GLONASS/GPS untuk semua orang: pengujian keakuratan dan aksesibilitas posisi receiver chip tunggal dalam kondisi pengoperasian yang sulit

Philip Mattos (Philip Mattos)
Terjemahan: Andrey Rusak
dukungan@situs
Victoria Bulanova
[dilindungi email]
Penerima GNSS chip tunggal, yang kini telah memasuki produksi massal, telah diuji di lingkungan perkotaan yang padat untuk menunjukkan manfaat pengoperasian multi-sistem (GLONASS dan GPS) sebagai penerima konsumen. Penggunaan sistem gabungan GLONASS/GPS dimulai dengan puluhan ribu receiver untuk survei geodesi; jutaan perangkat konsumen tersebut saat ini beroperasi. Berkat pertumbuhan jumlah perangkat navigasi satelit pribadi, munculnya sistem OEM otomotif dan telepon seluler, volume pasar yang signifikan dapat dicapai pada tahun 2011. Keyakinan terhadap prospek perkembangan pasar perangkat pengguna navigasi mendorong produsen komponen khusus frekuensi tinggi, seperti antena dan filter SAW, untuk meningkatkan volume produksi dan mengoptimalkan harga pokok barang. Salah satu perusahaan Rusia pertama yang memasarkan modul berbasis receiver STM adalah NAVIA. Modul NAVIA GLONASS telah membuktikan dirinya sebagai modul yang andal dan nyaman untuk produksi terminal navigasi siap pakai dan pengendalian objek bergerak. Berbagai pengujian modul telah menunjukkan bahwa ML8088s dan GL 8088s memenuhi semua karakteristik yang dinyatakan pabrikan dan dapat digunakan dengan sukses dalam perangkat pemantauan.

Pengujian terhadap penerima GLONASS/GPS chip tunggal di London, Tokyo dan Texas dilakukan untuk menunjukkan bahwa penggunaan bersama semua satelit GLONASS yang terlihat ditambah dengan GPS memberikan ketersediaan posisi yang lebih baik di daerah perkotaan yang padat, dan dalam kasus ketersediaan posisi yang buruk. - positioning, akurasi yang lebih baik.

Jelas sekali bahwa receiver multi-sistem mempunyai permintaan yang besar di pasar konsumen. Mereka dapat memastikan pengoperasian lebih banyak satelit dalam kondisi “ngarai perkotaan”, di mana hanya sebagian belahan bumi yang terlihat dalam zona visibilitas dan diperlukan keandalan yang tinggi dalam menyaring sinyal yang tidak perlu, ketika kualitas sinyal yang berguna sangat tinggi. terdegradasi karena beberapa refleksi dan atenuasi. Berikut ini secara singkat dijelaskan kesulitan dalam mengintegrasikan sistem GLONASS (dan selanjutnya GALILEO), yang menjadi dasar produksi perangkat hemat biaya untuk konsumen massal. Untuk pasar seperti itu, di satu sisi, biaya adalah yang utama, dan di sisi lain, terdapat persyaratan kinerja tinggi yang terkait dengan tingkat sinyal rendah, konsumsi daya terbatas, waktu start dingin yang singkat, dan stabilitas posisi.

Tujuannya adalah menggunakan semua satelit yang tersedia untuk meningkatkan kinerja perangkat navigasi konsumen di lingkungan dalam ruangan dan perkotaan. Tahun 2011 berlalu di bawah naungan dukungan GLONASS, pengembangan sistem satelit ini kira-kira tiga tahun lebih cepat dari GALILEO. Saat merancang receiver, penting untuk mengatasi masalah ketidakcocokan dukungan perangkat keras untuk GLONASS dan GPS. Artinya, sinyal GLONASS termodulasi frekuensi memerlukan pita frekuensi yang lebih lebar daripada sinyal modulasi kode pulsa yang digunakan oleh GPS, filter bandpass dengan pusat frekuensi berbeda, dan kecepatan transmisi elemen sinyal berbeda. Dan semua ini tanpa meningkatkan biaya receiver secara signifikan.

Dalam kondisi pengoperasian yang ideal, satelit dari konstelasi tambahan tidak akan efektif ketersediaan posisi Saya mendekati 100 persen hanya dengan menggunakan GPS. Kehadiran tujuh, delapan atau sembilan satelit di ionosfer yang digunakan untuk penentuan posisi dalam mode fiksasi meminimalkan kesalahan total dan memberikan koordinat yang benar.

Dalam kondisi pengoperasian yang ekstrim, penggunaan GPS saja memungkinkan seseorang untuk menentukan posisi, namun penggunaan hanya tiga, empat, lima satelit yang terkonsentrasi di bagian sempit belahan bumi menyebabkan nilai DOP yang buruk. Meningkatkan jumlah satelit secara signifikan meningkatkan akurasi, sehingga meningkatkan DOP dan merata-ratakan kesalahan multipath. Membatasi jumlah satelit yang diposisikan menyebabkan kesalahan multipath pada penentuan koordinat DOP yang diperkuat. Menambahkan konstelasi satelit kedua atau ketiga berarti memperluas jumlah satelit yang terlihat, sehingga lebih banyak satelit yang terlibat dalam proses penentuan koordinat, sehingga mengurangi kesalahan.

Oleh karena itu, dalam kondisi ekstrim, di mana penggunaan GPS saja tidak cukup, penggunaan tambahan satelit GLONASS (dan selanjutnya GALILEO) meningkatkan ketersediaan penentuan posisi hingga 100% (dengan pengecualian terowongan bawah tanah).

Faktanya, ketersediaan adalah putaran umpan balik positif yang berkembang dengan sendirinya: karena satelit terus-menerus dilacak, bahkan jika satelit tersebut ditolak untuk berpartisipasi dalam solusi saat ini untuk masalah penentuan posisi menggunakan algoritma RAIM / kesalahan dan FDE, maka tidak perlu melakukan pencarian. untuk mereka lagi - mereka sudah tersedia untuk digunakan sebelumnya. Jika proses penentuan posisi tidak terganggu, maka dimungkinkan untuk terus memprediksi fase secara akurat untuk satelit dengan penghalang tertutup, yang memungkinkannya digunakan secara instan ketika meninggalkan bayangan, karena tidak memerlukan informasi tambahan untuk mencari dan memperbaikinya.

Satelit tambahan yang terlihat sangat penting bagi konsumen, khususnya, misalnya, dengan “bantuan mandiri” (“layanan mandiri”), ketika grup minimum diwakili oleh lima satelit, bukan tiga atau empat, untuk secara mandiri menetapkan bahwa semua satelit “benar”, menggunakan teknik pemantauan integritas otonom penerima (RAIM). “Layanan mandiri” memiliki keuntungan yang lebih signifikan bagi GLONASS: tidak diperlukan infrastruktur apa pun seperti server bantuan, yang selalu menyebabkan penundaan layanan. Metode GLONASS yang mentransmisikan parameter orbit satelit dalam format Keplerian juga sangat cocok untuk algoritma “self-service”.

Nilai tes

Upaya sebelumnya untuk mengkarakterisasi manfaat perangkat multi-sistem di lingkungan perkotaan telah terhenti oleh kebutuhan untuk menggunakan receiver profesional yang tidak dirancang untuk tingkat sinyal tersebut, dan harus memperoleh hasil terpisah untuk setiap kelompok atau mengorbankan salah satu pengukuran satelit untuk mengukur waktu. Keadaan ini tidak memungkinkan kami untuk terus menguji perangkat yang direncanakan untuk dirilis di pasar massal.

Peluncuran solusi multi-sistem baru sangatlah penting, karena receiver yang diuji adalah perangkat yang benar-benar diproduksi secara massal jika sensitivitasnya meningkat dan benar-benar siap untuk pengukuran dan penghitungan. Oleh karena itu, penulis artikel ini untuk pertama kalinya melaporkan hasil tes yang benar-benar andal.

Latar belakang

Pengujian dilakukan pada penerima GNSS chip tunggal Teseo-II (STA-8088). Sejarah singkat: Ini adalah produk tahun 2009 yang diproduksi oleh STM, berdasarkan Cartesio+ dengan GPS/GALILEO dan Digital Signal Processor (DSP) yang sudah disertakan, siap untuk ditanamkan dengan fungsionalitas GLONASS, yang mengarah pada penciptaan chip Teseo-II (produk 2010). Hasil pengujian dengan sinyal satelit nyata diperoleh pada chip Baseband pada implementasi FPGA pada akhir tahun 2009, dan pada tahun 2010 menggunakan chip yang sudah jadi.

Desain saat ini memerlukan sedikit modifikasi sirkuit tambahan. Perubahan perangkat keras dan perangkat lunak DSP yang diperlukan bersifat kecil dan disertakan dalam pembaruan sirkuit TeseoII terjadwal berikutnya. Penerapan rangkaian bagian RF memerlukan lebih banyak perhatian daripada rangkaian dua saluran dengan tahap frekuensi menengah (IF) dan konverter analog-ke-digital (ADC), dengan konversi frekuensi tambahan dan filter IF bandwidth yang lebih lebar. Namun, karena luas kristal dengan bagian RF yang terletak di atasnya sangat kecil dalam volume totalnya, bahkan peningkatan rangkaian sebesar 30% tidak signifikan untuk keseluruhan rangkaian. Berdasarkan fakta bahwa desain chip adalah untuk sistem chip tunggal yang umum (RF dan BB, mulai dari antena hingga penentuan posisi, kecepatan dan waktu (PVT)), sehingga total area cetakan untuk proses 65nm sangat kecil.

Dari sudut pandang komersial, penyertaan ketiga konstelasi satelit (GPS/GLONASS danGALILEO) menjadi satu chip adalah hal baru bagi konsumen. Banyak perusahaan yang hadir di pasar Rusia telah memilih pendekatan dua sistem, hanya untuk memenuhi persyaratan pemerintah Rusia tentang perlunya bekerja dalam sistem GLONASS. Mereka tidak memikirkan masa depan global, ketika akan ada beberapa kelompok positioning di dunia dan mungkin masing-masing negara yang berpartisipasi dalam proses ini akan lebih menuntut penggunaan sistem mereka sendiri.

Dalam hal ini, solusinyaTeseo— II revolusioner karena dipersiapkan sebelumnya untuk skenario seperti itu dan sudah dapat menerima sistem GLONASS/ GPS/ GALILEO/ QZSSDanSBA.

Secara teknis, penyertaan saluran independen untuk menerima dan memproses sistem GLONASS dalam suatu grup juga merupakan hal baru, sedangkan kombinasi GPS/GALILEO sudah menjadi praktik standar. Untuk mencapai fleksibilitas tersebut juga diperlukan solusi teknis baru yang mempertimbangkan perbedaan penundaan perangkat keras RF dan perbedaan kecepatan transmisi sinyal. Selain itu, terdapat koreksi Waktu Universal Terkoordinasi (UTC) dan masalah koreksi geoid yang kini terkenal.

Transisi langsung ke solusi chip tunggal (RF + Baseband + CPU) jarang terjadi: ini merupakan terobosan teknologi yang penting. Keyakinan pada langkah ini disebabkan oleh pengalaman menggunakan bagian RF dan rangkaian Baseband prosesor yang telah terbukti. Antarmuka RF eksternal STA5630 dan DSP GPS/GALILEO yang dimodifikasi, yang sebelumnya digunakan di Cartesio+, diambil sebagai dasar.

Keandalan STA5630/Cartesio+ telah dibuktikan dalam produksi massal dalam bentuk sirkuit terpisah bahkan sebelum dirilisnya solusi SoC 3-in-1.

Berbeda dengan solusi dual-chipGPS/Modul GLONASS hadir di pasar Rusia, solusi chip tunggal dariSTMikroelektronik (Teseo— II) S.T.A.8088 FG memiliki keandalan yang jauh lebih besar, kekebalan terhadap kebisingan, konsumsi daya yang lebih rendah dan, tentu saja, dimensi yang lebih kecil (modul M.L.8088 Smemiliki dimensi 13 x 15 mm).

Dukungan untuk GLONASS dan GALILEO merupakan sebuah langkah maju dibandingkan perangkat keras RF generasi sebelumnya. GALILEO kompatibel dengan GPS dan oleh karena itu skema yang ada dapat digunakan, namun GLONASS memerlukan perubahan tambahan. Lihat Gambar 1 dan 2.

Gambar 1.

Gambar 2.PerubahanPita dasar bagian untuk mendukung GLONASS

Pada bagian RF, LNA, penguat RF dan mixer pertama digabungkan menjadi satu saluran. Hal ini memungkinkan kami menghemat jumlah pin chip dan meminimalkan konsumsi daya. Selain itu, hal ini memungkinkan untuk mempertahankan biaya eksternal bagi produsen peralatan. Sinyal GLONASS, dikurangi pada mixer pertama menjadi 30 MHz, memasuki saluran pemrosesan sekunder (ditunjukkan dalam warna coklat) dan, dicampur hingga 8 MHz, diumpankan ke ADC terpisah dan kemudian ke bagian Baseband.

Bagian Baseband menyediakan tahap pemrosesan awal tambahan (ditunjukkan dengan warna coklat), yang mengubah sinyal menjadi 8 MHz, yang diperlukan untuk diumpankan ke Baseband dan meneruskan sinyal yang dihasilkan melalui filter anti-interferensi, dan juga mengurangi frekuensi sampling menjadi nilai standar 16, cocok untuk diproses di perangkat keras DSP.

Perangkat akuisisi dan saluran pelacakan yang ada dapat memilih di mana dan kapan menerima sinyal GPS/GALILEO atau GLONASS, yang membuat distribusi saluran sehubungan dengan konstelasi satelit menjadi sangat fleksibel.

Yang kurang terlihat, namun sangat penting bagi kinerja sistem, adalah perangkat lunak yang mengontrol sumber daya perangkat keras ini, pertama untuk menutup loop pelacakan PLL dan melakukan pengukuran, dan kedua, filter Kalman, yang mengubah apa yang diukur menjadi data PVT. .

Semua ini telah mengalami modifikasi struktural untuk memberikan dukungan untuk bekerja dengan banyak konstelasi satelit, dan bukan hanya GLONASS. Dalam hal ini, perluasan perangkat lunak untuk menerima sistem navigasi global di masa depan akan menjadi tahap perkembangan evolusioner, dan tidak memerlukan modifikasi besar pada kristal itu sendiri.

Perangkat lunak ini telah berjalan pada chip nyata sejak 2010, tetapi menggunakan sinyal dari simulator apa pun atau antena statis yang dipasang di atap, hanya data GPS yang tersedia, yang sangat bagus sehingga tidak memungkinkan adanya manuver penelitian untuk meningkatkan sistem. Pada awal tahun 2011, sampel chip pra-produksi dan papan pengembangan dengan antena dalam paketnya telah tersedia, sehingga pengujian lapangan seluler dapat dilakukan di seluruh dunia.

Hasil nyata

Sebelum lahirnya kristal dengan penerimaan multi-sistem, hasilnya sudah terlihat dari pengujian pendahuluan yang dilakukan menggunakan receiver profesional dengan pengukuran GPS dan GLONASS terpisah. Namun pengujian ini tidak memberikan data yang baik bagi penerima konsumen karena menunjukkan sensitivitas yang rendah. Penerima memerlukan sinyal yang cukup bersih untuk menggerakkan PLL, namun hal ini tidak dapat dilakukan di lingkungan perkotaan, dan yang terpenting, penerima menciptakan dua solusi terpisah dengan satelit tambahan yang konstan untuk menangani perbedaan waktu antar sistem. Solusi yang tidak digabungkan tidak memungkinkan untuk memprediksi posisi satelit dari satu konstelasi dengan menghitung posisinya berdasarkan koordinat yang dihitung menggunakan konstelasi lain, yang merupakan salah satu keunggulan utama penerima GNSS multi-sistem.

Simulasi satelit tampak dilakukan pada tahun 2010 di kondisi perkotaan padat di Italia, pusat kota Milan. Hasilnya, dirata-ratakan setiap menit selama 24 jam penuh, disajikan pada Tabel 1. Rata-rata jumlah satelit terlihat meningkat dari 4,4 dengan GPS saja, menjadi 7,8 untuk GPS+GLONASS, dengan jumlah titik No Fix sama dengan nol. Selain itu, dalam mode “GPS saja”, 380 titik palsu diterima, yaitu sekitar 26% dari total waktu penerimaan.

Tabel 1.Akurasi dan KetersediaanGPSDanGPS+GLONASS, rata-rata selama 24 jam

Namun, ketersediaan satelit bukanlah tujuan akhir. Memiliki lebih banyak satelit di wilayah kecil yang sama di belahan bumi di atas wilayah perkotaan mungkin tidak cukup karena penurunan akurasi geometrik. Untuk menguji data ini, presisi geometri direpresentasikan dengan HDOP. Saat menggunakan GLONASS dan GPS secara bersamaan, hasilnya 2,5 kali lebih baik.

Penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa di kota-kota pengujian tertentu, tersedia dua hingga tiga satelit tambahan, namun salah satunya digunakan untuk penentuan waktu. Saat menggunakan receiver yang sangat sensitif yang digabungkan dalam satu chip, kami berasumsi bahwa empat atau lima satelit tambahan akan terlibat.

Hasil sebenarnya jauh melebihi ekspektasi kami. Pertama, sinyal dari banyak satelit lain muncul, karena semua pengujian dan simulasi sebelumnya tidak menyertakan sinyal yang dipantulkan. Memiliki sinyal tambahan, penerima meningkatkan kinerja DOP secara signifikan. Pengaruh refleksi terhadap akurasi berkurang secara signifikan, pertama karena geometri posisi yang lebih baik, dan kedua karena kemampuan algoritma FDE/RAIM untuk menjaga stabilitas pelacakan satelit. Selain itu, jumlah sinyal palsu yang dapat mendistorsi data koordinat juga berkurang.

Hasil yang disajikan di sini diperoleh dari receiver sensitivitas tinggi yang terintegrasi penuh seperti receiver NAVIA ML8088s, berdasarkan chip STA8088s. Ini dioptimalkan untuk mendeteksi sinyal tingkat sangat rendah dan memperoleh hasil langsung dari semua satelit yang terlihat, apa pun konstelasinya. Hal ini memastikan ketersediaan satelit 100% dan meningkatkan akurasi secara signifikan di lingkungan perkotaan yang sulit.

Ketersediaan

Penggunaan penerima yang sangat sensitif dan tidak bergantung pada loop pengunci fase (PLL) memastikan aksesibilitas penuh di kota-kota modern, bahkan ketika dipantulkan dari permukaan kaca di gedung-gedung modern. Oleh karena itu, definisi ketersediaan yang lain selain “empat satelit tersedia” kini diperlukan. Misalnya, melacak satelit pada tingkat kualitas sinyal tertentu, yang hasilnya bergantung pada DOP. Bahkan DOP pun sulit diperkirakan karena filter Kalman memberikan bobot berbeda untuk setiap satelit, sehingga tidak diperhitungkan saat menghitung DOP. Selain itu, selain pengukuran instan, filter ini menggunakan posisi historis dan kecepatan saat ini, sehingga akurasi posisi tidak berubah.

Gambar 3 menunjukkan ketersediaan satelit dalam mode pelacakan. Pengujian berlangsung di distrik keuangan London pada Mei 2011.

Satelit yang Dilacak –GPS, GLONASS,GPS+GLONASS

Gambar 3.GPS(ditandai dengan warna biru) terhadap GLONASS (ditandai dengan warna merah) dan semua satelit yang dilacakGNSS(ditandai dengan warna hijau).

Seperti dapat dilihat pada gambar. 3, total ada 7-8 satelit GLONASS dan 8-9 satelit GPS, yaitu multi-GNSS - sekitar 16 satelit. Ada suatu periode ketika sinyal satelit tidak ditangkap: selama perjalanan terowongan Underpass Blackfriars, cap waktu sekitar 156400 detik. Di wilayah lain kota, sekitar 158.500 dan 161.300 detik, jarak pandang turun menjadi empat satelit, namun jumlah totalnya tidak pernah kurang dari delapan. Perlu dicatat bahwa pengujian dilakukan di kota tua, yang sebagian besar terdapat bangunan batu, sehingga sinyal reflektifnya lebih lemah dibandingkan dari bangunan kaca dan logam.

Meskipun ketersediaan satelit 100% berada di luar terowongan, hal ini mungkin dibatasi oleh DOP atau akurasi posisi. Seperti dapat dilihat pada Gambar 4, dari pengujian lain di London, DOP multi-GNSS tetap di bawah 1, sebagaimana seharusnya dengan 10-16 satelit yang terlihat, sedangkan DOP khusus GPS sering kali di atas 4, tanpa distorsi Karena pantulan dan sinyal lemah, DOP meningkat secara signifikan menjadi 10 pada puncaknya.

GPSdibandingkan denganGNSS

Gambar 4.HanyaGPSmelawan gabunganGPS/Indikator pengurangan akurasi GLONASS

Karena pengujian yang dilakukan pada bulan Mei 2011 cukup ringan untuk menciptakan kondisi yang penuh tekanan sehingga GPS memerlukan dukungan multi-GNSS, pengujian baru dilakukan pada bulan Agustus 2011. Seperti yang ditunjukkan pada foto udara (Gbr. 5), pengujian dilakukan di bagian kota modern yang bertingkat tinggi, Canary Wharf. Selain itu, jalan dalam kota sangat sempit, sehingga tantangan kota semakin sulit. Bangunan kaca dan logam di bagian kota modern cenderung memberikan pantulan yang lebih baik dibandingkan bangunan batu, sehingga menyebabkan algoritme RAIM dan FDE tidak sesuai standar.

Gambar 5. GPS vs GNSS, London, Canary Wharf

Sulit untuk mendapatkan hasil hanya GPS (ditampilkan dalam warna hijau), terutama di bagian stasiun Docklands yang tertutup, kiri tengah, jalur bawah.

Gambar 6 menunjukkan hasil pengujian nyata yang sama yang ditampilkan pada peta jalan skematis.

Gambar 6. GPS vs GNSS, London, Canary Wharf, sketsa peta

Pengujian multi-GNSS (biru) menunjukkan hasil yang sangat baik, terutama di bagian putaran utara (arah timur) (mengemudi di Inggris berada di sebelah kiri, sehingga searah jarum jam menciptakan putaran satu arah).

Gambar 7. a) Pengujian di Tokyo: Teseo-I (GPS) versus Teseo-II (GNSS); b) DOP saat diuji di Tokyo

Pengujian lebih lanjut dilakukan di kantor STMicroelectronics di seluruh dunia. Gambar 7a menunjukkan pengujian di Tokyo, dengan warna kuning menunjukkan hasil pengujian chip generasi sebelumnya tanpa GLONASS, dan warna merah menunjukkan Teseo-II dengan GPS+GLONASS.

Gambar 7b memberikan beberapa klarifikasi tentang definisi akurasi dengan menunjukkan DOP selama pengujian. Terlihat bahwa DOP Teseo-II jarang lebih tinggi dari 2, namun DOP khusus GPS (Teseo-I) berada di antara 6 dan 12 di kompleks utara yang dilingkari.

Kami ulangi bahwa algoritma pengujian untuk GPS sederhana, tetapi keakuratan penentuannya sulit.

Pengujian lebih lanjut di Tokyo dilakukan di jalan-jalan kota yang lebih sempit dengan kondisi pengujian yang sama, seperti ditunjukkan pada Gambar 9. Biru - Hanya GPS, merah - GPS+GLONASS, terdapat peningkatan hasil yang signifikan.

Gambar 9 menggunakan skema warna yang sama untuk menampilkan hasil pengujian Dallas, kali ini dengan penerima GPS pesaing versus Teseo-II dalam konfigurasi GPS+GLONASS, sekali lagi menunjukkan hasil yang sangat baik.

Gambar 8. SajaGPS(biru) vs multi-GNSS(merah), Tokyo.

Gambar 9. SajaGPS(biru, receiver pabrikan pesaing) dibandingkan denganGNSS(merah), Dallas.

Rasi bintang satelit lainnya

Meskipun perangkat kerasnyaTeseo— IImendukung danGALILEO, belum ada satelit yang tersediaGALILEO(per September 2011), sehingga perangkat berbasis chip ini yang digunakan di seluruh dunia masih belum memiliki perangkat lunak yang dimuat untuk melayani konstelasi satelit ini. Namun jika sudah waktunya untuk digunakan GALILEO, selalu ada peluang untuk memperbarui perangkat lunak.

Sistem QZSS Jepang memiliki satu satelit yang tersedia, mentransmisikan sinyal tradisional yang kompatibel dengan GPS, sinyal SBAS, dan sinyal L1C BOC. Teseo-II, dengan bantuan fungsi perangkat lunak yang sedang dimuat, dapat menangani dua fungsi pertama, dan meskipun penggunaan SBAS tidak berguna di lingkungan perkotaan, karena pantulan dan interferensi sinyal bersifat lokal dan tidak terdeteksi, tujuan dari Sistem QZSS menyediakan satelit dengan sudut yang sangat lebar sehingga satelit ini selalu tersedia di perkotaan.

Gambar 10 menunjukkan pengujian di Taipei (Taiwan) menggunakan GPS (kuning) versus multi-GNSS (GPS ditambah satu satelit QZSS (merah)), dan ground truth (ungu).

Gambar 10. SajaGPS(kuning) versus multi-GNSS (GPS+ QZSS (1 satelit, merah)), nilai sebenarnya -ungu, Taipei
Pekerjaan selanjutnya

Pengujian akan terus memperoleh hasil kuantitatif yang lebih akurat. Pengujian akan dilakukan di Inggris, di mana terdapat peta jalan dengan data vektor untuk menampilkan arah perjalanan sebenarnya. Direncanakan modifikasi perangkat keras untuk mendukung sistem Kompas dan GPS-III (L1-C), selain GALILEO yang sudah ada. Menemukan dan melacak sinyal-sinyal ini telah didemonstrasikan menggunakan sampel skrip siaran yang telah direkam sebelumnya pada simulator sinyal GNSS.

Kompas tidak tersedia pada tahun 2011. Dalam hal ini, pekerjaan pada implementasi silikon Teseo-II difokuskan terutama pada fleksibilitas maksimum dalam kondisi panjang kode yang berbeda, misalnya, BOC atau BPSK, yang memungkinkan, dengan satu atau beberapa perangkat lunak yang dimuat untuk mengkonfigurasi perangkat keras DSP fungsi, dapatkan kompatibilitas antara konstelasi satelit yang berbeda.

Pekerjaan kompatibilitas pada versi CHIP multi-GNSS saat ini lemah: Karena frekuensi pusat sistem Kompas 1561 MHz hanya dapat dipertahankan menggunakan osilator yang dikontrol tegangan dan PLL, sistem Kompas tidak dapat beroperasi secara bersamaan dengan konstelasi satelit lainnya. Selain itu, kecepatan transmisi kode dalam sistem Kompas adalah 2 juta bps, yang juga tidak didukung oleh Teseo-II dan dapat distandarisasi melalui penggunaan sirkuit alternatif eksternal, yang berarti kehilangan sinyal yang serius.

Jadi pekerjaan dukungan Compass hanya relevan untuk penelitian dan pengembangan perangkat lunak, untuk solusi sistem tunggal, atau menggunakan chip RF terpisah.

Sinyal Kompas di seluruh dunia, dalam format sinyal GPS/GALILEO pada frekuensi pembawa serta panjang dan kecepatan kode, akan sepenuhnya kompatibel dalam satu sirkuit multi-GNSS, tetapi kemungkinan besar tidak akan kompatibel sebelum tahun 2020.

Tes dalam kondisi perkotaan akan diulangi seiring berkembangnya kelompokGALILEO. Jika ada 32 saluran, Anda dapat menggunakan pembagian 11/11/10 (GPS/ GALILEO/GLONASS), dengan adanya ketiga kelompok yang lengkap, tetapi dalam kerangka persyaratan modern untuk layanan navigasi, kombinasi 14/8/10 sudah lebih dari cukup.

Kesimpulan

Penerima multi-sistem dapat mencakup GPS, GLONASS dan GALILEO dengan peningkatan biaya minimal. Dengan 32 saluran pelacakan dan hingga 22 satelit yang terlihat, bahkan di lingkungan perkotaan yang paling keras sekalipun, ketersediaan 100% dan akurasi posisi yang dapat diterima dapat dipastikan. Selama pengujian, 10–16 satelit biasanya terlihat. Beberapa pengukuran membuat algoritme RAIM dan FDE jauh lebih efektif dalam menghilangkan sinyal yang dipantulkan buruk, sekaligus meminimalkan efek geometris dari distorsi sinyal yang tersisa.

Baru-baru ini, dengan berkembangnya GLONASS Rusia, kebutuhan pasar navigasi untuk receiver multi-sistem semakin meningkat. Sejumlah perusahaan dalam negeri menggunakan chip chip tunggal STM untuk mengembangkan modul GLONASS Anda sendiri dan perangkat paket siap pakai. Secara khusus, pada tahun 2011, perusahaan NAVIA merilis 2 gabungan GLONASS/ GPS/ Galileomodul, pengujiannya menunjukkan hasil yang sangat baik.

Ketersediaan instan atau integral(Bahasa inggris) Ketersediaan – mewakili % waktu selama kondisi PDOP terpenuhi<=6 при углах места КА >= 5 derajat. Contoh sederhananya: dulu, sebelum tahun 2010, ketersediaan GLONASS di beberapa wilayah di dunia tidak lebih dari 70-80%, namun sekarang sudah 100% di mana pun!)

Akurasi berkurang atau Pengurangan Akurasi Geometris(Bahasa inggris) Pengenceran presisi, DOP, Bahasa inggris Pengenceran Presisi Geometris (GDOP)

RAIM(Bahasa inggris) Pemantauan Integritas Otonom Penerima Autonomous Receiver Integrity Monitoring (ARIC), sebuah teknologi yang dirancang untuk mengevaluasi dan menjaga integritas sistem GPS dan penerima GPS. Hal ini sangat penting terutama ketika pengoperasian sistem GPS yang benar diperlukan untuk memastikan tingkat keselamatan yang memadai, misalnya dalam navigasi penerbangan atau maritim.

Teknologi navigasi satelit modern memberikan penentuan lokasi dengan akurasi sekitar 10-15 meter. Dalam sebagian besar kasus, hal ini sudah cukup, namun dalam beberapa kasus diperlukan lebih banyak lagi: misalnya, drone otonom yang bergerak cukup cepat di atas permukaan bumi akan terasa tidak nyaman di awan dengan koordinat yang kesalahan meterannya.

Untuk memperjelas data satelit, sistem diferensial dan teknologi RTK (kinematika waktu nyata) digunakan, namun hingga saat ini, perangkat tersebut mahal dan tidak praktis. Kemajuan terkini teknologi digital berupa mikrokomputer Intel Edison telah membantu mengatasi masalah tersebut. Jadi, temuilah: Reach - penerima GPS kompak dan presisi tinggi pertama, sangat terjangkau, dan, terlebih lagi, dikembangkan di Rusia.

Pertama, mari kita bahas sedikit tentang teknologi diferensial yang memungkinkan Reach mencapai hasil setinggi itu. Mereka terkenal dan diterapkan secara luas. Sistem navigasi diferensial (DNSS) meningkatkan akurasi lokasi dan kecepatan pengguna seluler dengan menyediakan data pengukuran atau informasi koreksi dari satu atau lebih stasiun pangkalan.

Koordinat setiap stasiun pangkalan diketahui dengan akurasi tinggi, sehingga pengukuran stasiun berfungsi untuk mengkalibrasi data dari penerima terdekat. Penerima dapat menghitung jarak teoritis dan waktu propagasi sinyal antara dirinya dan masing-masing satelit. Jika nilai teoritis ini dibandingkan dengan data observasi, perbedaannya menunjukkan kesalahan pada sinyal yang diterima. Informasi korektif (data RTCM) diperoleh dari perbedaan tersebut.

Keakuratan penentuan koordinat menggunakan Reach. Perhatikan skalanya.

Informasi korektif dapat diperoleh perangkat Reach dari dua sumber. Pertama, dari jaringan publik stasiun pangkalan melalui Internet menggunakan protokol NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), yang mengimplementasikan ide yang dijelaskan di atas dalam kaitannya dengan jaringan komputer global. Kedua, dengan bantuan Jangkauan kedua, yang menempati posisi diam di dekat Jangkauan pertama dan dengan demikian merupakan stasiun pangkalan dalam hal DNSS. Opsi kedua lebih disukai (akurasi DNSS turun secara signifikan seiring bertambahnya jarak antara receiver dan BS) - bukan suatu kebetulan bahwa sebagai bagian dari kampanye crowdfunding di situs web Indiegogo, pembuat Reach menawarkan posisi pertama untuk membeli satu set dua perangkat.

Spesifikasi perangkat ditunjukkan pada tabel di bawah ini. Seperti yang Anda lihat, perangkat keras terdiri dari 3 bagian: komputer Intel Edison yang menjalankan OS Linux dan perangkat lunak RTK RTKLIB; Penerima GPS U-blox NEO-M8T dan antena Tallysman TW4721. Harap dicatat bahwa receiver ini mendukung semua sistem satelit yang ada: GPS, GLONASS, Beidou dan QZSS. Seluruh rangkaian komponen perangkat lunak dan perangkat keras ini memberikan akurasi penentuan koordinat yang mengesankan: hingga 2 cm!
Siapa yang dapat menggunakan alat seperti itu? Seperti disebutkan di atas, pencipta berbagai robotika seluler, otonom dan tidak; Selain itu, mengingat biayanya yang rendah (pre-order $545 untuk set ganda dan $285 untuk satu set), ini akan menarik tidak hanya bagi para profesional, tetapi juga bagi para penggemar. Selanjutnya, penyusun berbagai macam peta, sekali lagi, termasuk amatir. Ya, hanya para nerd yang ingin mengetahui lokasinya hingga sentimeter.

Pencipta Reach, perusahaan Emlid, tampil sukses di situs web indiegogo: dalam waktu kurang dari sebulan, hampir dua kali lipat jumlah yang diminta terkumpul. Artinya proyek tersebut pasti akan terlaksana. Anda masih punya waktu untuk melakukan pemesanan di muka dan menjadi orang pertama yang menerima perangkat navigasi yang benar-benar baru. Distribusi barang dijadwalkan pada bulan Juli.

Pengguna navigator GPS selalu tertarik dengan keakuratan navigasi GPS yang sebenarnya dan tingkat kepercayaan terhadap pembacaannya. Seberapa dekat Anda bisa mencapai bahaya navigasi hanya dengan mengandalkan penerima GPS Anda? Sayangnya, tidak ada jawaban yang jelas untuk pertanyaan ini. Hal ini disebabkan sifat statistik dari kesalahan navigasi GPS. Mari kita lihat lebih dekat.

Kecepatan rambat gelombang radio dipengaruhi oleh ionosfer dan troposfer, refraksi ionosfer dan troposfer. Ini adalah sumber utama kesalahan setelah mematikan SA. Kecepatan gelombang radio dalam ruang hampa adalah konstan, namun berubah ketika sinyal memasuki atmosfer. Waktu tunda berbeda untuk sinyal dari satelit yang berbeda. Penundaan propagasi gelombang radio bergantung pada keadaan atmosfer dan ketinggian satelit di atas cakrawala. Semakin rendah , semakin panjang jalur yang dilalui sinyalnya melalui atmosfer dan semakin besar distorsinya. Kebanyakan penerima mengecualikan sinyal dari satelit dengan ketinggian kurang dari 7,5 derajat di atas cakrawala.

Selain itu, gangguan atmosfer bergantung pada waktu. Setelah matahari terbenam, kepadatan ionosfer dan pengaruhnya terhadap sinyal radio berkurang, sebuah fenomena yang diketahui oleh operator radio gelombang pendek. Penerima GPS militer dan sipil dapat secara mandiri menentukan penundaan sinyal di atmosfer dengan membandingkan penundaan pada frekuensi yang berbeda. Penerima konsumen frekuensi tunggal membuat perkiraan koreksi berdasarkan prakiraan yang dikirimkan sebagai bagian dari pesan navigasi. Kualitas informasi ini baru-baru ini meningkat, yang selanjutnya meningkatkan keakuratan navigasi GPS.

Modus SA.

Untuk mempertahankan keunggulan akurasi tinggi bagi navigator GPS militer, mode pembatasan akses SA (Ketersediaan Selektif) diperkenalkan pada bulan Maret 1990, yang secara artifisial mengurangi keakuratan navigator GPS sipil. Ketika mode SA diaktifkan, kesalahan beberapa puluh meter ditambahkan di masa damai. Dalam kasus khusus, kesalahan ratusan meter dapat terjadi. Pemerintah AS bertanggung jawab atas kinerja sistem GPS kepada jutaan pengguna, dan dapat diasumsikan bahwa pengaktifan kembali SA, apalagi penurunan akurasi yang signifikan, tidak akan dilakukan tanpa alasan yang cukup serius.

Pengkasaran presisi dicapai dengan menggeser waktu transmisi kode pseudo-acak secara kacau. Kesalahan yang timbul dari SA bersifat acak dan memiliki kemungkinan yang sama di setiap arah. SA juga mempengaruhi arah GPS dan akurasi kecepatan. Oleh karena itu, receiver yang tidak bergerak sering kali menunjukkan kecepatan dan arah yang sedikit berbeda. Jadi tingkat dampak SA dapat dinilai dengan perubahan arah dan kecepatan secara berkala menurut GPS.

Kesalahan dalam data ephemeris selama navigasi GPS.

Pertama-tama, ini adalah kesalahan yang terkait dengan penyimpangan satelit dari orbit yang dihitung, ketidakakuratan jam, dan penundaan sinyal di sirkuit elektronik. Data ini dikoreksi dari Bumi secara berkala, dan kesalahan terakumulasi dalam interval antar sesi komunikasi. Karena ukurannya yang kecil, kelompok kesalahan ini tidak signifikan bagi pengguna sipil.

Sangat jarang terjadi, kesalahan yang lebih besar dapat terjadi karena kegagalan informasi mendadak pada perangkat memori satelit. Jika kegagalan tersebut tidak terdeteksi melalui diagnosis mandiri, maka sampai layanan darat mendeteksi kesalahan tersebut dan mengirimkan perintah tentang kegagalan tersebut, satelit dapat mengirimkan informasi yang salah untuk beberapa waktu. Ada yang disebut pelanggaran kontinuitas atau yang sering diterjemahkan dengan istilah integritas, integritas navigasi.

Pengaruh sinyal yang dipantulkan terhadap keakuratan navigasi GPS.

Selain sinyal langsung dari satelit, penerima GPS juga dapat menerima sinyal yang dipantulkan dari batu, bangunan, kapal yang lewat – yang disebut propagasi multipath. Jika sinyal langsung dihalangi dari penerima oleh bangunan atas atau tali-temali kapal, sinyal yang dipantulkan mungkin menjadi lebih kuat. Sinyal ini menempuh jalur yang lebih panjang, dan penerima “menganggapnya” jaraknya lebih jauh dari satelit daripada sebenarnya. Biasanya, kesalahan ini kurang dari 100 meter, karena hanya objek terdekat yang dapat menghasilkan gema yang cukup kuat.

Geometri satelit untuk navigasi GPS.

Tergantung pada lokasi penerima relatif terhadap satelit yang menentukan posisinya. Jika penerima menangkap empat satelit dan semuanya berada di utara, maka geometri satelitnya buruk. Akibatnya terjadi kesalahan hingga 50-100 meter atau bahkan ketidakmampuan menentukan koordinat.

Keempat dimensi tersebut berasal dari arah yang sama, dan area perpotongan garis posisi terlalu besar. Namun jika 4 satelit terletak merata di sisi cakrawala, maka akurasinya akan meningkat secara signifikan. Geometri satelit diukur dengan faktor geometri PDOP (Position Dilution Of Precision). Lokasi satelit yang ideal sesuai dengan PDOP = 1. Nilai yang besar menunjukkan geometri satelit yang buruk.

Nilai PDOP kurang dari 6.0 dianggap cocok untuk navigasi. Dalam navigasi 2D, digunakan HDOP (Horizontal Dilution Of Precision), kurang dari 4.0. Faktor geometri vertikal VDOP kurang dari 4,5 dan TDOP temporal kurang dari 2,0 juga digunakan. PDOP berfungsi sebagai pengganda untuk memperhitungkan kesalahan dari sumber lain. Setiap pseudo-range yang diukur oleh penerima memiliki kesalahannya sendiri-sendiri, bergantung pada interferensi atmosfer, kesalahan pada ephemeris, mode SA, sinyal pantulan, dan sebagainya.

Jadi, jika nilai yang diharapkan dari total penundaan sinyal karena alasan ini, URE - User Range Error atau UERE - User Equivalent Range Error, dalam bahasa Rusia EDP - kesalahan pengintai setara, total 20 meter dan HDOP = 1,5, maka penentuan yang diharapkan ruang kesalahan akan sama dengan 20 x 1,5 = 30 meter. Penerima GPS menyajikan informasi secara berbeda untuk mengevaluasi keakuratan menggunakan PDOP.

Selain PDOP atau HDOP, digunakan GQ (Kualitas Geometris) - nilai kebalikan dari HDOP, atau penilaian kualitatif dalam poin. Banyak receiver modern menampilkan EPE (Estimated Position Error) secara langsung dalam satuan jarak. EPE memperhitungkan lokasi satelit dan perkiraan kesalahan sinyal untuk setiap satelit bergantung pada SA, keadaan atmosfer, dan kesalahan jam satelit yang dikirimkan sebagai bagian dari informasi ephemeris.

Geometri satelit juga menjadi masalah saat menggunakan penerima GPS di dalam kendaraan, di hutan lebat, pegunungan, atau di dekat gedung tinggi. Ketika sinyal dari masing-masing satelit diblokir, posisi satelit yang tersisa akan menentukan seberapa akurat posisi GPS, dan nomornya akan menunjukkan apakah posisi tersebut dapat ditentukan. Penerima GPS yang baik tidak hanya akan menunjukkan kepada Anda satelit mana yang sedang digunakan, tetapi juga lokasi, azimuth, dan ketinggiannya, sehingga Anda dapat menentukan apakah satelit tertentu mengalami kesulitan dalam menerima.

Berdasarkan materi dari buku “Semua tentang navigator GPS.”
Naiman V.S., Samoilov A.E., Ilyin N.R., Sheinis A.I.

Sistem penentuan posisi dan navigasi satelit, yang awalnya dikembangkan untuk kebutuhan militer, belakangan ini banyak diterapkan di bidang sipil. Pemantauan transportasi GPS/GLONASS, pemantauan orang yang membutuhkan perawatan, pemantauan pergerakan karyawan, pelacakan hewan, pelacakan bagasi, geodesi dan kartografi adalah bidang utama penggunaan teknologi satelit.

Saat ini, terdapat dua sistem penentuan posisi satelit global yang dibuat di Amerika Serikat dan Federasi Rusia, dan dua sistem penentuan posisi regional, meliputi Tiongkok, negara-negara Uni Eropa dan sejumlah negara lain di Eropa dan Asia. Pemantauan GLONASS dan pemantauan GPS tersedia di Rusia.

Sistem GPS dan GLONASS

GPS (Global Position System) merupakan sistem satelit yang pengembangannya dimulai di Amerika pada tahun 1977. Pada tahun 1993, program ini diterapkan, dan pada bulan Juli 1995, sistem tersebut telah siap sepenuhnya. Saat ini jaringan luar angkasa GPS terdiri dari 32 satelit: 24 satelit utama, 6 satelit cadangan. Mereka mengorbit Bumi pada orbit menengah-tinggi (20.180 km) dalam enam bidang, dengan masing-masing empat satelit utama.

Di darat terdapat stasiun kendali utama dan sepuluh stasiun pelacak, tiga di antaranya mengirimkan data koreksi ke satelit generasi terbaru, yang mendistribusikannya ke seluruh jaringan.

Pengembangan sistem GLONASS (Global Navigation Satellite System) dimulai di Uni Soviet pada tahun 1982. Penyelesaian pekerjaan diumumkan pada bulan Desember 2015. GLONASS membutuhkan 24 satelit untuk beroperasi, 18 cukup untuk mencakup wilayah dan Federasi Rusia, dan jumlah total satelit yang saat ini mengorbit (termasuk cadangan) adalah 27. Mereka juga bergerak dalam orbit menengah-tinggi, tetapi pada ketinggian yang lebih rendah. (19.140 km), dalam tiga bidang, dengan masing-masing delapan satelit utama.

Stasiun bumi GLONASS berlokasi di Rusia (14), Antartika dan Brasil (masing-masing satu), dan sejumlah stasiun tambahan direncanakan akan dikerahkan.

Pendahulu GPS adalah sistem Transit, yang dikembangkan pada tahun 1964 untuk mengontrol peluncuran rudal dari kapal selam. Ia hanya dapat menemukan objek diam dengan akurasi 50 m, dan satu-satunya satelit yang terlihat hanya satu jam sehari. Program GPS sebelumnya disebut DNSS dan NAVSTAR. Di Uni Soviet, pembuatan sistem satelit navigasi dimulai pada tahun 1967 sebagai bagian dari program Topan.

Perbedaan utama antara sistem pemantauan GLONASS dan GPS:

• Satelit Amerika bergerak serempak dengan Bumi, sedangkan satelit Rusia bergerak tidak serempak;
• ketinggian dan jumlah orbit yang berbeda;
• sudut kemiringannya yang berbeda-beda (sekitar 55° untuk GPS, 64,8° untuk GLONASS);
• format sinyal dan frekuensi operasi yang berbeda.

Manfaat GPS

• GPS adalah sistem penentuan posisi tertua yang ada; sudah beroperasi penuh sebelum sistem Rusia.
• Keandalan berasal dari penggunaan satelit redundan dalam jumlah yang lebih besar.
• Penentuan posisi terjadi dengan kesalahan yang lebih kecil daripada GLONASS (rata-rata 4 m, dan untuk satelit generasi terbaru - 60–90 cm).
• Banyak perangkat yang mendukung sistem ini.

Keuntungan dari sistem GLONASS

• Posisi satelit asinkron di orbit lebih stabil sehingga lebih mudah dikendalikan. Penyesuaian rutin tidak diperlukan. Keuntungan ini penting bagi para spesialis, bukan konsumen.
• Sistem ini dibuat di Rusia, oleh karena itu sistem ini memastikan penerimaan sinyal yang andal dan akurasi posisi di garis lintang utara. Hal ini dicapai karena sudut kemiringan orbit satelit yang lebih besar.
• GLONASS adalah sistem domestik dan akan tetap tersedia bagi orang Rusia jika GPS dimatikan.

Kekurangan sistem GPS

• Satelit berputar serempak dengan rotasi bumi, sehingga penentuan posisi yang akurat memerlukan pengoperasian stasiun korektif.
• Sudut kemiringan yang rendah tidak memberikan sinyal yang baik dan penentuan posisi yang akurat di daerah kutub dan lintang tinggi.
• Hak untuk mengontrol sistem adalah milik militer, dan mereka dapat mengubah sinyal atau menonaktifkan GPS sepenuhnya untuk warga sipil atau negara lain jika terjadi konflik dengan mereka. Oleh karena itu, meskipun GPS untuk transportasi lebih akurat dan nyaman, GLONASS lebih dapat diandalkan.

Kekurangan sistem GLONASS

• Pengembangan sistem dimulai belakangan dan hingga saat ini dilakukan dengan ketertinggalan yang signifikan dibandingkan Amerika (krisis, penyalahgunaan keuangan, pencurian).
• Kumpulan satelit yang tidak lengkap. Masa pakai satelit Rusia lebih pendek dibandingkan satelit Amerika, lebih sering memerlukan perbaikan, sehingga keakuratan navigasi di sejumlah area berkurang.
• Pemantauan kendaraan satelit GLONASS lebih mahal daripada GPS karena tingginya biaya perangkat yang disesuaikan untuk bekerja dengan sistem penentuan posisi domestik.
• Kurangnya software untuk smartphone dan PDA. Modul GLONASS dirancang untuk navigator. Untuk perangkat portabel ringkas saat ini, pilihan yang lebih umum dan terjangkau adalah dukungan untuk GPS-GLONASS atau GPS saja.

Ringkasan

Sistem GPS dan GLONASS saling melengkapi. Solusi optimal adalah pemantauan satelit GPS-GLONASS. Perangkat dengan dua sistem, misalnya penanda GPS dengan modul M-Plata GLONASS, memberikan akurasi posisi yang tinggi dan pengoperasian yang andal. Jika untuk penentuan posisi secara eksklusif menggunakan GLONASS kesalahannya rata-rata 6 m, dan untuk GPS – 4 m, maka bila menggunakan dua sistem secara bersamaan akan berkurang menjadi 1,5 m.Tetapi perangkat dengan dua microchip tersebut lebih mahal.

GLONASS dikembangkan khusus untuk garis lintang Rusia dan berpotensi mampu memberikan akurasi tinggi; karena kekurangan satelit, keunggulan sebenarnya masih ada pada GPS. Keuntungan sistem Amerika adalah ketersediaan dan beragam pilihan perangkat berkemampuan GPS.

Tujuan

GPS (Global Positioning System) memungkinkan Anda menentukan secara akurat koordinat tiga dimensi suatu objek yang dilengkapi dengan penerima GPS: lintang, bujur, ketinggian di atas permukaan laut, serta kecepatannya, arah pergerakannya, dan waktu saat ini.

Cerita pendek

Sistem GPS dikembangkan oleh Departemen Pertahanan AS. Pengerjaan proyek ini, yang disebut NAVSTAR (NAVigation System with Timing and Ranging - sistem navigasi untuk menentukan waktu dan jangkauan), dimulai pada tahun 70an. Satelit pertama dari sistem ini diluncurkan ke orbit pada tahun 1974, dan satelit terakhir dari 24 satelit baru diperlukan untuk mencakup seluruh bumi pada tahun 1993. Awalnya, GPS dimaksudkan untuk digunakan oleh militer AS (navigasi, panduan rudal, dll.), Namun sejak tahun 1983, ketika sebuah pesawat Korean Airlines ditembak jatuh dan secara tidak sengaja memasuki wilayah Soviet, penggunaan GPS diperbolehkan untuk warga sipil. Pada saat yang sama, keakuratan sinyal yang ditransmisikan diperkeras menggunakan algoritma khusus, tetapi pada tahun 2000 batasan ini dicabut. Departemen Pertahanan AS terus memelihara dan meningkatkan sistem GPS. Ketergantungan penuh kinerja sistem pada pemerintah suatu negara (misalnya, selama Perang Teluk pertama, sektor sipil GPS dimatikan) yang mendorong negara lain untuk mengembangkan sistem navigasi alternatif (Rusia - GLONASS, Eropa - GALILEO, Cina - Beidou).

Prinsip penentuan koordinat

Prinsip penentuan koordinat suatu objek dalam sistem GPS didasarkan pada penghitungan jarak dari objek tersebut ke beberapa satelit yang diketahui koordinat pastinya. Informasi jarak minimal 3 satelit memungkinkan Anda menentukan koordinat suatu benda sebagai titik potong bola yang pusatnya adalah satelit, dan jari-jarinya adalah jarak yang diukur.

Sebenarnya ada dua titik potong bola, namun salah satunya dapat dibuang karena ia berada jauh di dalam bumi atau sangat tinggi di atas permukaannya. Jarak ke setiap satelit didefinisikan sebagai waktu yang diperlukan sinyal radio untuk berpindah dari satelit ke penerima dikalikan dengan kecepatan cahaya. Masalah muncul dalam menentukan waktu transit sinyal radio secara akurat. Hal ini diselesaikan dengan menghasilkan dan mentransmisikan sinyal dari satelit, dimodulasi menggunakan urutan khusus. Sinyal yang persis sama dihasilkan di penerima GPS, dan analisis jeda sinyal yang diterima dari sinyal internal memungkinkan untuk menentukan waktu tempuhnya.

Untuk menentukan waktu tempuh sinyal secara akurat, jam penerima GPS dan satelit harus disinkronkan sebanyak mungkin; penyimpangan bahkan beberapa mikrodetik menyebabkan kesalahan pengukuran hingga puluhan kilometer. Satelit ini memiliki jam atom presisi tinggi untuk tujuan ini. Tidak mungkin memasang jam serupa di penerima GPS (digunakan jam kuarsa biasa), jadi sinyal tambahan dari setidaknya satu satelit lagi digunakan untuk menyinkronkan waktu. Diasumsikan jika waktu pada penerima GPS tersinkronisasi secara tepat, maka sebuah lingkaran dengan radius sama dengan jarak dari satelit keempat akan memotong titik yang sama dengan lingkaran dari ketiga satelit lainnya. Penerima GPS menyesuaikan jamnya hingga kondisi ini terpenuhi. Jadi, untuk menentukan secara akurat posisi suatu benda dalam ruang tiga dimensi (3D), diperlukan sinyal dari minimal 4 satelit (dari 3 satelit tanpa menentukan ketinggian di atas permukaan bumi - 2D). Dalam praktiknya, dengan visibilitas langit yang baik, penerima GPS menerima sinyal dari banyak satelit sekaligus (hingga 10-12), yang memungkinkannya menyinkronkan jam dan menentukan koordinat dengan akurasi yang cukup tinggi.

Seiring dengan urutan penentuan waktu propagasi sinyal, setiap satelit mentransmisikan informasi biner - almanak dan ephemeris. Almanak berisi informasi tentang keadaan saat ini dan perkiraan orbit semua satelit (setelah menerima informasi dari satu satelit, sektor pencarian sinyal dari satelit lain dapat dipersempit). Ephemeris - informasi terkini tentang orbit satelit tertentu yang memancarkan sinyal (orbit satelit sebenarnya mungkin berbeda dari yang dihitung). Ini adalah data pasti tentang posisi satelit saat ini yang memungkinkan penerima GPS menghitung lokasinya sendiri relatif terhadap satelit tersebut.

Akurasi GPS

Keakuratan umum dalam menentukan koordinat oleh penerima GPS pada bidang horizontal adalah sekitar 1-2 meter (asalkan visibilitas langit baik). Keakuratan penentuan ketinggian di atas permukaan laut biasanya 2-5 kali lebih rendah dibandingkan keakuratan penentuan koordinat pada kondisi yang sama (yaitu pada kondisi ideal, 2-10 meter).

Tingkat penerimaan sinyal dari satelit, dan akibatnya keakuratan penentuan koordinat, menurun di bawah dedaunan pepohonan yang lebat atau karena awan yang sangat tebal. Selain itu, penerimaan normal sinyal GPS dapat terganggu oleh interferensi dari banyak sumber radio terestrial. Namun, faktor utama yang mempengaruhi penurunan akurasi GPS adalah visibilitas langit yang tidak lengkap. Hal ini terutama terlihat ketika penerima GPS berlokasi di daerah perkotaan yang padat, ketika sebagian besar langit tersembunyi oleh bangunan di dekatnya, kanopi, dan penghalang lainnya. Keakuratan penentuan koordinat bisa turun hingga 20-30 meter, dan terkadang lebih. Hambatan tidak memungkinkan sinyal dari beberapa satelit yang berpotensi tersedia pada titik tertentu di Bumi untuk melewatinya. Hal ini mengarah pada fakta bahwa penghitungan dilakukan dengan menggunakan lebih sedikit sinyal dari satelit yang terletak terutama di satu sektor langit. Perpindahan biasanya terjadi pada bidang yang tegak lurus terhadap rintangan.

Secara umum, jika kita berbicara tentang keakuratan GPS di kondisi perkotaan, berdasarkan akumulasi data statistik dan pengalaman kami sendiri, kita dapat menarik kesimpulan sebagai berikut. Keakuratan penentuan koordinat saat kendaraan berada di area terbuka (tempat parkir, alun-alun, dll) dan saat berkendara di sepanjang jalan raya utama dan jalan multi jalur adalah 1-2 meter. Saat berkendara di sepanjang jalan sempit, terutama jika terdapat rumah-rumah yang jaraknya berdekatan, akurasinya adalah 4-10 meter. Saat mobil berada di “sumur pekarangan”, sangat dekat dengan gedung bertingkat, dll. akurasi bisa turun hingga 20-30 meter.

Tentu saja, keakuratan penentuan koordinat sangat bergantung pada kualitas penerima GPS itu sendiri, serta antena yang digunakan dan penempatannya yang benar pada kendaraan.