Описание технологии GPS
Введение
Современные технологии год от года все плотнее внедряются в наш быт, облегчая и упрощая решение повседневных задач. Сегодня мало кто из нас может представить свое существование без персонального компьютера, мобильного телефона или цифрового фотоаппарата. Тем не менее, буквально 5-10 лет назад мы жили, не задумываясь об этих устройствах. Но прогресс не стоит на месте, и с каждым годом эти предметы становятся все совершеннее и удобнее, изредка пополняя свои ряды новыми достижениями науки, призванными еще более облегчить нашу жизнь.
Одним из таких достижений можно считать технологию GPS NAVSTAR (Global Positioning System), в дословном переводе — глобальная система позиционирования. Для большинства пользователей она стала известной и доступной лишь несколько лет назад. Однако мало кто знает, что в феврале следующего года ей исполнится 30 лет. Именно столько пройдет с момента запуска первого спутника. Впрочем, не только для нас система GPS стала доступной столь недавно. Началом ее коммерческого использования можно считать 1 мая 2000 года, когда Президент соединенных штатов (именно этой стране, вернее ее военным, принадлежат все спутники системы) подписал указ об отмене так называемого «избирательного доступа» («Selective Availability»). Смысл последнего состоял в том, чтобы намерено вносить искажения в сигнал, передаваемый со спутников, снижая при этом точность позиционирования до 100-150 метров. Без него погрешность определения координат стала составлять не более 3 метров. Впрочем, в характеристиках большинства приемников мы встречаем цифру 10 метров, она объясняется лишь ограничениями законодательства той или иной страны.
Орбитальная группировка
Вся система функционирует на основе орбитальных спутников. Первый из них был запущен в 1978 году. Это был спутник первого поколения — Block I. Всего существует четыре поколения GPS-сателлитов: Block I, Block II/II-A, Block II-R и Block II-M. Отличаются они временем жизни на орбите, размерами и надежностью бортового оборудования. Спутников первого поколения на орбите уже не осталось, они использовались в основном для испытания, проверки и отладки системы GPS и ее оборудования. Сейчас же основу орбитальной группировки составляют Block II-A (15) и Block II-R (12). Наиболее совершенными являются спутники системы Block II-M, на данном этапе их всего три, однако в дальнейшем их количество будет только увеличиваться. Они имеют ряд серьезных преимуществ перед своими предшественниками. В первую очередь это время «жизни», для Block II-M оно составляет 15 лет, для сравнения: Block II-A «живет» в два раза меньше — 7.5 лет. Также новая модель обладает новейшей системой коррекции ошибок непосредственно в полете, что позволяет получать еще большую точность в определении координат пользователем.
Стоит отметить еще одну особенность спутников семейства Block II — в их задачу, помимо определения координат, входит еще обнаружение ядерных взрывов, в любом месте по всей поверхности земли.
Информацию по текущему состоянию системы всегда можно уточнить на странице Американского Центра Навигации Береговой охраны.
Спутники находятся на шести орбитах, высота которых составляет порядка 20000 километров, а скорость движения равна 3000 м/сек. Таким образом, за сутки каждый сателлит делает два «витка» вокруг земли.
Несмотря на то, что для нормальной работы системы достаточно 24-х спутников, на данный момент (август 2007 г.) в орбитальную группировку входит 30 рабочих аппаратов. Эта избыточность нисколько не мешает, а наоборот даже помогает добиться более точного определения координат.
Все спутники передают данные на приемник посредством радиосигнала, транслирующегося на две частоты. Одна из них считается гражданской и имеет индекс L1 (1575.42 МГц), вторая же используется в основном военными и маркируется как L2 (1227.60 МГц). На основании данных, передаваемых с помощью L1, можно добиться точности позиционирования до 3-х метров. Если же наряду с «гражданской» L1 использовать еще и «военную» L2, то погрешность определения координат снижается до нескольких миллиметров. Однако такая точность необходима крайне редко, поэтому большинство современных коммерческих GPS-приемников используют исключительно L1. L2 же, помимо военных нужд, применяется еще и в дорогостоящем геодезическом оборудовании.
Как определяется местоположение
Теоретически для определения местоположения необходимы данные с трех спутников. Попробуем разобраться, как происходит этот процесс. Допустим, нам известна величина расстояния от одного спутника до приемника. Зная ее, мы можем нарисовать окружность вокруг спутника, на краю которой и будет находиться наш приемник.
Добавим данные со второго спутника.
Таким образом, мы сузили сектор поиска до пересечения двух окружностей. Остается прибавить информацию о третьем спутнике.
Таким образом, мы получаем точные координаты приемника, который находится на пересечении трех окружностей.
Мы постарались максимально упростить схему, изобразив двухмерную модель. В действительности все происходит в трехмерном пространстве, но принцип вычислений используется тот же.
Теперь нам осталось выяснить, как рассчитывается расстояние от спутников до приемника. Все очень просто: достаточно умножить скорость света (скорость распространения радиоволн) на время прохождения сигнала от спутника до приемника. Полученная величина и будет искомым расстоянием. При этом для вычисления времени необходима точнейшая синхронизация часов космического аппарата с часами принимающего устройства, так как разница даже в 0.0000003 секунды впоследствии вызывает ошибку равную 100 метрам. Для этого на каждом спутнике установлено четверо точнейших атомных часов. Стоит отметить, что одни такие часы стоят порядка 100000$. Но даже они могут содержать отклонения от эталонного времени. Что же говорить об обычных кварцевых часах, установленных непосредственно в принимающих устройствах, тут возможность погрешности в разы больше. Именно поэтому для точного определения координат нужно не три, а четыре спутника. Последний как раз и призван нивелировать временные ошибки первых трех.
Наземная составляющая GPS
Помимо орбитальных спутников в состав системы GPS входит 5 наземных станций слежения. Они находятся на пяти военных базах США: на Гавайях, на острове Вознесенья, в Кваджалейн, на острове Диего-Гарсия и в Колорадо-Спрингс. В ближайших планах постройка шестой, на мысе Канаверал. Во главе наземного сегмента стоит Главная управляющая станция, находящаяся в Колорадо на базе ВВС «Шривер».
Все станции слежения оборудованы GPS-приемниками, которые принимают навигационные сигналы со всех спутников. Затем собранные данные посылаются на главную управляющую станцию в Колорадо. Там ведется анализ и обработка полученной информации. Затем на ее основе вводятся необходимые изменения в орбиты спутников и их встроенные часы. Такая операция проводится один раз в 24 часа с каждым сателлитом, входящим в орбитальную группировку.
Стоит отметить, что пяти станций слежения недостаточно для максимально корректной работы системы GPS. Поэтому наряду с перечисленными центрами используются еще шесть, принадлежащих национальному управлению картографии (NIMA).
Особенности работы GPS-приемников
Как мы выяснили ранее, для определения координат GPS-приемнику необходимы данные с орбитальных спутников. Однако их получение и обработка требуют некоторого времени — от нескольких секунд до десятка минут. Попробуем разобраться, от чего зависит это время. В первую очередь от наличия в приемнике альманаха и эфемерид. Альманах — это данные, передаваемые спутником и содержащие информацию о параметрах орбит всех спутников. С его помощью можно лишь приблизительно вычислить их местоположение. Альманах постоянно обновляется, так как передается каждым спутником, входящим в систему GPS. Время его актуальности составляет 2-3 месяца. Это связано с тем, что в работу спутников ежедневно вносятся корректировки, и по прошествии такого длительного времени погрешность будет слишком велика. Эфемериды, в отличие от альманаха, содержат более точные данные о местоположении спутников, но время их действия составляет не более 4-6 часов. От наличия этих двух типов данных и зависит время старта приемника.
Существует три типа стартов — «Холодный», «Теплый» и «Горячий».
«Холодный старт» — альманах и эфемериды неизвестны, в современных устройствах занимает несколько минут. «Теплый старт» — альманах известен, а эфемериды нет, длится не более минуты. «Горячий старт» — известны и альманах, и эфемериды, занимает несколько секунд. Определить, какой из стартов используется в данный момент, очень просто: если вы включаете приемник первый раз за 3 месяца, то это будет «холодный старт», если с момента последнего использования устройства прошло более 6 часов, то это будет «теплый старт», если менее 4 часов, то «горячий». Стоит отметить, что указанные нами данные о приблизительном времени стартов характерны исключительно для современных устройств, оснащенных наиболее популярным сегодня чипсетом SIRF StarIII. Если ваш приемник оснащен другим чипом, то это время может отличаться в несколько раз, причем как в худшую сторону, так и в лучшую.
Не стоит забывать и об ошибках, которые могут возникнуть в реальных условиях. В первую очередь на точность определения влияет рельеф местности. Если вы находитесь в зоне плотной застройки, то вероятность ошибки возрастает в разы, так как на полезный сигнал нередко накладывается отраженный, снижая, таким образом, точность позиционирования. Также немалое влияние оказывают погодные явления, например, дождь или снег. Не стоит забывать и про такие банальные источники помех, как листва деревьев, бытовые радиоприборы, кузов автомобиля и даже человеческое тело. Как раз все эти факторы и вынуждают использовать не четыре спутника, которых, в теории, достаточно для определения координат, а намного больше, дополнительно применяя при этом сложнейшие алгоритмы расчетов устранения ошибок, вызванных помехами.
Итак, мы уже знаем, что самой большой проблемой для приемника является старт. Именно в этот момент происходит поиск спутников, запись альманаха и эфемерид. И данный процесс может занимать немалое время. При этом в таком режиме приемник потребляет в несколько раз больше энергии, сажая, таким образом, аккумулятор устройства в считанные часы. Последний факт особенно актуален для обладателей интегрированных устройств, например, коммуникаторов со встроенной функцией GPS. Ведь в случае разряда аккумулятора человек останется не только без навигатора, но и без связи, что в незнакомой местности может привести к совсем неприятным последствиям. Решить вышеописанную проблему призвана технология aGPS.
aGPS — assisted GPS. В дословном переводе — «ассистирующая GPS». Это технология, в которой внешний источник, в большинстве случаев сотовый оператор, помогает приемнику в определении координат. В данном случае встроенный в телефон или коммуникатор GPS-модуль только получает данные от спутников и, не обрабатывая, посылает их на сервер оператора. Сервер в свою очередь анализирует полученные данные в считанные секунды. После чего посылает уже готовые координаты на телефон. Помимо этого, оператор может хранить у себя актуальные данные альманаха и эфемерид, постоянно обновляя их через Интернет. И отсылать их на телефон по первому требованию, ускоряя, таким образом, старт в десятки раз. И это лишь два самых простых варианта использования данной технологии. В будущем благодаря aGPS может появиться множество мобильных сервисов, основанных на позиционировании. Начиная с простейшей загрузки карты местности, на которой вы находитесь, до вызова такси без указания адреса. Причем для развития этой технологии есть все предпосылки, так как ее функционирование напрямую зависит от операторов сотовой связи. А у последних с каждым годом остается все меньше новых интересных услуг.
Классификация GPS-приемников
Все GPS-приемники делятся на два основных типа — кодовые и фазовые. Первые для определения координат используют информацию спутникового сигнала, вторые же для вычисления используют сам радиосигнал. На сегодняшний день фазовые приемники используются исключительно в геодезии и картографии, их стоимость может достигать нескольких десятков тысяч долларов, а точность измерения доходит до нескольких миллиметров. Для гражданских же нужд используются исключительно кодовые приемники.
До недавнего времени гражданские GPS-приемники можно было разделить на три основных типа — это автомобильные, пешеходные и морские.
Пожалуй, самым распространенным видом на сегодняшний день являются автомобильные GPS-навигаторы. Эти устройства могут быть как встроены в автомобиль на производстве, так и установлены после покупки. Они всегда снабжены подробной картой, с помощью которой можно проложить маршрут, учитывающий все правила движения. Они обладают большим и нередко сенсорным цветным дисплеем и оптимизированы под использование в автомобиле. Многие модели позволяют загружать информацию о пробках и дорожных работах.
Пешеходные навигаторы предназначены, прежде всего, для туристов. Эти устройства могут быть ориентированы на работу с картой или функционировать без нее. В последнем случае они выполняют функцию продвинутого компаса. Например, уходя в лес, вы отмечаете контрольной точкой местоположение своего автомобиля, после чего отправляетесь в путь. Когда же приходит время возвращаться, вы уже четко знаете, в каком направлении вам надо двигаться, чтобы попасть к контрольной точке, машине, так как она отмечена на дисплее вашего навигатора.
Назначение морских навигаторов можно определить по названию. В них сосредоточено, пожалуй, наибольшее количество специализированных функций. Здесь и прием данных о погоде, и информация о морских течениях, глубинах, приливах/отливах, и возможность прослушивания спутниковых радиостанций. Они, как правило, имеют довольно внушительные размеры и водонепроницаемый корпус.
Ну и последними мы рассмотрим сравнительно недавно появившиеся интегрированные GPS-приемники. Несмотря на то, что на данном этапе они имеют наименьшую численность среди существующих GPS-устройств, в будущем их доля будет увеличиваться, и в гражданском сегменте они должны полностью вытеснить специализированные устройства. Современные встраиваемые GPS-чипы имеют очень скромные размеры, при этом практически не уступая своим старшим аналогам в точности определения координат. Не стоит забывать и про то, что их цена с каждым днем становится все меньше. А это может привести к тому, что обладать подобной функцией будут не только топовые модели, но и аппараты, относящиеся к бюджетному сегменту. Вспомните ситуацию с камерами в мобильных телефонах. Тут история может повториться, а GPS имеет все шансы стать столь же обыденной функцией.
Выводы
За последние годы технология GPS из сугубо военной технологии превратилась в общедоступную рядовую возможность, использовать которую может каждый. И уже сегодня для многих спутниковый навигатор стал предметом повседневного использования, оставив в прошлом раздражающие атласы и путаные объяснения прохожих.
Еще совсем недавно GPS-приемники продавались исключительно в узконаправленных магазинах, ориентированных на путешественников, продвинутых охотников и рыболовов. Стоимость довольно простых, по сегодняшним меркам, устройств могла доходить до нескольких тысяч долларов. Сегодня же GPS-навигаторы представлены практически во всех сетевых магазинах, занимающихся электроникой, и превратились в такой же обыденный товар, как цифровой фотоаппарат или карманный компьютер. Во многом этому способствовал факт легализации этой технологии в России. До 2007 года на GPS в нашей стране были наложены серьезные ограничения, касающиеся точности определения координат. Как только они были сняты, множество производителей навигационных программ обратили внимание на наш рынок. На данном этапе он находится в стадии становления и в будущем будет активно развиваться. Также немалое влияние на развитие рынка GPS-устройств оказало появление компактных недорогих встраиваемых решений. Многие современные пользователи навигационных систем при покупке коммуникатора с GPS не имели ни малейшего представления об этой технологии. Тем не менее, попробовав один раз, они уже не могут представить себе будни в мегаполисе без спутниковой навигации.
Уже сейчас можно с уверенностью сказать, что будущее GPS как раз за встроенными решениями. Многие пользователи не готовы выкладывать 300 — 400$ за специализированное устройство. Однако при покупке телефона, смартфона или коммуникатора считают абсолютно нормальным переплатить 2 – 3 тысячи рублей за наличие в аппарате GPS.
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.