ГЛОНАСС/GPS для всех: испытания на точность и доступность позиционирования однокристального приёмника в сложных условиях эксплуатации

Philip Mattos (Филипп Маттос)
Перевод: Андрей Русак
support@сайт
Виктория Буланова
[email protected]
Однокристальный GNSS приёмник, который сейчас вышел в серийное производство, был испытан в условиях плотной городской застройки с целью демонстрации преимуществ мультисистемной (ГЛОНАСС и GPS) работы в качестве потребительского приёмника. Применение комбинированной системы ГЛОНАСС/GPS началось с нескольких десятков тысяч приёмников для геодезической съёмки, на данный момент работают миллионы таких потребительских устройств. Благодаря росту количества персональных устройств спутниковой навигации, появлению автомобильных ОЕМ-систем и мобильных телефонов удалось достичь существенных объёмов на рынке в 2011 году. Уверенность в перспективности развития рынка навигационных пользовательских устройств подталкивает производителей высокочастотных специфических компонентов, таких как антенны и ПАВ-фильтры, к увеличению объёмов производства и оптимизации стоимости товаров. Одной из первых российских компаний, которая выпустила на рынок модули, выполненные на основе приемника STM, стала НАВИА. ГЛОНАСС-модули НАВИА уже зарекомендовали себя как надёжные, удобные модули для производства готовых терминалов навигации и управления движущимися объектами. Различные тесты модулей, показали, что ML8088s и GL 8088s отвечают всем заявленным характеристикам производителя и могут успешно применяться в устройствах мониторинга.

Испытания однокристального ГЛОНАСС/GPS приёмника в Лондоне, Токио и Техасе были проведены для того, чтобы показать, что совместное использование всех видимых спутников ГЛОНАСС в купе с GPS даёт лучшую доступность позиционирования в условиях плотной городской застройки, а в случае плохой доступности позиционирования — лучшую его точность.

Очевидно, что мультисистемные приёмники очень востребованы на потребительском рынке. Они могут обеспечить работу по большему числу спутников в условиях «городских каньонов», где в зоне видимости имеется только часть небесной полусферы и требуется высокая надёжность в отсеивании лишних сигналов, когда качество полезных сигналов сильно ухудшено из-за многократных переотражений и аттеньюаций. Далее кратко описываются трудности интеграции системы ГЛОНАСС (и в дальнейшем GALILEO), на основе которой выпускаются экономичные устройства для массового потребителя. Для такого рынка, с одной стороны, стоимость стоит на первом месте, а с другой стороны, предъявляются высокие требования к производительности, связанные с низким уровнем сигнала, ограничением в энергопотреблении, коротким временем «холодного» старта и стабильности позиционирования.

Цель состояла в том, чтобы, используя все доступные спутники, улучшить работу потребительских навигационных устройств в условиях помещений и городской застройки. 2011 год прошёл под эгидой поддержки ГЛОНАСС, развитие данной спутниковой системы опережает GALILEO примерно на три года. При проектировании приёмников, важно было преодолеть проблемы несовместимости аппаратной поддержки ГЛОНАСС и GPS. То есть частотно-модулированный сигнал ГЛОНАСС потребовал более широкой полосы частот, чем сигналы импульсно-кодовой модуляции, используемые GPS, полосовых фильтров с разными центрами частот и разной скоростью передачи элементов сигнала. И все это — без значительного увеличения стоимости приемника.

При идеальных условиях эксплуатации, спутники из дополнительных группировок будут малоэффективны, так как доступность позиционировани я приближается к 100 процентам при использовании только GPS. Присутствие в ионосфере используемых для позиционирования семи, восьми или девяти спутников в режиме фиксации минимизирует суммарную ошибку и дает правильные координаты.

В экстремальных условиях эксплуатации применение только GPS позволяет определить положение, но использование при этом только трёх, четырёх, пяти спутников, сосредоточенных в узкой части небесной полусферы, приводит к плохим значениям DOP . Увеличение числа спутников значительно повышает точность, вследствие чего улучшается DOP и усредняется количество многолучевых ошибок. Ограничение числа позиционируемых спутников приводит к наложению многолучевых ошибок на определение координат усиливаемых DOP. Добавление второй или третьей спутниковой группировки предполагает расширение числа видимых спутников, и таким образом, в процессе определения координат участвует большее количество спутников, что приводит к уменьшению ошибок.

Поэтому в экстремальных условиях, где использование только GPS недостаточно, дополнительное применение спутников ГЛОНАСС (и в дальнейшем GALILEO) повышает доступность позиционирования до 100% (за исключением подземных туннелей).

Фактически, доступность – это самоулучшающаяся петля положительной обратной связи: поскольку спутники постоянно отслеживаются, то, даже будучи отклонении их от участия в текущем решении задачи позиционирования с помощью алгоритмов RAIM /fault и FDE, не требуется повторного их поиска — они уже стали доступными для применения ранее. Если процесс позиционирования не прерывается, то можно продолжать точно предсказывать фазы для спутников с закрытыми препятствиями, что позволяет осуществлять мгновенное использование их при выходе «из тени», так как при этом не требуется приём дополнительной информации для их поиска и фиксации.

Дополнительные видимые спутники очень важны для потребителя, в частности, — как пример, при «self-assistance» («самообслуживании»), когда минимальная группа представлена пятью спутниками, а не тремя-четырьмя, чтобы автономно установить, что все спутники «правильные», с использованием методов автономного контроля целостности приёмника (RAIM). «Самообслуживание» имеет ещё более значительные преимущества у ГЛОНАСС: не нужно никакой инфраструктуры типа assisted-серверов, всегда приводящих к задержке в обслуживании. Метод ГЛОНАСС передачи параметров спутниковых орбит в Кеплеровском формате также очень подходит для алгоритма «самообслуживания».

Значение испытаний

Предыдущие попытки охарактеризовать преимущества мультисистемных устройств в городских условиях были приостановлены в связи с необходимостью использования профессиональных приёмников, не предназначенных для таких уровней сигнала, а также пришлось бы получать отдельные результаты для каждой группы или пожертвовать одним из спутниковых измерений для измерения времени. Эти обстоятельства не позволили продолжить испытания устройств, которые были запланированы для выхода на массовый рынок.

Выход нового мультисистемного решения имеет большое значение, так как тестируемый приёмник является по-настоящему массовым устройством, если он имеет повышенную чувствительность и полностью готовый как для измерения, так и для вычисления. Таким образом, автор этой статьи впервые сообщает абсолютно достоверные результаты испытаний.

Предыстория

Испытания проводились на однокристальном приёмнике GNSS Teseo-II (STA-8088). Краткая история: это продукт 2009 года выпуска, производства STM, основанный на Cartesio+ с уже включенными функциями GPS/GALILEO и процессором цифровых сигналов (DSP), он был готов для имплантирования функции ГЛОНАСС, что привело к созданию чипа Teseo-II (продукт 2010 года). Результаты испытаний с реальными спутниковыми сигналами были получены на Baseband-чипе в FPGA реализации уже в конце 2009 года, а в 2010 году – уже при использовании готового чипа.

Текущий дизайн потребовал введения дополнительных незначительных доработок схемы. Необходимые аппаратные и программные изменения DSP являлись небольшими и включены в следующее запланированное обновление схемы TeseoII. Реализация схемы RF-части потребовала гораздо большего внимания, чем двухканальная схема с каскадом промежуточной частоты (IF) и аналого-цифровой преобразователем (ADC), с дополнительным преобразованием частоты и более широкой полосы частот фильтра IF. Но, так как область кристалла с находящейся на ней RF-частью в общем объеме очень мала, то даже 30% увеличения схемы здесь незначительны для всей схемы. В соответствии с тем, что дизайн чипа рассчитан на общую однокристальную систему (RF и BB, от антенны до позиционирования, скорости и синхронизации (PVT)), поэтому общая площадь кристалла для 65-нанометрового процесса очень мала.

С коммерческой точки зрения, включение всех трёх спутниковых групп (GPS /ГЛОНАСС и GALILEO ) в одну микросхему ново для потребителя. Многие из присутствующих на российском рынке компаний остановились на двухсистемном подходе, лишь бы удовлетворить требованиям правительства РФ о необходимости работы в системе ГЛОНАСС. Они не задумывались о будущем глобально, когда в мире будет присутствовать несколько группировок позиционирования и возможно каждая из стран — участниц этого процесса будет выдвигать в дальнейшем требования к преимущественному использованию своей – родной — системы.

В этом плане решение Teseo — II является революционным, т.к. заранее подготовлено к такому сценарию и уже сейчас может принимать системы ГЛОНАСС/ GPS / GALILEO / QZSS и SBAS .

Технически, включение в группу независимых каналов приёма и обработки системы ГЛОНАСС — тоже новинка, в то время как комбинация GPS/GALILEO – уже стандартная практика. Для достижения такой гибкости также потребовались новые технические решения, учитывающие различающиеся аппаратные RF задержки, различия в скорости передачи сигналов. В дополнение к этому, существуют уже ставшие хорошо известными коррекция универсального глобального времени (UTC) и проблема коррекции геоида.

Прямой переход на одночиповое решение (RF + Baseband + CPU) встречается нечасто: это важный технологический прорыв. Доверие к этому шагу обусловлено опытом использования RF части и отработанной схемой Baseband процессора. За основу были взяты внешний RF интерфейс STA5630 и модифицированный GPS/GALILEO DSP, которые ранее были применены в Cartesio+.

Надёжность использования STA5630/Cartesio+ была доказана при массовом производстве в виде отдельных схем еще до выхода однокристальных решений «три-в-одном».

В отличие от двухчиповых решений GPS /ГЛОНАСС модулей, присутствующих на российском рынке, одночиповое решение от STMicroelectronics (Teseo — II ) STA 8088 FG обладает гораздо большей надёжностью, помехозащищенностью, меньшим энергопотреблением и конечно, меньшими размерами (модуль ML 8088 s имеет размеры 13 х15 мм).

Поддержка ГЛОНАСС и GALILEO – это шаг вперед относительно предыдущего поколения аппаратной части RF. GALILEO совместим с GPS и, поэтому можно было использовать существующую схему, а ГЛОНАСС потребовал дополнительных изменений. См. рисунки 1 и 2.

Рисунок 1.

Рисунок 2. Изменения Baseband части для поддержки ГЛОНАСС

В RF-части, LNA, RF-усилитель и первый смеситель были объединены в один канал. Это позволило сэкономить на количестве выводов чипа и свести к минимуму энергопотребление. Более того, это позволило сохранить внешние издержки для производителей оборудования. Сигнал ГЛОНАСС, сниженный в первом смесителе до 30 МГц, поступает в канал вторичной обработки (показан коричневым цветом) и микшируясь до 8 МГц, подаётся на отдельный ADC и, далее в Baseband часть.

В Baseband части предусматривается дополнительный предварительный каскад обработки (обозначен коричневым цветом), который преобразует сигнал в 8 МГц, что необходимо для подачи в Baseband и пропускает полученный сигнал через режекторный фильтр защиты от заградительных помех, а также снижает частоту дискретизации до стандартного значения 16, пригодной для обработки в аппаратном обеспечении DSP.

Существующие устройства захвата и каналы слежения могут выбрать куда и когда принять сигналы GPS/GALILEO или ГЛОНАСС, что делает очень гибким распределение каналов по отношению к спутниковым группировкам.

Менее заметным, но очень важным моментом по отношению к производительности системы является программное обеспечение, которое контролирует данные аппаратные ресурсы, во-первых, чтобы замкнуть петли PLL слежения и провести измерения, а во-вторых, фильтр Кальмана, который преобразует измеренное в данные PVT, необходимые пользователю.

Все это претерпело структурную модификацию, чтобы обеспечить поддержку работы со многими спутниковыми группировками, а не только с ГЛОНАСС. В этом случае расширение программного обеспечения для приёма будущих глобальных навигационных систем станет этапом эволюционного развития, и не потребует серьезных доработок самого кристалла.

Программное обеспечение работало на реальном кристалле с 2010 года, но при использовании сигналов от любого симулятора или статических установленных на крыше антенн, были доступны только GPS данные, которые были настолько хороши, что не позволяли каких-либо манёвров для исследования по улучшению системы. В начале 2011 года стали доступны предпроизводственные образцы чипов и отладочные платы с антеннами в корпусе, что сделало возможным проведение мобильных полевых испытаний во всем мире.

Фактические результаты

До рождения кристалла с мультисистемным приёмом, результаты уже были видимы по пред-варительным испытаниям, проведенных с использованием профессиональных приемников с раздельными измерениями GPS и ГЛОНАСС. Тем не менее, эти испытания не дали хороших данных для потребительского приемника, потому что они показали низкую чувствительность. Приемники требовали достаточно чистого сигнала для управления PLL, но это нельзя было сделать в условиях города, и что самое главное, приемники создавали два отдельных решения при наличии постоянного дополнительного спутника для решения межсистемных различий во времени. Несвязанные решения не позволяли предсказывать положение спутников одной группировки за счёт вычисления их положения, опираясь на координаты, рассчитанные с применением другой, что является одним из главных преимуществ мультисистемных приёмников GNSS.

Моделирование видимых спутников было поведено в 2010 году в условиях плотной городской застройки в Италии, центре Милана. Результаты, усредняемые каждую минуту за полные 24 часа представлены в Таблице 1. Среднее число видимых спутников увеличивалось от 4,4 только с GPS, до 7,8 для GPS+ГЛОНАСС, с количеством точек «без фиксации позиции» (No Fix) равным нулю. Причем в режиме «только с GPS» было получено 380 ложных точек что составило около 26% общего времени приёма.

Таблица 1. Точность и доступность GPS и GPS +ГЛОНАСС, в среднем свыше 24 часов

Однако доступность спутников сама по себе не являлась самоцелью. Наличие большего количества спутников в одном и том же небольшом участке небесной полусферы над городской застройкой может быть недостаточным из-за геометрического снижения точности. Для изучения этих данных, геометрическая точность, представленная HDOP . При совместном использовании ГЛОНАСС и GPS результат оказался в 2,5 раза лучше.

Предыдущие исследования показали, что в отдельных городах, где проводились испытания, были доступны от двух до трех дополнительных спутников, но один из них использовался для временного определения. При применении совмещенного на одном кристалле высокочувствительного приемника мы предполагали, что будут задействованы от четырех или пять дополнительных спутников.

Фактические результаты намного превзошли наши ожидания. Во-первых, появились сигналы от многих других спутников, так как все предыдущие испытания и симуляции исключали отраженные сигналы. Имея дополнительные сигналы, приёмник значительно улучшил показатели DOP. Эффект влияния отражений на точность был существенно снижен, во-первых за счёт лучшей геометрии позиционирования, а во-вторых за счёт способности алгоритмов FDE/RAIM поддерживать устойчивость слежения за спутниками. К тому же уменьшилось количество ложных сигналов, способных исказить данные о координатах.

Результаты, представленные здесь, получены от полностью интегрированного высокочувствительного приемника, каким является приёмник NAVIA ML8088s, выполненного на чипе STA8088s. Он оптимизирован для обнаружения сигналов даже очень низкого уровня и получения результатов, полученных непосредственно от всех спутников, находящихся в поле зрения, вне зависимости от группировки. Это обеспечивает 100-процентную доступность спутников и намного повышает точность в сложных условиях городской застройки.

Доступность

Применение высокочувствительных приемников, которые не зависят от петель фазовой синхронизации (PLL), обеспечивает полную доступность в современных городах, даже при отражении от поверхности стекла в современных зданиях. Поэтому теперь уже требуются некоторые другие определения доступности, кроме как «доступны четыре спутника». Например, отслеживание спутников на заданном уровне качества сигнала, результат которого зависит от DOP. Даже DOP бывает трудно оценить, поскольку фильтр Кальмана присваивает разные веса каждому спутнику, которые не учитываются при расчете DOP. А также, помимо мгновенных измерений, данный фильтр использует историческое положение и текущую скорость, что оставляет на неизменном уровне точность позиционирования.

На рисуноке 3 показана доступность спутников в режиме слежения. Испытания проводились в финансовом районе Лондона в мае 2011 г.

Отслеживаемые спутники – GPS , ГЛОНАСС, GPS +ГЛОНАСС

Рисунок 3. GPS (отмечено голубым) против ГЛОНАСС (отмечено красным) и всех отслеживаемых спутников GNSS (отмечено зеленым).

Как видно на рис. 3, всего присутствует 7-8 спутников ГЛОНАСС и 8-9 спутников GPS, то есть мульти-GNSS — около 16 спутников. Был период, когда сигналы спутников не улавливались: во время прохождения туннеля Blackfriars Underpass, отметка времени примерно 156400 секунд. В других районах города, по времени примерно в 158500 и 161300 секунд, видимость снижалась до четырех спутников, но общее их число никогда не было меньше восьми. Следует обратить внимание, что тестирование проходило в старом городе, где находятся в основном каменные здания, поэтому отражающие сигналы слабее, чем от зданий из стекла и металла.

Несмотря на то, что вне туннелей доступность спутников составляет 100%, она может быть ограничена DOP или точностью позиционирования. Как видно на рисунке 4, по результатам других испытаний в Лондоне, мульти-GNSS DOP остается ниже 1, как должно быть при 10-16-ти видимых спутников, в то время как DOP только GPS часто выше 4, при этом какие-либо искажения из-за отражений и слабых сигналов значительно увеличивают DOP до 10 в пике.

GPS в сравнении с GNSS

Рисунок 4. Только GPS против совмещённых GPS /ГЛОНАСС показателей снижения точности

Так как испытания, проведенные в мае 2011 года, были достаточно несложными для создания стрессовых условий, при которых GPS нуждался бы в поддержке мульти-GNSS, было проведено новое тестирование в августе 2011 года. Как показано на аэрофотоснимке (рис.5), испытания проводились в современной высотной части города, Canary Wharf. Кроме того, дороги в городе очень узкие, что еще больше осложнило городские испытания. Здания из стекла и металла современной части города, как правило, дают лучшее отражение, чем каменные здания, вызывая «зашкаливание» алгоритмов RAIM и FDE.

Рисунок 5. GPS против GNSS, Лондон, Canary Wharf

Получение результатов режима «только GPS» было затруднено (показано зеленым цветом), особенно в закрытой части станции Docklands, центральный левый, нижний путь.

Рисунок 6 показывает те же реальные результаты испытаний, отображенные на схематичной карте дорог.

Рисунок 6. GPS против GNSS, Лондон, Canary Wharf, схематичная карта

Тестирование мульти-GNSS (голубого цвета) показало очень хорошие результаты, особенно на северной (в восточном направлении) части петли (вождение в Великобритании левостороннее, таким образом, по часовой стрелке образуется односторонняя петля).

Рисунок 7. а) Испытания в Токио: Teseo-I (GPS) против Teseo-II (GNSS); б) DOP при испытаниях в Токио

Дальнейшие испытания были проведены в офисах STMicroelectronics по всему миру. Рисунок 7а показывает испытания в Токио, где желтым цветом обозначено результаты тестов предыдущего поколения чипов без ГЛОНАСС, и красным — Teseo-II с GPS+ГЛОНАСС.

Рисунок 7б дает некоторое разъяснение определения точности, показывая DOP в ходе испытания. Можно увидеть, что Teseo-II DOP редко были выше 2, но показатели режим «только GPS» (Teseo-I)находились между 6 и 12 в сложной северной части, обведенной в кружок.

Повторяем, что алгоритм испытаний является несложным для GPS, но точность определения затруднена.

Дальнейшие испытания в Токио выполнены на более узких городских улицах в тех же условиях тестирования, показаны на Рисунке 9. Голубым цветом – только GPS, красным – GPS+ГЛОНАСС, наблюдается значительное улучшение результатов.

На Рисунке 9 применена та же цветовая схема для отображения результатов тестирования в Далласе, на этот раз с приемником GPS конкурента против Teseo-II с конфигурацией GPS+ГЛОНАСС, снова наблюдаем очень хорошие результаты.

Рисунок 8. Только GPS (голубой) против мульти- GNSS (красный), Токио .

Рисунок 9. Только GPS (голубой, приемник конкурента-производителя) в сравнении с GNSS (красный), Даллас.

Другие спутниковые группировки

Хотя аппаратное обеспечение Teseo — II поддерживает и GALILEO , пока нет доступных спутников GALILEO (на сентябрь 2011 г.), так что устройства на базе этого чипа, находящиеся в использовании по всему миру, до сих пор не имеют загруженного программного обеспечения для обслуживания этой спутниковой группировки. Однако если наступит время применения GALILEO , всегда есть возможность сделать обновление ПО.

Японская система QZSS имеет один доступный спутник, передающий традиционные GPS-совместимые сигналы, SBAS сигналы и L1C BOC сигналы. Teseo-II с помощью функций текущего загруженного ПО может обрабатывать первые два из них, и пока применение SBAS бесполезно в условиях городской застройки, так как отражения сигналов и помехи являются локальными и не улавливаемыми, целью системы QZSS является предоставление спутника с очень большим углом, чтобы данный спутник всегда был доступен в городской местности.

Рисунок 10 показывает испытание в Тайбэе (Тайвань) с использованием GPS (желтый цвет) в сравнении с мульти-GNSS (GPS плюс один спутник QZSS (красный цвет)), и истинные значения (лиловый цвет).

Рисунок 10. Только GPS (желтый) в сравнении с мульти- GNSS (GPS + QZSS (1 спутник, красный)), истинное значение — лиловый, Тайбэй
Дальнейшая работа

Испытания будут продолжены для получения более точных количественных результатов. Тестирование пройдет в Великобритании, где есть схемы дорог c векторными данными для отображения реальных направлений передвижения. Планируется модификация аппаратной части в целях поддержки системы Compass и GPS-III (L1-C), в дополнение к уже имеющемуся GALILEO. Поиск и отслеживание этих сигналов уже было продемонстрировано с использованием предварительно записанных транслируемых сэмплов сценариев на имитаторах сигналов GNSS.

В 2011 году система Compass была не доступна. В связи с чем работы над кремниевым исполнением Teseo-II были ориентированы, в основном, на максимальную гибкость в условиях различной кодовой длины, например, BOC или BPSK, что позволило, при наличии того или иного загруженного программного обеспечения для конфигурации функций аппаратного обеспечения DSP, получить возможность совместимости различных спутниковых группировок.

Результаты работ над совместимостью текущей версии мульти-GNSS ЧИПа были слабые: из-за того что центральная частота системы Compass 1561 МГц может поддерживаться только с помощью управляемого напряжением генератора и PLL, система Compass не может работать одновременно с другими спутниковыми группировками. Кроме того, скорость передачи кодов в системе Compass составляет 2 млн. бит/с, что тоже не поддерживается Teseo-II и может быть приведена к стандартной за счет использования внешних альтернативных схем, а это означает серьезные потери сигналов.

Так что работы по поддержке Compass актуальны только для исследований и разработки программного обеспечения, для односистемного решения, или с использованием отдельного RF-чипа.

Распространенный по всему миру сигнал Compass, который находится в формате сигнала GPS/GALILEO на несущей частоте и на кодовой длине и скорости, будет полностью совместим внутри одной мульти-GNSS схемы, но скорее всего не раньше 2020 года.

Испытания в городских условиях будут повторяться по мере развития группировки GALILEO . При наличии 32 каналов можно использовать деление 11/11/10 (GPS / GALILEO /ГЛОНАСС), при наличии полного состава всех трех групп, но в рамках современных требований к навигационным услугам комбинация 14/8/10 является более чем достаточной.

Заключение

Мультисистемный приемник может включать в себя GPS, ГЛОНАСС и GALILEO при минимально увеличенной стоимости. Имея 32 канала слежения и до 22 видимых спутников, даже в самых суровых городских условиях можно обеспечить 100% доступность и приемлемую точность позиционирования. При проведении тестирования обычно видны 10–16 спутников. Множественность измерений позволяет сделать алгоритмы RAIM и FDE гораздо более эффективными при устранении плохо отражаемых сигналов, а также сводит к минимуму геометрические эффекты оставшегося искажения сигналов.

В последнее время с развитием российской ГЛОНАСС потребности навигационного рынка в мультисистемных приемниках все только нарастают. Ряд отечественных компаний применяют однокристальные чипы STM для разработки своих ГЛОНАСС-модулей и готовых корпусных устройств. В частности, компания НАВИА в 2011 году выпустила на рынок сразу 2 совмещенных ГЛОНАСС/ GPS / Galileo модуля, испытания которых показали очень хорошие результаты .

Доступность мгновенная или интегральная (англ. Availability – представляет % времени в течении которого выполняется условие PDOP <=6 при углах места КА >= 5 градусов. Простой пример: в былые времена до 2010г доступность по ГЛОНАССу была в некоторых районах земного шара не выше 70-80% а сейчас везде 100%!)

Снижение точности или Геометрическое снижение точности (англ. Dilution of precision, DOP , англ. Geometric Dilution of Precision, GDOP)

RAIM (англ. Receiver Autonomous Integrity Monitoring — Автономный Контроль Целостности Приемника (АКЦП)), технология, разработанная для оценки и поддержания целостности системы GPS, GPS приемника. В особенности это важно в тех случаях, где корректная работа GPS систем, необходима для обеспечения надлежащего уровня безопасности, например в авиации или морской навигации.

Современные технологии спутниковой навигации обеспечивают определение местоположения с точностью порядка 10-15 метров. В большинстве случаев этого достаточно, однако, в некоторых случаях требуется большее: скажем, автономный дрон, достаточно быстро перемещающийся над земной поверхностью, будет чувствовать себя неуютно в облаке из координат с метровыми погрешностями.

Для уточнения спутниковых данных используются дифференциальные системы и RTK (real-time kinematics) технологии, но до последнего времени подобного рода устройства были дорогими и громоздкими. Последние достижения цифровой техники в лице микрокомпьютера Intel Edison помогли решить эту проблему. Итак, встречайте: Reach – первый компактный высокоточный приемник GPS, очень доступный по цене, и, к тому же, разработанный в России.

Для начала поговорим немного о дифференциальных технологиях, которые позволяют Reach добиться столь высоких результатов. Они хорошо известны и достаточно широко внедрены. Дифференциальные навигационные системы (ДНСС) улучшают точность определения местоположения и скорости подвижных пользователей за счет предоставления данных измерений или корректирующей информации от одной или нескольких базовых станций.

Координаты каждой базовой станции известны с высокой точностью, так что данные измерений станцией служат для калибровки данных расположенных рядом приемников. Приемник может вычислить теоретическое расстояние и время распространения сигнала между собой и каждым спутником. Когда эти теоретические значения сравниваются с данными наблюдений, то различия представляют собой ошибки в принимаемых сигналах. Корректирующая информация (данные RTCM) получается из этих различий.

Точность определения координат с помощью Reach. Обратите внимание на масштаб.

Корректирующая информация может получаться устройством Reach из двух источников. Во-первых от общедоступной сети базовых станций через интернет по протоколу NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), реализующего идею, описанную выше, применительно к глобальной компьютерной сети. Во-вторых, с помощью второго Reach, занимающего стационарную позицию вблизи первого и являющегося, таким образом, базовой станцией в терминах ДНСС. Второй вариант предпочтительнее (точность ДНСС сильно падает с увеличением расстояния между приемником и БС) – не случайно в рамках краудфайндинговой кампании на сайте Indiegogo создатели Reach первой позицией предлагают выкупить именно набор из двух устройств.

Спецификации устройства приведены в таблице ниже. Как видим, аппаратно он состоит из 3 частей: компьютера Intel Edison, на котором запущена ОС Linux и RTK софт RTKLIB; GPS-приемника U-blox NEO-M8T и антенны Tallysman TW4721. Обратите внимание, что приемник поддерживает все существующие спутниковые системы: GPS, ГЛОНАСС, Beidou и QZSS. Вся эта совокупность программных и аппаратных компонент обеспечивает впечатляющую точность определения координат: до 2 см!
Кому может пригодиться подобное устройство? Как уже говорилось выше, создателям различной мобильной робототехники, автономной и не очень; причем, учитывая его низкую стоимость (предзаказ $545 за двойной набор и $285 за одинарный) не только профессиональным, но и энтузиастам. Далее, составителям различного рода карт, опять-таки, в том числе и любителям. Ну и просто занудам, желающим знать свое местоположение с точностью до сантиметра.

Создатели Reach, компания Emlid, удачно выступили на сайте indiegogo: меньше чем за месяц собрана почти двойная запрошенная сумма. Значит, проект непременно будет реализован. У вас еще есть время, чтобы сделать предзаказ и оказаться в числе первых, кто получит принципиально новое навигационное устройство. Рассылка товара запланирована на июль.

Пользователя GPS-навигатора всегда интересует реальная точность GPS-навигации и степень доверия к ее показаниям. Насколько можно приближаться к какой-либо навигационной опасности, полагаясь только на приемник GPS-навигатора? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос не существует. Это связано со статистическим характером ошибок GPS-навигации. Рассмотрим их подробнее.

На скорость распространения радиоволн влияют ионосфера и тропосфера, ионосферная и тропосферная рефракция. Это главный, после отключения SA, источник погрешностей. Скорость радиоволн в пустоте постоянна, но при входе сигнала в атмосферу изменяется. Для сигналов от разных спутников задержка времени различна. Задержки распространения радиоволн зависят от состояния атмосферы и высоты спутника над горизонтом. Чем ниже , тем больший путь проходит его сигнал через атмосферу и тем больше искажения. Большинство приемников исключают использование сигналов от спутников с возвышением над горизонтом менее 7,5 градусов.

Кроме того, атмосферные помехи зависят от времени суток. После захода солнца плотность ионосферы и ее влияние на радиосигналы уменьшается, явление, хорошо знакомое радистам-коротковолновикам. Военные и гражданские приемники GPS-навигаторов могут автономно определять атмосферную задержку сигнала, сравнивая задержки на разных частотах. Одночастотные потребительские приемники вносят приблизительную поправку на основании прогноза, передаваемого в составе навигационного сообщения. Качество этой информации в последнее время выросло, что дополнительно повысило точность GPS-навигации.

Режим SA.

Для сохранения преимущества высокой точности для военных GPS-навигаторов с марта 1990 года был введен режим ограничения доступа SA (Selective Availability), искусственно снижающий точность гражданского GPS-навигатора. При задействованном режиме SA в мирное время добавляется ошибка в несколько десятков метров. В особых случаях могут вводиться ошибки в сотни метров. Правительство США отвечает за работоспособность системы GPS перед миллионами пользователей, и можно рассчитывать, что повторное включение SA, и тем более, столь значительное снижение точности не будет введено без достаточно серьезных причин.

Загрубление точности достигается путем хаотического сдвига времени передачи псевдослучайного кода. Ошибки, возникающие от SA, - случайные и равновероятные в каждую сторону. SA влияет также на точность курса и скорости по GPS-навигатору. По этой причине неподвижный приемник часто показывает слегка изменяющиеся скорость и курс. Так что оценить степень воздействия SA можно по периодическим изменениям курса и скорости по GPS.

Погрешности в эфемеридных данных при GPS-навигации.

Прежде всего это погрешности, связанные с отклонением спутника от расчетной орбиты, неточностями часов, задержками сигнала в электронных схемах. Коррекция этих данных производится с Земли периодически, в промежутках между сеансами связи ошибки накапливаются. Ввиду малости эта группа погрешностей не имеет значения для гражданских пользователей.

Крайне редко, но могут иметь место более крупные ошибки из-за внезапных сбоев информации в устройствах памяти спутника. Если такой сбой не выявляется средствами самодиагностики, то до момента обнаружения ошибки наземной службой и передаче команды о неисправности спутник может какое-то время передавать неверную информацию. Происходит так называемое нарушение непрерывности или как часто переводят термин integrity, целостности навигации.

Влияние отраженного сигнала на точность GPS-навигации.

Кроме прямого сигнала от спутника GPS-приемник также может принять сигналы, отраженные от скал, зданий, проходящих судов — так называемое характеризующие многолучевое распространение (multypath). Если прямой сигнал закрыт от приемника надстройками или такелажем судна, отраженный сигнал может быть сильнее. Этот сигнал проделывает более длинный путь, и приемник «думает», что находится дальше от спутника, чем на самом деле. Как правило, эти ошибки намного меньше 100 метров, поскольку только близко расположенные предметы способны дать достаточно сильное эхо.

Спутниковая геометрия при GPS-навигации.

Зависит от расположения приемника относительно спутников, по которым определяется позиция. Если приемник поймал четыре спутника и все они находятся на севере - спутниковая геометрия плохая. Результат — ошибка до 50-100 метров или даже невозможность определения координат.

Все четыре измерения - из одного и того же направления, и область пересечения линий положений слишком велика. Но если 4 спутника будут расположены равномерно по сторонам горизонта, то точность намного возрастет. Спутниковая геометрия измеряется геометрическим фактором PDOP (Position Dilution Of Precision). Идеальному расположению спутников соответствует PDOP = 1. Большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии.

Пригодными для навигации считаются значения PDOP меньше 6,0. В двухмерной навигации применяется HDOP (Horizontal Dilution Of Precision), меньше 4,0. Также используются вертикальный геометрический фактор VDOP, меньше 4,5, и временной TDOP, меньше 2,0. PDOP служит множителем для учета ошибок от других источников. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, режима SA, отраженного сигнала и так далее.

Так, если предполагаемые значения суммарных задержек сигнала по этим причинам, URE — User Range Error или UERE — User Equivalent Range Error, по-русски ЭДП - эквивалентная дальномерная погрешность, в сумме составляют 20 метров и HDOP = 1,5, то ожидаемая ошибка определения места будет равна 20 х 1,5 = 30 метров. Приемники GPS-навигаторов по-разному представляют информацию для оценки точности с использованием PDOP.

Кроме PDOP или HDOP, используется GQ (Geometric Quality) — величина, обратная HDOP, или качественная оценка в баллах. Многие современные приемники показывают ЕРЕ (Estimated Position Error - ожидаемую ошибку позиции) непосредственно в единицах дистанции. ЕРЕ учитывает расположение спутников и прогноз погрешности сигналов для каждого спутника в зависимости от SA, состояния атмосферы, ошибок спутниковых часов, передаваемых в составе эфемеридной информации.

Спутниковая геометрия также становится проблемой при использовании приемника GPS-навигатора внутри транспортных средств, в густом лесу, горах, вблизи высоких зданий. Когда сигналы от отдельных спутников блокированы, положение оставшихся спутников определит, насколько точной будет позиция GPS, и их число покажет, может ли позиция вообще быть определена. Хороший приемник GPS-навигатора покажет не только, какие спутники используются, но и их местоположение, азимут и возвышение над горизонтом, так что вы можете определить, затруднен ли прием данного спутника.

По материалам книги «Все о GPS-навигаторах».
Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И.

Спутниковые системы позиционирования и навигации, изначально разрабатывавшиеся для военных нужд, в последнее время находят широкое применение в гражданской сфере. GPS/ГЛОНАСС мониторинг транспорта, наблюдение за нуждающимися в опеке людьми, контроль перемещений сотрудников, слежение за животными, отслеживание багажа , геодезия и картография – это основные направления использования спутниковых технологий.

В настоящее время существует две глобальных системы спутникового позиционирования, созданных в США и РФ, и две региональных, охватывающих Китай, страны Евросоюза и еще ряд стран Европы и Азии. В России доступен ГЛОНАСС мониторинг и GPS мониторинг.

Системы GPS и ГЛОНАСС

GPS (Global Position System, Глобальная система позиционирования) – это спутниковая система, разработка которой началась в Америке с 1977 года. К 1993 программу развернули, а к июлю 1995 – добились полной готовности системы. В настоящее время космическая сеть GPS состоит из 32 спутников: 24 основных, 6 резервных. Они вращаются вокруг Земли по средневысокой орбите (20 180 км) в шести плоскостях, по четыре основных спутника в каждой.

На земле расположена главная контрольная станция и десять станций слежения, три из которых передают спутникам последнего поколения корректировочные данные, а те распределяют их на всю сеть.

Разработка системы ГЛОНАСС (Глобальной навигационной спутниковой системы) начата еще в СССР в 1982 году. О завершении работ заявили в декабре 2015 года. Для работы ГЛОНАСС требуется 24 спутника, для покрытия территории и РФ достаточно 18, а общее число спутников, находящихся в данный момент на орбите (включая резервные) – 27. Они также движутся по средневысокой орбите, но на меньшей высоте (19 140 км), в трех плоскостях, по восемь основных спутников в каждой.

Наземные станции ГЛОНАСС расположены в России (14), Антарктиде и Бразилии (по одной), намечается развертывание ряда дополнительных станций.

Предшественником системы GPS была система Transit, разработанная в 1964 году для управления запуском ракет с подводных лодок. Она могла определить местонахождение исключительно неподвижных объектов с точностью до 50 м, а единственный спутник находился в поле видимости всего один час в сутки. Программа GPS ранее носила названия DNSS и NAVSTAR. В СССР создание навигационной спутниковой системы велось с 1967 года в рамках программы «Циклон».

Основные отличия системs мониторинга ГЛОНАСС от GPS:

• американские спутники движутся синхронно с Землей, а российские – асинхронно;
• разная высота и количество орбит;
• разный угол их наклона (около 55° для GPS, 64,8° для ГЛОНАСС);
• разный формат сигналов и рабочие частоты.

Преимущества системы GPS

• GPS – старейшая из существующих систем позиционирования, приведена в полную готовность раньше российской.
• Надежность обусловлена использованием большего числа резервных спутников.
• Позиционирование происходит с меньшей погрешностью, чем у ГЛОНАСС (в среднем 4 м, а для спутников последнего поколения – 60–90 см).
• Множество устройств поддерживает систему.

Преимущества системы ГЛОНАСС

• Положение асинхронных спутников на орбите более стабильное, что облегчает управление ими. Регулярное внесение корректив не требуется. Данное преимущество важно для специалистов, а не потребителей.
• Система создана в России, поэтому обеспечивает уверенный прием сигнала и точность позиционирования в северных широтах. Это достигается за счет большего угла наклона спутниковых орбит.
• ГЛОНАСС – это отечественная система, и останется доступной для россиян в случае отключения GPS.

Недостатки системы GPS

• Спутники вращаются синхронно вращению Земли, поэтому для точного позиционирования требуется работа корректирующих станций.
• Низкий угол наклона не обеспечивает хорошего сигнала и точного позиционирования в полярных областях и высоких широтах.
• Право управления системой принадлежит военным, а они могут искажать сигнал или вообще отключить GPS для гражданских лиц или для других стран в случае конфликта с ними. Поэтому хотя GPS для транспорта точнее и удобнее, а ГЛОНАСС – надежнее.

Недостатки системы ГЛОНАСС

• Разработка системы началась позже и до недавнего времени велась со значительным отставанием от американцев (кризис, финансовые злоупотребления, хищения).
• Неполный комплект спутников. Продолжительность службы российских спутников ниже, чем американских, они чаще нуждаются в ремонте, поэтому точность навигации в ряде областей снижается.
• Спутниковый мониторинг транспорта ГЛОНАСС дороже, чем GPS из-за высокой стоимости устройств, адаптированных к работе с отечественной системой позиционирования.
• Недостаток программного обеспечения для смартфонов, КПК. Модули ГЛОНАСС проектировали для навигаторов. Для компактных портативных устройств на сегодняшний день более распространенный и доступный вариант – это поддержка GPS-ГЛОНАСС или только GPS.

Резюме

Системы GPS и ГЛОНАСС являются взаимодополняемыми. Оптимальное решение – это спутниковый GPS-ГЛОНАСС мониторинг. Устройства с двумя системами, например, GPS-маркеры с ГЛОНАСС-модулем «М-Плата» обеспечивают высокую точность позиционирования и уверенную работу. Если для позиционирования исключительно по ГЛОНАСС погрешность в среднем составляет 6 м, а для GPS – 4 м, то при использовании двух систем одновременно она снижается до 1,5 м. Но такие приборы с двумя микрочипами стоят дороже.

ГЛОНАСС разработана специально для российских широт и потенциально способна обеспечить высокую точность, из-за ее недоукомплектованности спутниками реальное преимущество пока на стороне GPS. Плюсы американской системы – это доступность и широкий выбор устройств с поддержкой GPS.

Назначение

GPS (Global Positioning System - система глобального позиционирования), позволяет точно определять трехмерные координаты объекта, оснащенного GPS приемником: широту, долготу, высоту над уровнем моря, а также его скорость, направление движения и текущее время.

Краткая история

Система GPS разработана Министерством обороны США. Работы над этим проектом, именуемым NAVSTAR (NAVigation System with Ttiming and Ranging - навигационная система определения времени и дальности), начались еще в 70-х годах. Первый спутник системы был выведен на орбиту в 1974 г, а последний из 24 необходимых для покрытия всей Земли только в 1993 г. Первоначально GPS предназначалась для эксплуатации военными США (навигация, наведение ракет и пр.), однако с 1983 года, когда был сбит самолет Корейских авиалиний, случайно вторгшийся на территорию СССР, использование GPS было разрешено и для гражданских. При этом, точность передаваемого сигнала загрублялась с помощью специального алгоритма, но в 2000 году и это ограничение было снято. Министерство обороны США продолжает обслуживать и модернизировать систему GPS. Именно эта полная зависимость работоспособности системы от правительства одной страны (например, во время первой войны в Персидском заливе, гражданский сектор GPS был отключён) побудило другие страны развивать альтернативные системы навигации (российская - ГЛОНАСС, европейская - GALILEO, китайская - Beidou).

Принципы определения координат

Принцип определения координат объекта в системе GPS основан на вычислении расстояния от него до нескольких спутников, точные координаты которых известны. Информация о расстоянии минимум до 3 спутников позволяет определять координаты объекта как точку пересечения сфер, центр которых спутники, а радиус измеренное расстояние.

На самом деле точек пересечения сфер две, но одну из них можно отбросить т.к. она находится либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Расстояние до каждого из спутников определяется как время прохождения радиосигнала от спутника до приемника умноженное на скорость света. Возникает задача точного определения времени прохождения радиосигнала. Она решается за счет генерации и передачи со спутника сигнала, модулируемого с помощью специальной последовательности. Точно такой же сигнал генерируется в GPS приемнике, а анализ отставания принятого сигнала от внутреннего позволяет определить время его прохождения.

Для точного определения времени прохождения сигнала часы GPS приемника и спутника должны быть максимально синхронизированы, отклонение даже на несколько микросекунд приводит к погрешности измерения в десятки километров. На спутнике для этих целей имеются высокоточные атомные часы. Установить аналогичные часы в GPS приемник невозможно (используются обычные кварцевые часы), поэтому для синхронизации времени используются дополнительные сигналы, как минимум с еще одного спутника. Предполагается, что если время в GPS приемнике синхронизировано точно, то окружность с радиусом равным расстоянию от четвертого спутника пересечет туже точку, что и окружности от остальных трех спутников. GPS приемник корректирует свои часы, до тех пор пока это условие не выполнится. Таким образом, для точного определения положения объекта в трехмерном пространстве (3D) необходимы сигналы минимум от 4 спутников (от 3 спутников без определения высоты над поверхностью земли - 2D). На практике при хорошей видимости небосвода GPS приемники получают сигналы сразу от множества спутников (до 10-12), что позволяет им синхронизировать часы и определять координаты с достаточно высокой точностью.

Наряду с последовательностью, по которой определяется время распространения сигнала, каждый спутник передает двоичную информацию - альманах и эфемериды. Альманах содержит информацию о текущем состоянии и расчетную орбиту всех спутников (получив информацию от одного спутника, появляется возможность сузить секторы поиска сигналов других спутников). Эфемериды - уточненную информацию об орбите конкретного спутника, передающего сигнал (реальная орбита спутника может отличаться от расчетной). Именно точные данные о текущем положении спутников позволяют GPS приемнику рассчитывать относительно них собственное местоположение.

Точность GPS

Типичная точность определения координат GPS приемниками в горизонтальной плоскости составляет примерно 1-2 метра (при условии хорошей видимости небосвода). Точность определения высоты над уровнем моря обычно в 2-5 раз ниже, чем точность определения координат в тех же условиях (т.е. в идеальных условиях 2-10 метра).

Уровень приёма сигнала от спутников, а как следствие и точность определения координат, ухудшается под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Также нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников. Однако, главным фактором, влияющим на снижение точности GPS, является неполная видимость небосвода. Особенно ярко это проявляется при нахождении GPS приемника в условиях плотной городской застройки, когда значительная часть небосвода скрыта рядом расположенными строениями, навесами и прочими препятствиями. Точность определения координат при этом может падать до 20-30 метров, а иногда и более. Препятствия не пропускают сигналы от части потенциально доступных в данной точке Земли спутников. Это приводит к тому, что расчеты ведутся по меньшему числу сигналов от спутников, находящихся преимущественно в одном секторе небосвода. Смещение при этом возникает обычно в перпендикулярной плоскости относительно препятствия.

Вообще, если говорить о точности GPS в условиях города, на основе накопленных статистических данных и собственного опыта можно сделать следующие выводы. Точность определения координат при нахождении транспортного средства на открытой местности (парковки, площади и пр.) и при движении по крупным автомагистралям, многополосным дорогам будет составлять 1-2 метра. При движении по узким улицам, особенно, когда вдоль них имеются близко расположенные дома, точность составит 4-10 метров. При нахождении автомобиля в "дворовых колодцах", очень близко к высотным домам и т.п. точность может падать вплоть до 20-30 метров.

Конечно, точность определения координат очень зависит и от качества самого приемника GPS, а также используемых антенн и их правильного размещения на транспортном средстве