`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

GPS: что лежит в основе

0 
 

GPS -- тема сама по себе не новая, и однажды мы уже готовили весьма обширный обзор, касающийся этой технологии. Однако с того момента прошло уже более двух лет, напомним некоторые ключевые понятия, на которых базируются современные устройства GPS.
Xотя технология GPS не нова и ее история насчитывает уже два десятка лет, но только в последнее время она перестала быть уделом узкого круга "посвященных", и теперь такими продуктами может восполь зоваться буквально каждый. Впрочем, и сегодня не все ясно представляют себе, что же это такое.

В качестве показательного примера можно привести шпионскую историю, опубликованную в одной из популярных газет. Из нее следует, что якобы еще во времена Советского Союза американский разведчик установил подслушивающую аппаратуру на канал правительственной связи, забравшись в канализационную систему Москвы. А сориентироваться в подземных коммуникациях ему помог GPS-приемник. Не будем ставить под сомнение сам факт, но такая "малозначительная" деталь, как использование радиосигналов, транслируемых спутниками, под землей, заставляет задуматься...

Как бы там ни было, а из шпионского и военного оборудования технология GPS перешла в разряд вещей обыденных и повседневных. Вот уже туристы и рыбаки обзаводятся такими приемниками. А глядишь, благодаря стараниям производителей КПК скоро в каждом автомобиле можно будет встретить бортовые компьютеры, да мало ли еще какие приложения можно придумать для GPS.

Впрочем, не будем заглядывать далеко в будущее и вернемся в день сегодняшний. Тем, кто еще не освоился с терминологией и базовыми понятиями GPS, мы рекомендуем обратиться к первой статье нашей подборки. Продолжает тему рассказ о реализации функций GPS на базе КПК. Эти компьютеры постепенно завоевывают все большую популярность, поэтому многим будет интересно узнать, как можно оснастить своего цифрового ассистента, чтобы он помог сориентироваться и в дороге, и на природе. Если же вы не принадлежите к славной когорте обладателей карманных компьютеров и вас не устраивает перспектива заблудиться в чужой стране или городе, то стоит познакомиться с обзором GPS-устройств широкого применения производства Garmin. А завершает подборку материал, посвященный проблемам развития GPS в Украине.


Немного понятий и определений

GPS (Global Positioning System) -- это спутниковая система для высокоточного определения координат статичных и движущихся объектов. Разработана она и обслуживается Министерством обороны США, также известна у военных под кодовым названием NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging).

Проект запущен в 1978 г. и вышел на запланированную мощность в 1994-м, получив высокие оценки военных во время войны в Заливе (особенно им были довольны группы специального назначения, уходившие из-под огневых налетов собственной артиллерии и авиации).

Система GPS в целом состоит из трех сегментов -- космического, управляющего и пользовательского. К первому относятся 24 спутника, запущенных по шести различным орбитам таким образом, чтобы из любой точки земной поверхности были видны от четырех до двенадцати таких спутников. Срок службы каждого из них составляет 10 лет, их заменяют по мере выхода из строя. В управляющий (спутниками) сегмент GPS входят 5 контрольных центров (включая мастер-центр), дислоцированных на американских военных базах. И нетрудно догадаться, что к пользовательскому сегменту относятся десятки и сотни тысяч персональных GPS-приемников, которые продаются в виде автономных устройств, модулей расширения к портативным компьютерам или же встраиваются в определенные виды оборудования.

Приемник системы GPS представляет собой крошечный узкоспециализированный компьютер, способный вычислять свое местоположение по радиосигналам, принимаемым со спутника. И чем больше спутников может отслеживать такой приемник одновременно и чем больше разнесены эти спутники на небесной полусфере, тем быстрее пойдет процесс вычисления координат и тем более точными могут быть его показания. Способность приемника обрабатывать сигналы от нескольких спутников определяется числом его каналов, в современных устройствах их почти всегда 12. А для отслеживания спутников нужно быть под открытым небом -- в помещении под крышей или в тесном окружении высотных домов антенна приемника фактически беспомощна. Кстати, именно поэтому комплект для использования в транспортных средствах чаще всего снабжается внешней антенной, которая крепится снаружи, а многие модели GPS оснащены MMCX-штекером для их подключения. Встроенная антенна приемника обычно работает по узкой диаграмме направленности (patch-антенны), но ряд производителей освоил выпуск приемников с антеннами, которые имеют широкую диаграмму (multi-directional). Облачность влияния на сигнал не оказывает, стекло и пластик -- тоже не помеха, поэтому GPS-приемник может спокойно пеленговать спутники с застекленного балкона, но при особо "удачном" выборе места и времени сигналы со спутников может блокировать даже... собственно владелец приемника!

Процесс определения координат GPS-приемником выглядит примерно так. При включении устройства после достаточно длительного перерыва приемник начинает принимать сигналы со спутников и тем самым определять, какие из них сейчас доступны из этой локации. Такое состояние приемника называется "холодным стартом", а группу запеленгованных спутников часто именуют "альманахом". После выключения приемник некоторое время держит в памяти последний альманах и в случае повторного включения после кратковременного перерыва время пеленга существенно возрастает (имеет место "теплый старт"), а если перерыв был совсем кратким, то это "горячий старт". Термин TTFF (Time To First Fix), коим часто пользуются при описании этого этапа работы, как раз и означает время, необходимое для захвата того минимального числа спутников, которого достаточно для дальнейших вычислений, и оно указывается раздельно для холодного (обычно 1--2 минуты), теплого (до минуты) и горячего (до десяти секунд) старта. Но это -- в тепличных условиях. В Киеве меньше 3 минут "холодный старт" вообще не происходил, а при особенно неудачном раскладе он может длиться от 5 до 50 минут.

Сами сигналы со спутников бывают двух видов (L1 и L2), все GPS гражданского назначения используют частоту L1=1575,42 MHz. Содержит такой сигнал, согласно текущей версии 2.2 стандарта NMEA 0183, три составляющие: псевдослучайный код (идентификатор спутника), собственно данные в формате GGA (статус готовности спутника, дата и время) и позиции всех спутников в течение дня в форматах GSA (Global Satellites Active -- активные спутники), GSV (Global Satellites in View -- спутники в зоне видимости) и RMC (Recommended Minimum speCific data -- служебные данные о них). В рамках стандарта NMEA оговорены также дополнительные форматы -- GLL и VTG, имеющие ограниченное применение, например, VTG используется только при работе с оборудованием фирмы Garmin -- лидера на рынке классических (не компьютерных) GPS-приемников. Кроме того, способами обмена могут быть двоичный SiRF-код, управляющие коды формата Trimble Standard Interface Protocol (TSIP) и некоторые другие -- они указываются в описаниях после NMEA .

GPS что лежит в основе
Рис. 1. Схема организации системы GPS
Итак, наш GPS-приемник, получив со спутников точное время отправки сигнала (на них установлены атомные часы), по фактической задержке прохождения сигналов вычисляет физические расстояния до спутников (скорость распространения радиоволн известна). Посредством метода триангуляции, реализованного в прошивке приемника, определяется точное его положение (широта и долгота) на поверхности Земли минимум по 3 спутникам (рис. 1). А, запеленговав четыре или более спутников, приемник может также определить и высоту абонента над уровнем моря (altitude). Время, за которое способен это сделать приемник, никогда не указывается без привязки к условиям, при которых происходил прием сигнала. Обычно даются четыре параметра: время TTFF при холодном, теплом и горячем старте, и отдельно -- reacqusition time, т. е. время, за которое приемник может восстановить связь со спутниками после временного выхода из зоны покрытия.

А дальше приемник может вычислять максимальную и среднюю скорость движения, поработает компасом, покажет направление на цель и примерное время, через которое вы там окажетесь, двигаясь с текущей скоростью, расстояние до пункта назначения, время ожидаемого восхода и заката солнца (весьма полезно туристам при планировании привалов и дневок) и многое другое -- это уже зависит от встроенного софта. Данные постоянно обновляются -- обычно раз в секунду.


Чем точнее, тем сложнее

GPS что лежит в основе
Рис. 2. Точность GPS в различных режимах
Точность (Accuracy) определения координат, бесспорно, является важнейшим параметром GPS. Как правило, в характеристиках изделия она указывается для горизонтальных координат и довольно редко -- для высоты (alteration). Сравнительно недавно точность показаний коммерческих GPS искусственно уменьшалась посредством введения так называемых Selective Availability (SA), когда помехи намеренно вводились в показания спутников для занижения точности определения координат бытовыми (не военными) устройствами. Это давало погрешность в пределах 100 м (что автоматически делало применение систем на улицах городов довольно проблемным), хотя базовые возможности GPS-системы позволяют вычислить пределы ее точности от 5 до 25 м и 10 см/с -- при нахождении составляющих вектора скорости (Velocity). Продолжалось так довольно долго, однако перспективы полноценного коммерческого использования GPS оказались столь многообещающими, что в мае 2000 г. специальным решением президента США были сняты все SA-ограничения по точности, так что теперь ее обычно считают равной 15 м (рис. 2). Для дальнейшего же ее повышения необходимо введение дополнительных поправок и усовершенствованных алгоритмов. Нужно ли это? Для гуляющего по городу туриста, пожалуй, нет. А вот для фаната-рыбака, отмечающего на карте места поклевок, -- в самый раз.

Итак, при внедрении Differential GPS (DGPS) используются координаты от двух GPS-приемников, одного -- рабочего, второго -- эталонного (стационарно установленного в месте, координаты которого измерены с высокой точностью), и оба пеленгуют GPS-спутники в один и тот же промежуток времени, что дает возможность вычислить поправку и довести точность до 3--5 метров. Так действует служба береговой охраны США, содержащая сеть башен, принимающих сигналы GPS и передающих скорректированные сигналы посредством маячных (beacon) передатчиков. Дело в том, что стандартным GGA-форматом сигнала со спутника предусмотрены особые поля для использования DGPS, они после ретрансляции заполнены дополнительными данными, а состояние DGPS отмечается специальным значением триггера "Position Fix Indicator" в GGA-сообщении. Эти поправки может принять любой желающий на побережье и прилегающей к нему территории страны. Но необходимо иметь соответствующий приемник с забавным названием BoB (Beacon-on-a-Belt) в дополнение к стандартному. А вот система трансляции поправок через FM-радиостанции является платной услугой, и только ее подписчикам выдается FM-приемник размером с пейджер, тоже работающий в связке с GPS-приемником.

GPS что лежит в основе
Рис. 3. Принцип работы системы DGPS
В дополнительном оборудовании не нуждается другая система внесения поправок, называемая WAAS (Wide Area Augmentation System), которая дает точность даже меньше 3 метров. Ее разработчиком является Федеральное управление авиации США. Собственно WAAS охватывает только США и включает 25 наземных станций, отслеживающих сигналы со спутников, а также две мастер-станции (по одной на Западное и Восточное побережье США), которые на основе данных от всех остальных вырабатывают поправки (рис. 3). Корректирующая информация постоянно транслируется через один из 2 геостационарных (т. е. висящих практически неподвижно над экватором) спутников в стандартном GGA-формате (в нем предусмотрены специальные поля для этого) и воспринимается теми приемниками, которые разрабатывались как WAAS-enabled (т. е. их владельцам дополнительное оборудование не требуется).

Можно возразить, что эта система, равно как и аналогичный японский проект MSAS (Multi-Functional Satellite Augmentation System), имеет для нас чисто познавательное значение. А созданная с той же целью на закате СССР российская система ГЛОНАСС используется исключительно в военных целях (в 2000 г. Министерство обороны России, чтобы не отстать от США, приняло решение о подготовке системы к гражданскому использованию, но, похоже, воз и ныне там). Скорее всего, без дополнительных денежных вливаний ГЛОНАСС не сможет удовлетворить запросы коммерческих пользователей, ведь ее восемь спутников обеспечивают точность от 50 до 70 м, так что расчет поправок жизненно необходим.

GPS что лежит в основе
Многоканальный приемник GPS/ГЛОНАСС
К счастью, ситуация постепенно улучшается -- в этом году стартовал европейский проект EGNOS, полноценное использование которого предполагается начать в 2004 году. Любопытно, что в нем будут приниматься сигналы с обеих разновидностей спутников -- и GPS, и ГЛОНАСС. EGNOS является совместным проектом Европейского космического агентства (ESA), Еврокомиссии (EC) и Eurocontrol -- организации, отвечающей за аэронавигацию в Европе, и предшественником Galileo -- первой действительно глобальной системы спутниковой навигации, которая разрабатывается в Европе.

Транслируются поправки EGNOS через три геостационарных спутника. Два из них относятся к семейству Inmarsat и висят над Атлантическим и Индийским океанами, а спутник ESA Artemis -- над Африкой. Помимо них, в систему входят 4 Master Control Centres (MCC), которые управляют этими спутниками и вырабатывают поправки, 34 Ranging and Integrity Monitoring Stations (RIMS) -- данные с них используются в мастер-центрах для уточнения поправок, а также передающие эту информацию на спутники станции Navigation Land Earth Stations (NLES), их на первой стадии проекта открыто семь. Сейчас проходит тестирование EGNOS, и наиболее прогрессивные производители (EMTAC) уже включили его поддержку в свои устройства. В результате пользователи на территории Европы получат точность в пределах 5 м, т. е. в 3--4 раза выше, чем теперь.


Архитектура SiRFstar

За реализацию всех рассмотренных выше операций отвечает чипсет GPS-приемника и его ПЗУ, причем абсолютное большинство реализаций GPS для карманных ПК построено на чипсетах американской компании SiRF Technology -- ее костяк составляют экс-сотрудники таких авторитетов в области геодезии, как Trimble Navigation, с богатым научным прошлым. Уже в GPS на чипсете SiRF- starI (c 1997 г.) были реализованы запатентованные алгоритмы SnapLock (захват спутника за десятую долю секунды вместо 2--3 секунд после выхода из перекрытой области -- это очень важно для автомобилей, проходящих под мостами и через туннели), SingleSat (прогнозирование местоположения приемника, когда виден хотя бы один спутник; обычно если их меньше трех, расчеты не производятся), Dual Multipath (игнорирование паразитных сигналов, образованных отражением основного сигнала от высотных зданий, скал и других поверхностей, которое замедляет его попадание на приемник и вносит распределенную случайным образом довольно значительную погрешность), а также FoliageLoc -- алгоритм, позволяющий принимать очень ослабленный сигнал, -- как правило, при нахождении в лесу. Реализующие последний алгоритм GPS-приемники принимают сигнал на 20 дБ ниже типичного уровня в --160 дБ, который может быть распознан обычным приемником. А ведь еще совсем недавно любого могла удивить сама возможность при попадании в проблемную ситуацию мгновенно передать координаты в службу помощи с устройства, весившего "всего" около фунта!

Хотя до сих пор на рынке продается немало устройств на чипсете SiRFstarI предыдущего поколения, компания активно продвигает на мировой рынок архитектуру GPS-чипсетов SiRFstarII, которая дополняет ядро SiRFstarI рядом полезных возможностей. В новую же архитектуру добавлены механизмы отслеживания спутников без задействования процессорного модуля (кстати, внутри приемника установлен процессор 50 MHz ARM-архитектуры и память on-chip), реализована поддержка WAAS и DGPS, а также продвинутый режим энергосбережения (Advanced Trickle Power Mode), когда электроника приемника "засыпает" на 800 мс из каждой секунды, а за оставшиеся 200 мс выполняется собственно поиск спутников, прием данных и вычисления.

Семейство GPS-чипсетов SiRFstarII сейчас составляют SiRFstarIIe (основной чипсет, аппаратно реализованы WAAS, EGNOS, DGPS, есть свой ARM-процессор ARM7TDMI и 1 MB EDO DRAM on-chip), SiRFstarIIe/LP (чипсет с пониженным энергопротреблением, 60 мА на полной мощности и 20 мА в режиме TricklePower), а также бюджетный SiRFstarIIt, изюминка которого состоит в отсутствии встроенного процессора в приемнике и перекладывании всех вычислений на CPU того компьютера, на котором работает GPS-приемник. За их выполнение и обмен данными отвечает приложение SiRFNav с реализациями под различные платформы.

Вот, пожалуй, и все, что касается теоретического базиса GPS, пора перейти к практическим испытаниям. Но об этом -- следующая статья.
0 
 

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT