Точность нахождения объекта при частичном затенении антенны GPS/ГЛОНАСС-приемника

Как указано в [1], определяемая с помощью спутниковых навигационных систем (СНС) точность дается в значении «минимального возможного уровня» — то есть не хуже определенного уровня за определенный промежуток времени. Для любой точки земной поверхности точность в горизонтальной плоскости эквивалентна или лучше чем 100 м, исходя из среднеквадратической ошибки измерения удвоенного расстояния (twice the distance root mean square, 2DRMS). Это значит, что за сутки плановые координаты, определяемые с помощью GPS, будут находиться не далее 100 м от истинных координат в течение 95% процентов времени наблюдений. Соответствующая точность определения высот — 156 м, а времени — 340 нс.

Рис. 1. Внешний вид GPS/ГЛОНАСС-приемника

Эти расчетные параметры точности определены для орбитальной группировки из 24 спутников, при маске возвышения 5° без препятствий и как минимум четырех наблюдаемых спутников с геометрическим фактором потери точности позиционирования (PDOP) не более 6. Это означает, что в зависимости от местоположения или времени суток реальная точность GPS будет меняться. В глубоких каньонах городов мы можем столкнуться с тем, что в поле зрения не будет четырех спутников или PDOP значительно превысит 6.

В исследовании нами использовался экспериментальный GPS/ГЛОНАСС-приемник, созданный на основе интегрального модуля S3535G2F компании SkyTraq (рис. 1, 2).

Рис. 2. Принципиальная схема включения интегрального модуля S3535G2F

Кроме навигационного модуля на плате размещены источник питания LT1086-3.3 и драйвер COM-порта ADM3202JRN. Процесс проектирования и настройки приемника подробно описан в [3]. Плата навигационного модуля подключена к внешнему источнику питания, кабелем соединена с COM-портом компьютера, через высокочастотный разъем к ней подключена выносная ГЛОНАСС/GPS-антенна 2J433GFD-500RG174-C20N фирмы 2J (www.2j-antennae.com). Внешний вид антенны показан на рис. 3, основные технические характеристики:

• частотный диапазон GPS — 1575,42 МГц, GLONASS — 1572–1610 МГц;
• коэффициент усиления GPS/GLONASS 35 дБ;
• КСВН< 2:1 для всех диапазонов;
• напряжение питания 3–5 В;
• ток потребления 19 мA;
• размеры 38×34×13,7 мм;
• диапазон рабочих температур –40…+85 °C.

Рис. 3. Внешний вид антенны 2J433GFD-500RG174-C20N

Антенна была скотчем закреплена на внутренней стороне направленного на юго-запад окна лаборатории (рис. 4), находящейся на первом (цокольном) этаже 4-этажного здания.

Рис. 4. Закрепленная на окне ГЛОНАСС/GPS-антенна

Большая часть окна заслонена стоящим в непосредственной близости (примерно 1 м) металлическим ангаром (рис. 5), на окне установлена металлическая решетка. Таким образом, область видимого антенной свободного пространства в азимутальной плоскости составляет примерно 70°.

Рис. 5. Окно, за которым находится GPS/ГЛОНАСС-приемник (за решеткой)

Измерения координат производились на протяжении нескольких дней с различными временными промежутками — от 15 до 60 минут. Результаты измерений сведены в таблицу. Обработка и визуализация сообщений GPS/ГЛОНАСС-приемника выполнялись в программе GeoSDemo КБ «ГеоСтар навигация». Этот инструмент удобен тем, что позволяет отображать местоположение абонента на картах Google (рис. 6).

Рис. 6. Окно программы GeoSDemo с указанием объекта на карте Google.

Результаты графической обработки табличных данных показаны на рис. 7. Красной точкой отмечено реальное положение объекта, зелеными — показания приемника. На карте видно, что большинство результатов попадает в окружность радиусом не более 200 м, с центром в точке истинного местонахождения. Случаи бóльшего удаления отмечены в таблице «звездочкой».

Рис. 7. Отметки местоположения всех измерений

Замер № 21 не виден на рис. 7 по причине слишком большой погрешности измерения — более 2 км (рис. 8).

Рис. 8. Наихудшая ситуация настоящего исследования — номер 21 в таблице

Замер № 28 не вызывает вопросов: в видимости находится только один спутник ГЛОНАСС. В остальных случаях доступны сигналы не менее трех спутников, среднее значение HDOP — 5,88, VDOP — 1,48. В экспериментах №№ 6, 23 и 37 HDOP показывает худшие значения — 7,6; 14,7 и 11,1 соответственно, тем не менее точность показаний в данных случаях выше. Особого внимания заслуживает № 22, когда в видимости находятся шесть спутников — три GPS и три ГЛОНАСС, но их геометрическое сочетание настолько неудачно (HDOP 5,3, VDOP 4,6), что приводит к неудовлетворительному результату. Среднее значение HDOP по всем измерениям составляет 4,13, VDOP — 1,65.

Выводы

В случае частичного затенения антенны GPS/ГЛОНАСС-приемника показаний трех спутников обеих навигационных систем достаточно для формирования удовлетворительного (не хуже 200 м) решения по точности местоположения абонента с вероятностью 80%. Более существенную роль для точности определения местоположения играют геометрические факторы расположения — HDOP и VDOP; количество спутников (если их три и более) особого значения в данном случае не имеет.