Gnss что это в планшете
GNSS (Global Navigation Satellite System) — это спутниковая система навигации, включающая все навигационные спутники, которые помогают мобильному телефону или автомобилю определить свое местоположение. GPS — спутниковая система навигации США, получившая название Global Positioning System (Глобальная система позиционирования). Однако современные коммерческие GPS-приемники также используют навигационные спутники систем ГЛОНАСС, Galileo, Beidou и QZSS. Приемники, работающие с несколькими спутниковыми системами навигации, обычно называют GNSS-приемниками.
Двухдиапазонная GNSS-технология
Спутники GNSS осуществляют передачу на нескольких частотах, или диапазонах. Различные диапазоны сигналов GNSS не только находятся на разных частотах, но и имеют различные структуры сигналов и кодировки. Использование нескольких диапазонов GNSS повышает точность за счет уменьшения влияния ошибок, вызванных искажениями из-за переотражений сигнала и атмосферных помех. Однако до последнего времени двухдиапазонные (они же многодиапазонные) приемники стоили $5000 и более. Такие прецизионные приемники нашли применение в основном в высокотехнологичных промышленных и аэрокосмических областях, таких как строительная геодезия, где точность порядка нескольких сантиметров является обязательной. С появлением новых недорогих двухдиапазонных GNSS-приемников, устанавливаемых в потребительские устройства (рис. 1), например мобильные телефоны, рынок двухдиапазонных приемников радикально изменился.
Традиционные многодиапазонные приемники используют диапазоны сигналов L1 и L2. Диапазон L2 первоначально был предназначен для военных, но для коммерческого использования был добавлен диапазон L2C. В последнее время дополнительно к новым недорогим приемникам (рис. 2) также был введен в действие набор новых, более надежных спутниковых сигналов, а именно сигналы L5 (GPS, QZSS), E5 (Galileo) и G3/B3 (ГЛОНАСС/Beidou). Теперь высокоточные GNSS-системы готовы к массовому рынку.
Рис. 2. Недорогие двухдиапазонные GNSS-приемники: Broadcom 47755 и ST Micro TeseoV
Преимущества двухдиапазонной системы
В номинальных условиях ясного неба с надлежащими двухдиапазонными антеннами двухдиапазонная технология обеспечивает примерно двукратное снижение средней погрешности позиционирования (также называемой «круговое вероятное отклонение» — КВО). Компания Nottingham Scientific провела тщательное исследование, сравнив два сотовых телефона — одного с однодиапазонным приемником и одного с двухдиапазонным, в качестве эталона использовался внешний двухдиапазонный приемник Septentri.
На рис. 3 стоит обратить внимание на уменьшенную погрешность XiaoMi M8 и близкое совпадение его данных с координатами эталонного приемника. Статистические показатели погрешности, такие как КВО, демонстрируют фактическое преимущество двухдиапазонного метода, поскольку в действительности средняя погрешность часто менее важна, чем максимальная погрешность и надежность определения координат в целом. Проще говоря, чаще всего наибольшая проблема заключается в том, что GNSS-приемник показывает вас не на той улице. Хорошие средние значения не всегда означают хороший результат.
Рис. 3. Исследование компании Nottingham Scientific: сравнение однодиапазонного Samsung S8, двухдиапазонного Xiaomi M8 и двухдиапазонного эталонного приемника Septentrio
В этом отношении двухдиапазонный режим обеспечивает очень заметное снижение максимальной погрешности, а также повышает надежность в сложных условиях эксплуатации. Хорошим примером сложных условий являются места посадки и высадки пассажиров во многих крупных аэропортах. Недавно в аэропорту Сан-Франциско были протестированы три популярных недорогих приемника (рис. 4) — два двухдиапазонных (Quectel LC79D L1+L5, Ublox F9 L1+L2) и один однодиапазонный (Ublox M8 в режиме работы только на L1).
Рис. 4. Quectel L1+L5 LC79D (зеленый), Ublox L1+L2 F9 (желтый), Ublox L1 (фиолетовый)
Несколько ключевых результатов тестирования:
- Однодиапазонный приемник L1 не определил местоположение в небольшой зоне с плотной застройкой и предоставлял самые неправдоподобные данные в области с плотной застройкой, при выходе из зоны прибытия и прохождении под международным терминалом.
- Двухдиапазонный приемник L1+L2 хорошо работал в большинстве областей, за исключением прохождения под международным терминалом, где он демонстрировал некоторое снижение точности.
- Двухдиапазонный приемник L1+L5 продемонстрировал наиболее надежную работу и наименьшие отклонения.
Кроме того, было проведено дополнительное тестирование в центре Сан-Франциско, показавшее аналогичную тенденцию. Двухдиапазонные приемники L1+L2 и L1+L5 имели значительно менее неправдоподобные результаты по сравнению с приемником, работавшим только на диапазоне L1.
Сигнал L5 и его международные аналоги E5 и B3 являются одними из самых новых сигналов в технологии GNSS. Они имеют больший диапазон и улучшенную структуру сигнала. Эти новые и модернизированные широкополосные сигналы обеспечивают снижение уровня шума и искажений из-за переотражений сигнала. В проведенном простом тестировании в сложных условиях такое улучшение сразу обращает на себя внимание.
Двухдиапазонные приемники также являются подходящей отправной точкой для более продвинутых алгоритмов позиционирования, таких как Real-Time Kinematic, позиционирование высокой точности и геолокация на основе нескольких датчиков. При совместном использовании эти технологии могут повысить точность определения местоположения до 100 раз и даже обеспечить работу в условиях специальных помех.
Начало работы с двухдиапазонными приемниками
Хотя двухдиапазонные приемники раньше были очень дорогими, начиная с середины 2019 года они стали доступнее. В таблице представлены доступные решения для разработчиков «Интернета вещей» и автономных решений.
GNSS Data Interface
Описание: Программа «GNSS Data Interface» предназначена для обеспечения работоспособности «традиционных» навигационных программ, которые получают данные GPS/ГЛОНАСС через последовательный коммуникационный порт (COM порт).
Операционная система: Windows 7/8/10
Текущая версия программы: 1.2.0.2
Часто задаваемые вопросы: Читать
Программа «GNSS Data Interface» предназначена для обеспечения работоспособности «традиционных» навигационных программ, которые получают данные GPS/ГЛОНАСС через последовательный коммуникационный порт (COM порт).
Программа «GNSS Data Interface», далее «Программное Обеспечение» предоставляется «как есть», Вы пользуетесь им на собственный риск. Автор не предоставляет никаких других прямых и/или косвенных гарантий или условий. Лицензия на использование Программного Обеспечения предоставляется безвозмездно для использования только в личных целях. Вы вправе установить и использовать Программное Обеспечение одновременно на неограниченном числе компьютеров.
- Программа считывает данные с сенсора GNSS Geolocation Sensor (GPS + ГЛОНАСС) и передаёт их в формате NMEA в последовательный коммуникационный порт.
- В случае если навигационный сенсор выдаёт нативные данные в NMEA формате, таким образом, что в программе навигации мы будем иметь абсолютно всю информацию о спутниках (видимость, азимуты, уровни сигнала).
- В случае, если «родные» данные в NMEA формате не «отдаются» навигационным чипом, то программа производит эмуляцию всех необходимых NMEA данных, как положение/высота/скорость, так и «поддельную» информацию о спутниках (12 спутников).
Например Broadcom чип в Asus VivoTab выдаёт данные в NMEA формате, а чип Ericsson в ноутбуках Lenovo нет - Если пропадает сигнал со спутников или пропадает информация от GNSS сенсора, программа также производит эмуляцию NMEA данных, таким образом, что навигационная программа выдаёт сигнал «Потерян сигнал GPS».
- Из меню программы можно запускать любимую программу навигации, прописав её имя настройках программы, а также возможно настроить и автоматический запуск навигационной программы при старте программы GNSS Data Interface.
- Из меню программы можно открыть онлайн карты Google, Yandex, Bing, OpenStreetMap.
Онлайн карты откроются в браузере по умолчанию с автоматическим указанием настоящего местоположения. - Также есть возможность генерации файлов в формате GPX, KML (для Google Earth) с информацией о пройденным маршруте.
- Конфигурация программы производится через конфигурационный диалог (пункт в меню Options -> Setting, или через кнопку на тулбаре).
- В конфигурации программы можно настроить, в том числе, и автоматический запуск интерфейса с датчиком местоположения (GNSS), автоматическое открытие указанного COM порта.
- В "экспертной" конфигурации вывод NMEA данных поддерживается одновременно до четырех СОМ портов (т.е. нет необходимости использовать программы типа GPS Gate), а также и многое другое.
Инструкция по расширенной конфигурации и дополнительным возможностям:
GNSS Data Interface - extended configuration v1.0 (ru).pdf ( 80.43 КБ )
GNSS – это спутниковая навигационная технология, использующаяся для ориентирования на местности и отслеживания объектов. С ее помощью можно определить координаты независимо от времени суток и погодных условий. Благодаря этой системе всю информацию можно получать без видимых ориентиров за короткое время и с высокой точностью. Спутниковые программы мировых стран работают в рамках ГНСС.
Общая характеристика GNSS
ГНСС, или глобальные навигационные спутниковые системы, передают информацию о расположении, времени и скорости пользующимся определенными приборами пользователям на Земле, в воздухе или космическом пространстве. Чтобы реализовать функции системы, используют спутники, которые выполняют измерение местоположения с точностью до метра.
Предназначение
Изначально технология разрабатывалась для отслеживания военных объектов. Позже для сигнала, получаемого от спутников, нашли применение в обычной жизни. Он облегчает передвижение на земле, в воздухе, водном пространстве. С помощью спутниковых систем выясняют также скорость, направление движения объекта. Еще они обеспечивают определение точного времени.
Функционирование технологии достигается устройствами управления, расположенными на Земле и в космосе. Регулярно специалисты осуществляют оценку точности ГНСС-наблюдений для повышения качества информации.
Принцип работы
Навигационные системы измеряют расстояние от антенны на объекте до спутника, положение которого точно известно. Информация о местонахождении последних внесена в таблицу, которую называют альманахом. Приемник сохраняет данные в памяти и использует их для работы.
Каждый сигнал спутника включает передачу и всего альманаха. Благодаря информации о расстоянии до нескольких спутников и применению геометрических построений оборудование вычисляет положение объекта. Измеряться данные будут с высокой точностью за счет того, что скорость движения радиоволн известна.
Чтобы определить время, которое распространяет радиосигнал, все спутниковые системы излучают сигналы с использованием атомных часов. Они синхронизируются с системным временем. Эта информация позволяет определить координаты антенны.
Основные составляющие
ГНСС состоит из нескольких элементов:
- спутников, двигающихся по орбите;
- оборудования на Земле для контроля работы и управления;
- спутниковых навигаторов;
- радиомаяков, обеспечивающих точные координаты;
- радиосистем, передающих поправки пользователям.
Обзор действующих спутниковых систем навигации
Глобальными спутниковыми системами являются ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). Разработкой технологий занимаются также страны Европы, Китай, Индия. Их основное оборудование не достигло уровня американских систем, но специалисты трудятся над этим.
Спутниковые системы
Это навигационная система США, работающая с 1978 года. Она выполняет позиционирование, навигацию и синхронизацию, состоит из космического, управляющего и пользовательского сегмента. Систему разработало и реализовало Министерство обороны США. Сейчас она доступна и для обычных граждан – им достаточно только купить телефон на ОС «Андроид» или планшет с GPS-датчиком.
Спутники транслируют сигнал с космоса, приемники используют его для вычисления координат и наблюдения за объектом в режиме реального времени. В технологии применяется 32 спутника, которые вращаются по орбите Земли.
ГЛОНАСС
С помощью системы определяют расположение и скорость движения авиации, морского, наземного и космического транспорта. Испытание оборудования и строительство спутников начали в 1995 году, но недостаточное финансирование не позволило ГЛОНАСС обрести глобальный характер.
Полноценное функционирование началось в 2010 году. Сейчас спутники активно взаимодействуют с GPS. Они подключаются к ближайшим объектам, что увеличивает скорость работы, точность.
DORIS
Преимущество технологии – в высокоточном определении орбиты и отслеживании маяков. Это система микроволнового слежения, основанная на принципе Доплера. Цель ее работы – измерения для услуг POD и приложений геодезии. Также она способна в один заход определить координаты орбит, осуществить геофизическое моделирование и позиционирование наземных маяков.
Beidou
Это китайская технология для осуществления геодезических, метрологических и других наблюдений за объектом. Оборудование включает около 38 спутников. Планируется, что на полную мощность система выйдет в 2020 году, поэтому ее характеристики стараются улучшить. Обеспечивает геометрическую сеть GNSS-наблюдений.
Galileo
Использование системы распространено среди обычных граждан и служб стран Европы. Отличие от ГНСС США и России в том, что ее не контролируют национальные военные ведомства. Но допускается возможность использовать сигнал для операций для обеспечения политики безопасности.
К сведению. Регулярно выполняется поверка работы оборудования. Оно обеспечивает точность до метра, а временная погрешность составляет миллиардную долю секунды.
В перечисленных технологиях пользуются различными, чаще национальными, системами координат.
| Навигационная система | Система координат |
| ГЛОНАСС | ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года) |
| GPS | WGS-84 (World Geodetic System) |
| Система координат ГАЛИЛЕО | GTRF (Galileo Terrestrial Referenfce Frame) |
| БЕЙДОУ | CGCS2000 (China Geodetic Coordinate System 2000) |
Региональные спутниковые навигационные системы
Основное преимущество использования спутниковых ГНСС-технологий заключается в повышенной точности определения местонахождения объектов, скорости движения и времени. Существуют также региональные системы:
- IRNSS. Это индийская программа, которая подходит для эксплуатации только на территории страны. Технические параметры не позволяют охватывать большую площадь и частоту. Система состоит из пяти спутников.
- QZSS. Среди услуг, оказываемых японской технологией: подвижная связь, вещание и использование для навигации.
Планируется создание трех группировок, посадка которых предполагается на геосинхронные орбиты.
Поддержка ГНСС
Чтобы в айфонах и смартфонах функционировала технология ГНСС, в электронных устройствах должны присутствовать приемники определенного типа:
- Смарт-антенны. Датчик состоит из керамической антенны и навигационного приемника. Это компактный вариант, не требующий согласования.
- MCM. Это чип, в комплект с которым входят все элементы навигационных приемников.
- ОЕМ. Представляет собой экранированную плату с интерфейсным процессором и процессором частот.
Включение всех измерений технологии ГНСС не занимает много времени, настройка заключается в подключении к микроконтроллеру или системе на кристалле по соответствующему интерфейсу. В автомобилях эту функцию регистрации выполняет тахограф.
Ключевые параметры GNSS-приемников
Расшифровка требуемых показателей возможна после того, как приемник получит данные о:
- сигналах со спутника;
- альманахе, в котором указаны приблизительные параметры орбит всех спутников;
- эфемеридах, точных параметрах орбит и часов всех спутников.
Оценка характеристик зависит от TTFF. Этот параметр показывает, за какой период времени приемник найдет сигнал от спутника и определит координаты. Если это новое устройство, оно было отключено или длительное время перевозилось, после включения получить необходимые данные сразу невозможно.
Чтоб улучшить этот показатель и повысить эффективность циклического процесса, производители устанавливают возможность скачать и сохранить альманах и эфемериды по беспроводной сети передачи данных. Это занимает меньше времени, чем если извлекать показания из сигналов ГНСС. Скачивание доступно бесплатно.
Встречаются конфигурации с динамическими характеристиками. Например, он помогает узнать показатели ускорения объекта. Эти элементы часто имеют пару приемных каналов. Их число достигает 88.
Методы ГНСС-наблюдений
Расположение по спутниковым системам определяется с высокой точностью до 15 м. Такие показатели связаны с воздействием атмосферных явлений на распространение радиосигнала, уровнем качества кварцевого генератора в приемнике.
Различаются следующие методы наблюдений: абсолютный, относительный. В первом случае положение приемника определяется по пространственной засечке. При этом нужно знать координаты хотя бы 4 спутников, величину псевдодальности. Точность измерений составляет 3–15 м.
При относительном методе (DGPS) для наблюдений используется 2 приемника. Один находится в месте с известными координатами, другой – на определяемом. При этом рассчитывается псевдодальность, поправка передается на ровер. Метод подходит для решения задач в геодезии.
При обоих методах наблюдения используются постобработка, определение координат в реальном времени. В первом случае необходимы ПК, специальная программа. При определении координат в реальном времени обработка осуществляется сразу, в управляющем микропрограммном обеспечении приемника.
Спутниковая навигация играет стратегическую и коммерческую роль. Технология позволяет увеличить национальную безопасность, быстрее обнаружить «вражеские» стороны. Благодаря функциональности таких технологий больше стран занимается собственными устройствами навигации, чтобы не зависеть от других государств.
В настоящее время GNSS оборудование используется в военной сфере, геодезии и картографии.
GNSS расшифровывается как Global Navigation Satellite System (или Спутниковая Система Навигации) и используется как общий термин для спутниковой локализации с глобальным покрытием по всему земному шару. По состоянию на 2019 год, существует несколько основных спутниковых группировок:
- GPS (США), 31 спутник
- ГЛОНАСС (Россия), 24 спутника
- Бэйдоу (Китай), 23 спутника
- Галилео (Евросоюз), 26 спутников
- NAVIC (Индия), 7 спутников
- QZSS (Япония), 4 спутника
Как это все работает?
Возьмем для примера обычный GPS в нашем телефоне. В зоне видимости с Земли всегда есть как минимум четыре GPS-спутника. Каждый из этих GPS-спутников отправляет информацию о своей позиции и текущее время на GPS-приемники с фиксированным интервалом. Ну а расстояние между GPS-приемником и спутником вычисляется путем нахождения разницы между временем отправки сигнала с GPS-спутника и временем получения сигнала GPS-приемником.
Как только приемник (например, ваш смартфон) получает сигнал хотя бы с трех спутников, вычисляется ваше местоположение (а точнее вашего телефона) с помощью трилатерации. GPS необходимо хотя бы три спутника для вычисления 2D-позиции (долгота и широта) и четыре спутника для 3D-позиции (долгота, широта, высота).
Почему GPS плохо работает в городских условиях?
И хотя под открытым небом GPS работает довольно неплохо, точность сильно падает в городских условиях (ошибка может быть 50 метров и более): высокие здания, провода, мосты и прочие объекты — все это ухудшает точность позиционирования.
Переотражение спутникового сигнала в городе. Фото Uber
Здания часто мешают прямой видимости спутников, и пока сигнал со спутника «летит» в ваш приемник, он успевает несколько раз отразиться от зданий и прийти с искажением. Из-за подобных переотражений точность позиционирования существенно снижается (бывает ± 500 метров). Вы, наверняка, сталкивались с такой ситуацией, когда при заказе такси ваше местоположение на карте отображалось неправильно.
Чтобы исключить эти проблемы, мы используем высокоточные GNSS-приемники, существенно повышающие точность позиционирования с помощью IMU (инерциальные измерительные модули), информации с CAN-шины автомобиля, RTK-поправок и еще немножко другой магии.
Повышение точности
Существует несколько основных способов повысить точность. Взглянем на самые популярные:
- IMU (Инерциальный измерительный модуль) представляет собой набор акселерометров и гироскопов, обеспечивающих 3D-измерения. Сам по себе IMU не выдает данные о местоположение (позицию, высоту, скорость), но выдает полезную информацию для вычисления местоположения в местах, где GPS не «ловит» (тоннели, паркинги и пр.);
Типичный IMU
- RTK-поправки существенно повышают точность местоположения до 1–2 сантиметров в реальном времени. Суть проста — по всему земному шару расположены так называемые базовые станции (base stations). Конкретная базовая станция знает погрешности в своей области и сообщает их приемнику, а последний, в свою очередь, учитывает эти корректировки и выдает более точное решение;
По большому счету, базовая станция — это GNSS-приемник в режиме “станция” + софт + радио/интернет канал
- CAN-шина также полезна при расчете местоположения, так как автомобиль предоставляет полезные данные о скорости, оборотах колес и пр. характеристиках.
Вы знали, что в нашем OSCAR’e?
OSCAR и высокоточные GNSS-приемники
Сантиметровая точность необходима всем беспилотным автомобилям, не только OSCAR. Представьте на секунду, чтобы было бы, если бы беспилотник использовал обычный GPS с точностью ± 50 метров:
Такая низкая точность однозначно приведет к ДТП. Именно поэтому в процессе работы над OSCAR мы проводили исследования и испытывали ряд GNSS приемников, тестируя их в сложных условиях плотной городской застройки.
Автомобиль один, а GPS-треков несколько
В итоге, мы остановились на двух решениях:
- NovAtel PwrPak 7D-E1
- uBlox F9K
В StarLine мы наслаждаемся тем, что делаем безопасный беспилотный автомобиль реальностью. Если тебе также интересна эта тема и ты хочешь строить беспилотное будущее с нами, то приглашаем в команду!
Проект StarLine OSCAR (Open Source Car) открыт для специалистов из Open Source Community, где все желающие могут поучаствовать в процессе разработки беспилотника на уровне кода, опробовать свои алгоритмы на реальном автомобиле, оснащенном дорогостоящим оборудованием.
Читайте также: