В свою очередь, данные эфимериса содержат очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат. Каждый GPS спутник передаёт только данные своего собственного эфимериса. Эти данные действительны только 30 минут. Спутники передают свой эфимерис каждые 30 секунд.
Если GPS был отключён более 30 минут, а потом включён, он начинает искать спутники, основываясь на известном ему альманахе. По нему GPS выбирает спутники для инициации поиска.
Когда GPS приёмник фиксирует спутник, он показывает на экране «пустой» столбик силы сигнала. В этот момент ещё идёт процесс сбора данных эфимериса. Когда эфимерис каждого спутника принят, соответствующий ему столбик силы сигнала закрашивается чёрным цветом и данные, принятые от спутника считаются подходящими для навигации.
Если питание приёмника отключить, а потом снова включить в течении 30 минут, он «поймает» спутники очень быстро, т.к. не надо будет снова собирать данные эфимериса. Это называется «горячий» старт.
Если после отключения прошло более 30 минут, будет произведён «тёплый» старт и GPS приёмник снова начнёт собирать данные эфимериса.
Если GPS приёмник был перевезён (в выключенном состоянии) на несколько сотен километров или внутренние часы стали показывать неточное время, то данные имеющегося альманаха являются неверными. В таком случае навигатору требуется выполнить новый «поиск неба» (переинициализация) для загрузки нового альманаха и эфимериса. Это уже будет «холодный» старт.
Иногда бывает такая ситуация, что GPS приёмник долго не может «поймать» спутники. При этом на экране «Спутники» отображается пустое небо без номеров спутников. Оживить GPS поможет программка GPS Utility. Кроме неё, Вам потребуется рабочий GPS приёмник. С помощью программы Вы можете выкачать альманах из рабочего приёмника в ПК, а потом, подключив «мёртвый» GPS, закачать в него.
Программа OziExplorer позволяет экспортировать считанный из приёмника альманах в текстовый файл. Ниже приведён отрывок такого файла для первых трёх спутников.
Технология глобальной спутниковой навигации: какие бывают системы, параметры и функции
В этой статье мы расскажем про глобальные системы позиционирования, разработанные в США, России, ЕС и Китае; объясним, как поддержка технологий глобальной спутниковой навигации реализована в электронных устройствах, а также опишем ключевые и дополнительные функции современных навигационных приемников.
Система GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она начала работать в конце 80-х — начале 90-х годов, однако до 2000 года искусственные ограничения на определение местоположения существенно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях.
Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat — это число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).
ГЛОНАСС
Российский аналог GPS — ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) — была развёрнута в 1995 году, но в связи с недостаточным финансированием и малым сроком службы спутников она не получила широкого распространения. Вторым рождением системы можно считать 2001 год, когда была принята целевая программа ее развития, благодаря которой ГЛОНАСС возобновил полноценную работу в 2010 году.
Сегодня на орбите работают 24 спутника ГЛОНАСС, они охватывают навигационным сигналом весь земной шар. Новейшие потребительские устройства используют GPS и ГЛОНАСС как взаимодополняющие системы, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, это значительно увеличивает скорость и точность их работы.
Пример: aвтомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на базе ОС Android, разработанное командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. Реализована поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство автоматически обновляет информацию о дорожной обстановке в режиме реального времени и предлагает водителю оптимальный маршрут с учётом загруженности дорог.
Сейчас на стадии разработки находятся еще две спутниковые системы: европейская Galileo и китайская Compass.
Galileo
Галилео — совместный проект Европейского союза и Европейского космического агентства, анонсированный в 2002 году. Изначально рассчитывали, что уже в 2010 году в рамках этой системы на средней околоземной орбите будут работать 30 спутников. Но этот план не был реализован. Сейчас предположительной датой начала эксплуатации Galileo считается 2014 год. Однако ожидается, что полнофункциональное использование системы начнется не ранее 2020 года.
Compass
Это следующая ступень развития китайской региональной навигационной системы Beidou, которая была введена в эксплуатацию после запуска 10 спутников в конце 2011 года. Сейчас она обеспечивает покрытие в границах Азии и Тихоокеанского региона, но, как ожидается, к 2020 году система станет глобальной.
Сравнение орбит спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass (средняя околоземная орбита — MEO) с орбитами Международной космической станции (МКС), телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум (Iridium) на низкой орбите, а также геостационарной орбиты и номинального размера Земли.
Поддержка ГНСС
Ключевые параметры навигационных приемников
Производители приемников используют различные методы уменьшения TTFF, включая скачивание и сохранения альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных (т.н. метод Assisted GPS или A-GPS), это быстрее чем извлечение этих данных из сигналов ГНСС.
Холодный старт описывает ситуацию, когда приемнику нужно получение всей информации для определения места. Это может занять до 12 минут.
Теплый старт описывает ситуацию, когда у приемника есть почти вся необходимая информация в памяти, и он определит место в течении минуты.
Одним из ключевых параметров навигационных модулей в мобильных устройствах является энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль потребляет различное количество энергии. Фаза поиска спутников (TTFF) характеризуется большим, а слежение меньшим энергопотреблением. Также производители реализуют различные схемы уменьшения энергопотребления, например, путем периодического перевода модуля в режим сна.
Как правило, все модули выдают данные по текстовому протоколу NMEA-0183, но кроме указанного текстового протокола каждый производитель имеет свой собственный двоичный протокол (Binary), который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное использование либо получать доступ к дополнительному функционалу, а также доступ к сырым измерениям. Двоичный протокол удобен для использования на микроконтроллерах, т.к. при этом нет необходимости выполнять преобразование из текста в двоичные данные, тем самым экономя программную память путем исключения библиотеки работы со строками и времени на преобразование.
Стандарт NMEA-2000 — это развитие протокола NMEA-0183. В качестве физического уровня в NMEA-2000 используется CAN-шина, которая была выбрана в виду большей защищенности по сравнению с RS-232. С точки зрения протокола передачи данныхNMEA-2000 существенно отличается от своего предшественника, т.к. использует двоичный протокол, базирующийся на стандарте SAE J1939.
Частота обновления данных о местоположении и скорости всех модулей составляет 1 Гц, но при необходимости ее можно поднять до 5 или 10 Гц.
В зависимости от области применения модуль можно сконфигурировать под определенные динамические характеристики, которые он должен отслеживать (например, максимальное ускорение объекта). Это позволяет использовать оптимальный алгоритм и улучшать качество измерений.
Для выполнения навигационной задачи модуль должен одновременно принимать сигналы от нескольких спутников, т.е. иметь несколько приемных каналов. На сегодняшний день это число лежит в диапазоне от 12 до 88.
Точность определения местоположения по GPS составляет в среднем 15 м, она обусловлена используемым неточным сигналом, влиянием атмосферы на распространение радиосигнала, качеством кварцевых генераторов в приемниках и пр. Но с помощью корректирующих методов возможно улучшить точность определения местоположения. Эта технология называется Differential GPS. Существует два метода коррекции: наземный и спутниковый DGPS.
В наземных методах коррекции наземные станции дифференциальных поправок постоянно сверяют свое заведомо известное местоположение и сигналы от навигационных спутников. На базе этой информации вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы с помощью УКВ- или ДВ-передатчика на мобильные DGPS-приемники в формате RTCM. На основании полученной информации потребитель может корректировать процесс определения собственного местоположения. Точность этого метода составляет 1—3 метра и зависит от расстояния до передатчика корректирующей информации и качества сигнала.
Спутниковые методы, такие как система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступная в Северной Америке, и система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступная в Европе, шлют корректирующие данные с геостационарных спутников, таким образом достигается большая область приема, чем при наземных методах.
Спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS — Space Based Augmentation Systems) позволяют улучшить точность, надежность и доступность навигационной системы за счет интеграции внешних данных в процессе расчета
Демонстрация принципа работы системы WAAS (Wide Area Augmentation System) на территории США
Одним из основных параметров, влияющих на точность определения местоположения и стабильность приема является чувствительность. Она, как правило, определяется качеством малошумящего усилителя на входе приемника и сложностью реализованных алгоритмов цифровой обработки. Типовые значения современных приемников лежат в диапазоне 143 дБм для поиска и 160 дБм для слежения.
Кроме определения местоположения ГНСС предоставляют информацию о точном времени. Как правило, все приемники имеют выход PPS (pulse per second, импульсов в секунду) — секундная метка (1 Гц), которая точно синхронизирована с временной шкалой UTC.
Дополнительные функции навигационных устройств
Счисление пути. На основе информации о направлении движения и пройденном пути (предоставляется дополнительными датчиками) приемник может рассчитывать свои координаты при отсутствии сигналов от спутников (например, в туннелях, на подземных стоянках и в плотной городской застройке).
Некоторые модули имеют возможность напрямую подключать флэш-память (например, по SPI) к модулю для записи трека c необходимой периодичностью. Эта функция позволяет отказаться от использования отдельного микроконтроллера, либо она может быть полезной для минимизации энергопотребления (т.е. система на кристалле может находиться в состоянии сна).
На этом поверхностный обзор технологий глобальной спутниковой навигации завершен. Спасибо за внимание. Примеры реализованных проектов на базе этих ГЛОНАСС и GPS можно посмотреть на странице разработок компании Promwad.
Краткий ликбез по работе навигаторов. Что такое эфемериды и альманахи?
Процессы, происходящие в современной технике, для пользователя загадка. Более того, зачастую пользователя они ничуть не волнуют: или не интересно, или просто все равно. Это касается и навигаторов. Включил — и знаешь свои координаты. Несколько движений пальцами — маршрут готов. Однако порою, чтоб разобраться с техническими характеристиками того же навигатора, нужно знать больше, чем необходимо просто для пользования им.
Поэтому, оговорюсь сразу: статья будет интересна тем, кого не устраивает роль рядового пользователя «черной коробочки с экраном». Тем, кто стремится изучить все пункты технической характеристики устройства перед его приобретением. Тем, кто получает удовольствие от понимания процессов, происходящих в разнообразных устройствах.
Такие люди не отвечают «не знаю» на вопросы типа: «Какой на твоем компьютере установлен процессор?». Вопрос-то, по сути, элементарный, но вы будете удивлены тем, какой процент друзей-товарищей ответ на него знает. Попробуйте!
Немного о терминах
В каждой сфере науки и техники полным-полно терминов. Термины эти звучат для непосвященных загадочно, но становятся, в целом, понятными при более пристальном рассмотрении.
В теории космической навигации также есть множество терминов. И неудивительно: эта сфера знаний связана и с движением спутников в околоземном пространстве, и с приемом-обработкой-передачей сигналов, и с их кодированием.
Терминами, которые небесполезно будет рассмотреть, являются понятия альманах и эфемериды. Почему именно эти понятия нам интересны? Да потому, что на знании этих понятий основывается понимание «холодного» и «горячего» старта навигатора.
Альманах в современной навигации и не только
Еще до начала эры космической навигации понятие альманах уже существовало. Альманахом называли справочник, который содержит основные астрономические данные — положения небесных тел и их привязку к календарю. Одним из самых старых альманахов является китайская книга Тун Син.
В наши дни назначение альманахов не изменилось. Изменилось только количество данных, которые в них содержатся, и их точность. Альманах в космической навигации — совокупность данных об основных параметрах орбит спутников в навигационной системе. Форма представления этих данных для нас, собственно, не так и важна.
Альманах содержит шесть параметров орбиты спутника на определенный момент времени. Причем каждый спутник системы имеет данные о других спутниках. Навигатор, установив связь всего с одним спутником, после получения альманаха имеет данные о параметрах орбит и других. Альманах, загруженный в память спутника, действителен 30 дней. Тем не менее уточняются эти данные чаще — раз в несколько суток, во время сеанса связи с одной из наземных станций.
Эфемериды
Кроме основные параметров орбит, навигатор получает от каждого из спутников их эфемериды, это данные, по которым вычисляются отклонения орбиты, коэффициенты возмущений То есть с их помощью навигатор с высокой точностью может определить местоположение спутников.
Эфемериды, несущие более точные данные, устаревают гораздо скорее. Их данные активны только около 30 минут. Они также обновляются наземными станциями.
Без данных о местоположении навигационных спутников невозможно определение координат приемника. Необходимо для этого целых четыре спутника. Об особенностях включения навигатора и о «холодном», «теплом» и «горячем» старте, поговорим в следующей статье.
Время «старта» необходимое навигационному приемнику на определение позиции после включения, зависит от имеющейся в памяти начальной информации. Выделяются следующие режимы:
Навигационные сообщения передаваемые со спутников содержат два типа данных – эфемериды и альманах. Спутников. В альманахе передаются параметры орбиты, с помощью которых можно вычислить примерное местоположение спутников с достаточной большой степенью погрешностью. Альманах, хранящийся в памяти приемника, постоянно обновляется, т.к. каждый спутник передает данные альманаха для всех спутников группировки. Время «жизни» альманаха составляет 2-3 месяца. Далее, величина накопленной ошибки в расчетах будет недопустимой.
Данные эфемерид содержат параметры, позволяющие более точно вычислить текущее местоположение спутников. В отличие от альманаха, каждый из спутников передает, только свои собственные эфемериды. Время «жизни» эфемерид не превышает 4-6 часов.
Информация данных эфемерид и альманаха, передаваемой со спутников, постоянно корректируется. Это происходит один раз (а при необходимости и более) в сутки. Сеть наземных станций, получает информацию со спутников, по аналогии с обычными пользователями, анализирует измерения, сравнивает их с опорными, рассчитывает корректирующие поправки и передает их на главную станцию, с которой осуществляется передача данных на спутники.
«Холодный» старт приемника может быть связан не только с его длительным бездействием, но перемещением на большое расстояние в выключенном состоянии. Если первый случай связан с устаревшим альманахом и ошибкой в определении текущего точного времени, то во втором случае приемник, не зная о своем перемещении, будет пытаться найти спутники, которых должны быть видимы на «старом» месте. Пользователь может «помочь» приемнику и уменьшить время «холодного» старта, указав на базовой карте, примерное «новое» местоположение.
Во время «холодного» старта приемник сканирует весь диапазон возможных значений частот и временных задержек навигационных сигналов. При этом, в многоканальных приемниках, несколько каналов могут использоваться для поиска одного спутника, чтобы ускорить время его захвата. После того, как сигнал хотя бы от одного спутника будет получен и разобран, приемник будет иметь полную информацию об альманахе всей группировки и, по сути, перейдет к «теплому» старту
При «теплом» старте, приемник, включенный после 6-и часов бездействия, начнет «поиск» сигналов спутников, используя значение текущего времени и данные, хранящегося в памяти, альманаха. Будет осуществляться поиск только тех спутников, которых, по теоретическим расчетам находятся в видимом полушарии и должны быть доступны приемнику. Соответственно, известен достаточно узкий диапазон частот и временный задержек, который требуется просканировать в процессе поиска сигналов. Эта информация существенно ускоряет время захвата спутников, по сравнению с «холодным» стартом, когда поиск ведется на широком диапазоне всех возможных значений задержек и частот
В приемниках «Garmin» для контроля текущего использования спутников существует страница «Satellites», на которой отображается информация о местоположении спутников и индикатор уровня сигнала. Когда спутник только захвачен, но еще не используется в подсчете позиции, этот индикатор имеет «прозрачный» вид. После того, как эфемериды полностью получены и декодированы, спутник может использоваться в подсчете позиции.
Стоит отметить, что в момент включения, многоканальный приемника начинает поиск сигналов с нескольких спутников одновременно. Информация передаваемая со спутников привязана к единой шкале времени, содержит одинаковую структуру и достигает антенны приемника, примерно в одно и тоже время. Поэтому данные эфемерид, одновременно захваченных спутников, поступят в приемник почти что одновременно. Если количество таких спутников более или равняется трем, то это позволяет приемнику сразу же рассчитать позицию. В случае, когда сигналы блокируются высокими зданиями или густой листвой, то может потребоваться достаточно длительное время на определение позиции.
Наличие полностью полученных эфемерид, не гарантирует использование этого спутник в подсчете позиции. Информация передаваемая в эфемеридах может быть неправильной, ошибочной, либо связанной с неисправностью в работе спутника. В это случае, индикатора «здоровья» передаваемых в данных эфемерид и альманаха, информирует приемник, что сигналы с этого спутника нельзя использовать в подсчете позиции. Это может быть связано не только с неисправностью спутника, но и диагностическими работами проводимыми на его борту, процессом ввода его в эксплуатацию или тестированием новых режимов,.
«Горячий» старт связан с кратковременным выключением приемника (до 6-и часов) не требует длительного времени на определение позиции. Это объясняется тем, что полученные ранее эфемериды содержат «свежие» данные, используемые для определения точных координат спутников и могут использовать в вычислении позиции. В случае включения прибора после порогового времени, эфемериды рассматриваются устаревшими и начинает действовать принцип «теплого» старта. Если на момент включения приемника видимыми остались менее 3-и спутников со «свежими» эфемеридами, то для определения позиции потребуется некоторое время на сбор данных эфемерид нового спутника.
Данные эфемерид передаются в составе трех пакетов. Каждый из пакетов содержит одинаковый временной идентификатор (IOD – issue of data) по которому можно объединить общую информацию. Информация эфемерид передаваемая со спутников каждые 30 секунд, изменяется раз в 2 часа, и содержит одинаковый на это время IOD. Если один из пакетов был пропущен, либо получен с ошибками, то можно выделить аналогичный пакет из следующего сообщения, проверить его идентификатор и не дожидаясь следующих пакетов, использовать его с ранее полученными. Это позволяет приемнику ускорить время «старта».
Существует минимальное возможное время, необходимое приемнику на «старт», и это определяется структурой передаваемого сигнала со спутников. Производители навигационной аппаратуры, используя стандартные методы навигации, могут приблизиться к этому времени, но уменьшить его не смогут. Одним из методов, предназначенных для решения этой проблемы, является Assisted-GPS (A-GPS). Его принцип заключается в вычисление точного местоположения спутников без информации эфемерид, на получении которых требуется время. Вычисление осуществляется на использовании точных моделей орбит спутников, доступных через специальные Интернет — сервисы.
С другой стороны, максимальное время «старта» может значительно превышать заявленное в технической спецификации на навигатор время. Это объясняется окружающими условиями, в которых происходит «захват» спутников и «старт» приемника. Если приемник находится в условиях сильной многолучевости вызванной густой листвой деревьев, или близкорасположенными зданиями, то навигационных сигнал подвергается внешнему воздействию, содержит ошибки и неправильно декодируется. В условиях городских «каньенов», когда над приемником «нависают» высокие здания и виден только небольшой сектор неба, количество спутников доступных для использования резко ограничивается. Более, того геометрический фактор этих спутников, являющийся одним из критериев точно определения позиции, сильно ухудшается. Все эти условия могут значительно увеличить время «старта» приемника.
Когда GPS приёмник фиксирует спутник, он показывает на экране «пустой» столбик силы сигнала. В этот момент ещё идёт процесс сбора данных эфимериса. Когда эфимерис каждого спутника принят, соответствующий ему столбик силы сигнала закрашивается чёрным цветом и данные, принятые от спутника считаются подходящими для навигации.
«Холодный» старт приемника может быть связан не только с его длительным бездействием, но перемещением на большое расстояние в выключенном состоянии. Если первый случай связан с устаревшим альманахом и ошибкой в определении текущего точного времени, то во втором случае приемник, не зная о своем перемещении, будет пытаться найти спутники, которых должны быть видимы на «старом» месте. Пользователь может «помочь» приемнику и уменьшить время «холодного» старта, указав на базовой карте, примерное «новое» местоположение.
Во время «холодного» старта приемник сканирует весь диапазон возможных значений частот и временных задержек навигационных сигналов. При этом, в многоканальных приемниках, несколько каналов могут использоваться для поиска одного спутника, чтобы ускорить время его захвата. После того, как сигнал хотя бы от одного спутника будет получен и разобран, приемник будет иметь полную информацию об альманахе всей группировки и, по сути, перейдет к «теплому» старту
В приемниках «Garmin» для контроля текущего использования спутников существует страница «Satellites», на которой отображается информация о местоположении спутников и индикатор уровня сигнала. Когда спутник только захвачен, но еще не используется в подсчете позиции, этот индикатор имеет «прозрачный» вид. После того, как эфемериды полностью получены и декодированы, спутник может использоваться в подсчете позиции.
Наличие полностью полученных эфемерид, не гарантирует использование этого спутник в подсчете позиции. Информация передаваемая в эфемеридах может быть неправильной, ошибочной, либо связанной с неисправностью в работе спутника. В это случае, индикатора «здоровья» передаваемых в данных эфемерид и альманаха, информирует приемник, что сигналы с этого спутника нельзя использовать в подсчете позиции. Это может быть связано не только с неисправностью спутника, но и диагностическими работами проводимыми на его борту, процессом ввода его в эксплуатацию или тестированием новых режимов,.
Существует минимальное возможное время, необходимое приемнику на «старт», и это определяется структурой передаваемого сигнала со спутников. Производители навигационной аппаратуры, используя стандартные методы навигации, могут приблизиться к этому времени, но уменьшить его не смогут. Одним из методов, предназначенных для решения этой проблемы, является Assisted-GPS (A-GPS). Его принцип заключается в вычисление точного местоположения спутников без информации эфемерид, на получении которых требуется время. Вычисление осуществляется на использовании точных моделей орбит спутников, доступных через специальные Интернет — сервисы.
Версия для печати