opracowane ze względu na brak wymagań dotyczących dokładności tych urządzeń).

Błąd prędkościomierza standardowego jest wartością obliczoną empirycznie u producenta samochodu. Poniżej opisano wielkość błędów różnych typów liczników kilometrów.

Mechaniczny licznik kilometrów ma swój własny błąd do 5%. W zależności od warunków eksploatacji pojazdu, zużycia podzespołów i zespołów oraz stosowania niestandardowych części zamiennych, całkowity błąd urządzenia może sięgać 12%-15%.

Liczniki elektromechaniczne – opierają się na odczytach elektronicznego licznika impulsów z czujnika prędkości, tj. Odczyty przyrządu są proporcjonalne do liczby impulsów w jednostce czasu. Urządzenia te są nieco dokładniejsze niż mechaniczne, ale nadal mają błąd 5-7%, ponieważ pozbyły się jedynie słabych punktów samej mechaniki (luzy, kaprysy kabla, cewki, sprężyny powrotnej itp. .).

W pełni elektroniczne liczniki kilometrów są bardziej zaawansowane od liczników elektromechanicznych, ze względu na ulepszony mechanizm kontroli obrotu koła napędowego. Jednocześnie sama zasada monitorowania przebytego dystansu pozostaje niezmieniona, a nawet precyzyjna elektronika uzależniona jest od stanu podwozia pojazdu. Błąd całkowity tych urządzeń rzadko przekracza 5% w przypadku przeprowadzenia dodatkowej kalibracji na odcinku testowym trasy (procedura ta nie występuje u producenta).

W rzeczywistości na dokładność pomiaru odległości przebytej przez samochód za pomocą dowolnego licznika kilometrów wpływa duża liczba czynników zewnętrznych:

Wysokość koła. Na przykład różnica wysokości bieżnika wynosząca 1 cm spowoduje różnicę w przebiegu wynoszącą 1,177 km na 60 km przebiegu samochodu. (łatwo to sprawdzić, mając kalkulator i wzory geometryczne z kursu w szkole średniej - przyjmijmy, że średnica jednego koła wynosi 1 m, drugiego - 1,02 m. Pierwszy wykona 19,108 obrotów, drugi - 18,733. Każde obrót wynosi 3,14 m, różnica 1177 m). A tę różnicę uzyskujemy już przy zaledwie jednym centymetrze! Dlatego licznik kilometrów w samochodzie ze zużytym bieżnikiem będzie pokazywał wyższą wartość w porównaniu do okresu, gdy samochód jeździł na nowych oponach. Ważne jest również, aby wiedzieć, do jakiego rodzaju kół przeznaczony jest licznik kilometrów; jeśli zamontujesz inny typ kół o średnicy, wówczas będą zupełnie inne dane dotyczące prędkości i przebytej odległości w stosunku do rzeczywistych, ponieważ zarówno prędkościomierz a licznik kilometrów liczy liczbę obrotów koła i oblicza na podstawie danych o średnicy koła podanych przez producenta.

Koła różnią się średnicą: na przykład 315/70 i 315/80 natychmiast dadzą różnicę średnicy 6,3 cm, ze wszystkimi wynikającymi z tego konsekwencjami i błędami.

Załadunek samochodu - Gdy samochód jest całkowicie lub nadmiernie obciążony, opona ugina się inaczej, stąd zmienia się średnica koła i odpowiednio mamy opisaną powyżej jakość błędu.
Ciśnienie w oponach – opona zużywa się inaczej przy ciśnieniu normalnym i nienormalnym.

Ślizganie się kół po drodze - logicznie rzecz biorąc, podczas poślizgu, poślizgu lub odwrotnie - hamowania na lodzie, samochód albo pozostaje w miejscu, gdy koła się obracają, albo odwrotnie - porusza się, gdy koła się zatrzymują.

System monitorowania pojazdów oparty na nawigacji GPS/GLONASS działa w następujący sposób. Moduł GPS/GLONASS ustala dane o jego lokalizacji, a następnie za pomocą komunikacji mobilnej poprzez Internet przesyła te dane na serwer, gdzie są one przechowywane, przetwarzane za pomocą map elektronicznych i budowany jest obraz ruchu pojazdu. W tym przypadku nie ma żadnego znaczenia, jak szybko porusza się samochód z klockiem. Podstawową zasadą stosowania systemu jest wyznaczanie lokalizacji poprzez pomiar odległości do obiektu od punktów o znanych współrzędnych – satelitów. Odległość obliczana jest na podstawie czasu opóźnienia propagacji sygnału od jego wysłania przez satelitę do odbioru przez antenę odbiorczą GPS/GLONASS. Oznacza to, że aby określić trójwymiarowe współrzędne GPS/GLONASS, odbiornik musi znać odległość do trzech satelitów oraz czas systemu GPS/GLONASS. Zatem do określenia współrzędnych i wysokości odbiornika wykorzystywane są sygnały z co najmniej czterech satelitów.

Ważną rolę odgrywa również obliczenie uzyskanych współrzędnych, co pozwala zredukować ewentualne niedokładności i przedstawić dokładny obraz ruchu pojazdu. Biorąc pod uwagę dokładność samego systemu nawigacji GPS/GLONASS, a także różnego rodzaju mechanizmy programowe, które pozwalają wyeliminować większe błędy, błąd systemu monitorującego na ogół nie przekracza 4%. Dzięki temu możliwe jest maksymalne dostosowanie danych dotyczących przebiegu pojazdu.

Powszechną wadą korzystania z dowolnego systemu radionawigacji jest to, że w pewnych warunkach sygnał może nie dotrzeć do odbiornika lub może dotrzeć ze znacznym zniekształceniem lub opóźnieniem. Na przykład prawie niemożliwe jest określenie dokładnej lokalizacji w piwnicy lub tunelu. Ponieważ częstotliwość robocza GPS/GLONASS mieści się w zakresie fal radiowych w decymetrach, poziom odbioru sygnału z satelitów może poważnie się pogorszyć w przypadku gęstego listowia drzew lub z powodu bardzo ciężkich chmur. Normalny odbiór sygnałów GPS/GLONASS może zostać zakłócony przez zakłócenia pochodzące z wielu naziemnych źródeł radiowych, a także przez burze magnetyczne. Według oficjalnych danych błąd netto samego nawigatora mieści się w promieniu 10-15 metrów.

Możliwe są także błędy w samym systemie pozycjonowania GPS/GLONASS.

Dokładność pomiarów korzystanie z GLONASS/GPS zależy od konstrukcji i klasy odbiornika, liczby i lokalizacji satelitów (w czasie rzeczywistym), stanu jonosfery i atmosfery ziemskiej (ciężkie chmury itp.), obecności zakłóceń i innych czynników .

Urządzenia GPS „domowe” dla użytkowników „cywilnych” charakteryzują się błędem pomiaru w zakresie od ±3-5m do ±50m i więcej (średnio rzeczywista dokładność, przy minimalnych zakłóceniach, w przypadku nowych modeli jest ±5-15 metrów w szacunku dla). Maksymalna możliwa dokładność sięga +/- 2-3 metrów w poziomie. Wysokość - od ±10-50m do ±100-150 metrów. Wysokościomierz będzie dokładniejszy, jeśli skalibrujesz barometr cyfrowy najbliższym punktem o znanej dokładnej wysokości (np. ze zwykłego atlasu) na płaskim terenie lub przy znanym ciśnieniu atmosferycznym (o ile nie zmienia się ono zbyt szybko, gdy pogoda zmiany).

Mierniki o wysokiej precyzji „klasy geodezyjnej” - dokładniejsze o dwa lub trzy rzędy wielkości (do centymetra w rzucie i wysokości). O rzeczywistej dokładności pomiarów decydują różne czynniki, np. odległość od najbliższej stacji bazowej (korekcyjnej) w obszarze obsługiwanym przez system, krotność (liczba powtarzanych pomiarów/nagromadzeń w jednym punkcie), odpowiednia kontrola jakości pracy , poziom wyszkolenia i doświadczenie praktyczne specjalisty. Z tak precyzyjnego sprzętu mogą korzystać wyłącznie wyspecjalizowane organizacje, służby specjalne i wojsko.

Aby poprawić dokładność nawigacji Zaleca się stosowanie wielosystemowego odbiornika Glanas/GPS - na otwartej przestrzeni (nie ma w pobliżu budynków ani zwisających drzew) o dość płaskim terenie i podłączenie dodatkowej anteny zewnętrznej. W celach marketingowych urządzeniom tym przypisuje się „podwójną niezawodność i dokładność” (w odniesieniu do jednocześnie używanych dwóch systemów satelitarnych Glonass i Gypies), jednak faktyczna poprawa parametrów (zwiększenie dokładności wyznaczania współrzędnych) może wynieść jedynie do kilkadziesiąt procent. Możliwe jest jedynie zauważalne skrócenie czasu rozpoczęcia i czasu trwania pomiaru.

Jakość pomiarów GPS pogarsza się, jeśli satelity znajdują się na niebie w gęstej wiązce lub na jednej linii i „daleko” - blisko horyzontu (to wszystko nazywa się „złą geometrią”) i występują zakłócenia sygnału (wieżowce blokujące, odbijające sygnał, drzewa, w pobliżu strome góry). Po dziennej stronie Ziemi (obecnie oświetlonej przez Słońce) - po przejściu przez plazmę jonosferyczną sygnały radiowe ulegają osłabieniu i zniekształceniu o rząd wielkości silniejsze niż po stronie nocnej. Podczas burzy geomagnetycznej, po silnych rozbłyskach słonecznych, możliwe są przerwy i długie przerwy w pracy urządzeń nawigacji satelitarnej.

Rzeczywista dokładność GPS zależy od rodzaju odbiornika GPS oraz cech gromadzenia i przetwarzania danych. Im więcej kanałów (musi ich być co najmniej 8) w nawigatorze, tym dokładniej i szybciej zostaną określone prawidłowe parametry. Przy odbiorze „danych z pomocniczego serwera lokalizacji A-GPS” przez Internet (poprzez pakietową transmisję danych, w telefonach i smartfonach) zwiększa się szybkość wyznaczania współrzędnych i lokalizacji na mapie.

WAAS (Wide Area Augmentation System, na kontynencie amerykańskim) i EGNOS (European Geostationary nawigacji Overlay Services, w Europie) - podsystemy różnicowe transmitujące drogą geostacjonarną (na wysokościach od 36 tys. km na niższych szerokościach geograficznych do 40 tys. km nad średnimi i wysokimi szerokościami geograficznymi) satelity korygujące informacje do odbiorników GPS (wprowadzane są poprawki). Mogą poprawić jakość pozycjonowania łazika (terenowego, mobilnego odbiornika), jeśli w pobliżu znajdują się i działają naziemne bazowe stacje korekcyjne (stacjonarne odbiorniki sygnału referencyjnego, które mają już bardzo precyzyjne współrzędne odniesienia). W takim przypadku odbiorniki polowe i bazowe muszą jednocześnie śledzić satelity o tej samej nazwie.

Aby zwiększyć prędkość pomiaru Zaleca się stosowanie odbiornika wielokanałowego (8-kanałowego lub więcej), wielosystemowego (Glonas/Gps) z anteną zewnętrzną. Muszą być widoczne co najmniej trzy satelity GPS i dwa GLONASS. Im ich więcej, tym lepszy wynik. Niezbędna jest także dobra widoczność nieba (otwarty horyzont).

Szybki, „gorący” (trwający w pierwszych sekundach) lub „ciepły start” (z czasem pół minuty lub minuty) urządzenia odbiorczego jest możliwy, jeśli zawiera ono aktualny, świeży almanach. W przypadku, gdy nawigator nie był używany przez dłuższy czas, odbiornik jest zmuszony odebrać pełny almanach, a po włączeniu zostanie wykonany zimny start (jeśli urządzenie obsługuje AGPS, to szybciej - do kilka sekund).

Do określenia jedynie współrzędnych poziomych (szerokość/długość geograficzna) wystarczające mogą okazać się sygnały z trzech satelitów. Aby uzyskać współrzędne trójwymiarowe (z wysokością), potrzebne są co najmniej cztery współrzędne.

Satelitarne systemy pozycjonowania i nawigacji, opracowane pierwotnie dla potrzeb wojskowych, znalazły ostatnio szerokie zastosowanie w sferze cywilnej. Monitoring transportu GPS/GLONASS, monitoring osób potrzebujących opieki, monitoring przemieszczania się pracowników, śledzenie zwierząt, śledzenie bagażu, geodezja i kartografia to główne obszary wykorzystania technologii satelitarnych.

Obecnie istnieją dwa globalne systemy lokalizacji satelitarnej utworzone w USA i Federacji Rosyjskiej oraz dwa regionalne, obejmujące swoim zasięgiem Chiny, kraje Unii Europejskiej oraz szereg innych krajów Europy i Azji. Monitoring GLONASS i monitoring GPS są dostępne w Rosji.

Systemy GPS i GLONASS

GPS (Global Position System) to system satelitarny, którego rozwój rozpoczął się w Ameryce w 1977 roku. W 1993 r. program został wdrożony, a w lipcu 1995 r. system był w pełni gotowy. Obecnie sieć kosmiczna GPS składa się z 32 satelitów: 24 głównych i 6 zapasowych. Okrążają Ziemię po średnio-wysokiej orbicie (20 180 km) w sześciu płaszczyznach, po cztery główne satelity w każdej.

Na ziemi znajduje się główna stacja kontrolna oraz dziesięć stacji śledzących, z czego trzy transmitują dane korekcyjne do satelitów najnowszej generacji, które rozprowadzają je po całej sieci.

Rozwój systemu GLONASS (Globalny System Nawigacji Satelitarnej) rozpoczął się w ZSRR w 1982 roku. Zakończenie prac ogłoszono w grudniu 2015 roku. GLONASS do działania potrzebuje 24 satelitów, 18 wystarczy do pokrycia terytorium i Federacji Rosyjskiej, a łączna liczba satelitów znajdujących się obecnie na orbicie (wliczając rezerwowe) to 27. Poruszają się one również po orbicie średnio-wysokiej, ale na niższej wysokości (19 140 km), w trzech płaszczyznach, po osiem głównych satelitów w każdej.

Stacje naziemne GLONASS znajdują się w Rosji (14), na Antarktydzie i w Brazylii (po jednej), a planowane jest rozmieszczenie szeregu dodatkowych stacji.

Poprzednikiem GPS był system Transit, opracowany w 1964 roku w celu kontrolowania wystrzeliwania rakiet z łodzi podwodnych. Potrafił lokalizować wyłącznie obiekty stacjonarne z dokładnością do 50 m, a jedyny satelita był widoczny tylko przez godzinę dziennie. Program GPS nosił wcześniej nazwy DNSS i NAVSTAR. W ZSRR tworzenie systemu nawigacji satelitarnej rozpoczęło się w 1967 roku w ramach programu Cyclone.

Główne różnice pomiędzy systemami monitoringu GLONASS i GPS:

• Amerykańskie satelity poruszają się synchronicznie z Ziemią, podczas gdy rosyjskie satelity poruszają się asynchronicznie;
• różne wysokości i liczba orbit;
• różne kąty nachylenia (około 55° dla GPS, 64,8° dla GLONASS);
• różne formaty sygnałów i częstotliwości robocze.

Korzyści z GPS

• GPS to najstarszy istniejący system pozycjonowania, w pełni sprawny już przed rosyjskim.
• Niezawodność wynika z zastosowania większej liczby redundantnych satelitów.
• Pozycjonowanie odbywa się z mniejszym błędem niż GLONASS (średnio 4 m, a dla satelitów najnowszej generacji - 60–90 cm).
• Wiele urządzeń obsługuje ten system.

Zalety systemu GLONASS

• Pozycja satelitów asynchronicznych na orbicie jest bardziej stabilna, co ułatwia ich kontrolowanie. Regularne regulacje nie są wymagane. Ta zaleta jest ważna dla specjalistów, a nie konsumentów.
• System powstał w Rosji, dzięki czemu zapewnia niezawodny odbiór sygnału i dokładność pozycjonowania na północnych szerokościach geograficznych. Osiąga się to dzięki większemu kątowi nachylenia orbit satelitów.
• GLONASS jest systemem krajowym i pozostanie dostępny dla Rosjan, jeśli GPS zostanie wyłączony.

Wady systemu GPS

• Satelity obracają się synchronicznie z obrotem Ziemi, dlatego dokładne pozycjonowanie wymaga działania stacji korekcyjnych.
• Mały kąt pochylenia nie zapewnia dobrego sygnału i dokładnego pozycjonowania w regionach polarnych i na dużych szerokościach geograficznych.
• Prawo do kontroli systemu należy do wojska, które w przypadku konfliktu z nim może zniekształcić sygnał lub całkowicie wyłączyć GPS dla ludności cywilnej lub innych krajów. Dlatego chociaż GPS w transporcie jest dokładniejszy i wygodniejszy, GLONASS jest bardziej niezawodny.

Wady systemu GLONASS

• Rozwój systemu rozpoczął się później i do niedawna prowadzono go ze znacznym opóźnieniem w stosunku do Amerykanów (kryzys, nadużycia finansowe, kradzieże).
• Niekompletny zestaw satelitów. Żywotność satelitów rosyjskich jest krótsza niż satelitów amerykańskich, częściej wymagają napraw, przez co zmniejsza się dokładność nawigacji w wielu obszarach.
• Satelitarny monitoring pojazdów GLONASS jest droższy od GPS ze względu na wysoki koszt urządzeń przystosowanych do współpracy z krajowym systemem pozycjonowania.
• Brak oprogramowania na smartfony i urządzenia PDA. Moduły GLONASS zostały zaprojektowane z myślą o nawigatorach. W przypadku kompaktowych urządzeń przenośnych obecnie bardziej powszechną i przystępną opcją jest obsługa wyłącznie GPS-GLONASS lub GPS.

Streszczenie

Systemy GPS i GLONASS uzupełniają się. Optymalnym rozwiązaniem jest monitoring satelitarny GPS-GLONASS. Urządzenia posiadające dwa systemy, np. znaczniki GPS z modułem M-Plata GLONASS, zapewniają wysoką dokładność pozycjonowania i niezawodność działania. Jeśli dla pozycjonowania wyłącznie za pomocą GLONASS błąd wynosi średnio 6 m, a dla GPS – 4 m, to przy jednoczesnym korzystaniu z dwóch systemów zmniejsza się do 1,5 m. Ale takie urządzenia z dwoma mikrochipami są droższe.

GLONASS został opracowany specjalnie dla rosyjskich szerokości geograficznych i potencjalnie jest w stanie zapewnić wysoką dokładność; ze względu na brak personelu w satelitach prawdziwą przewagą nadal pozostaje GPS. Zaletami amerykańskiego systemu jest dostępność i szeroki wybór urządzeń obsługujących GPS.

GLONASS/GPS dla każdego: testy dokładności i dostępności pozycjonowania odbiornika jednochipowego w trudnych warunkach pracy

Philip Mattos (Philip Mattos)
Tłumaczenie: Andriej Rusak
wsparcie@witryna
Wiktoria Bulanova
[e-mail chroniony]
Jednoukładowy odbiornik GNSS, który wszedł już do masowej produkcji, został przetestowany w gęstym środowisku miejskim, aby wykazać korzyści płynące z pracy w wielu systemach (GLONASS i GPS) jako odbiornika konsumenckiego. Stosowanie kombinowanego systemu GLONASS/GPS rozpoczęło się od kilkudziesięciu tysięcy odbiorników do pomiarów geodezyjnych, obecnie działają miliony takich urządzeń konsumenckich. Dzięki wzrostowi liczby osobistych urządzeń nawigacji satelitarnej, pojawieniu się samochodowych systemów OEM i telefonów komórkowych, w 2011 roku udało się osiągnąć znaczące wolumeny rynkowe. Wiara w perspektywy rozwoju rynku urządzeń nawigacyjnych popycha producentów komponentów specyficznych dla wysokich częstotliwości, takich jak anteny i filtry SAW, do zwiększania wolumenów produkcji i optymalizacji kosztów towarów. Jedną z pierwszych rosyjskich firm, która wprowadziła na rynek moduły oparte na odbiorniku STM, była NAVIA. Moduły NAVIA GLONASS sprawdziły się już jako niezawodne, wygodne moduły do ​​produkcji gotowych terminali nawigacyjnych i sterowania obiektami ruchomymi. Różne testy modułów wykazały, że ML8088 i GL 8088 spełniają wszystkie parametry podane przez producenta i mogą być z powodzeniem stosowane w urządzeniach monitorujących.

Przeprowadzono testy jednochipowego odbiornika GLONASS/GPS w Londynie, Tokio i Teksasie, które wykazały, że wspólne wykorzystanie wszystkich widzialnych satelitów GLONASS w połączeniu z GPS zapewnia lepszą dostępność pozycjonowania w gęsto zabudowanych obszarach miejskich, a w przypadku słabej dostępności pozycjonowania - lepsze pozycjonowanie, dokładność.

Oczywistym jest, że odbiorniki wielosystemowe cieszą się dużym zainteresowaniem na rynku konsumenckim. Mogą zapewnić pracę na większej liczbie satelitów w warunkach „kaniony miejskie”, gdzie w strefie widoczności widoczna jest tylko część półkuli niebieskiej i wymagana jest duża niezawodność w odfiltrowywaniu zbędnych sygnałów, gdy jakość sygnałów użytecznych jest znacznie ulega degradacji na skutek wielokrotnych odbić i tłumień. Poniżej w skrócie opisano trudności związane z integracją systemu GLONASS (a następnie GALILEO), w oparciu o który produkowane są oszczędne urządzenia dla masowego odbiorcy. Na takim rynku z jednej strony najważniejszy jest koszt, z drugiej strony wysokie wymagania wydajnościowe związane z niskim poziomem sygnału, ograniczonym zużyciem energii, krótkim czasem zimnego startu i stabilnością pozycjonowania.

Celem było wykorzystanie wszystkich dostępnych satelitów do poprawy wydajności konsumenckich urządzeń nawigacyjnych w pomieszczeniach i środowiskach miejskich. Rok 2011 upłynął pod patronatem GLONASS, rozwój tego systemu satelitarnego wyprzedza GALILEO o około trzy lata. Projektując odbiorniki ważne było przezwyciężenie problemów związanych z niekompatybilnością sprzętowej obsługi GLONASS i GPS. Oznacza to, że sygnał GLONASS z modulacją częstotliwości wymagał szerszego pasma częstotliwości niż sygnały modulacji impulsowo-kodowej stosowane przez GPS, filtrów pasmowoprzepustowych z różnymi środkami częstotliwości i różnymi szybkościami transmisji elementów sygnału. A wszystko to bez znaczącego zwiększania kosztu odbiornika.

W idealnych warunkach pracy satelity z dodatkowych konstelacji będą nieskuteczne, ponieważ dostępność pozycjonowania Prawie 100 procent osiągam, korzystając wyłącznie z GPS. Obecność w jonosferze siedmiu, ośmiu lub dziewięciu satelitów wykorzystywanych do pozycjonowania w trybie fiksacyjnym minimalizuje błąd całkowity i podaje prawidłowe współrzędne.

W ekstremalnych warunkach pracy użycie samego GPS pozwala na określenie pozycji, ale użycie tylko trzech, czterech, pięciu satelitów skupionych w wąskiej części półkuli niebieskiej prowadzi do złych wartości DOP. Zwiększenie liczby satelitów znacznie poprawia dokładność, poprawiając tym samym DOP i uśredniając błędy wielościeżkowe. Ograniczenie liczby pozycjonowanych satelitów prowadzi do nałożenia błędów wielościeżkowych na wyznaczanie współrzędnych wzmocnionych DOPów. Dodanie drugiej lub trzeciej konstelacji satelitów wiąże się ze zwiększeniem liczby widocznych satelitów, a co za tym idzie, w proces wyznaczania współrzędnych zaangażowanych jest więcej satelitów, co prowadzi do redukcji błędów.

Dlatego w ekstremalnych warunkach, gdzie samo wykorzystanie GPS nie wystarczy, dodatkowe wykorzystanie satelitów GLONASS (a później GALILEO) zwiększa dostępność pozycjonowania do 100% (z wyjątkiem tuneli podziemnych).

W rzeczywistości dostępność to samodoskonaląca się pętla pozytywnego sprzężenia zwrotnego: ponieważ satelity są stale śledzone, nawet jeśli zostaną odrzucone z udziału w bieżącym rozwiązaniu problemu pozycjonowania przy użyciu algorytmów RAIM / error i FDE, nie ma potrzeby wyszukiwania dla nich ponownie - stały się już dostępne do użytku wcześniej. Jeśli proces pozycjonowania nie zostanie przerwany, możliwe jest dalsze dokładne przewidywanie faz dla satelitów z zamkniętymi przeszkodami, co pozwala na ich natychmiastowe wykorzystanie przy wychodzeniu z cienia, ponieważ nie wymaga otrzymywania dodatkowych informacji do ich wyszukiwania i naprawiania.

Dodatkowe widoczne satelity są bardzo ważne dla konsumenta, zwłaszcza na przykład w przypadku „samopomocy” („samoobsługi”), gdzie minimalną grupę reprezentuje pięć satelitów, a nie trzy lub cztery, aby samodzielnie ustala, czy wszystkie satelity są „poprawne”, korzystając z technik autonomicznego monitorowania integralności odbiornika (RAIM). „Samoobsługa” ma dla GLONASS jeszcze bardziej znaczące zalety: nie ma potrzeby stosowania żadnej infrastruktury, takiej jak serwery wspomagane, co zawsze prowadzi do opóźnień w świadczeniu usług. Metoda GLONASS przesyłania parametrów orbity satelity w formacie Keplera jest również bardzo odpowiednia dla algorytmu „samoobsługi”.

Wartość testowa

Poprzednie próby scharakteryzowania zalet urządzeń wielosystemowych w środowiskach miejskich zostały udaremnione przez konieczność użycia profesjonalnych odbiorników nieprzeznaczonych do takich poziomów sygnału i wymagałyby uzyskania oddzielnych wyników dla każdej grupy lub poświęcenia jednego z pomiarów satelitarnych na rzecz pomiaru czas. Okoliczności te nie pozwoliły nam na dalsze testowanie urządzeń, które miały trafić na rynek masowy.

Wypuszczenie na rynek nowego rozwiązania wielosystemowego ma ogromne znaczenie, gdyż testowany odbiornik jest urządzeniem prawdziwie masowym, jeśli ma zwiększoną czułość i jest w pełni gotowy zarówno do pomiarów, jak i obliczeń. Tym samym autor tego artykułu po raz pierwszy podaje całkowicie wiarygodne wyniki testów.

Tło

Testy przeprowadzono na jednochipowym odbiorniku GNSS Teseo-II (STA-8088). Krótka historia: Jest to produkt z 2009 roku wyprodukowany przez STM, oparty na Cartesio+ z już dołączonym GPS/GALILEO i cyfrowym procesorem sygnałowym (DSP), był gotowy do wszczepienia funkcjonalności GLONASS, co doprowadziło do stworzenia chipa Teseo-II (produkt z 2010 r.). Wyniki testów z rzeczywistymi sygnałami satelitarnymi uzyskano na chipie Baseband w implementacji FPGA pod koniec 2009 roku, a w 2010 roku na gotowym chipie.

Obecny projekt wymagał dodatkowych drobnych modyfikacji obwodu. Wymagane zmiany w sprzęcie i oprogramowaniu DSP były niewielkie i zostaną uwzględnione w następnej zaplanowanej aktualizacji obwodu TeseoII. Implementacja obwodu części RF wymagała znacznie więcej uwagi niż obwód dwukanałowy ze stopniem częstotliwości pośredniej (IF) i przetwornikiem analogowo-cyfrowym (ADC), z dodatkową konwersją częstotliwości i filtrem IF o szerszej przepustowości. Ponieważ jednak powierzchnia kryształu z umieszczoną na nim częścią RF jest bardzo mała w całkowitej objętości, nawet 30% wzrost obwodu jest nieistotny dla całego obwodu. Biorąc pod uwagę fakt, że projekt chipa jest przeznaczony dla wspólnego systemu jednoukładowego (RF i BB, od anteny do pozycjonowania, prędkości i taktowania (PVT)), więc całkowity obszar matrycy dla procesu 65 nm jest bardzo mały.

Z komercyjnego punktu widzenia włączenie wszystkich trzech konstelacji satelitów (GPS/GLONASS iGALILEO) w jeden chip jest nowością dla konsumenta. Wiele firm obecnych na rynku rosyjskim zdecydowało się na podejście dwusystemowe, aby zaspokoić wymagania rosyjskiego rządu dotyczące konieczności pracy w systemie GLONASS. Nie myśleli o przyszłości globalnej, kiedy na świecie będzie kilka ugrupowań pozycjonujących i być może każdy z krajów uczestniczących w tym procesie będzie dalej wysuwał żądania dotyczące dominującego wykorzystania własnego systemu.

W związku z tym rozwiązanieTeseo— II jest rewolucyjny, ponieważ przygotowany z wyprzedzeniem na taki scenariusz i może już otrzymywać systemy GLONASS/ GPS/ GALILEO/ QZSSISBA.

Technicznie rzecz biorąc, włączenie w grupę niezależnych kanałów odbioru i przetwarzania systemu GLONASS również jest nowością, podczas gdy kombinacja GPS/GALILEO jest już standardową praktyką. Osiągnięcie takiej elastyczności wymagało również nowych rozwiązań technicznych, które uwzględniają różne opóźnienia sprzętowe RF i różnice w prędkościach transmisji sygnału. Oprócz tego istnieje obecnie dobrze znana korekta uniwersalnego czasu koordynowanego (UTC) i problem korekcji geoidy.

Bezpośrednie przejście na rozwiązanie jednoukładowe (RF + pasmo podstawowe + procesor) jest rzadkie: jest to ważny przełom technologiczny. Pewność na tym etapie wynika z doświadczenia w korzystaniu z części RF i sprawdzonego obwodu pasma podstawowego procesora. Za podstawę przyjęto zewnętrzny interfejs RF STA5630 oraz zmodyfikowany procesor GPS/GALILEO DSP, które były wcześniej stosowane w Cartesio+.

Niezawodność STA5630/Cartesio+ została sprawdzona w masowej produkcji w postaci oddzielnych obwodów jeszcze przed wypuszczeniem rozwiązań SoC 3 w 1.

W przeciwieństwie do rozwiązań dwuchipowychGPSModuły /GLONASS obecne na rynku rosyjskim, rozwiązanie jednoukładowe firmySTMikroelektronika (Teseo— II) S.T.A.8088 FG ma znacznie większą niezawodność, odporność na zakłócenia, niższy pobór mocy i oczywiście mniejsze wymiary (moduł M.L.8088 Sma wymiary 13 x 15 mm).

Obsługa GLONASS i GALILEO to krok naprzód w porównaniu do poprzedniej generacji sprzętu RF. GALILEO jest kompatybilny z GPS, dlatego można było zastosować istniejący schemat, ale GLONASS wymagał dodatkowych zmian. Patrz rysunki 1 i 2.

Obrazek 1.

Rysunek 2.ZmianyPasmo podstawowe części do obsługi GLONASS

W części RF LNA, wzmacniacz RF i pierwszy mikser zostały połączone w jeden kanał. Pozwoliło nam to zaoszczędzić na liczbie pinów chipa i zminimalizować zużycie energii. Ponadto pozwoliło to na utrzymanie kosztów zewnętrznych dla producentów sprzętu. Sygnał GLONASS, zredukowany w pierwszym mikserze do 30 MHz, wchodzi do wtórnego kanału przetwarzania (pokazanego na brązowo) i zmiksowany do 8 MHz jest podawany do osobnego przetwornika ADC, a następnie do części pasma podstawowego.

Część pasma podstawowego zapewnia dodatkowy etap wstępnego przetwarzania (zaznaczony kolorem brązowym), który przetwarza sygnał na 8 MHz, niezbędny do wprowadzenia do pasma podstawowego i przepuszcza uzyskany sygnał przez filtr przeciwzakłóceniowy, a także zmniejsza częstotliwość próbkowania do standardowa wartość 16, odpowiednia do przetwarzania w sprzęcie DSP.

Istniejące urządzenia akwizycyjne i kanały śledzące mogą wybierać, gdzie i kiedy odbierać sygnały GPS/GALILEO lub GLONASS, co sprawia, że ​​dystrybucja kanałów w zależności od konstelacji satelitów jest bardzo elastyczna.

Mniej widoczne, ale bardzo ważne dla wydajności systemu, jest oprogramowanie sterujące tymi zasobami sprzętowymi, po pierwsze do zamykania pętli śledzenia PLL i wykonywania pomiarów, a po drugie, filtr Kalmana, który konwertuje to, co zmierzone, na dane PVT, niezbędne dla użytkownika .

Wszystko to przeszło modyfikację strukturalną, aby zapewnić obsługę pracy z wieloma konstelacjami satelitów, a nie tylko GLONASS. W tym przypadku rozbudowa oprogramowania o przyszłe globalne systemy nawigacji stanie się etapem ewolucyjnego rozwoju i nie będzie wymagała większych modyfikacji samego kryształu.

Oprogramowanie działało na prawdziwym chipie od 2010 roku, ale korzystając z sygnałów z dowolnego symulatora lub statycznych anten dachowych, dostępne były jedynie dane GPS, które były na tyle dobre, że nie pozwalały na żadne manewry badawcze mające na celu ulepszenie systemu. Na początku 2011 roku dostępne stały się przedprodukcyjne próbki chipów i płytki rozwojowe z antenami w pakiecie, dzięki czemu możliwe było mobilne testowanie w terenie na całym świecie.

Aktualne wyniki

Zanim narodził się kryształ z odbiorem wielosystemowym, wyniki były już widoczne ze wstępnych testów przeprowadzonych na profesjonalnych odbiornikach z oddzielnymi pomiarami GPS i GLONASS. Jednak testy te nie dostarczyły dobrych danych dla odbiornika konsumenckiego, ponieważ wykazały niską czułość. Odbiorniki wymagały wystarczająco czystego sygnału do sterowania PLL, ale nie można było tego zrobić w środowisku miejskim, a co najważniejsze, odbiorniki stworzyły dwa oddzielne rozwiązania ze stałym dodatkowym satelitą, aby poradzić sobie z różnicami czasowymi między systemami. Rozwiązania niesprzężone nie pozwalały na przewidywanie położenia satelitów jednej konstelacji poprzez obliczenie ich położenia na podstawie współrzędnych obliczonych z wykorzystaniem innej konstelacji, co jest jedną z głównych zalet wielosystemowych odbiorników GNSS.

Symulację widocznych satelitów przeprowadzono w 2010 roku w gęstych warunkach miejskich we Włoszech, w centrum Mediolanu. Wyniki uśrednione co minutę z pełnych 24 godzin przedstawia tabela 1. Średnia liczba widocznych satelitów wzrosła z 4,4 przy samym GPS do 7,8 dla GPS+GLONASS, przy liczbie punktów No Fix równej zero. Ponadto w trybie „Tylko GPS” odebrano 380 fałszywych punktów, co stanowiło około 26% całkowitego czasu odbioru.

Tabela 1.Dokładność i dostępnośćGPSIGPS+GLONASS, średnio przez 24 godziny

Dostępność satelitów nie była jednak celem samym w sobie. Posiadanie większej liczby satelitów na tym samym małym obszarze półkuli niebieskiej nad obszarami miejskimi może nie wystarczyć ze względu na geometryczne zmniejszenie dokładności. Aby zbadać te dane, należy zastosować precyzję geometryczną reprezentowaną przez HDOP. Przy jednoczesnym zastosowaniu GLONASS i GPS wynik był 2,5 razy lepszy.

Poprzednie badania wykazały, że w poszczególnych miastach testowych dostępne były od dwóch do trzech dodatkowych satelitów, ale jeden z nich był używany do pomiaru czasu. Używając bardzo czułego odbiornika połączonego w jednym chipie, założyliśmy, że w sprawę zaangażowane będą cztery lub pięć dodatkowych satelitów.

Rzeczywiste rezultaty znacznie przekroczyły nasze oczekiwania. Najpierw pojawiły się sygnały z wielu innych satelitów, gdyż wszystkie dotychczasowe testy i symulacje wykluczały sygnały odbite. Posiadając dodatkowe sygnały, odbiornik znacznie poprawił wydajność DOP. Wpływ odbić na dokładność został znacząco zmniejszony, po pierwsze ze względu na lepszą geometrię pozycjonowania, a po drugie ze względu na zdolność algorytmów FDE/RAIM do utrzymania stabilności śledzenia satelitów. Ponadto zmniejszyła się liczba fałszywych sygnałów, które mogą zniekształcić dane dotyczące współrzędnych.

Przedstawione tutaj wyniki uzyskano dla w pełni zintegrowanego odbiornika o wysokiej czułości, takiego jak odbiornik NAVIA ML8088s, oparty na chipie STA8088s. Jest zoptymalizowany do wykrywania nawet sygnałów o bardzo niskim poziomie i uzyskiwania wyników bezpośrednio ze wszystkich widocznych satelitów, niezależnie od konstelacji. Zapewnia to 100% dostępność satelitów i znacznie poprawia dokładność w trudnych warunkach miejskich.

Dostępność

Zastosowanie bardzo czułych odbiorników niezależnych od pętli synchronizacji fazowej (PLL) zapewnia pełną dostępność w nowoczesnych miastach, nawet w przypadku odbicia od szklanych powierzchni nowoczesnych budynków. Dlatego obecnie wymagane są inne definicje dostępności niż „dostępne są cztery satelity”. Na przykład śledzenie satelitów na danym poziomie jakości sygnału, którego wynik zależy od DOP. Nawet DOP może być trudny do oszacowania, ponieważ filtr Kalmana przypisuje każdemu satelitowi różne wagi, które nie są brane pod uwagę przy obliczaniu DOP. Ponadto, oprócz natychmiastowych pomiarów, filtr ten wykorzystuje pozycję historyczną i aktualną prędkość, co pozostawia niezmienioną dokładność pozycjonowania.

Rysunek 3 przedstawia dostępność satelitów w trybie śledzenia. Testy odbyły się w dzielnicy finansowej Londynu w maju 2011 r.

Śledzone satelity –GPS, GLONASS,GPS+GLONASS

Rysunek 3.GPS(zaznaczone na niebiesko) względem GLONASS (zaznaczone na czerwono) i wszystkich śledzonych satelitówGNSS(zaznaczone na zielono).

Jak widać na rys. 3, w sumie jest 7-8 satelitów GLONASS i 8-9 satelitów GPS, czyli multi-GNSS - około 16 satelitów. Był okres, kiedy sygnały satelitarne nie były odbierane: podczas przejazdu tunelem podziemnym Blackfriars, znacznik czasu około 156400 sekund. W innych obszarach miasta, w czasie około 158 500 i 161 300 sekund, widoczność spadła do czterech satelitów, ale ich łączna liczba nigdy nie była mniejsza niż osiem. Należy zauważyć, że testy odbywały się na starym mieście, gdzie znajdują się głównie budynki kamienne, więc sygnały odblaskowe są słabsze niż w przypadku budynków szklanych i metalowych.

Chociaż dostępność satelitów jest w 100% poza tunelami, może być ograniczona przez DOP lub dokładność pozycjonowania. Jak widać na rysunku 4, z innych testów przeprowadzonych w Londynie, DOP dla wielu GNSS pozostaje poniżej 1, jak powinno być w przypadku 10-16 widocznych satelitów, podczas gdy DOP tylko dla GPS często przekracza 4, bez zniekształceń. słabe sygnały, DOP znacznie wzrasta do 10 w szczycie.

GPSw porównaniu doGNSS

Rysunek 4.TylkoGPSprzeciwko połączonymGPSWskaźniki redukcji dokładności /GLONASS

Ponieważ testy przeprowadzone w maju 2011 r. były na tyle lekkie, że stworzyły stresujące warunki, w których GPS potrzebowałby obsługi wielu GNSS, w sierpniu 2011 r. przeprowadzono nowe testy. Jak widać na zdjęciu lotniczym (ryc. 5), badania przeprowadzono w nowoczesnej, wysokościowej części miasta, Canary Wharf. Dodatkowo drogi w mieście są bardzo wąskie, co jeszcze bardziej utrudnia wyzwania stojące przed miastem. Szklane i metalowe budynki we współczesnej części miasta zwykle zapewniają lepsze odbicie niż budynki kamienne, co powoduje, że algorytmy RAIM i FDE wychodzą poza schematy.

Rysunek 5. GPS vs GNSS, Londyn, Canary Wharf

Uzyskanie wyników wyłącznie GPS było trudne (pokazane na zielono), szczególnie w zamkniętej części stacji Docklands, środkowy lewy, dolny tor.

Rysunek 6 przedstawia te same rzeczywiste wyniki testów, które przedstawiono na schematycznej mapie drogowej.

Rysunek 6. GPS vs GNSS, Londyn, Canary Wharf, szkic mapy

Testy Multi-GNSS (kolor niebieski) wykazały bardzo dobre wyniki, zwłaszcza w północnej (w kierunku wschodnim) części pętli (jazda w Wielkiej Brytanii odbywa się po lewej stronie, więc zgodnie z ruchem wskazówek zegara tworzy się pętla jednokierunkowa).

Rysunek 7. a) Testy w Tokio: Teseo-I (GPS) w porównaniu z Teseo-II (GNSS); b) DOP podczas testów w Tokio

Dalsze testy przeprowadzono w biurach STMicroelectronics na całym świecie. Rysunek 7a przedstawia testy w Tokio, gdzie kolor żółty oznacza wyniki testów chipów poprzedniej generacji bez GLONASS, a kolor czerwony Teseo-II z GPS+GLONASS.

Rysunek 7b zapewnia pewne wyjaśnienie definicji dokładności, pokazując DOP podczas testu. Można zauważyć, że DOP Teseo-II rzadko był wyższy niż 2, ale DOP działający wyłącznie za pomocą GPS (Teseo-I) wynosił od 6 do 12 w zakreślonym północnym związku.

Powtarzamy, że algorytm testu jest prosty dla GPS, ale dokładność określenia jest trudna.

Dalsze testy w Tokio przeprowadzono na węższych ulicach miasta w takich samych warunkach testowych, jak pokazano na rysunku 9. Kolor niebieski – tylko GPS, kolor czerwony – GPS+GLONASS, obserwuje się znaczną poprawę wyników.

Na rysunku 9 zastosowano ten sam schemat kolorów do przedstawienia wyników testów w Dallas, tym razem z odbiornikiem GPS konkurencji w porównaniu z odbiornikiem Teseo-II w konfiguracji GPS+GLONASS, gdzie ponownie uzyskano bardzo dobre wyniki.

Rysunek 8. TylkoGPS(niebieski) vs multi-GNSS(czerwony), Tokio.

Rysunek 9. TylkoGPS(niebieski, odbiornik producenta konkurencyjnego) w porównaniu doGNSS(czerwony), Dallas.

Inne konstelacje satelitów

Chociaż sprzętTeseo— IIwspiera iGALILEO, nie ma jeszcze dostępnych satelitówGALILEO(stan na wrzesień 2011 r.), zatem urządzenia oparte na tym chipie używane na całym świecie nadal nie mają załadowanego oprogramowania do obsługi tej konstelacji satelitów. Jeśli jednak przyjdzie czas skorzystać GALILEOzawsze istnieje możliwość aktualizacji oprogramowania.

Japoński system QZSS dysponuje jednym satelitą transmitującym tradycyjne sygnały kompatybilne z GPS, sygnały SBAS i sygnały L1C BOC. Teseo-II przy pomocy funkcji aktualnie załadowanego oprogramowania radzi sobie z dwoma pierwszymi z nich i o ile w środowisku miejskim stosowanie SBAS-u jest bezużyteczne, gdyż odbicia i zakłócenia sygnału mają charakter lokalny i niewykrywalny, o tyle celem System QZSS ma zapewnić satelitę o bardzo szerokim kącie, aby satelita ten był zawsze dostępny w obszarach miejskich.

Rysunek 10 przedstawia test przeprowadzony w Tajpej (Tajwan) z wykorzystaniem GPS (żółty) w porównaniu z wieloma GNSS (GPS plus jeden satelita QZSS (czerwony)) i prawdą naziemną (fioletowy).

Rysunek 10. TylkoGPS(żółty) w porównaniu z wielomaGNSS (GPS+ QZSS (1 satelita, czerwony)), wartość prawdziwa -liliowy, Tajpej
Dalsza praca

Testy będą kontynuowane w celu uzyskania dokładniejszych wyników ilościowych. Testy odbędą się w Wielkiej Brytanii, gdzie dostępne są mapy drogowe z danymi wektorowymi pokazującymi rzeczywiste wskazówki dojazdu. Planowana jest modyfikacja sprzętu w celu obsługi systemu Compass i GPS-III (L1-C), oprócz istniejącego GALILEO. Wyszukiwanie i śledzenie tych sygnałów zostało już zademonstrowane przy użyciu nagranych wcześniej próbek scenariuszy transmisji na symulatorach sygnałów GNSS.

Kompas nie był dostępny w 2011 roku. W tym względzie prace nad krzemową implementacją Teseo-II skupiały się głównie na maksymalnej elastyczności w warunkach różnych długości kodu, na przykład BOC lub BPSK, co umożliwiło, przy takim czy innym załadowanym oprogramowaniu, konfigurację sprzętu DSP funkcje, zyskują kompatybilność pomiędzy różnymi konstelacjami satelitów.

Prace nad zgodnością bieżącej wersji układu obsługującego wiele GNSS CHIP były słabe: ponieważ częstotliwość środkowa systemu Compass wynosząca 1561 MHz może być utrzymana jedynie przy użyciu oscylatora sterowanego napięciem i PLL, system Compass nie może działać jednocześnie z innymi konstelacjami satelitów. Dodatkowo szybkość transmisji kodu w systemie Compass wynosi 2 miliony bps, co również nie jest obsługiwane przez Teseo-II i można je doprowadzić do standardu poprzez zastosowanie zewnętrznych obwodów alternatywnych, co oznacza poważne straty sygnału.

Dlatego pomoc techniczna firmy Compass dotyczy wyłącznie badań i rozwoju oprogramowania, pojedynczego rozwiązania systemowego lub wykorzystania oddzielnego chipa RF.

Ogólnoświatowy sygnał kompasu, który jest w formacie sygnału GPS/GALILEO na częstotliwości nośnej oraz przy długości kodu i szybkości, będzie w pełni kompatybilny w ramach jednego obwodu obsługującego wiele GNSS, ale najprawdopodobniej nie wcześniej niż w 2020 r.

Testy w warunkach miejskich będą powtarzane w miarę rozwoju grupyGALILEO. Jeśli są 32 kanały, możesz użyć podziału 11/11/10 (GPS/ GALILEO/GLONASS), w obecności pełnego uzupełnienia wszystkich trzech grup, ale w ramach współczesnych wymagań dla służb nawigacyjnych kombinacja 14/8/10 jest więcej niż wystarczająca.

Wniosek

Odbiornik wielosystemowy może obsługiwać GPS, GLONASS i GALILEO przy minimalnie zwiększonych kosztach. Dzięki 32 kanałom śledzącym i maksymalnie 22 widocznym satelitom nawet w najtrudniejszych warunkach miejskich można zapewnić 100% dostępność i akceptowalną dokładność pozycjonowania. Podczas testów zazwyczaj widocznych jest 10–16 satelitów. Wielokrotne pomiary sprawiają, że algorytmy RAIM i FDE są znacznie skuteczniejsze w eliminowaniu słabo odbitych sygnałów, minimalizując jednocześnie geometryczne skutki pozostałych zniekształceń sygnału.

Ostatnio, wraz z rozwojem rosyjskiego GLONASS, potrzeby rynku nawigacji na odbiorniki wielosystemowe jedynie rosną. Wiele krajowych firm korzysta z chipów jednoukładowych STM opracowywać własne moduły GLONASS i gotowe urządzenia pakietowe. W szczególności w 2011 roku firma NAVIA wypuściła 2 połączone GLONASS/ GPS/ Galileuszmodułów, których testy wykazały bardzo dobre wyniki.

Dostępność natychmiastowa lub integralna(Język angielski) Dostępność – reprezentuje procent czasu, w którym warunek PDOP jest spełniony<=6 при углах места КА >= 5 stopni. Prosty przykład: w dawnych czasach, przed 2010 rokiem, dostępność GLONASS w niektórych obszarach globu nie przekraczała 70-80%, ale teraz wszędzie jest to 100%!)

Zmniejszona dokładność Lub Redukcja dokładności geometrycznej(Język angielski) Rozcieńczenie precyzji, DOP, Język angielski Geometryczne rozmycie precyzji (GDOP)

RAIM(Język angielski) Autonomiczne monitorowanie integralności odbiornika Autonomiczne monitorowanie integralności odbiornika (ARIC) to technologia zaprojektowana w celu oceny i utrzymania integralności systemu GPS i odbiornika GPS. Jest to szczególnie ważne w przypadkach, gdy dla zapewnienia odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa niezbędna jest prawidłowa praca systemów GPS, np. w lotnictwie czy nawigacji morskiej.

Wykład z anatomii urządzeń mobilnychV. Nawigacja (GPS, GLONASS itp.) w smartfonach i tabletach. Źródła błędów. Metody testowania.

Do niedawna urządzenia zwane „Nawigatorami” można było kupić w sieciach handlowych. Główna funkcja tych urządzeń w pełni odpowiadała ich nazwie i zwykle wykonywały ją dobrze.

W tamtym czasie praktycznie jedynym normalnie działającym systemem nawigacji na świecie był amerykański GPS (Global Positioning System), który wystarczał na wszelkie potrzeby. Właściwie słowa „nawigacja” (nawigator) i GPS były wówczas synonimami.

Wszystko się zmieniło, gdy producenci PDA (komputerów przenośnych), a następnie smartfonów i tabletów, zaczęli wbudowywać w swoje urządzenia obsługę nawigacji. Fizycznie został on zrealizowany w postaci wbudowanych odbiorników sygnałów nawigacyjnych. Czasami obsługę nawigacji można było znaleźć nawet w telefonach z przyciskami.

Od tego momentu wszystko się zmieniło. Nawigatory, jako osobne urządzenia, niemal zniknęły zarówno z produkcji, jak i sprzedaży. Konsumenci masowo zaczęli używać smartfonów i tabletów jako nawigatorów.
W międzyczasie pomyślnie uruchomiono dwa kolejne systemy nawigacji – rosyjski GLONASS i chiński Beidou (Beidou, BDS).

Nie oznacza to jednak, że poprawiła się jakość nawigacji. Funkcja nawigacji w tych urządzeniach (smartfonach i tabletach) nie stała się już funkcją główną, ale jedną z wielu.

W rezultacie wielu użytkowników zaczęło zauważać, że nie wszystkie smartfony są „równie przydatne” do celów nawigacji.

W tym miejscu dochodzimy do problemu identyfikacji źródeł błędów w nawigacji, w tym do pytania o rolę nieuczciwości producentów urządzeń w tej kwestii. Smutne ale prawdziwe.

Zanim jednak zrzucimy winę na producentów za wszystkie ich grzechy, przyjrzyjmy się najpierw źródłom błędów w nawigacji. Producenci bowiem, jak się później przekonamy, nie są winni wszystkich grzechów, a jedynie połowy. :)

Błędy nawigacji można podzielić na dwie główne klasy: powstałe z przyczyn zewnętrznych w stosunku do urządzenia nawigacyjnego i wewnętrzne.

Zacznijmy od przyczyn zewnętrznych. Powstają głównie na skutek nierównomierności atmosfery i naturalnego błędu technicznego przyrządów pomiarowych.

Ich przybliżony wkład to:

Załamanie sygnału w jonosferze ± 5 metrów;
- Wahania orbity satelity ± 2,5 metra;
- Błąd zegara satelitarnego ± 2 metry;
- Nierówności troposferyczne ± 0,5 metra;
- Wpływ odbić od obiektów± 1 metr;
- Błędy pomiaru w odbiorniku ± 1 metr.

Błędy te mają losowy znak i kierunek, zatem błąd końcowy obliczany jest zgodnie z teorią prawdopodobieństwa jako pierwiastek z sumy kwadratów i wynosi 6,12 metra. Nie oznacza to, że błąd będzie zawsze taki. Zależy to od liczby widocznych satelitów, ich wzajemnego położenia, a przede wszystkim od poziomu odbić od otaczających obiektów i wpływu przeszkód na osłabienie sygnałów satelitarnych. W efekcie błąd może być większy lub mniejszy od podanej wartości „uśrednionej”.

Sygnały z satelitów mogą osłabić się np. w następujących przypadkach:
- w pomieszczeniu;
- gdy znajduje się pomiędzy blisko rozmieszczonymi wysokimi obiektami (między wieżowcami, w wąskim wąwozie górskim itp.);
- będąc w lesie. Doświadczenie pokazuje, że gęsty, wysoki las może znacznie utrudnić nawigację.

Problemy te wynikają z faktu, że sygnały radiowe o wysokiej częstotliwości przemieszczają się jak światło – to znaczy tylko w zasięgu wzroku.

Czasami nawigacja, choć z błędami, może działać również na sygnałach odbitych od przeszkód; ale gdy są wielokrotnie odbijane, stają się tak słabe, że nawigacja przestaje z nimi współpracować.

Przejdźmy teraz do „wewnętrznych” przyczyn błędów w nawigacji; te. które są tworzone przez sam smartfon lub tablet.

Właściwie są tu tylko dwa problemy. Po pierwsze słaba czułość odbiornika nawigacyjnego (lub problemy z anteną); po drugie, „krzywe” oprogramowanie smartfona lub tabletu.

Zanim przyjrzymy się konkretnym przykładom, porozmawiajmy o sposobach sprawdzenia jakości nawigacji.

Metody testowania nawigacji.

1. Testowanie nawigacji w trybie „statycznym” (ze smartfonem/tabletem w pozycji nieruchomej).

Kontrola ta umożliwia określenie następujących parametrów:
- prędkość wstępnego wyznaczania współrzędnych podczas „zimnego startu” (mierzona przez zegar);
- listę systemów nawigacji, z którymi współpracuje ten smartfon/tablet (GPS, GLONASS itp.);
- szacunkowa dokładność wyznaczania współrzędnych;
- prędkość wyznaczania współrzędnych podczas „gorącego startu”.

Parametry te można określić zarówno za pomocą zwykłych programów nawigacyjnych, jak i specjalnych programów testowych (co jest wygodniejsze).

Zasady testowania statycznego są bardzo proste: należy przeprowadzić testowanie w otwartej przestrzeni(szeroka ulica, plac, pole itp.) i gdy Internet jest wyłączony. W przypadku naruszenia tego ostatniego warunku czas „zimnego startu” można znacznie przyspieszyć dzięki bezpośredniemu pobieraniu orbit satelitów z Internetu (A-GPS, Assisted GPS) zamiast wyznaczania ich na podstawie sygnałów z samych satelitów; ale nie będzie to już „sprawiedliwe”, ponieważ nie będzie to już wyłącznie zasługa samego systemu nawigacji.

Spójrzmy na przykład działania programu do testowania nawigacji AndroiTS (istnieją analogi):

(Kliknij, aby powiększyć)

Z zaprezentowanego właśnie zdjęcia widać, że smartfon współpracuje z trzema systemami nawigacji: amerykańskim GPS, rosyjskim GLONASS i chińskim Beidou (BDS).

Na dole zrzutu ekranu możesz zobaczyć pomyślnie określone współrzędne aktualnej lokalizacji. Wartość jednego stopnia szerokości geograficznej wynosi około 100 km, zatem cena jednostki najniższego stopnia wynosi 10 cm.

Wartość jednego stopnia długości geograficznej jest różna dla różnych lokalizacji geograficznych. Na równiku również wynosi około 100 km, a w pobliżu biegunów maleje do 0 (na biegunach południki zbliżają się do siebie).

Po prawej stronie kolumny wskazującej narodowość satelitów znajduje się kolumna z numerami satelitów. Liczby te są z nimi ściśle powiązane i nie ulegają zmianie.

Następne są kolumny z kolorowymi paskami. Rozmiar pasków wskazuje poziom sygnału, a kolor wskazuje, czy są one używane przez system nawigacji. Nieużywane satelity są oznaczone szarymi słupkami. Kolor tych zastosowanych zależy od poziomu ich sygnału.

Następna kolumna to także poziom sygnału z satelitów nawigacyjnych, ale w liczbach („jednostki konwencjonalne”).

Następnie znajduje się kolumna z zielonymi znacznikami i czerwonymi myślnikami - jest to powtórzenie informacji o tym, czy satelita jest używany, czy nie.

W górnym wierszu słowo „ON” wskazuje stan stanu nawigacji; w tym przypadku oznacza to, że w ustawieniach smartfona dozwolone jest określanie współrzędnych i są one ustalane. Jeśli status to „WAIT”, wówczas określenie współrzędnych jest dozwolone, ale wymagana liczba satelitów nie została jeszcze znaleziona. Stan „OFF” oznacza, że ​​w ustawieniach smartfona zabronione jest określanie współrzędnych.

Następnie okrąg z koncentrycznymi okręgami i cyfrą 5 wskazuje szacowaną obecnie dokładność określenia współrzędnych - 5 m. Wartość ta wyliczana jest na podstawie ilości i „jakości” wykorzystanych satelitów i zakłada, że ​​przetwarzanie danych z satelitów w smartfonie odbywa się bezbłędnie; ale jak zobaczymy później, nie zawsze tak jest.

W miarę ruchu satelitów wszystkie te dane powinny się zmieniać, ale współrzędne (w dolnej linii) powinny się nieznacznie zmienić.

Niestety ta aplikacja nie pokazuje czasu potrzebnego na wstępne określenie współrzędnych („zimny start”), podobnie jak inne podobne aplikacje. Czas ten należy ustawić ręcznie. Jeśli czas „zimnego startu” był krótszy niż minuta, jest to doskonały wynik; do 5 minut – dobrze; do 15 minut – średnio; ponad 15 minut – źle.

Aby określić prędkość „gorącego startu”, wystarczy wyjść z programu testującego i zalogować się ponownie po kilku minutach. Z reguły podczas uruchamiania programu testowego udaje mu się ustalić współrzędne i natychmiast przedstawić je użytkownikowi. Jeśli opóźnienie w prezentacji współrzędnych podczas „gorącego startu” przekracza 10 sekund, to jest już podejrzanie długie.

Efekt szybkiego określenia współrzędnych podczas „gorącego startu” wynika z faktu, że system nawigacji zapamiętuje ostatnio obliczone orbity satelitów i nie musi ich ponownie wyznaczać.

Dlatego uporządkowaliśmy testowanie nawigacji w trybie „statycznym”.

Przejdźmy dalej do drugiego punktu testowania nawigacji – w ruchu.

Głównym celem nawigacji jest doprowadzenie nas w trakcie ruchu we właściwe miejsce, a bez testów w ruchu test byłby niekompletny.

W procesie przemieszczania się, z punktu widzenia nawigacji, istnieją trzy rodzaje terenu: teren otwarty, obszary miejskie i las.

Otwarte tereny to idealne warunki do żeglugi, nie ma tu żadnych problemów (poza bardzo „chujowymi” urządzeniami).

Zabudowa miejska w większości przypadków charakteryzuje się wysokim poziomem odbić i niewielkim spadkiem poziomu sygnału.

Las „działa” na odwrót – znaczne osłabienie sygnału i niski poziom odbić.

Najpierw spójrzmy na próbkę niemal „idealnego” utworu:

Na zdjęciu dwie ścieżki: tam/z powrotem (tak będzie w przypadku prawie wszystkich zdjęć). Takie zdjęcia pozwalają wyciągnąć wiarygodne wnioski na temat jakości nawigacji, ponieważ można porównać dwa prawie identyczne tory ze sobą i z drogą. Na tym zdjęciu wszystko jest w porządku - drgania toru mieszczą się w granicach błędu naturalnego. W górnej części odpowiednio narysowano przejazdy po różnych stronach ronda. W niektórych miejscach zauważalna jest rozbieżność torów, prawdopodobnie spowodowana odbiciami sygnału od powierzchni wody oraz od metalowych konstrukcji mostu nad rzeką. A w niektórych - niemal idealny zbieg okoliczności.

Przyjrzyjmy się teraz kilku typowym przypadkom „problematycznych” utworów.

Przyjrzyjmy się śladowi GPS smartfona, na który wpłynął spadek poziomu sygnału w wysokim lesie:

Odchylenie torów od siebie i od drogi jest zauważalne, ale dalekie od katastrofalnego. W tym przypadku dokładność nawigacji smartfona spadła w granicach „naturalnego spadku” dla takich warunków. Taki smartfon trzeba uznać za nadający się do celów nawigacyjnych.

Po prawej stronie obrazka wyraźnie widać rozbieżności pomiędzy torami a drogą. Takie rozbieżności w warunkach tak „dobrze ukształtowanego” rozwoju są niemal nieuniknione i w tym przypadku w żaden sposób nie przemawiają na niekorzyść testowanego smartfona.

Teoretycznie im więcej systemów nawigacyjnych obsługuje smartfon (tablet), tym więcej satelitów wykorzystuje do nawigacji i tym mniejszy powinien być błąd.
W praktyce nie zawsze tak jest. Dość często z powodu nieuczciwego oprogramowania smartfon nie może poprawnie połączyć danych z różnych systemów, w wyniku czego pojawiają się nietypowe błędy. Spójrzmy na kilka przykładów.

Weźmy na przykład ten utwór:

Na pokazanym zrzucie ekranu widać wyrzut w kształcie igły, który nie mógł być wynikiem jakiejkolwiek interferencji: ścieżka przebiegała przez niski budynek bez gęstej zalesionej roślinności. To wydanie jest całkowicie oparte na „nieuczciwym” oprogramowaniu.

Ale to wciąż były „kwiaty”. Są smartfony, w których nietypowe błędy nawigacji to już nie kwiaty, a jagody:

Podczas nagrywania tego utworu anomalne błędy w „krzywym” oprogramowaniu połączyły się z osłabieniem sygnałów w wysokim lesie. W rezultacie powstał ślad, z którego po prostu nie sposób odgadnąć, czy drogę tam i z powrotem pokonała ta sama droga osoba trzeźwa. :)
A gruba wiązka linii u góry to „ścieżka” nieruchomego smartfona podczas postoju. :)

Istnieje jeszcze inny rodzaj anormalnego błędu związany z przerwą w przepływie danych pochodzących z odbiornika nawigacyjnego do części obliczeniowej smartfona:

Na zdjęciu widać, że część ścieżki (około 300 m) przebiegała po linii prostej, a część bezpośrednio przez wodę. :)

W tym przypadku smartfon po prostu połączył linią prostą punkty, w których strumień współrzędnych zniknął i pojawił się. Ich utratę można wiązać albo ze spadkiem liczby widocznych satelitów poniżej wartości krytycznej, albo z „krzywym” oprogramowaniem, a nawet problemami ze sprzętem (choć to drugie jest mało prawdopodobne).

W przypadku całkowitej utraty sygnału z satelitów programy nawigacyjne zazwyczaj nie łączą punktów utraty i pojawienia się liniami prostymi, lecz po prostu pozostawiają „pustą przestrzeń” (skutkuje to przerwą w torze):

Na zdjęciu widać przerwę w torze w miejscu gdzie część toru przechodziła przez podziemne przejście przy całkowitej utracie widoczności wszystkich satelitów.

Po przestudiowaniu przyczyn i typowych błędów nawigacji przyszedł czas przejdź do wniosków.

Jak można się spodziewać, najlepszą nawigację zapewniają smartfony i tablety „wysokich” marek. Nie wykryto jeszcze w nich problemów w postaci nietypowych błędów. I oczywiście im więcej systemów nawigacji obsługuje urządzenie, tym lepiej. To prawda, że ​​​​wsparcie dla chińskiego Beidou nadal ma sens w przypadku korzystania z urządzenia w regionach i krajach położonych w pobliżu Państwa Środka. Chiński system nawigacji nie jest globalny, ale „lokalny” (na razie). Zatem obsługa GPS i GLONASS będzie wystarczająca.

Jeśli smartfon lub tablet nie jest bardzo „renomowanego” pochodzenia, mogą wystąpić problemy z nawigacją lub nie. Przed użyciem go w walce zaleca się przetestowanie go zarówno statycznie, jak i w ruchu, w różnych środowiskach, aby później nie sprawił żadnej nieprzyjemnej niespodzianki. W większości przypadków urządzenia mobilne obsługujące tylko GPS powodują mniej problemów, chociaż są mniej dokładne niż urządzenia wielosystemowe.

Niestety przy wyborze smartfona (tabletu) z dobrą nawigacją poruszanie się po recenzjach urządzeń w Internecie jest dość trudne. Zdecydowana większość portali IT ignoruje sprawdzanie nawigacji w ruchu i w trudnych warunkach. Ta kontrola jest wykonywana tylko na tym portalu () i dosłownie na kilku innych.

Wreszcie Trzeba powiedzieć, że nie tylko smartfony i tablety, ale także wiele innych urządzeń jest obecnie wyposażonych w pomoce nawigacyjne. Instalowane są m.in. w aparatach fotograficznych, kamerach wideo, trackerach GPS, wideorejestratorach samochodowych, inteligentnych zegarkach, niektórych specjalistycznych urządzeniach, a nawet w elektronicznym systemie podatkowym dla kierowców rosyjskich ciężkich ciężarówek „Platon”.

Twój doktor.
20.01.2017