`

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

 

Популярно о принципах спутниковой навигации

Статья опубликована в №21 (638) от 3 июня

+55
голосов

Не секрет, что перечень вопросов той или иной темы номера зачастую формируется не только по письмам читателей, но и на основе мини-опросов друзей, близких и коллег. И несмотря на то, что по данной тематике в Интернете имеются тысячи публикаций, только двое из пары десятков опрошенных смогли пояснить, что принцип работы спутниковой навигации базируется на расчете расстояний до группы спутников, расположенных на орбите Земли, а вычисления – на измерениях времени распространения сигнала от них до наблюдателя.

Еще более неожиданными оказались познания владельца и одного потенциального покупателя автомобильного навигатора, которые с удивлением узнали от нас, что спутники глобальных навигационных систем на контакт с ними не выходят, никакая GPS-«коробка» со спутником данными не обменивается. Дальнейший анализ показал, что подобное заблуждение не единично...

Данный материал призван освежить знания о принципах функционирования и пояснить часть причин, приводящих к ошибкам и погрешностям в работе навигационных устройств.

Как оно работает?

Популярно о принципах спутниковой навигации
Основой системы GPS являются навигационные спутники, движущиеся вокруг Земли по шести круговым орбитальным траекториям

Спутниковые радионавигационные системы позволяют в глобальных масштабах осуществлять точную координацию времени и определять текущие местоположения подвижных объектов, а также их скорость. Кроме скрытого от глаз конечного пользователя контролирующего и управляющего наземного сегмента GPS, космическая часть представляет собой систему навигационных спутников, вращающихся на шести эллиптических орбитах высотой около 20 тыс. км (на каждой их несколько) вокруг Земли. За сутки они совершают по два полных оборота и имеют на борту эталон отсчетов частоты/времени и радиоэлектронное оборудование, излучающее в направлении Земли шумоподобные непрерывные радиосигналы, содержащие необходимую для проведения навигационных определений с помощью аппаратуры потребителя информацию. Система основана на кодовом разделении каналов, что позволяет передавать сигналы на одних и тех же частотах.

GPS-спутники посылают три навигационных сигнала на двух основополагающих частотах: L1 и L2. «Гражданский» сигнал C/A на частоте L1 (1575,42 МГц) доступен всем пользователям и обеспечивает точность позиционирования до 3–10 м. Высокоточный «военный» P-код передается на частотах L1 и L2 (1227,60 МГц), и он на порядок точнее, чем вышеописанный. Текущая модификация спутников (GPS IIR-М) позволяет также излучать на Землю «гражданский» сигнал L2C, существенно повышающий точность GPS-измерений. На данный момент космических аппаратов этого типа в работе всего три. Вообще, по состоянию на 25 мая, на орбите активен 31 спутник, среди которых и один запущенный еще в 1990 г. типа GPS II, подлежащий выводу этим летом.

Орбитальная группировка второй по мощности навигационной российской системы ГЛОНАСС на данный момент не признается полной (предполагалось, что системой из 18 единиц можно будет начать пользоваться уже к концу 2007 г.) и 26 мая насчитывала всего 12 функционирующих спутников. Такое состояние – одна из причин того, почему исходно массовые устройства потребительского класса основными производителями не ориентируются на работу с этой системой.

Принцип действия спутниковой GPS-навигации основан на определении расстояния от точки текущего положения до каждого видимого из группы спутников как произведение скорости света на время распространения радиосигнала до наблюдателя. Идентификация навигационных сигналов GPS осуществляется по номеру, соответствующему «псевдошумовому коду» (PRN – pseudo-random noise), уникальному для каждого спутника. Точное местоположение космических аппаратов известно из данных эфемерид и альманаха, также передаваемых в навигационных сообщениях. Альманах содержит информацию о прогнозируемом расположении спутников и позволяет при очередном включении GPS-приемника значительно сузить секторы поиска навигационного сигнала и уменьшить время его «захвата». Уточнение координат спутников вычисляется на основании данных эфемерид (информации об их фактическом местоположении в пространстве). В отличие от альманаха спутник передает только данные «своих» эфемерид, поэтому для его применения в подсчете позиции GPS-приемник должен дождаться полного навигационного сообщения. Стоить отметить, что наличие целиком принятых эфемерид не гарантирует использования этого спутника в подсчете позиции, ведь информация, передаваемая в эфемеридах, может быть неправильной, ошибочной либо связанной с его неисправностью.

Популярно о принципах спутниковой навигации
Системные и связанные с распространением сигнала и ошибками приемника погрешности

Ошибки передачи, обусловленные «плохими» окружающими условиями, могут существенно увеличить время фиксации позиции. Наличие в памяти данных альманаха и эфемерид, а также времени и с некоторой ошибкой – позиции позволяет GPS-приемнику вычислять свои координаты за секунды. Это и есть режим «горячего» старта. Таким образом, время запуска, необходимое навигационному приемнику на определение позиции после включения, зависит от имеющейся в памяти начальной информации. Если только известны время и альманах, то производится «теплый» старт, если и их нет, то «холодный» («автопоиск»). Для сокращения его времени пользователь может «помочь» приемнику, указав на базовой карте навигатора свое примерное текущее местоположение. Попутно обратим внимание и на дополнительные способы ускорения. Так, с использованием технологии «горячего» старта «A-GPS over the Internet» навигатор уже за десяток секунд будет в полной боевой готовности (тогда как при обычной загрузке потребуется от 40 с до 1 мин, чтобы обнаружить и обработать доступные сигналы).

Основное сообщение формируется в виде кадра. Поток навигационных данных передается со скоростью 50 бит/с. Длительность информационного символа равна 20 мс. Аналогичная последовательность генерируется в GPS-приемнике в строгой временной синхронизации с кодом спутника. Они сравниваются, на основании чего определяется, «как давно» в устройстве была сгенерирована схожая последовательность. Выявленный таким образом сдвиг будет соответствовать времени прохождения сигналом расстояния до приемника. Следовательно, зная его до трех (и более) спутников, можно определить текущее местоположение как точку пересечения такого же числа сфер.

Проблема в том, что в GPS-навигаторах (в отличие от атомных эталонных часов на борту спутника) используются недорогие кварцевые генераторы с существенно меньшей точностью. Поэтому для вычисления «уходов» частоты при решении навигационной задачи оказывается необходимой информация от 4-го спутника (вычисленное расстояние до трех аппаратов называют «псевдодальностью», подразумевая ошибку, связанную с неточностью часов). Фактически получается задача с четырьмя неизвестными – координатами x, y, z и временем t. Современные многоканальные GPS-навигаторы одновременно отслеживают от десятка спутников, что позволяет быстро разрешить большинство неоднозначностей. Кроме того, несколько каналов могут одновременно использоваться для поиска одного спутника, чтобы ускорить время его захвата.

Таким образом, кроме того что для вычисления координат приемник должен «видеть» не менее определенного числа спутников, очевиден вывод, что чем они «ближе» друг от друга находятся (чем меньше в данный момент угол между направляющими из точки приема на них), тем сигналы для приемника GPS с точки зрения результирующей точности менее информативны.

Соответственно, в спутниковой радионавигации такой параметр, как время, играет исключительно важное значение, поскольку все основные навигационные вычисления и их дальнейшая коррекция производятся по формулам, в которых он многократно присутствует. Это прежде всего время распространения электромагнитного сигнала от навигационного космического аппарата до пользователя, время «включения» часов спутника, синхронизации данных, прохождения электромагнитного сигнала через атмосферу. Кроме того, приходится учитывать влияние релятивистских эффектов, совмещение временных шкал источника и потребителя и многое-многое другое.

Погрешности, связанные с распространением сигнала и ошибками приемника

Популярно о принципах спутниковой навигации
Свой негативный вклад, приводящий к ошибкам в измерении дальности, вносят ионосфера и тропосфера Земли

Прежде всего уместно будет упомянуть, что кроме попыток классификации, встретившихся в материалах данной Темы недели, специалисты используют для оценки возможностей в навигации свое деление GPS-приемников на «кодовые» и «фазовые». Вторая категория аппаратов применяет не только данные, содержащиеся в навигационных сообщениях, но и проводит серьезный анализ фазы несущего сигнала. Во многих случаях это дорогостоящие одно- и двухчастотные (L1 + L2) геодезические приемники, способные вычислять позицию с относительной точностью в несколько сантиметров и даже миллиметров. В устройствах первой категории для вычисления позиции используется информация, передаваемая в навигационных сообщениях. Увы, но именно к ней относят большинство недорогих GPS-навигаторов.

Тропосферные и ионосферные погрешности

Этот вид связан с прохождением электромагнитного сигнала по трассе «навигационный спутник – потребитель». При попадании электромагнитных волн в атмосферу их скорость отличается от скорости света в свободном пространстве. Такой характер распространения электромагнитных волн обусловлен изменением и неоднородностью диэлектрической проницаемости атмосферы и поглощения энергии. Это различие и приводит к ошибкам при проведении навигационных определений. «Ошибка прибытия» может составлять до десятка наносекунд. Поэтому зачастую применяются двухчастотные измерения и более сложные алгоритмы избыточных одночастотных. Для исключения влияния ионосферных и тропосферных погрешностей используют дифференциальные методы, смысл которых заключается в приеме и учете при обработке корректирующих поправок.

Погрешности за счет шумов

Погрешности за счет шумов определяются качественными решениями, заложенными в аппаратуру потребителя, и методами обработки сигналов. Они зависят от характеристик (исправности) антенно-фидерного тракта, приемника, корреляторов и других узлов, составляющих приемник.

Погрешности, обусловленные помехами

Это один из наиболее серьезных источников погрешностей. Даже если исключить воздействие специально организованных (намеренных, например для увода головки наведения боевой ракеты или сбоя охранной навигационной системы автомобиля), для крайне слабого принимаемого сигнала (порядка 10-10 Вт) всегда «найдутся» естественные помехи, связанные с определенной электромагнитной обстановкой в зоне приема. Снижение этого вида помех до приемлемых размеров регламентируется правилами стандартов по электромагнитной совместимости, тем не менее работа, в частности автомобильного навигатора со встроенной антенной, может быть существенно осложнена, скажем, из-за высокой мощности внеполосного излучения близлежащего радиосредства (например, неисправного мобильного телефона). Одним из методов борьбы со специально организованными помехами является их пространственная фильтрация. Он предполагает применение специальной антенны (адаптивной антенной решетки), подавляющей сигнал помехи без снижения уровня полезных сигналов от навигационных спутников.

Погрешности из-за многолучевого распространения

Поскольку антенна аппаратуры потребителя, как правило, окружена различными предметами, то в ее апертуру, помимо сигнала, непосредственно приходящего с навигационного спутника, могут поступать и переотраженные сигналы. В результате на входе приемника их несколько, что и создает дополнительные погрешности при обнаружении, а также в последующем – при навигационных вычислениях. И здесь системы с быстрым цифровым диаграммообразованием способны улучшить качество принимаемого сигнала. Если позволяет сценарий эксплуатации, можно рекомендовать устанавливать антенны в тщательно изученной точке, где прием многолучевых сигналов невозможен или их интенсивность заведомо мала. Разумеется, существуют и алгоритмические методы снижения данного типа погрешностей, в этом случае их эффективность является качественной характеристикой использованного чипсета/микропрограммы обработки.

Системные погрешности

Погрешности частотно-временного обеспечения сводятся к минимуму благодаря применению высокоточных бортовых элементов времени и частоты и их постоянной коррекции за счет работы наземного сегмента системы GPS. Эта информация передается в составе навигационных сообщений и позволяет в аппаратуре потребителя учитывать уходы частоты и времени навигационных спутников.

Вторая группа таких ошибок связана с неточностью передаваемых эфемерид и объясняется изменением траектории орбит, а также непредсказуемым смещением положения спутников на них из-за случайных факторов. По разным оценкам, эфемеридная погрешность может достигать десятка метров.

В заключение раздела напомним, что описание принципов и приведенные данные неполны и могут изменяться по мере совершенствования глобальной навигационной системы. Так, Lockheed Martin работает по контракту (1,4 млрд долл.) с ВВС США над созданием восьми спутников системы GPS третьего поколения (GPS block IIIA или GPS IIIA). Первый запуск такого аппарата запланирован на 2014 г. Ряд модернизаций в них позволит уменьшить влияние системных погрешностей. Прогнозируется, что точность определения местоположения с помощью «гражданских» сигналов станет субметровой и сопоставимой с пространственным разрешением космических снимков Земли (около 0,5 м). Существенно увеличится мощность излучаемых сигналов, что повысит помехозащищенность пользовательской аппаратуры и упростит навигацию в «проблемных» районах, например в горах, в условиях интенсивной городской застройки и в помещениях. Будут введены и новые частоты, что улучшит компенсацию ионосферных помех, а также появится узконаправленный канал передачи «военного» М-сигнала повышенной точности.

Возникновение некоторых погрешностей в связке «GPS-приемник – навигатор»

В чистом виде GPS-приемник помогает только тем, кто очень хорошо знает географию. Остальным цифры широты, долготы и высоты не скажут ничего. Но в навигаторе есть электронные карты, где координаты точки и их совокупность визуализируются. Что в данном случае послужит источником дополнительных погрешностей? Увы, потребуется еще одно отступление.

Популярно о принципах спутниковой навигации
Перпендикуляр: насколько такое простое понятие может быть неоднозначным

Чтобы однозначно определить точку на поверхности Земли, необходимо знать широту, долготу, высоту над поверхностью эллипсоида. Геодезические задачи решаемы на плоскости, если размеры площади невелики, но если рабочая часть поверхности занимает несколько градусов широты или долготы, то необходимо учитывать и кривизну поверхности, что связано с определенными правилами пересчета. Специалисты в этом случае оперируют понятием математически трудно описываемого геоида – фигуры сложной формы, образованной идеализированной поверхностью уровня вод Мирового океана, продолженной под материками. Данная поверхность во всех точках перпендикулярна (нормальна) к вектору силы тяжести, т. е. отвес направлен перпендикулярно к поверхности геоида, а не к центру Земли! Это объясняется тем, что плотность Земли распределена неравномерно.

Для решения масштабных задач, в том числе по космической геодезии, в качестве тела отсчета его аппроксимируют приближенной моделью – эллипсоидом вращения. Соответственно, используемые системы координат делят на геоцентрические и топоцентрические. В первой у эллипсоида, объем которого приравнивается к объему геоида, большая полуось лежит в плоскости экватора, а малая направлена по оси вращения Земли. Обязательное условие – среднеквадратичное отклонение поверхности эллипсоида от поверхности геоида минимально по всей территории земного шара. С точки зрения глобальных космонавигационных систем практический интерес представляют системы WGS84 (NAVSTAR), а также российская SGS85 (ГЛОНАСС).

Топоцентрическая (национальная или местная) система координат возникла так: берется некоторый эллипсоид и располагается таким образом, чтобы для заданной территории среднеквадратичное отклонение его поверхности от поверхности геоида было минимальным. При этом остальная часть мира нас не интересует – отклонение на другой стороне Земли может быть сколь угодно велико. Так вот, источник дополнительной погрешности возникает и тогда, когда созданные по растровой «картинке» свои карты (или даже покупные местные адаптированные подробные карты и планы) являются электронным отображением топографического наследия СССР. То есть мы сталкиваемся с раритетами, исполненными в геодезической системе координат образца 1942 г., базирующимися на эллипсоиде Красовского-1940. Утешает лишь то, что отклонения данного эллипсоида от геоида на территории СНГ не превышают 150 м. Единственное, навигатор в системе NAVSTAR об этом, как правило, не догадывается, полагая, что в него загружен качественный продукт, согласованный с геоцентрической WGS84. Но можно ли его в этом случае винить за скачок, например, при переходе с листа на лист?

Чипсеты для навигационных систем

Если бы данный материал готовился год назад, то безусловным лидером по совокупности потребительских параметров стал бы чипсет SiRF Star III. В период расцвета, пришедшегося на конец 2006 г., им комплектовалось до 90% всех производящихся в мире навигационных систем. В свое время его появление значительно упростило и стандартизировало весь навигационный процесс для конечного пользователя. Вот один штрих к портрету – реализация технологии «A-GPS over the Internet» через сеть QuickGPSFix для ускорения «старта». В этом случае на навигатор достаточно загрузить специальный 50-килобайтовый файл, содержащий рабочую информацию по настройке, действительную в течение пяти дней.

Тем не менее на современном рынке существует свыше десятка оригинальных новых навигационных чипов и чипсетов.

Так, достаточно близкий по возможностям, но более современный продукт от Global Locate, набор микросхем Hammerhead, пришелся по вкусу одному из флагманов индустрии компании TomTom. Недавно Infineon и Global Locate (ныне Broadcom) сообщили о создании наименьшего (3,74×3,59×0,6 мм) в мире GPS-приемника Hammerhead II, предназначенного для использования в сотовых аппаратах, смартфонах и персональных GPS-устройствах.

Еще один пример – Venus 5 от тайваньской SkyTraq. В модуле размером 12,5×18 мм разместилось 44-канальное устройство с чувствительностью –158 dBm. Декларируется поддержка большинства привычных возможностей, в частности функции A-GPS. По заявлению производителя, устройство очень энергоэкономично и позволяет работать до 17 ч от литий-ионной батареи емкостью 950 мA∙ч. Временные нормативы следующие: «холодный» старт – 35 с, с поддержкой A-GPS – 4 с, «горячий» (под открытым небом) – 1 с, расчетная точность позиционирования (CEP) – 5 м.

Но несмотря на появление амбициозных конкурентов, у 20-канального высокочувствительного (–159 dBm) SiRF Star III остался веский козырь – возможности хорошо известны как производителям, так и конечным пользователям, а от новых решений можно ожидать различных проблем в эксплуатации.

+55
голосов

Напечатать Отправить другу

Читайте также

насмешили Вы меня вчера :)

Подпись к рисунку на 39 странице: "Перпендикуляр: насколько такое простое понятие может быть неоднозначным".
Я понимаю что писать технически-сложные статьи популярным языком не просто, но зачем уж так .. Перпендикуляр понятие абсолютно однозначное, неоднозначной в данном вопросе есть поверхность, которой мы описываем/апроксимируем Землю. И соответственно для разных поверхностей в одной и той же точке перпендикуляр может иметь разной уравнение/вектор, описывающее его. Но это уж не как не говорит об неоднозначности понятия перпендикуляр.

Интересно было прочитать по различные поверхности которыми описывают Землю :)

не стоит все уж так круто трактовать. Имхо понятно что имеет место некая ирония от автора.

я вполне могу понять автора, если бы он написал это в блоге, а журнал у вас все таки серйозный - поэтому такие подписи меня несколько смутили.
Это ни скольно не наезд, просто дружеское замечание :)

а это серйозная ирония :))))

Рад, что поднял Вам настроение ;)
И, занимаясь темой навигации уже восемь лет, менее всего хотел бы что-то оспаривать.
Но если бы подпись звучала как "разрешение неоднозначности описания перпендикуляра в различных системах апроксимации геомодели", думаю, толку было бы еще меньше.
Поверьте, было и так достаточно тяжело не закапываясь в детали, изложить даже упомянутые причины возникновения погрешностей. Как мне кажется, данная "натяжка" на бытовом уровне позволила обратить внимание на эту причину и, в общем, понять суть ее появления.

Тестили недавно Датагрупповский VSAT спутниковый интернет - обзор с пингами, трейсом, замерами скорости.

 
 
IDC
Реклама

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