Обзор GPS/ГЛОНАСС-модулей

Сегодня возможности спутниковой навигации востребованы практически во всех отраслях экономики — от энергетики и связи (синхронизация и тайминг) до строительства и сельского хозяйства. Одна из наиболее массовых областей применения спутниковых радионавигационных систем (СРНС) — транспорт и транспортная телематика. В нашей стране ГЛОНАСС является технологической основой и для развития интеллектуальных транспортных систем.

Благодаря усилиям государства рост рынка навигационных услуг происходит очень динамично, что благоприятно сказывается на объемах нового сегмента экономики страны. Развивающийся рынок требует разнообразия технических решений, способных сделать оборудование с ГЛОНАСС конкурентоспособным на рынке конечных устройств.

Обзор текущих производителей чипов

В настоящее время существует большая потребность рынка в приемниках GPS/ГЛОНАСС в модульном исполнении. Существующие мультисистемные модули (обрабатывающие спутниковые сигналы ГЛОНАСС, GPS, Galileo) пока не соответствуют предъявляемым к ним требованиям:

• чувствительность от –185 до –190 дБВт;
• максимальная потребляемая мощность 100 мВт;
• приемлемая стоимость приемника $12–18;
• ориентированность на коммерческий рынок;
• габариты, сравнимые с современными GPS-модулями;
• возможность работы с пассивной антенной.

Лидеры рынка GPS-чипов приступили к созданию и выпуску мультисистемных GPS/ГЛОНАСС-модулей (табл. 1), и в 2012 г. ожидается снижение цен на них до $14–18 за шт.

Сравнение модулей по техническим параметрам

Были протестированы следующие приемники (табл. 2):

• NV08C-CSM производства ЗАО «КБ НАВИС» (Россия);
• S1722G2FG производства SkyTraq (Тайвань);
• «ГеоС-1М» производства КБ «ГеоСтар навигация» (Россия).

В таблице также приведены характеристики модуля SIM18 (выполнен на чипсете SiRF Star 4 only GPS производства SIMCOM, КНР).

Основными параметрами для сравнения были выбраны:

• технические характеристики, заявленные производителем приемника;
• качество и полнота технической документации;
• функционал тестовой программы производителя;
• технические параметры, показанные в процессе испытаний приемника.

Анализ технических характеристик позволяет сделать вывод о том, что модуль NV08C-CSM по совокупности параметров значительно превосходит модели «ГеоС-1М», S1722G2F и SIM18. Особенно привлекательно выглядят энергопотребление; поддерживаемые спутниковые сигналы; частота обновления данных; точность определения координат; диапазон питающего напряжения.

Тестовые испытания

Тестирование модулей производилось в двух режимах, была собрана схема согласно рис. 1.

Рис. 1. Схема тестового стенда

В статике использовались антенны из одной и той же партии, замеры производились одновременно, что позволяло исключить разницу результатов. Кроме того, это обеспечивало одинаковые условия приема спутниковых сигналов.

В динамике антенны устанавливались на крышу транспортного средства и снимались треки движения ТС в условиях «открытой местности» и «высотной застройки».

Сравнение модулей на точность определения координат в статическом режиме в условиях ограниченной видимости спутников и при наличии помех

Тесты проводились в следующих условиях:

• Антенна приемника располагается на металлическом основании (подоконник окна) 2-го этажа десятиэтажного здания. Здание кирпичное, в бетонных перекрытиях имеется арматура. Такие условия вызывают значительное затухание и переотражение сигналов, Для приема прямых сигналов доступна только северная полусфера небосвода.
• По условиям радиопомех в диапазоне сигналов СРНС расположение антенны характеризуется наличием мощных источников радиоизлучения, в частности коллективной радиостанции, работающей в диапазонах КВ и УКВ с большими мощностями. Антенная система представляет собой управляемые двойные квадраты. Дальность до антенн порядка 100 м.

Кроме того, в 500 м от антенн расположена базовая станция оператора сотовой связи с четырехсекторными антеннами, работающими в диапазоне 900/1800 МГц. Результаты сравнения приведены на рис. 2. Обработка проводилась в программе SiRFLive 2.

Рис. 2. Сравнение приемников на точность определения координат:
а) NV08C-CSM;
б) «ГеоС-1М»;
в) SIM 18 (GPS SiRF Star 4);
г) S1722G2F.
Радиус внешнего круга 35 м; внутреннего — 17,5 м; время измерения >30 мин.

Исходя из полученных диаграмм, можно сказать, что самую большую кучность и, соответственно, точность в статическом режиме в сложных условиях показал модуль S1722G2F.

Сравнение модулей на точность построения треков в условиях ограниченной видимости спутников в динамическом режиме

Для тестирования антенна устанавливалась на крышу автомобиля. Были произведены три поездки в различных условиях приема сигналов. Запись трека велась при поездке в зоне с высокой плотностью застройки — узкие улицы многоэтажных домов.

Исследование показало, что спутники сопровождаются уверенно (без катастрофического пропадания сигналов) и количество их в решении составляет от 12 до 18 по двум системам СРНС.

На рис. 3–5 полученные треки совмещены с картой, что позволяет наглядно оценить работу модулей.

Рис. 3. Движение сквозь туннель

Рис. 4. Движение внутри дворовой территории

Первый и последний, кто точно вычислил координаты, был модуль компании SkyTraq S1722G2FG. К тому же он продолжал выдавать координаты и в туннеле, основываясь на эфемеридах и отраженных сигналах.

Стоянка внутри дворовой территории показала, что не в лучшую сторону отличился NV08C-CSM: он не сохранил требуемой стабильности в выдаче координат, в то время как все остальные модули приемлемо отражали действительность.

На рис. 5 представлены результаты полученных треков при движении внутри территории высотного дома (25 этажей), выполненного в виде подковы. Кроме того, в непосредственной близости от выбранного участка находятся еще четыре высотных дома (28–30 этажей).

Рис. 5. Движение внутри дворовой территории

Видно, что единственный отличившийся — GPS-модуль на чипсете SiRF Star 4 SIM18. Остальные не передали реальной траектории движения, отмеченной на рисунке зеленой линией. К тому же модуль «ГеоС-1М» после выезда из территории с ограниченной видимостью не смог сразу вернуться к решению навигационной задачи.

Выводы

Время выхода на решение навигационной задачи у всех приемников практически одинаково и сопоставимо с паспортными данными. Это же касается и восстановления выдачи навигационного решения при кратковременной потере сигнала. Время холодного старта в условиях ограниченной видимости спутников у приемника NV08C-CSM наибольшее (табл. 3).

Высокую точность и стабильность в статическом режиме при видимости половины небосвода показал модуль S1722G2F (разброс 5 м).

Точность определения координат в условиях ограниченной видимости спутников у приемника S1722G2F выше, чем у «ГеоС-1М», NV08C-CSM и SIM18. Поездки в городских условиях показали, что спутники сопровождаются уверенно (без катастрофического пропадания сигналов), и количество их в решении составляет от 7 до 15 по двум навигационным системам. По точности построения трека в сложных условиях среди мультисистемных модулей лидируют S1722G2F и «ГеоС-1М».

Самая полная и лучшая техническая документация составлена для модуля NV08C-CSM, а программа для работы с модулем позволяет производить его расширенную настройку по бинарному протоколу.

По результатам тестов можно однозначно утверждать, что применение мультисистемных приемников дает преимущество перед моносистемными.