Станет ли двухдиапазонность суперсилой GPS?

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.

Рис. 1. Trimble Navigation, планшет T7 и GNSS-приемник. Источник: GPSWorld.Com

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.

Растет число моделей смартфонов Android с двухдиапазонными приемниками для разработчиков программного обеспечения и приложений. Ниже представлен неполный список таких смартфонов:

• XiaoMi M8, M9, Mix 3;
• Huawei Mate Pro 20, P30, P30 Pro;
• Oppo Reno;
• Google Pixel 4.

Заключение

Двухдиапазонные приемники открывают путь удивительным возможностям для точного определения местоположения и навигации путем счисления координат с помощью IMU, использования сетей коррекции GNSS для RTK/PPP/SSR и многого другого. Стоимость и размер таких передовых устройств быстро уменьшаются.