Спутниковая навигация

Модули спутниковой навигации Allystar: особенности применения и тестирования

№ 3-4’2021
PDF версия
В статье рассматривается линейка модулей спутниковой навигации китайской компании Allystar, анализируются особенности их практического применения, предлагаются методы статического и динамического тестирования и критерии оценки качества работы.

Современный рынок модулей спутниковой навигации с поддержкой систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, BeiDou (далее — GNSS от Global Navigation Satellite Systems) в различных сочетаниях весьма разнообразен и насыщен. На рынке сформировался внушительный перечень как зарубежных (китайских и европейских), так и отечественных производителей модулей: SimCom, Quectel, Neoway, Mobiletek, Telit, u-blox, NVS, Progress, «Геостар Навигация», ИРЗ и других. Модули, выпускаемые данными производителями, имеют множество форм-факторов, технических особенностей, программных функций. Между собой устройства успешно конкурируют, предоставляя пользователям широкий выбор вариантов, — это модули как на основе специализированных процессоров (чипсетов) сторонних компаний (преимущественно Qualcom, Mediatek, Unisoc), так и на основе чипсетов собственной разработки (u-blox, NVS, «Геостар Навигация»). Оба подхода имеют свои плюсы и минусы, формируя противоположные тенденции в борьбе за конечного потребителя.

Преимущества выпуска модулей на основе чипсетов сторонних производителей:

  • отсутствие необходимости инвестировать в разработку сложных полупроводниковых чипсетов и поддерживать собственную производственную линию для них;
  • более высокое качество чипсетов, поскольку их производством занимаются, как правило, компании с мировым именем, многолетним опытом работы и собственным набором патентов и технологий.
  • Преимущества выпуска модулей на базе чипсетов собственного производства:
  • независимость от поставок чипсетов крупными мировыми производителями и от политической ситуации, когда поставки чипсетов от той или иной компании в любой момент могут быть прекращены или запрещены для использования в каком-либо регионе;
  • возможность оперативно реагировать на потребности целевого рынка, собственными силами внося необходимые изменения в программную или аппаратную часть для решения специфических задач.

Может сложиться впечатление, что технологии производства модулей спутниковой навигации достигли предела своих технических возможностей. Новые игроки на этом рынке появляются редко. Еще реже можно встретить какие-либо принципиально новые оригинальные технические решения. Однако в рамках статьи речь пойдет именно о новом перспективном игроке рынка — китайской компании Allystar, выпускающей солидную линейку модулей GNSS-навигации на базе полупроводниковых чипсетов собственной разработки. Компания Allystar ведет свою историю с 2013 года и развивает собственное оригинальное семейство чипсетов под названием CYNOSURE. Все актуальные на данный момент модули GNSS-навигации выпускаются на базе чипсета CYNOSURE III (где III — порядковый номер поколения). Основные характеристики CYNOSURE III:

  • процессорное ядро: ARM CM4F;
  • память: 160 кбайт RAM + 32 кбайт bakRAM, 384 кбайт flash;
  • интерфейсы: UART/SPI/I2C/GPIO/SQI/PWM/USB CAN/ADC/ADPCM;
  • TFT-контроллер;
  • встроенные аппаратные алгоритмы безопасности.

Платформа работает со спутниковыми системами GPS, Beidou, ГЛОНАСС, GALILEO, QZSS, IRNSS. Примечательными особенностями платформы CYNOSURE III являются:

  • поддержка сразу нескольких частотных диапазонов: L1, L2, L5, L6;
  • функция загрузки эфемерид из внешнего источника Assisted-GNSS;
  • возможность работы с внешними датчиками инерциального счисления Dead Reckoning (на данный момент полностью функционал еще не реализован);
  • уровень энергопотребления: Ultra Low;
  • технология GNSS-навигации с сантиметровой точностью RTK (Real Time Kinematic).

Модули производства Allystar выпускаются в двух наиболее популярных форм-факторах [1–8]:

  • компактный корпус: 10,9×9,7×2,5 мм с 18 выводами типа LCC (повыводная совместимость с модулями L76 Quectel, Sim68ML SimCom, MAX-M8x u-blox и др.);
  • увеличенный корпус: 12,2×16×2,4 мм с 24 выводами типа LCC (повыводная совместимость с NEO-M8x u-blox, Sim68V SimCom и др.).

Оба корпуса подходят как для ручного, так и для автоматического монтажа.

Информация обо всей линейке модулей Allystar приведена в таблице 1, а примеры внешнего вида модулей показаны на рис. 1.

GNSS-модули Allystar

Рис. 1. GNSS-модули Allystar:
а) TAU1103;
б) TAU1202;
в) TAU1312

Таблица 1. Линейка GNSS-модулей компании Allystar

Продукт

Размер

Категория

GNSS

Точность

 

Возможности

Интерфейсы

10,9×9,7×2,5 мм

12,2×16×2,4 мм

Стандартная точность

Высокая точность

Дополнит. датчики

Тайминг и частота

Мультидиапазонный

GPS

BeiDou

GLONASS

Galileo

QZSS

IRNSS

SBAS

Метровая

Субметровая

Сантиметровая

Встроенный МШУ

Запись лога

D-GNSS RTD

Сырые данные

Базовая станция RTK

Ровер RTK

Встроенный RTK

Dead-Reckoning

Тайминг

USB

UART

I2C

SPI

CAN

Стандартная точность (метровая)

TAU1103-1010A00E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TAU1105-1010A00R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TAU1111-1216A00R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Улучшенная точность (субметровая)

TAU1201-1216A00R

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TAU1202-1010A00R

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Высокая точность (сантиметровая)

TAU1302-1216A00R

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TAU1308-1216A00R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

TAU1312-1216A00R

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Примечательно, что, позиционируя свою продукцию как бюджетную, Allystar предлагает пользователям набор функций, свойственных устройствам сегмента High-End:

  • возможность выдачи сырых данных (Raw Data), позволяющая использовать модули Allystar в том числе со сторонними библиотеками RTK Lib в задачах точной навигации или точной синхронизации времени или частоты;
  • встроенный функционал RTK в модулях TAU1308 [7] и TAU1312 [8], позволяющий использовать один и тот же модуль в качестве ровера или базы;
  • возможность выдачи дифференциальных поправок по протоколу RTCM для внешних потребителей;
  • наличие собственного бинарного протокола выдачи навигационной информации (помимо стандартного протокола NMEA) с расширенным набором функций и настроек;
  • возможность смены встроенной прошивки любого из модулей и наличие обширного набора готовых нестандартных прошивок для различных задач — например, для навигации на высотах >18 км;
  • запись лога во внутренней энергонезависимой памяти модуля (при необходимости);
  • встроенный малошумящий усилитель: LNA;
  • широкий диапазон напряжений питания: 2–3,6 В;
  • возможность работы одновременно в нескольких частотных диапазонах — например, L1 и L2, L1 и L5 и т. д.

Для корректной работы мультидиапазонных модулей (в частности, TAU1201 [4], TAU1202 [5], TAU1312 [8]) необходимы соответствующие антенны, способные принимать сигналы в нескольких частотных диапазонах. Allystar выпускает такие антенны в различных вариантах исполнения: пассивные бескорпусные (табл. 2) и активные в корпусе на магнитном основании (табл. 3) [9–15].

Таблица 2. Линейка пассивных патч-антенн компании Allystar

 

AGR7114 

AGR7113

AGR7107

AGR7107

AGR7106

AGR7106

AGR7114

AGR7114

Частотные диапазоны

L1/L5

L1

L1

L1/L5

Размеры

25×25×4 мм

25×25×4 мм

18×18×4 мм

35,5×35,5×8 мм

Модули

TAU1201R, TAU1202R

TAU1103E, TAU1105R, TAU1111R

TAU1312R, TAU1308R

Таблица 3. Линейка активных GNSS-антенн компании Allystar

Модель

Поддерживаемые системы

Коэффициент эллиптичности

Поляризация

Коэффициент усиления МШУ

Коэффициент шума

Коэффициент стоячей волны

Импеданс

Напряжение питания

Энергопотребление

Разъем

Влагозащита

Способ монтажа

Совместима
с модулями

Размеры, мм

Внешний вид

AGR6301 — D079AA0

GPS: L1

BDS: B1I/B1C

ГЛОНАСС: L1

Galileo: E1

QZSS: L1-C

< 2 дБ

Круговая правая

25 дБ

≤ 2 дБ

< 2,5

50 Ом

3–5 В

<15 мА

SMA

IP67

Магнит

TAU1105

TAU1111

56,5×56,5×21

Внешний вид GNSS-антенны

AGR6302 — D079AA0

GPS: L1, L2C

BDS: B1I, B1C, B2I

Galileo: E1, E5b

ГЛОНАСС: L1

QZSS: L1C/L2C

< 2 дБ

Круговая правая

27 дБ

≤ 2 дБ

< 2,5

50 Ом

3–5 В

<20 мА

SMA

IP67

Магнит

TAU1302

TAU1312

TAU1201

TAU1202

TAU1204

TAU1205

Диаметр: 79,

высота: 24

Внешний вид GNSS-антенны

AGR6303 — D079AA0

GPS: L1, L1C, L5C

BDS: B1I, B1C, B2a

Galileo: E1, E5a

ГЛОНАСС: L1

QZSS: L5

IRNSS: S-L5

< 2 дБ

Круговая правая

27 дБ

≤ 2 дБ

< 2,5

50 Ом

3–5 В

<20 мА

SMA

IP67

Магнит

TAU1302

TAU1312

TAU1201

TAU1202

TAU1204

TAU1205

Диаметр: 79,

высота: 24

Внешний вид GNSS-антенны

AGR6116 — 3540AA0 — A

GPS: L1, L1C, L5C

BDS: B1I, B1C, B2a

Galileo: E1, E5a

QZSS: L5

IRNSS: S-L5

< 3 дБ

Круговая правая

28 дБ

≤ 2 дБ

< 2,5

50 Ом

3–5 В

<15 мА

SMA

IP67

Магнит

TAU1201

TAU1202

TAU1204

TAU1205

56,5×56,5×21

Внешний вид GNSS-антенны

Активные антенны AGR6302 — D079AA0 [14] (частотные диапазоны L1 и L2) и AGR6303 — D079AA0 [14] (частотные диапазоны L1 и L5) специально предназначены для работы с модулями точной навигации RTK (TAU1302, TAU1308, TAU1312).

Расположение физической опорной точки антенны (ARP — Antenna Reference Point) не всегда совпадает с механическим (полученным на основе теоретических расчетов) и электрическим (фактическим) фазовым центром антенны, который и воспринимается навигационной аппаратурой как реальное текущее положение антенны (рис. 2).

Пример взаимного расположения опорной точки антенны и фазового центра для частотных диапазонов L1 и L2

Рис. 2. Пример взаимного расположения опорной точки антенны и фазового центра для частотных диапазонов L1 и L2

Положение электрического фазового центра антенны зависит от многих параметров [16, 17]: частоты принимаемого сигнала, направления прихода сигнала со спутника, расположения спутника на орбите (угол возвышения и азимута), общего количества спутников в решении, угла наклона самой антенны в аппаратуре конечного потребителя. Многие из этих параметров не поддаются контролю со стороны конечного потребителя и являются для него случайными величинами. В процессе эксплуатации навигационной аппаратуры положение электрического фазового центра антенны может случайным образом изменяться в пределах нескольких сантиметров, что вносит существенную погрешность в результат определения географических координат GNSS-приемником, точность работы которого потенциально составляет ±(1–1,5) см. Для описания явления смещения фазового центра антенны в научный и инженерный оборот были введены два специальных термина: «смещение фазового центра» (PCO — Phase Center Offset) и «стабильность фазового центра» (PCV — Phase Center Variation).

При проектировании антенны для точной навигации производители используют различные оригинальные методы и ноу-хау для минимизации эффекта случайного смещения электрического фазового центра. В частности, антенны Allystar обеспечивают высокую стабильность фазового центра (PCV — Phase Center Variation) за счет особой конструкции. Антенны содержат два независимых канала приема (для частот L1 и L2 или L1 и L5 в зависимости от модификации антенны) с гибридным ответвителем в каждом канале, что создает эффект антенной решетки и позволяет синтезировать диаграмму направленности с низкой неравномерностью и широкими углами раскрыва (122°/122° для верхнего частотного диапазона, 100°/104° — для нижнего, по уровню 3 дБ). В каждом канале присутствует по два малошумящих усилителя и полосовой фильтр высокой избирательности (рис. 3).

Блок-схема мультидиапазонной антенны для точной навигации Allystar

Рис. 3. Блок-схема мультидиапазонной антенны для точной навигации Allystar

Такая конструкция антенны позволяет получить высокий итоговый коэффициент усиления 27 дБ при низком коэффициенте шума (не более 2 дБ) и заданных параметрах диаграммы направленности с высокой стабильностью смещения фазового центра (PCO — Phase Center Offset) и вариации фазового центра при переходе от одного спутника к другому.

В случаях, когда конструктив внешней антенны не соответствует техническим требованиям проекта, можно использовать предлагаемые Allystar заготовки в виде патч-антенн (табл. 2) для разработки собственного варианта антенной системы. Среди всех вариантов антенн (патч, чип, PCB и др.) патч-антенны представляют собой разумный компромисс по многим параметрам. Несмотря на относительно большие массу и размеры, данная антенна обладает простой математической моделью, крайне простой конструкцией и простыми и понятными требованиями к проектированию посадочного места на печатной плате.

Полоса пропускания ∆f патч-антенны (рис. 4) при фиксированной резонансной частоте fres прямо пропорциональна расстоянию d от металлического лепестка до «земляного» участка на плате и обратно пропорциональна ширине W этого лепестка [18]:

Формула

Патч-антенна на печатной плате, вид сбоку

Рис. 4. Патч-антенна на печатной плате, вид сбоку

Идеальная диаграмма направленности патч-антенны максимально близка к сферической модели при бесконечной протяженности «земляного» слоя на печатной плате, который выступает в качестве экрана для электромагнитных излучений, блокируя их поступление на антенну со стороны, противоположной монтажу патч-антенны [19]. В реальности протяженность «земляного» слоя всегда ограниченна, что приводит к деформации идеальной диаграммы направленности и появлению в ее составе так называемых боковых лепестков [20], помимо главного (рис. 5).

Типовая диаграмма направленности патч-антенны на печатной плате

Рис. 5. Типовая диаграмма направленности патч-антенны на печатной плате

Коэффициент усиления патч-антенны относительно изотропного излучателя (дБи) тоже поддается простому эмпирическому подсчету [18]. Если металлический лепесток антенны имеет размер в половину длины волны, то его можно представить в качестве полуволнового диполя, что дает около 2 дБ усиления в вертикальной оси главного лепестка диаграммы направленности. Металлический лепесток антенны имеет квадратную форму и может быть представлен как два полуволновых диполя, разнесенных на четверть длины волны, что добавляет еще 2–3 дБ к коэффициенту усиления. При достаточно большой площади слой «земли» на печатной плате может дать дополнительный прирост максимум 3 дБ. В итоге коэффициент усиления патч-антенны может составлять 7–9 дБи в зависимости от размера «земляного» слоя печатной платы (больше размер «земляного» слоя — больше коэффициент усиления антенны — более правильная форма диаграммы направленности с большими углами раскрыва). Эти простые рассуждения хорошо согласуются с более строгими математическими расчетами.

При проектировании собственной антенной системы в связке с модулем GNSS необходимо принимать во внимание наличие или отсутствие в составе модуля дополнительных компонентов СВЧ Front-End: полосового фильтра и малошумящего усилителя. Рассмотрим, например, блок-схему одного из наиболее популярных на данный момент модулей GNSS-навигации Allystar стандартной точности — TAU1103E (рис. 6).

Блок-схема и внешний вид популярного модуля Allystar TAU1103E

Рис. 6. Блок-схема и внешний вид популярного модуля Allystar TAU1103E

В состав модуля входит малошумящий усилитель LNA и полосовой фильтр SAW. Учитывая миниатюрные габариты самого модуля 10,9×9,7×2,5 мм, его заявленную точность стандартного уровня 2,5 м CEP и поддержку только одного частотного диапазона L1, можно рекомендовать дизайн печатной платы с этим модулем и патч-антенной в компактном и экономичном исполнении без дополнительных Front-End-компонентов. Вполне допустимо подключить однодиапазонную патч-антенну из таблицы 2 напрямую к выводу RF_IN модуля, обеспечив на печатной плате максимально короткую микрополосковую дорожку стандартного волнового сопротивления 50 Ом и «земляной» полигон под патч-антенной максимально возможной площади в заданном конструктиве конечного изделия. Разумеется, использование с модулем TAU1103E любой активной антенны из таблицы 3 тоже допускается и даже приведет к более качественной работе модуля. По экономическим соображениям в данном случае не имеет смысла использовать мультидиапазонные активные антенны и антенны для точных применений, поскольку это приведет к неоправданному удорожанию конечного изделия.

Если рассмотреть блок-схему мультидиапазонного модуля точной GNSS-навигации TAU1312R (рис. 7), станет видно, что модуль не содержит в своем составе ни малошумящего усилителя, ни полосового фильтра.

Блок-схема и внешний вид мультидиапазонного модуля точной GNSS-навигации TAU1312R

Рис. 7. Блок-схема и внешний вид мультидиапазонного модуля точной GNSS-навигации TAU1312R

Для корректной работы данного модуля необходима внешняя активная антенна типа AGR6302 — D079AA0 либо антенная система собственной разработки, умещающаяся в конструктив конечного изделия. Поскольку модуль TAU1312R является двухдиапазонным (по умолчанию L1 и L5, но возможны и другие сочетания диапазонов, рис. 8), рекомендуется использовать архитектуру антенной системы, изображенную на рис. 3.

Возможные опции поддерживаемых частотных диапазонов в модуле TAU1312R

Рис. 8. Возможные опции поддерживаемых частотных диапазонов в модуле TAU1312R

В качестве основы можно использовать двухдиапазонную патч-антенну AGR7113 или AGR7114 (табл. 2) в зависимости от количества доступного места для размещения самой патч-антенны и «земляного» слоя печатной платы. Анализ эффективности патч-антенны в зависимости от размера «земляного» полигона проведен в работе [19]. В результате был сделан вывод, что оптимальной эффективностью с точки зрения коэффициента усиления при минимальном размере земляного полигона обладает патч размером 25×25 мм.

Решение задачи точной навигации на базе модуля TAU1312R представляется самым эффективным, но и самым дорогостоящим с точки зрения стоимости модуля и антенны, а также самым сложным в техническом исполнении. Более бюджетный вариант конечного устройства может быть разработан на базе модуля TAU1308R. Он тоже поддерживает технологию точной навигации RTK, но работает только в одном частотном диапазоне L1, а значит, здесь понадобится более простая и менее дорогостоящая антенна. Хотя требования к стабильности фазового центра PCV тут сохраняются, как и в случае с TAU1312R.

Модуль TAU1308R не содержит малошумящего усилителя LNA и полосового фильтра SAW, как и TAU1312R. Включение этих компонентов в схему между радиочастотным входом модуля и патч-антенной весьма желательно для максимально эффективной работоспособности.

Технология RTK дает точность навигации порядка 1–1,5 см, но имеет некоторые ограничения по радиусу действия дифференциальных поправок, формируемых базой. Обычно это около 1,5–2 км. На более дальних расстояниях дифференциальные поправки перестают действовать, и погрешность определения координат возрастает. В тех случаях, когда сфера применения модуля GNSS-навигации не может быть ограничена радиусом 1,5–2 км, но при этом пользователь готов пожертвовать точностью навигации, рекомендуется использовать модуль TAU1202R, блок-схема и внешний вид которого приведены на рис. 9.

Блок-схема и внешний вид мультидиапазонного модуля точной GNSS-навигации TAU1202R

Рис. 9. Блок-схема и внешний вид мультидиапазонного модуля точной GNSS-навигации TAU1202R

Заявленная точность модуля составляет 1 м. Это достигается за счет работы модуля одновременно в двух частотных диапазонах — L1 и L5. Модуль содержит LNA и SAW, что допускает его использование с соответствующей пассивной патч-антенной без выполнения требований по обеспечению стабильности фазового центра PCV. Оптимальна для данного модуля патч-антенна AGR7113 (табл. 2). Применение любой активной двухчастотной антенны (например, AGR6116–3540AA0-A или AGR6303 — D079AA0) тоже допустимо в тех случаях, когда этого требует ситуация (если нет возможности уместить антенну в корпус устройства или устройство установлено в месте, недоступном для радиосигналов).

Для того чтобы оценить работоспособность модулей GNSS-навигации в реальных условиях, необходимо провести ряд экспериментов по тестированию. Тестирование можно разделить на три основных вида:

  • Статическое. Тестирование проводится при неподвижной приемной антенне GNSS-модуля и в неизменной окружающей обстановке (либо считается, что меняющиеся факторы окружающей обстановки существенного влияния на работу GNSS-модуля не оказывают).
  • Динамическое. Тестирование проводится в движении при установке GNSS-модуля на мобильный объект. В процессе тестирования собираются данные о работе GNSS-модуля в типовых условиях изменяющейся окружающей обстановки (смена направления движения, перемещение в условиях затрудненного приема радиосигналов, в условиях резкой смены условий приема сигналов и т. д.).
  • Сравнительное. Тестированию подвергаются несколько GNSS-модулей, и на основе проведенных тестов (статических, динамических) делается вывод о том, какой модуль больше соответствует требованиям решаемой задачи.

Статическое тестирование, пожалуй, самая простая форма анализа работоспособности GNSS-модуля. В технической документации любого GNSS-модуля приводится статистическая характеристика точности в виде кругового вероятного отклонения (КВО) [21], в англоязычной литературе — Circular Error Probable (CEP) [22]. Иногда используют термин CEP 50. Это означает, что 50% показаний координат GNSS-приемника гарантированно укладывается в окружность заданного диаметра. Например, показатели CEP, заявленные для модулей Allystar, приведены в табл. 4.

Таблица 4. Точность CEP модулей Allystar

Модуль

TAU1103-1010A00E

TAU1105-1010A00R

TAU1111-1216A00R

TAU1201-1216A00R

TAU1202-1010A00R

TAU1302-1216A00R

TAU1308-1216A00R

TAU1312-1216A00R

CEP

2,5 м

2,5 м

2,5 м

1 м

1 м

0,015 м

0,015 м

0,015 м

CEP считается основным общедоступным и самым распространенным показателем, по которому можно проводить первичную классификацию модулей GNSS по степени точности. Но с практической точки зрения CEP не является абсолютно достоверным по ряду причин.

Во-первых, измерение CEP проводится, как правило, в идеализированных лабораторных условиях с помощью симулятора сигналов GNSS. В практических приложениях (в условиях городской застройки, зашумленного радиоэфира и т. д.) реальные значения CEP могут значительно отличаться от заявленных в документации.

Во-вторых, оценка CEP строится на предположении, что разброс координат (широты и долготы) на горизонтальной плоскости описывается двумерным нормальным законом распределения (рис. 10) с одинаковыми стандартными отклонениями по обеим осям sшир = sдолг = s и средним значением, совпадающим с истинным местоположением антенны GNSS-приемника.

Идеальная модель распределения географических координат и круг CEP

Рис. 10. Идеальная модель распределения географических координат и круг CEP

При такой идеализированной модели 43,7% показаний GNSS-приемника будут укладываться в область между CEP и 2∙CEP. Около 6,1% — в область между 2∙CEP и 3∙CEP. И примерно 0,2% показаний будет выходить за пределы области размером 3∙CEP. Величина CEP связана со стандартным отклонением формулой

Формула

Размер области, в которую попадает 95% показаний, определяется по формуле R95 2,4477 s 2,0789 CEP.

В реальности модель распределения географических координат может весьма существенно отличаться от двумерного нормального закона. И в этом случае характеристика CEP как показатель точности GNSS-модуля перестает работать. Реальную точность можно определить только экспериментально в конкретных условиях работы с последующей обработкой экспериментальных данных и их аппроксимацией соответствующей математической моделью.

В-третьих, остаются открытыми такие вопросы, как:

  • насколько далеко от истинного местоположения приемной антенны будут отклоняться те 0,2% показаний GNSS-приемника, которые выходят за пределы области 3∙CEP;
  • насколько стабильными являются показания GNSS-модуля. В работе [23] описан эффект, когда точка на карте, соответствующая местоположению GNSS-модуля, совершала случайные хаотичные перемещения, оставаясь внутри области определенного размера. Для оценки этого эффекта предлагалось несколько характеристик (характеристик стабильности). В том числе суммарная длина L хаотичных перемещений точки на карте в течение времени наблюдения и среднеквадратическая величина отклонений точки от некоторого эталонного значения. Вопрос о целесообразности и эффективности того или иного параметра до сих пор остается открытым и зависит от решаемой задачи, для которой происходит оценка работы GNSS-приемника.

Для идеальной модели распределения координат по двумерному нормальному закону распределение отклонения показаний GNSS-модуля от его истинного местоположения (ошибка измерения) описывается законом Рэлея [24]. Если обозначить величину отклонения от истинного местоположения как Формула, где X и Y — координаты точки в прямоугольной системе координат, то закон распределения Рэлея выглядит следующим образом:

Формула

где Формула  — величина среднего отклонения показаний GNSS-приемника от истинного значения, а параметр s определяется выражением (2). Вероятность попадания отклонения показаний GNSS-модуля в область, ограниченную радиусом R, можно вычислить по формуле:

Формула

Внешний вид закономерностей (3) и (4) для типовых значений CEP приведен на рис. 11.

Внешний вид закона распределения Рэлея и вероятности попадания в область радиуса r

Рис. 11. Внешний вид закона распределения Рэлея и вероятности попадания в область радиуса r

На рис. 11 видно, что чем меньше значение s (CEP), тем меньше размер области, в которую укладывается практически 100% измерений GNSS-модуля.

Перейдем к практическим испытаниям. Тестирование проводилось на дамбе Санкт-Петербурга в точке, отмеченной на рис. 12а. Практически идеальная видимость открытого неба от горизонта до горизонта, отсутствие поблизости высотных сооружений и удаленность от возможных источников индустриальных радиопомех позволяют предположить, что данные условия можно считать максимально близкими к идеальным. На рис. 12б приведена диаграмма распределения оценок местоположения, полученных с помощью модуля TAU1103E.

Статическое тестирование модуля TAU1103E

Рис. 12. Статическое тестирование модуля TAU1103E:
а) место проведения теста;
б) диаграмма распределения оценок местоположения

Тестирование проводилось в течение 1 ч. В итоге было накоплено приблизительно 3600 оценок местоположения, по которым и была построена диаграмма на рис. 12б. По мнению многих авторов, для сбора полноценной статистики для анализа необходимо проводить тестирование в течение не менее 12 ч (период обращения спутника GNSS вокруг Земли). Только в этом случае можно ожидать, что GNSS-модуль успеет поработать со всеми имеющимися в наличии спутниками GNSS при всех возможных значениях геометрического фактора. Время тестирования 1 ч продиктовано ограниченностью ресурсов (в основном — заряд батареи ноутбука). На рис. 12б видно, что практически 100% измерений местоположения TAU1103E укладываются в окружность диаметром 2,5 м, что полностью подтверждает заявленную в документации точность 2,5 м CEP. Более строгие математические оценки показывают среднеквадратическое отклонение по широте и долготе в пределах 0,6 м. Тестирование нескольких модулей GNSS других производителей на чипсетах MT3333 и u-blox M8 показало практически идентичные результаты.

Ситуация несколько меняется при работе в условиях типовой городской застройки. На рис. 13а изображена точка проведения статического теста в черте города. Ограниченная видимость открытого неба, множество расположенных поблизости зданий и возможное присутствие индустриальных помех в радиоэфире позволяют квалифицировать данные условия для работы GNSS-модуля как затрудненные. Диаграмма распределений оценок местоположения TAU1103E приведена на рис. 13б.

Статическое тестирование модуля TAU1103E в условиях города

Рис. 13. Статическое тестирование модуля TAU1103E в условиях города:
а) место проведения теста;
б) диаграмма распределения оценок местоположения

Из диаграммы на рис. 13б видно, что закон распределения оценок местоположения уже не может быть описан двумерным нормальным законом. Наблюдается как минимум две области наибольшего сосредоточения оценок местоположения, вероятно, вследствие близкого расположения некоторого крупного объекта, от которого происходят переотражения сигналов. Оценки среднеквадратического отклонения по широте и долготе дают значения примерно 22 м. Но само понятие среднеквадаратического отклонения в данном случае неуместно в связи с более сложной моделью закона распределения вероятностей с двумя максимумами.

Как видим из приведенного примера, в условиях типовой городской застройки и многолучевого распространения уже нельзя полагаться на точность CEP, заявленную в технической документации GNSS-модуля. Для подобных условий необходимо разрабатывать альтернативные модели, чтобы оценить работу GNSS. Этот вопрос представляет интерес для дальнейшего исследования в будущих работах.

Наиболее сложным и неоднозначным является динамическое тестирование. Особенно если необходимо сравнивать результаты работы нескольких модулей GNSS. Для проведения эксперимента по тестированию надо предварительно решить несколько проблем.

Во-первых, необходимо обеспечить максимально идентичные условия работы всех сравниваемых GNSS-модулей. Прежде всего это касается расположения приемных антенн. Есть несколько подходов:

  • Пространственное разнесение приемных антенн сравниваемых GNSS-модулей. Каждый GNSS-модуль получает сигнал со своей антенны. Все антенны расположены рядом друг с другом на небольшом расстоянии, задаваемом условиями эксперимента. В ходе тестирования считается, что пространственное разнесение антенн несущественно влияет на результаты эксперимента. Такой подход можно использовать при сравнительном тестировании GNSS-модулей так называемой стандартной точности 2,5 м CEP. Расстояние между антеннами ≤10 см примерно в 25 раз меньше, чем стандартное отклонение s, определяемое формулой (2).
  • Сравнительное тестирование GNSS-модулей с одной антенной, подключенной через сплиттер (разветвитель). Такой подход можно использовать только для тестирования GNSS-модулей точной навигации, заявленная точность которых составляет 1–1,5 см CEP. Пространственно разнести приемные антенны на величину, сопоставимую с погрешностью измерений, в данном случае физически невозможно, однако говорить о нормальных условиях работы тестируемых модулей тоже не приходится. Каждое разветвление радиочастотного сигнала по принципу «один вход — два выхода» ослабляет амплитуду сигнала в 2 раза, а мощность в 4 раза (мощность пропорциональна квадрату амплитуды) при сохранении собственных шумов радиочастотного тракта модуля на прежнем уровне. Надо принимать во внимание, что в ходе эксперимента GNSS-модули не будут использовать весь потенциал приемной антенны и не смогут продемонстрировать свои возможности на 100%.
  • Временное разнесение тестируемых GNSS-приемников. Наиболее эффективный подход для сравнения модулей точной GNSS-навигации. Работа производится на одну и ту же антенну, но в разное время (модули тестируются по очереди). Используется допущение, что в ходе тестов модули GNSS проходят ряд идентичных испытаний, несмотря на разное время тестирования.

Сравнительное тестирование GNSS-модулей с разнесением во времени, по мнению автора статьи, является наиболее предпочтительным способом из-за простоты реализации и самых низких трудозатрат. Ни один из перечисленных выше подходов к сравнительному динамическому тестированию не решает одной важной проблемы — проблемы временной синхронизации между тестируемыми модулями GNSS-навигации. Все модули можно тестировать одновременно, параллельно подключив их к персональному компьютеру через разные порты, и записывать с них данные в виде лога NMEA или любого другого протокола. Но все модули будут выдавать данные в разные моменты времени, и добиться их полностью синхронной работы невозможно. Причин этому несколько:

  • Наиболее распространенный в GNSS-модулях протокол NMEA [24] в принципе не регламентирует синхронную выдачу сообщений с данными о местоположении. Синхронно выводится только сигнал временной синхронизации (секундная метка времени или 1PPS).
  • Протокол NMEA также не регламентирует порядок выдачи сообщений. В разных GNSS-модулях одни и те же NMEA-сообщения могут выдаваться в разной последовательности.
  • В разных GNSS-модулях могут быть по умолчанию включены или отключены разные типы NMEA-сообщений.
  • Протокол NMEA также не регламентирует длину полей данных в своих сообщениях. Сравним для примера вид сообщений GNRMC для нескольких GNSS-модулей:
      • TAU1103E Allystar:

$GNRMC,084734.000,A,5954.31603,N,03027.18758,E,35.772,139.22,260621,,,A*7D — географические координаты содержат 5 знаков после десятичной точки;

    • L76LE Quectel:

$GNRMC,084447.000,A,5955.0907,N,03025.5197,E,25.07,130.77,260621,,,D,V*3B — географические координаты содержат 4 знака после десятичной точки;

    • L76LB Quectel: $GNRMC,084503.000,A,5955.000041,N,03025.725541,E,33.77,133.61,260621,,,D,V*3F — географические координаты содержат 6 знаков после десятичной точки.

У вышеперечисленных модулей, кроме географических координат, отличаются также поля данных для скорости относительно Земли. Учитывая, что каждый значащий разряд в сообщениях NMEA, по сути, является отдельным байтом данных, а длина поля фиксированная (в случае отсутствия информации нули тоже передаются в виде отдельных байтов), то передача через канал связи между GNSS-модулем и картографической программой и обработка данных занимают разное время.

  • Внутренний процессор каждого модуля тактируется собственным кварцевым генератором, доступ к которому для внешнего пользователя закрыт.
  • Порты персонального компьютера могут вносить дополнительную рассинхронизацию в работу GNSS-модулей.

Эффект отсутствия синхронной работы тестируемых GNSS-модулей при их одновременном тестировании проиллюстрирован на рис. 14.

Типовые треки, записанные при одновременном тестировании двух GNSS-модулей с помощью одного ПК

Рис. 14. Типовые треки, записанные при одновременном тестировании двух GNSS-модулей с помощью одного ПК

На рис. 14 красными и желтыми метками указаны моменты получения данных о местоположении с двух GNSS-модулей, подключенных параллельно к одному компьютеру и работающих одновременно. Приведенные аргументы показывают, что, несмотря на одинаковую область применения и базовые принципы работы, все GNSS-модули, присутствующие на рынке, весьма существенно отличаются друг от друга в деталях. Добиться от разных модулей полностью идентичной работы при подготовке к тестированию практически невозможно в связи с закрытостью для внешнего пользователя многих настроек встроенного программного обеспечения и недоступностью регулировок внутреннего аппаратного устройства. Поэтому говорить о сравнительном тестировании модулей между собой можно только условно.

С точки зрения математической статистики каждый NMEA-лог (GNSS-трек), записанный в ходе динамического тестирования, представляет собой реализацию случайного процесса с бесконечным ансамблем реализаций. При каждом проходе одного и того же тестового маршрута мы будем получать на карте GNSS-трек, отличный от всех остальных. На работу GNSS-модуля действует множество факторов, которые не поддаются контролю со стороны пользователя и которые можно считать случайными, — действие случайных помех в радиоэфире, собственные шумы GNSS-приемника и антенного тракта, геометрический фактор расположения спутников в текущий момент времени, многолучевое распространение радиосигналов и т. д. К этому набору следует добавить случайную траекторию движения мобильного объекта, на котором установлен тестируемый модуль GNSS. Практически невозможно два раза пройти или проехать абсолютно одинаковым маршрутом, сохраняя одинаковый характер движения (одинаково ускоряться или тормозить в одни и те же моменты времени, сохранять одинаковую траекторию движения и т. д.). Очевидно, статистические характеристики случайного процесса-трека в виде математического ожидания и дисперсии (среднеквадратического отклонения) в общем случае зависят от времени. Мобильный объект постоянно движется, изменяя свое местоположение. Следовательно, такой случайный процесс не является стационарным [25]. Очевидно также, что статистические характеристики, вычисленные для одной реализации случайного процесса, не совпадают с характеристиками, вычисленными по всему ансамблю реализаций в фиксированный момент времени. Следовательно, случайный процесс не является эргодическим [25]. Для анализа его характеристик нельзя применять классические методы с оценкой матожидания, дисперсии, плотности распределения вероятности и т. д. Необходимо разрабатывать эмпирические методы анализа, объективно отражающие поведение GNSS-модуля в динамике для решения конкретной задачи.

Наиболее очевидным подходом к динамическому тестированию GNSS-модуля является сравнение экспериментально полученного трека (подобного изображенному на рис. 14) с некоторым эталоном [26]. Проводится анализ степени отклонения экспериментальных данных от эталона и делается вывод о пригодности или эффективности GNSS-модуля в той или иной практической задаче. В большинстве работ, посвященных тестированию GNSS-модулей, анализ экспериментальных треков выполняется визуально и субъективно. Происхождение эталонного трека вообще никак не оговаривается, или в качестве эталонного трека используется просто предполагаемый маршрут передвижения транспортного средства на карте совместно с набором тривиальных гипотез:

  • транспортное средство передвигается строго по дороге;
  • оценки местоположения GNSS-модуля, отклоняющиеся от дороги (попадающие на крыши близлежащих домов, на газоны, тротуары и прочие прилегающие территории, непригодные для передвижения транспортного средства), считаются аномальными;
  • анализ данных проводится с помощью визуальной оценки близости экспериментального трека к дороге и количества аномальных отклонений.

Численных характеристик при таком подходе к тестированию, как правило, не приводится. Основные проблемы данного подхода — отсутствие математической модели эталонного трека и отсутствие математически обоснованной методики обработки экспериментальных данных.

Простейшая модель эталонного трека в случае динамического тестирования одного GNSS-модуля может быть получена из экспериментального трека, исходя из двух гипотез:

  • движение транспортного средства происходит равномерно и прямолинейно;
  • любые резкие отклонения экспериментального трека от эталонного вызваны действием случайных факторов.

Из этого следует, что при равномерном прямолинейном движении можно вычислить эталонный трек, отфильтровав резкие флуктуации экспериментальных данных, пропустив их через фильтр низких частот или сглаживающий фильтр [27]. Наиболее тривиальным в данном случае было бы использование фильтра скользящего среднего. Но это не даст оптимального результата. Фильтр скользящего среднего вносит неравномерные фазовые сдвиги в гармонические составляющие входного воздействия, что приводит к нежелательным искажениям результата фильтрации. Оптимальным для задачи сглаживания видится цифровой фильтр с весовыми коэффициентами:

Формула

где A — входная последовательность дискретных отсчетов; B — выходная, (2N–1) — количество точек усреднения. Каждый выходной отсчет фильтра формируется на основе усреднения одного текущего, N–1 предыдущих и N–1 последующих отсчетов. Параметр N определяет вычислительную сложность и полосу пропускания (ширину главного лепестка амплитудно-частотной характеристики):

Формула

где F — полоса пропускания; fд — частота дискретизации (по умолчанию в большинстве GNSS-модулей равна 1 Гц).

Набор коэффициентов Формула, определяет фазочастотную характеристику (ФЧХ) фильтра, потери энергии в процессе фильтрации и степень крутизны амплитудно-частотной характеристики в полосе пропускания. Задача — добиться максимально равномерной ФЧХ, в идеальном случае — с нулевым фазовым сдвигом, и минимальных энергетических потерь во всем диапазоне ∆F обработки данных.

Синтез фильтра (вектора коэффициентов a) по методу наименьших квадратов второго порядка дает следующие результаты [27, 28]:

Формула

Практика показала, что при равномерном прямолинейном движении GNSS-модуля использование фильтров с N >4 нецелесообразно при обработке больших массивов данных (>1000 точек), потому что не дает значительного изменения результатов сглаживания (<5%)
при значительном увеличении вычислительных затрат.

В спектрах экспериментальных треков GNSS-модулей преобладают низкочастотные составляющие, отвечающие за медленное изменение положения транспортного средства в пространстве. Быстрые изменения (со скоростями выше физически возможной для колесного транспортного средства) обусловлены действием случайных факторов и могут быть эффективно устранены из набора данных в результате работы сглаживающего фильтра. После фильтрации получим сглаженный трек, который будем считать эталонным и с которым далее будем сравнивать результат эксперимента, вычисляя отклонение для каждой точки:

Формула

В качестве основного показателя эффективности целесообразно выбрать такой параметр, как среднеквадратическое отклонение оценок местоположения GNSS-модуля от эталонных:

Формула

где Nэ — число экспериментальных данных трека GNSS-модуля.

Предложенная методика тестирования подразумевает достаточно большой объем вычислений, результатом которых становится всего два числа — значения СКО географических координат: широты и долготы. При необходимости их можно пересчитать в метры, руководствуясь простыми формулами:

Формула

где 

СКОм шир = СКОширотыRЗемли,

СКОм долг = СКОдолготыcos(СКОшироты)RЗемли,

где СКОм — СКО в метрах; СКОм шир — СКО по широте в метрах; СКОм долг — СКО по долготе в метрах; СКОшироты — СКО по широте в градусах, вычисленное по формуле (8); СКОдолготы — СКО по долготе в градусах, вычисленное по формуле (8), RЗемли — радиус Земли, обычно принимаемый как 6371030 м [29].

Испытания модулей TAU1103R Allystar в динамике по данной методике в сравнении с другими модулями аналогичного класса точности 2,5 м CEP: L76 Quectel, MAX-M8Q u-blox — показали, что все перечисленные модули по величине СКО укладываются в значение 0,6–0,8 м. Значительного преимущества по данной характеристике не продемонстрировал ни один из протестированных модулей.

Рассмотренная методика тестирования имеет ряд недостатков и не может быть абсолютно универсальной. Во-первых, вычисление эталонного трека для каждого GNSS-модуля происходит по его же собственному экспериментально полученному треку. Если происходит сравнение нескольких GNSS-модулей при их одновременном тестировании при движении по одному и тому же маршруту в одно и то же время, то алгоритм формирования эталонного трека можно усовершенствовать. Главная проблема — отсутствие синхронизации между выдачей данных о местоположении разными GNSS-модулями (рис. 14), что не позволяет напрямую усреднять отдельные точки их треков. Решение этой проблемы представляется весьма трудоемким, и ее рассмотрение целесообразно в рамках отдельной работы.

Во-вторых, методика хорошо зарекомендовала себя только при анализе треков равномерного прямолинейного движения или движения по траектории с большим радиусом изгиба. Методику нельзя применять для анализа поведения GNSS-модуля во время совершения сложных маневров:

  • при совершении резких разворотов;
  • при прохождении круговых перекрестков;
  • при появлении в треке аномальных отклонений на величину больше, чем физически способно совершить транспортное средство за данный интервал времени;
  • при прохождении участков маршрута с затрудненным приемом радиосигналов (тоннели, подземные паркинги и т. д.).

В ситуациях 1 и 2 алгоритмы сглаживания будут приводить к задержкам и искажениям при отображении маневра. Решение видится в предварительном построении математической модели траектории движения и далее — в сравнении экспериментального трека с этой моделью. Например, если происходит тестирование GNSS-модуля при прохождении кругового перекрестка, то в качестве эталонного трека целесообразно использовать математическую модель окружности соответствующего радиуса с центром в точке с фиксированными координатами. При совершении маневров поворота или разворота также имеет смысл представлять участок траектории движения в виде части окружности и оценку качества работы GNSS-модуля проводить по степени отклонения его реального трека от математической модели. Это наиболее объективный подход, позволяющий получить убедительные аргументы в защиту выбора того или иного GNSS-модуля для решения определенной практической задачи.

Ситуации 3 и 4 с трудом поддаются оценке с математической точки зрения. Поведение разных GNSS-модулей в таких ситуациях может отличаться весьма значительно, не поддаваясь единой математической модели. Следовательно, и единого критерия для сравнения тут быть не может. Например, рассмотрим ситуацию проезда подземного тоннеля с изгибом, расположенного в Санкт-Петербурге под площадью Победы. Внешний вид въезда в тоннель представлен на рис. 15.

Фото въезда в тоннель на площади Победы в Санкт-Петербурге

Рис. 15. Фото въезда в тоннель на площади Победы в Санкт-Петербурге

Данная локация интересна с точки зрения проведения тестов, потому что (как видно на рис. 15) тоннель является относительно пологим с небольшой максимальной глубиной (не более 2 м относительно поверхности) и небольшой длиной (215 м), поэтому не становится абсолютно непроницаемым для радиосигналов, но создает условия чрезвычайно затрудненного приема.

На рис. 16 приведены результаты многократного проезда модулем TAU1103E Allystar, модулем на базе чипсета MT3333 Mediatek и модулем на базе чипсета M8 от u-blox.

Треки модулей при многократном проезде тоннеля с изгибом

Рис. 16. Треки модулей при многократном проезде тоннеля с изгибом:
а) TAU1103E Allystar;
б) модуль на базе MT3333 MediaTek;
в) модуль на базе M8 u-blox

Модуль на базе чипсета M8 u-blox показывает самые большие визуальные отклонения от истинного маршрута, но при этом обладает большим количеством валидных данных (по числу желтых меток). Это означает, что, несмотря на тяжелые условия, модуль продолжал принимать радиосигналы и выдавать валидные решения, хоть и с большой ошибкой.

Модуль на базе MT3333 MediaTek практически не имеет валидных решений внутри тоннеля. Это означает, что модуль не был способен принимать сигналы в таких условиях и просто отключался, а картографическая программа автоматически соединяла прямой линией соседние точки трека, из-за чего его внешний вид становился более близким к истинному маршруту. По мнению автора, результат работы данного модуля можно однозначно трактовать как неудовлетворительный.

Модуль Allystar TAU1103E показал максимальное количество валидных данных (не имеет ни одного пропуска в результатах измерений). Его трек показывает существенно меньшие отклонения от истинного маршрута, чем модуль на базе M8 u-blox.

Вопрос о том, какой из модулей работал лучше в данных условиях, далеко не столь однозначен, как может показаться на первый взгляд. Строгий математический подход в данной ситуации применить сложно. Все модули работали по-разному. И критерий сравнения зависит от решаемой задачи, применительно к которой проводится тестирование. В каждом модуле можно увидеть положительные и отрицательные стороны. Например, вероятность того, что в статической задаче модуль TAU1103E определит свои координаты в сложных условиях приема (например, внутри гаража или подземного паркинга), самая высокая из трех рассмотренных вариантов. Но при кратковременных проездах подземных тоннелей в динамических задачах этот же модуль даст высокую ошибку при оценке местоположения. Хотя возникает резонный вопрос: высокую по сравнению с чем? С модулем на базе MT3333 сравнение неуместно, потому что модуль не работал внутри тоннеля и его ошибку оценить попросту невозможно. Можно попробовать провести сравнение с модулем на базе чипсета M8 u-blox, который выдавал валидные данные внутри тоннеля, но моменты времени выдачи данных обоих модулей не совпадают, как не совпадает и общее количество валидных решений. На основе визуального анализа можно лишь убедиться, что из всех трех модулей TAU1103E Allystar является отличным компромиссным вариантом, одинаково хорошо подходящим как для статических, так и для динамических задач навигации с кратковременным пропаданием связи с GNSS-спутниками.

Еще одним значимым местом с точки зрения динамического тестирования и визуального анализа является тоннель Кольцевой автодороги (КАД) Санкт-Петербурга вблизи Кронштадта. Фото подводной части тоннеля приведено на рис. 17.

Фото подводной части тоннеля КАД Санкт-Петербурга в Финском заливе вблизи Кронштадта

Рис. 17. Фото подводной части тоннеля КАД Санкт-Петербурга в Финском заливе вблизи Кронштадта

Данный тоннель является абсолютно экстремальным местом с точки зрения приема радиосигналов GNSS-навигации. Общая длина тоннеля составляет 1961 м, а глубина в подводной части — 26 м относительно уровня моря. Проезд его может показать ряд интересных деталей в поведении модулей GNSS-навигации. На рис. 18 приведены треки двух GNSS-модулей: TAU1103E и модуля на базе чипсета MT3333.

Динамическое тестирование GNSS-модулей при одновременном проезде подводного тоннеля на КАД Санкт-Петербурга

Рис. 18. Динамическое тестирование GNSS-модулей при одновременном проезде подводного тоннеля на КАД Санкт-Петербурга:
а) TAU1103E Allystar;
б) модуль на базе чипсета MT3333 MediaTek

Разумеется, разового проезда по одному маршруту недостаточно для какого-либо статистического анализа. Но данная иллюстрация позволяет сделать некоторые практически значимые выводы. Во-первых, оба модуля продемонстрировали полностью адекватное поведение, перестав выдавать валидные данные при потере сигналов спутниковой навигации. Момент пропадания валидных координат в модуле на базе MT3333 можно проиллюстрировать фрагментом NMEA-лога:

$GNRMC,133358.000,A,5959.6704,N,02941.8685,E,44.53,200.22,020822,,,A,V*33
$GPRMC,133359.000,V,,,,,44.47,200.31,020822,,,N,V*00

Соответственно, момент пропадания валидных координат в модуле TAU1103E:

$GNRMC,133402.000,A,5959.62913,N,02941.82815,E,42.752,209.07,020822,,,A*70
$GNRMC,133403.000,V,,,,,,,020822,,,N*5F

Из фрагментов лога видно, что пропадание валидных координат у TAU1103E произошло позже на 4 секунды (в 13 ч 34 мин 03 с), чем у модуля на базе MT3333 (в 13 ч 33 мин 59 с). Это же можно заметить, сравнивая треки на рис. 18.

Во-вторых, можно отметить появление небольшой ошибки при оценке местоположения при выезде из тоннеля модуля на базе MT3333 (участок возникновения ошибки обведен красным кругом на рис. 18б).

В целом, данный тест показал, что модуль TAU1103E работает более адекватно и устойчиво при проезде такого сложного препятствия. Хотя можно сказать, что при однократном проезде недостаточно данных для статистической оценки этого факта.

Интересным местом с точки зрения динамического теста является участок Южного шоссе в районе ж/д станции Сортировочная Санкт-Петербурга (рис. 19).

Участок Южного шоссе в районе ж/д станции Сортировочная, Санкт-Петербург

Рис. 19. Участок Южного шоссе в районе ж/д станции Сортировочная, Санкт-Петербург

Этот участок характерен длинным (около 500 м) узким коридором с односторонним движением для проезда автомобилей с множеством металлических ж/д мостов, расположенных сверху на небольшой высоте (2,6 м), на неодинаковом расстоянии друг от друга и имеющих различную ширину. Проезд такого маршрута может стать хорошей проверкой работоспособности GNSS-модуля. Даже при однократном проезде и визуальном анализе можно сделать полезные выводы о характерных особенностях того или иного модуля. На рис. 20 показаны треки двух модулей при проезде данного маршрута: TAU1103E Allystar и модуля на базе чипсета MT3333 MediaTek.

Динамическое тестирование модулей GNSS при проезде Южного шоссе в районе ж/д станции Сортировочная в Санкт-Петербургеге

Рис. 20. Динамическое тестирование модулей GNSS при проезде Южного шоссе в районе ж/д станции Сортировочная в Санкт-Петербургеге:
а) TAU1103E Allystar;
б) модуль на базе чипсета MT3333 MediaTek

В целом, данный тест показал вполне удовлетворительные результаты и адекватное поведение обоих протестированных модулей. Единственный визуально различимый сбой в определении местоположения произошел приблизительно в середине маршрута при проезде под самым широким ж/д мостом шириной около 30 м. Оба модуля отработали данный сбой практически одинаково. Строго говоря, для численной статистической оценки данного сбоя может быть недостаточно однократного проезда. Но ввиду малой значимости этой оценки с практической точки зрения расходование ресурсов на многократный проезд по данному маршруту оказывается нецелесообразным.

 

Выводы

  • В результате тестов GNSS-модули компании Allystar показали себя с самой хорошей стороны и могут быть рекомендованы для широкого ряда применений: мониторинг транспорта, синхронизация точного времени, задачи точной навигации RTK и т. д. Для каждой задачи можно подобрать подходящий модуль из линейки Allystar и разработать оптимальный сценарий его использования.
  • Интерес представляет также линейка антенн GNSS от Allystar с поддержкой различных частотных диапазонов. Особого внимания заслуживают антенны для точной навигации с повышенной стабилизацией фазового центра. Специалистам Allystar удалось эффективно и оригинально справиться с этой задачей, предложив решение по весьма демократичной цене.
  • Статическое и динамическое тестирование в полевых условиях — задача весьма нетривиальная, требующая тщательной подготовки и планирования. Необходимо определиться со сценарием работы GNSS-модуля в составе конечного устройства и под этот сценарий разработать соответствующие методики тестирования. Несколько наиболее общих методик динамического и статического тестирования были рассмотрены в рамках данной работы.
  • В случае статического тестирования не всегда можно полагаться на характеристику CEP, заявленную в технической документации GNSS-модуля. Она имеет скорее теоретический характер и не несет в себе исчерпывающую информацию точности и стабильности оценок местоположения в реальных условиях эксплуатации.
  • В случае динамического тестирования основной проблемой является выбор эталонного трека, с которым далее будет производиться сравнение реального экспериментального трека GNSS-модуля. В настоящей работе предложен метод формирования эталонного трека из экспериментального с помощью сглаживающего фильтра. Но такой метод имеет свои ограничения. Он может применяться только при относительно равномерном и прямолинейном движении и при отсутствии в экспериментальном треке явно аномальных данных (когда оценка местоположения GNSS-модуля выходит за рамки физических возможностей транспортного средства и условий проведения эксперимента). В качестве альтернативы можно предложить формирование эталонного трека с помощью линейной или сплайновой интерполяции по реперным точкам на карте. Этот метод может оказаться более перспективным, его рассмотрение заслуживает отдельной работы.
  • Метод формирования эталонного трека с помощью сглаживающего фильтра не работает при динамическом тестировании в условиях резких маневров: поворотов, разворотов, прохождении круговых перекрестков. В этих ситуациях необходимо использовать математические модели окружности или ее фрагментов, с которыми будет сравниваться реальный трек GNSS-модуля. Более подробное освещение этих вопросов предполагается в последующих работах.
  • Эксперимент по динамическому тестированию необходимо тщательно планировать, заранее продумывая тестовый маршрут на карте таким образом, чтобы его можно было представить в виде единой математической модели или разбить на фрагменты, на каждом из которых можно было бы проводить отдельный анализ.
  • Помимо данных о местоположении, модуль GNSS-навигации выдает множество других сведений: курс движения, скорость, текущее время, информацию о видимых спутниках, о спутниках в решении и многое другое. Использование этих дополнительных данных в рамках настоящей работы рассмотрено не было. Тестирование модулей по указанным параметрам или использование их в качестве вспомогательной информации в ходе основного тестирования заслуживает пристального изучения в будущих работах.
  • Визуальный метод анализа вполне может использоваться в тех ситуациях, когда поведение GNSS-модулей не поддается математически формализованной оценке. Таких ситуаций не очень много, но они могут оказывать решающее значение при выборе того или иного модуля для определенной задачи. Примерами таких ситуаций являются: въезд/выезд из подземного тоннеля или паркинга, попытка старта (холодного, теплого или горячего) в условиях затрудненного приема радиосигналов и т. д.
  • Возможности холодного, теплого или горячего старта в различных условиях тоже являются ключевыми особенностями GNSS-модулей (в том числе с использованием функционала Assisted-GNSS), но в рамках данной статьи рассмотрены не были. Более пристальное изучение этих вопросов предполагается в ближайшем будущем.
  • Модули Allystar серии TAU13xxx отличаются рядом интересных возможностей: выдача сырых данных (RAW data), возможность получения информации по RTCM-протоколу (дифференциальные поправки RTK), а также наличие проприетарного бинарного протокола Allystar с расширенными возможностями по настройке модулей. Изучению этих возможностей в задачах статической и динамической навигации потребуется посвятить серию отдельных работ.
Литература
  1. T-5-2107-TAU1103 Datasheet-V1.4.
  2. T-5-2107-TAU1105 Datasheet-V1.4.
  3. T-5-2107-TAU1111 Datasheet-V1.3.
  4. T-5-2107-TAU1201 TAU1204 Datasheet-V1.4.
  5. T-5-2107-TAU1202 TAU1205 Datasheet-V1.5.
  6. T-5-2107-TAU1302 Datasheet-V1.5.
  7. T-5-2107-TAU1308 Datasheet-V1.4.
  8. T-5-2107-TAU1312 Datasheet-V1.2.
  9. Patch AGR7113 Datasheet-V1.0.
  10. Patch AGR7107 Datasheet-V2.0.
  11. Patch AGR7106-ES Datasheet-V2.0.
  12. Patch AGR7114 Datasheet-V1.0.
  13. AGR6301 T-5-2012-Datasheet-V2.0.
  14. AGR6302 AGR6303 Datasheet-V1.0.
  15. Active AGR6116 Datasheet-V1.0.
  16. Подкорытов А. Н. Математическая модель смещения фазовых центров антенн при высокоточном местоопределении в глобальных навигационных комплексах // Труды МАИ. 2012. № 50.
  17. Ялтыхов В. В., Маркович К. И. К вопросу использования различных моделей калибровок GPS-антенн, типов куполов, масок по углу возвышения при обработке GNSS-измерений // Вестник СГУТиТ. 2016. № 4.
  18. Balanis C. Antenna Theory. 3rd Edition. Wiley, 2005.
  19. Гизятулин В. Как выбрать встраиваемую GNSS-антенну // Беспроводные технологии. 2020. № 1.
  20. Лавров А. С., Резников Г. Б. Антенно-фидерные устройства. Учеб. пос. для вузов. М.: Советское радио, 1974.
  21. Вероятное отклонение. Вавилон — Гражданская война в Северной Америке. Под общ. ред. Огаркова Н. В. М.: Военное изд-во МО СССР, 1979.
  22. Nelson W. Use of Circular Error Probability in Target Detection. Bedford, MA: The MITRE Corporation; United States Air Force, 1988.
  23. Аникин А. П. Сравнительное тестирование GPS/ГЛОНАСС-приемников для систем мониторинга подвижных объектов // Беспроводные технологии. 2013. № 1.
  24. Протокол NMEA 0183.
  25. Гришин Ю. П., Ипатов В. П. и др. Радиотехнические системы. Учебн. пос. М: Высшая школа, 1990.
  26. Красилов А. Тестирование GPS-модулей // Беспроводные технологии. 2010. № 3.
  27. Линник Ю. В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории обработки наблюдений. 2-е изд. М., 1962.
  28. Смит С. Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников. М.: Додэка XXI, 2008.
  29. Трифонов Е. Д. Как измерили Солнечную систему // Природа. 2008. № 7.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *