Испытания графическим методом GPS- и GPS/ГЛОНАСС-приемников различных семейств

Суть графического метода тестирования заключается в отражении траектории перемещений приемника на электронных картах сервиса «Яндекс.Карт» [1]. Этот метод был выбран как наиболее наглядный и интересный способ провести сравнительный анализ работы различных приемников в одинаковых эксплуатационных условиях.

В сводной таблице отражены тактико-технические характеристики (ТТХ) шести приемников: A2100 (Maestro Wireless Solutions), J-F2 (Navman), SIM18/SIM08 (SIMCom Wireless Solutions), EB500 (Transystem), «ГеоС-1М» (КБ «ГеоСтар навигация»).

Приемники имеют различные характеристики, и каждый из них интересен по-своему. Так, EB500, построенный на популярном чипсете MT3329, обладает высокой чувствительностью и идеален для применений с пассивной антенной или в условиях плохого приема сигнала.

Приемник SIM08 — хост-ориентированный модуль. Это означает, что расчеты навигационного решения он сам не производит, а возлагает эту задачу на внешний контроллер (хост). В качестве хоста предлагается применять GSM/GPRS-модуль SIM900, производительности которого вполне достаточно для выполнения этой задачи. У SIM900 два порта UART. В данном случае один из них (MAIN) применяется для АТ-команд, а второй (DEBUG) — для вывода NMEA-сообщений. Управление работой приемника SIM08 производится при помощи АТ-команд по порту MAIN. Особенность такого решения заключается в компактности и простоте, а значит, малой стоимости GSM/GPS-устройства. Приемник при малых габаритах имеет широкий диапазон питающих напряжений и упрощает схему питания.

A2100, SIM18 и J-F2 — приемники нового поколения SiRFIV. Высокая чувствительность, малая погрешность, сверхмалое энергопотребление в специальном режиме (50–500 мкА), устранение шумового сигнала (Jamming Removing), прогнозирование эфемерид на три дня вперед без подключения к интернет-серверу — общие черты, выгодно выделяющие эти устройства среди прочих. Имея одинаковый чипсет, они обладают сходными ТТХ, однако у каждого есть свои особенности.

A2100 и J-F2 — версии с флэш-памятью, что позволяет хранить расширенные эфемериды и поддерживать технологии SGEE (эфемериды, загруженные с сервера) и CGEE (аппроксимация эфемерид на три дня вперед). Взамен реальных эфемерид, расширенные эфемериды используются приемником для расчета текущих координат при отсутствии спутникового сигнала. Так модуль, имея в памяти расширенные эфемериды, будет включаться в режиме горячего старта и выдавать координаты уже через 1 секунду, а не через 30 секунд и более, как при теплом старте, когда эфемериды в памяти приемника утратили актуальность. SIM18 построен на ROM, и для поддержки технологии SGEE и CGEE требуется внешняя память EEPROM объемом 1 Мбит. Более подробно применение расширенных эфемерид ранее освещалось в статье [2].

SIM18 при малых габаритах имеет краевые контакты под пайку. У модулей A2100 и J-F2 контакты, напротив, находятся под корпусом. A2100 имеет две аппаратные версии: с питанием 1,8 и 3,3 В; J-F2 и SIM18 выпускаются в единственном варианте — с питанием 1,8 В.

«ГеоС-1М» (при кажущемся несовершенстве практически всех ТТХ) обладает большим преимуществом над односистемными приемниками, поскольку поддерживает GPS и ГЛОНАСС: данному устройству доступны сигналы двух спутниковых группировок. Так, при меньшей чувствительности «ГеоС-1М» способен зафиксировать координаты с бóльшей вероятностью, чем любой другой GPS-приемник.

Условия испытаний

Испытания проводились с применением стандартных отладочных комплектов соответствующих приемников (Evaluation Board):

• V23993-EVA2100-A;
• Jupiter J-F2 Development Kit;
• SIM18EVB KIT;
• SIM08EVB KIT + SIM08TE;
• EB-500-EVK;
• Geos-M Demo Kit.

Описание отладочных комплектов можно найти на сайте компании MT System [3]. Для всех отладочных комплектов использовалась активная антенна на магнитном основании с кабелем длиной 3 м.

Легковой автомобиль с установленными на передней панели антеннами объезжал контрольные точки по Санкт-Петербургу и таким образом накапливал данные о местоположении, сохраняемые с интервалом в 1 с. Далее данные преобразовывались в html-формат для отображения траектории движения (трека) в окне веб-браузера.

Проверялось поведение приемников в различных ситуациях, таких как: движение в плотной городской застройке, движение в коротком туннеле, стоянка под густой листвой вблизи многоэтажного дома и стоянка на открытой местности.

Тестирование приемников с различными чипсетами

В данном испытании были сняты треки при помощи трех GPS-приемников с различными чипсетами и GPS/ГЛОНАСС-приемника. Рис. 1 отражает работу устройств в условиях хорошего и плохого приема спутникового сигнала. Треку каждого приемника, состоящему более чем из 1000 точек, соответствует свой цвет. Несмотря на то, что имеется некоторая погрешность привязки реальных координат к электронной карте, можно оценить размер так называемого «гнезда» — разброса показаний координат приемника, когда он неподвижен. Видно, что каждый из приемников показал незначительное увеличение размера «гнезда» при ухудшении условий приема — вполне приемлемое, чтобы точно идентифицировать местоположение объекта. Наименьший разброс продемонстрировали A2100 (SiRFIV), EB500 (MTK3329) и «ГеоС-1M» (ГеоСтар).

Рис. 1. Треки во время стоянки автомобиля (различные чипсеты):
а) в открытом поле;
б) во дворе многоэтажного дома под густыми кронами деревьев

Следующие треки (рис. 2) показывают работу приемника в штатном режиме — движение по городскому массиву со средней скоростью 60 км/час. Следует отметить участки треков при круговых движениях в контрольных точках 1 и 2: они довольно точно повторяют реальные контуры дорожного полотна, несмотря на наличие рядом с дорогой высоких зданий, которые могли негативно повлиять на точность определения координат. Наиболее скрупулезными в расчете координат оказались A2100 (SiRFIV), SIM08 (STE) и EB500 (MTK3329).

Рис. 2. Треки при движении автомобиля по городу (различные чипсеты)

Наибольший интерес вызвало поведение приемников при непродолжительном движении автомобиля в туннеле, где отсутствует спутниковый сигнал. Соответствующие треки отображены на рис. 3 вместе с треком движения по круговой дороге. Вход и выход из туннеля помечены белыми линиями. Время отсутствия спутникового сигнала — примерно 13–15 с.

Рис. 3. Треки при прохождении автомобиля через туннель (различные чипсеты)

Видно, насколько быстро приемники способны адаптироваться в изменяющихся условиях, когда спутниковый сигнал внезапно пропадает, а потом вновь появляется. Быстрее других смогли дать приближенные к истине координаты A2100 (SiRFIV), EB500 (MTK3329) и «ГеоС-1M» (ГеоСтар). Сказывается высокая чувствительность и производительность приемников, практическим результатом которых является максимально достоверная информация о пути следования.

Сравнение приемников поколения SiRFIV

Аналогичным образом был проведен ряд испытаний для трех GPS-приемников поколения SiRFIV: A2100, SIM18 и J-F2.

На рис. 4 можно увидеть значительное увеличение «гнезда» при ухудшении условий приема спутникового сигнала, что в данном случае объясняется нулевой видимостью небесного свода. Однако слабого и отраженного спутникового сигнала оказалось достаточно для достоверного вычисления координат — сказалась высокая чувствительность устройств.

Рис. 4. Треки во время стоянки автомобиля (чипсет SiRFIV)

Треки, полученные при выезде с места парковки, при движении по круговой дороге и по развязке на виадуке (рис. 5), практически совпадают и имеют разброс друг относительно друга в пределах погрешности расчета координат. Видно, что они очень точно повторяют рисунок дорожного полотна, особенно выезд с места парковки. Таким образом, можно сделать вывод о том, что A2100, SIM18 и J-F2 переняли такие достоинства нового чипсета, как высокая чувствительность и точность вычисления координат.

Рис. 5. Треки при движении автомобиля по городу (чипсет SiRFIV)

Более того, можно сказать, что A2100, SIM18 и J-F2 по поведению в полевых условиях практически не отличаются. При выборе между ними остается ориентироваться на наличие/отсутствие функции CGEE, габариты и форм-фактор корпуса.

Проверка функции CGEE

С появлением нового чипсета SiRFIV, пришедшего на смену SiRFIII, произошло не только повышение чувствительности GPS-приемников: стала доступна технология Client Generated Extended Ephemeris (CGEE, расширенные эфемериды).

Известно, что быстрый расчет координат (горячий старт) приемник может произвести только при наличии альманаха и эфемерид, полученных из спутникового сигнала. Альманах грубо описывает параметры орбит всех спутников и передается с сигналом каждого из них, а эфемериды содержат очень точные корректировки параметров орбит. Каждый спутник передает только свои эфемериды. На основании альманаха, эфемерид и текущего спутникового сигнала приемник и производит расчет текущих координат.

По причине постоянного изменения геометрии орбит спутников альманах и эфемериды имеют срок «годности»: альманах остается актуальным полгода, эфемериды устаревают уже через четыре часа. Если в течение длительного времени приемнику недоступен спутниковый сигнал, горячий старт становится невозможен, и для расчета текущих координат может потребоваться от 30 с до нескольких минут (теплый старт).

Технология CGEE позволяет поддерживать текущие эфемериды актуальными даже в отсутствие спутникового сигнала. Расширенные эфемериды получаются экстраполяцией с прогнозированием на три дня вперед: в течение этого времени приемник сможет запускаться в режиме горячего старта, выдавая текущие координаты через 1 с сразу после появления спутников в обозрении приемника. Работа CGEE ведется незаметно для пользователя, в автоматическом режиме.

Чтобы проверить работу CGEE на практике, были сняты треки приемников A1084 (SiRFIII) и A2100 (SiRFIV). Автомобиль с приемниками был доставлен в загородный поселок и оставлен в металлическом боксе на двое суток. На момент сокрытия приемники имели в памяти альманах и эфемериды. Спустя двое суток автомобиль выехал из бокса и приемнику снова стали доступны спутниковые сигналы. Для расчета текущих координат потребовалось некоторое время (рис. 6).

Рис. 6. Отличие работы приемников поколений SiRFIII и SiRFIV

Приемник A1084 не поддерживает CGEE, и ему понадобилось около 45 с. За это время автомобиль смог удалиться от бокса более чем на 200 м, в результате чего была утрачена ценная информация о начальном положении автомобиля. Для A2100 время расчета координат составило 1 с, что соответствует режиму горячего старта. Трек A2100 не имеет белых пятен и максимально соответствует истинному маршруту следования.

В случае устройств с батарейным питанием технология CGEE, реализованная в новом поколении приемников на чипсете SiRFIV, дает возможность не только быстро получить координаты, но и одновременно с этим увеличить срок эксплуатации без подзарядки батарей или применять более дешевые батареи с меньшей емкостью.

Все треки, использованные в статье, можно получить в электронном виде по запросу у инженеров технической поддержки группы беспроводных технологий компании МТ System.