gps мониторинг автотранспорта и мобильных сотрудников. |
|
|||
29 Сентября 2005г.Испытания GPS-приемников в полевых условиях, или что они реально умеютавтор:Время от времени перед каждым человеком возникает задача определения своего местоположения. Если Вы в родном городе, или в поселке, где с детских лет знакома каждая улица или тропинка, то тут все понятно. Но если Вы попадаете в незнакомый район, где названия улиц и населенных пунктов Вам ни о чем не говорят, а спросить либо не у кого, либо Вы просто не знаете того языка, на котором здесь общаются, как быть тогда? Смею заверить, что зачастую и наличие у Вас подробнейшей карты местности или населенного пункта, не выручает. Вот тут-то и могут пригодиться те устройства, о которых пойдет речь. Устройства эти получили название GPS-навигаторы или GPS-приемники, в зависимости от варианта исполнения. Собственно, основное отличие заключается в том, что навигаторы являются функционально законченными устройствами, со своим дисплеем, органами управления, а GPS-приемники, работают только в связке с персональным компьютером (ноутбук или КПК). Навигаторы, как правило, стоят дороже, чем приемники, и предназначены только для целей навигации. С помощью этого устройства можно определить свое положение на местности в любой точке земного шара. Аббревиатура GPS означает Global Positioning System, или, в переводе на русский, Система Глобального Позиционирования. Пара слов о GPS «Созданная министерством обороны США изначально лишь для военных целей, система глобального позиционирования GPS очень скоро перестала быть таковой и нашла применение в различных областях гражданской сферы. Основные принципы системы просты и состоят в определении местоположения путем измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала посылки от спутника к приемнику. Для определения трехмерных координат приемнику необходимо решить систему из трех уравнений. Для устранения погрешности, вызванной разницей между точными часами на спутнике и намного менее точными в приемнике, вводится четвертое уравнение. Другими словами, для однозначного определения координат приемник должен «видеть» не менее четырех спутников. Организационная структура системы GPS представляет собой совокупность трех сегментов: космического, пользовательского и сегмента управления. Космический сегмент состоит из 24 основных и нескольких резервных спутников, равномерно распределенных по шести круговым орбитам на высоте 20 200 км от поверхности Земли. Спутники распределены так, что из любой точки Земли в любой момент времени выше 15° над горизонтом находятся от 4 до 8 спутников. Период их обращения равен 11 ч 58 мин. Сегмент управления состоит из сети наземных станций слежения и контроля. В их задачу входит контроль работоспособности системы, уточнение и корректировка текущих параметров орбит и показаний бортовых часов. Сигналы спутников модулируются псевдослучайными последовательностями (PRN) двух типов: C/A-код и P-код. C/A (Clear access) — общедоступный код — представляет собой PRN с периодом повторения 1023 цикла и частотой следования импульсов 1023 МГц. Именно с этим кодом работают все гражданские GPS-приемники. P (Protected/precise)-код используется в закрытых для общего пользования системах, период его повторения составляет 2*1014 циклов. Сигналы, модулированные P-кодом, передаются на двух частотах: L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,6 МГц. C/A-код передается лишь на частоте L1. Несущая, помимо PRN-кодов модулируется также навигационным сообщением. В приемнике, на основе корреляционной обработки выделяются составляющие, относящиеся к конкретным спутникам, кодовые последовательности и навигационные сообщения. В составе последних передается два типа информации о параметрах орбит и текущем состоянии спутников: альманах и эфемериды. Альманах содержит приближенные параметры орбит, в то время как данные эфемерид очень точные и действительны лишь несколько часов. В зависимости от того, какой объем этих данных хранится в памяти приемника на момент его включения, различают следующие типы стартов (Time To First Fix): hot-start — известен и альманах, и эфемериды; warm-start — известен только альманах; cold-start — данные отсутствуют или недействительны (приемник был долгое время выключен или перевезен на другое место). При использовании C/A-кода среднеквадратическая ошибка в определении координат составляет порядка 10 м. В некоторых гражданских системах данная точность недостаточна. Для решения проблемы на практике широко применяются дифференциальные системы, обобщенно обозначаемые DGPS (Differential GPS). Задачей этих систем является передача в короткое время GPS-приемнику корректирующих поправок, для чего используются опорные станции с известными координатами». Что имеем? Сам по себе GPS-приемник, несмотря на его привлекательность, нам мало что дает для практического применения. Для работы с ним требуется персональный компьютер, оснащенный программой, позволяющей отображать местоположение, вычисленное приемником, на электронной карте. В нашем распоряжении во время проведения испытаний различных GPS-приемников был карманный компьютер HP iPAQ 2210 и программа «ГИС Русса» версии 1.0 (update 25.5). Характеристики GPS-приемников Таблица 1. Характеристики GPS-приемников
Примечание: Чипсет: SS3=SiRFstarIII; SS2=SIRFstarII; XT2=SiRFIIXtrac2; NX=NemeriX Теперь более пристально рассмотрим сравнительную таблицу чипсетов (Таблица 2). На рынке электронных компонентов всего лишь несколько фирм занимаются выпуском микросхем для построения GPS-приемников. Среди наиболее известных можно отметить NemeriX, SiRF, Sony, uNav и Garmin. Собственно, качество работы приемника в основном определялся характеристиками применяемого в нем чипсета. Таблица 2. Характеристики чипсетов
Примечание: Число каналов — количество одновременно обрабатываемых сигналов со спутников. Наиболее важными из приведенных характеристик являются чувствительность, количество корреляторов и потребляемая мощность. С чувствительностью все понятно — чем она выше, тем более слабый сигнал со спутника может быть принят, тем больше шансов у приемника точно определить координаты. Если говорить о корреляторах, то, не вдаваясь особенно в детали, можно сказать, что корреляция — это процедура выделения на фоне шумов и анализа сигнала со спутников для вычисления координат. Звучит достаточно просто, но если учесть, что сигналы очень слабы (посланы с высоты более 20 000 км над землей) и довольно сильно искажены, то чем большей мощностью корреляции обладает ваш приемник (чем больше корреляторов), тем выше шансы достоверного и быстрого определения вашего местоположения. Из приведенных параметров видно, что наиболее интересные характеристики имеют чипсеты фирмы SiRF (особенно их последняя разработка чипсет SiRFStarIII) из-за высокой чувствительности и мощности обработки сигналов. В новом чипсете реализован абсолютно новый подход к использованию сигналов спутников. Обычные приемники используют для расчета сигналы, мощностью от 28 dB и выше. SiRFstarIII использует все принимаемые сигналы, с мощностью от 13 dB. Благодаря наличию 20 каналов, GPS приемник может принимать отраженные сигналы (в условиях плотной городской застройки и, особенно, в помещении) и использовать их при расчете координат. Другими словами, из-за возможности анализа сигналов по большему числу каналов, чем ранее, есть шанс обработки не только прямого сигнала (часть которого может быть искажена помехами), но и отраженного (который может быть слабее, но эта часть поступила без искажений), что позволяет в итоге повысить помехоустойчивость и чувствительность приемника. Вероятно, благодаря таким замечательным свойствам нового чипсета, большинство выпускаемых в настоящее время устройств построено как раз на базе микросхем SiRF Star III. Чипсет фирмы NemeriX обладает высокой чувствительностью и очень низкой потребляемой мощностью, что очень важно при создании устройств с автономным источником питания. Примерно такими же параметрами по потреблению обладает чипсет фирмы Xemics, однако число каналов там не превышает 8, а корреляторов всего лишь 32. Что довелось тестировать Таблица 3. Характеристики приемников
Два из тестируемых приемников GS-R232 и GS-R238 были фирмы Guidetek (насколько нам известно, это OEM-варианты моделей GR-231 и GR-236, выпускаемых фирмой Holux). Приемник HI-305N выпускается фирмой Haicom. Все три приемника построены с применением различных чипсетов, так что есть возможность на практике оценить их достоинства и недостатки. Методика тестирования Точность позиционирования
На рисунках приведены треки, записанные в компьютер при прохождении замкнутого маршрута. Маршрут для приемника GS R-232 немного отличался от остальных, поэтому трек также имеет несколько другую форму. Из приведенных рисунков видно, что приемники неплохо справились со своей задачей. В случае с HI-305N и GS R-238 начальная и конечная точки маршрута совпадают, а для приемника GS R-232, точки удалены друг от друга с допустимой погрешностью. О точности и стабильности показаний приемника GS-R238 можно судить по совпадению треков (Рис. 1). Небольшой замкнутый маршрут на местности (протяженностью около 100 м) был пройден три раза с интервалом в 3–4 мин.
О том, что условия для работы приемников были достаточно хорошими, можно судить по диаграмме на Рис. 2, где приемник для определения координат был способен использовать данные, поступающие с 11 спутников.
Все, казалось бы, выглядит неплохо, однако следует повторить, что во время этого теста приемникам предлагались «тепличные» условия. В реальной обстановке, там где есть проблемы с беспрепятственным приемом сигналов со спутников, все обстоит несколько иначе. Об этом мы поговорим чуть позже. Чувствительность, или испытания в помещении Отметим сразу, что в условиях хорошей видимости неба и отсутствия препятствий для прохождения сигналов, все приемники вели себя безукоризненно — быстро определяли координаты и четко отслеживали маршрут передвижения. Однако, большинство пользователей эти подробности волнуют не очень сильно. Главным критерием является возможность использования приемника в самых труднодоступных для спутникового сигнала местах, таких как гаражи, жилые и офисные помещения, тоннели, городские улицы, обрамленные с обеих сторон громадами каменных зданий и т.д. Косвенно оценить чувствительность можно по спутниковой диаграмме, запустив на КПК утилиту GPS-View или навигационную программу ГИС Русса. Для начала, проверим, как ведут себя приемники в помещении. Расположив включенный приемник на подоконнике, можно наблюдать примерно следующую картину (Рис. 2 — Рис. 4).
Изначально на диаграмме будут отображаться один или два спутника, сигналы которых едва пробиваются сквозь толщу стен и перекрытий, а, скорее всего, поступают через стекло оконного проема в переотраженном виде. Через какое-то время (в разных случаях по-разному) число видимых спутников становится больше и уровень принимаемого сигнала становится достаточным, для определения координат — происходит т.н. фиксация положения. Однако, это случается не всегда. Чаще всего в помещении условия для приема неудовлетворительны, и определить координаты приемник, к сожалению, не может. Бывает и так, что через некоторое время фиксация пропадает, а затем появляется снова. Т.е. приемник работает на грани своих возможностей. Поведение приемника в этой ситуации зависит от многих факторов (расположение спутников, положение антенны приемника, состояние ионосферы, наличие облачности и т.д.), учесть которые на практике не представляется возможным. Всем исследуемым приемникам удавалось определить координаты в том помещении, где мы проводили испытания, однако лидером в этом тесте оказался GS-R238. Он был способен определить координаты не только на подоконнике, но и внутри помещения (на удалении до 2,5 м от окна), чего можно было ожидать от него из-за замечательных свойств чипсета. После фиксации он был способен подолгу оставаться в рабочем режиме, сигнал терял редко и затем быстро его находил снова. Приемник HI-305N даже на подоконнике, вблизи от окна, очень быстро терял сигнал и определял координаты неустойчиво. GS-R232 занял в этом тесте среднее положение. Он вел себя примерно так же, как и HI-305N, но в положении фиксации позиции находился более длительные промежутки времени. Понятия «быстро», «редко» трудно оценить количественно, т.к. каких-то жестких закономерностей не наблюдалось. Например, нам показалось, что поздним вечером приемники работали более устойчиво, чем днем. Общее замечание таково, что даже когда приемникам удавалось определить координаты, отображение положения приемника на карте было нестабильным и неточным. Отклонения от истинного положения могли достигать 150-300 м. Это хорошо видно из треков, отображающих положение приемника внутри здания (Рис. 5). Приемник GS-R238 находился на месте, а треки показывают, что приемник перемещался по всему зданию, или же вообще находился вне помещения.
Кстати, GS-R238, единственный из трех приемников который смог определять координаты в металлическом гараже, находясь при этом внутри салона машины. Правда, он это делал лишь когда ворота гаража были открыты. При закрытых воротах определение координат было неустойчивым. Два других приемника этого сделать не смогли вовсе.
GS-R238. Сигналы со спутников
В автомобиле
Примеры треков, полученные в результате тестирования приемников, приведены на рисунках (Рис. 9–10).
Как уже говорилось выше, когда нет препятствий сигналам со спутника, приемники очень точно отображают маршрут движения. На Рис. 11 приведены треки одного и того же участка дороги, снятые в разные дни (приемник GS-R232, треки почти совпадают), а на Рис. 12 приведен трек парковки и выезда с нее (через 2 часа) в аэропорту Домодедово (GS-R238). Автомобиль двигался именно по такой траектории. Движение по кольцевой автодороге и развязкам обычно также не вызывало у приемника затруднений.
Однако не все так здорово, когда движение происходит по улице, вдоль тротуаров которой, высятся каменные здания, сильно уменьшающие угол обзора приемника. Здания загораживают сигналы со спутников, вынуждая приемник работать с отраженными сигналами. Отраженный же сигнал, проходит большее расстояние, чем прямой, вследствие чего происходит ошибка в вычислении координат, и отображение трека на карте происходит со смещением. На Рис. 14 и Рис. 15 зеленым пунктиром отображен реальный маршрут движения автомобиля, а сиреневым цветом — треки, поступившие с приемников. Как видно из рисунков, условия приема сигналов (в данном случае два высоких здания) оказывают существенное влияние на точность позиционирования. В городских условиях точной работе GPS-приемника мешают не только здания, но также мосты и тоннели, где сигналы со спутников могут пропадать совсем (Рис. 16–18).
Еще одну интересную особенность нам удалось наблюдать у приемника GS-R238. Иногда, при остановке в пробках или у светофора, приемник, вероятно, не мог точно определить местоположение, хотя, на наш взгляд, условия для приема сигналов были неплохими, и каждый раз пытался подкорректировать текущие координаты. В результате этого, трек, отображаемый на компьютере, смещался в сторону и восстанавливался не очень быстро (Рис. 19). Если подвести краткие итоги, то у нас сложилось впечатление, что при работе в автомобиле наиболее корректно вел себя приемник GS-R232. Приемник фирмы Haicom HI-305N тоже работал неплохо, достаточно правильно отображая маршрут движения. У приемника GS-R238 иногда наблюдались небольшие, иногда трудно объяснимые, отклонения, вызванные, на наш взгляд, некоторым несовершенством алгоритма обработки информации. Вероятно, разработчики подкорректируют эти недочеты в последующих версиях прошивки. В пешем строю Ниже приведены примеры треков, полученных разными приемниками, в разных местах и в разное время. Как и ранее, записанные треки на рисунках отражены сиреневым цветом, а маршруты движения — зеленым или желтым. Для чистоты эксперимента, надо было бы, конечно, все три приемника тестировать одновременно, чтобы приемники работали с одними и теми же спутниками, но, по ряду причин, так не получилось.
Теперь постараемся обобщить впечатления от работы каждого из приемников во время этого тестирования. Приемник GS-R232, показавший неплохие результаты при движении в автомобиле, во время пешеходных прогулок вел себя несколько странно, показывая свое расположение довольно далеко от маршрута передвижения (Рис. 20–21). Возможно, окружающая обстановка (наличие деревьев, возвышающейся эстакады) по пути следования (Рис. 20), а также высокие дома (Рис. 21), не позволяли ему достоверно определять координаты. Вместе с тем, во время поездки на машине практически по тому же маршруту, таких проблем не возникало. Причем, расположение приемника (в руках или кармане куртки) существенно положение дел не меняло. Приемник HI-305N напротив, показался нам очень разборчивым к тому, как он расположен в пространстве. Как мы уже упоминали, приемник выполнен в форм-факторе Compact Flash, и представляет совместно с карманным компьютером довольно громоздкое сооружение. В карман куртки это сооружение никак не умещается, переноска же его в руках вызывала недоуменные взгляды прохожих. Однако именно в этом положении, когда верхняя крышка приемника, под которой расположена встроенная антенна, своей плоскостью направлена вверх, треки наиболее близко совпадали с маршрутом движения. При помещении всей конструкции в сумку, где приемник поворачивался к небосводу той или иной боковой поверхностью, позиционирование проходило с большой погрешностью (Рис. 29). Даже при переноске в руках наклон приемника сопровождался смещением трека (Рис. 30). Когда маршрут пролегал по местности с нормальными, по нашим понятиям, условиями для приема сигналов со спутников (отсутствие высоких зданий, тротуар с отдельно стоящими деревьями, приемник с КПК находится в руках, Рис. 24), трек все же выглядел ломаной линией. В то же время в парке на тропинке, которую плотно обступали лиственные деревья, трек был сглаженным и практически совпадал с маршрутом движения. Вероятно, данный приемник чувствителен к отраженным сигналам. В той же местности где эти сигналы слабы (как, например, в парке, где листва деревьев не создает сильных отраженных сигналов) приемник ведет себя достаточно корректно. На Рис. 26–28 и Рис. 31 представлены результаты тестирования приемника GS-R238. Движение проходило по тому же маршруту, что и в предыдущем случае. Во время теста приемник лежал в кармане куртки. Как видно из представленного трека, здесь тоже не так уж все идеально, однако трек более сглажен и наиболее точно отображает реальный маршрут передвижения. Во время прогулки в парке, где нет высоких зданий, и лишь деревья могли служить помехой, трек выглядит ровным и практически полностью совпадает с траекторией движения. В заключение все же придется добавить небольшую ложку дегтя к той бочке меда, которой являются характеристики GS-R238. Пару раз, во время прогулки складывалась такая ситуация, что приемник после длительного выключенного состояния переставал выходить в режим фиксации позиции. Условия для приема сигнала, на наш взгляд, были хорошими, в «поле зрения» приемника находилось достаточное количество спутников и уровни сигналов, по меньшей мере, 4-х из них, превышали уровень шума на 30dB. Однако фиксации не было даже через 20 минут после включения (Рис. 33).
Проходило время, но приемник оставался в таком же состоянии. Принудительный «Cold Start» приводил к тому, что из памяти приемника удалялись данные старого альманаха и эфемерид (информация о положении спутников), но улучшения не наступало (Рис. 34).
Одним из способов, с помощью которого удавалось «разбудить» приемник, был принудительный сброс приемника с помощью отладочной программы SiRFEdit, которая работает только лишь на настольном компьютере или на ноутбуке, оснащенном Bluetooth-интерфейсом. Кстати, существует похожая программка и для КПК — spGPSView, кое-что можно сделать и с ее помощью. Есть также сообщения о том, что приемник на аналогичном чипсете удавалось оживить, проведя его неоднократные выключения и включения, но нам это проверить не удалось. Обсуждение указанной выше проблемы можно найти по этой ссылке. Есть надежда, что с появлением новой версии прошивки (3.1.1), проблема будет решена. По крайней мере, так обещают разработчики чипсета. Можно посмотреть, например, обсуждение по этой ссылке. Там, в частности, говорится, что в версии 3.1.1 исправлена возможная проблема «холодного старта» (в том числе после длительного отключения приемника), которая может нарушить производительность приемника, если сигналы со спутников слишком слабы (соотношение сигнал/шум ниже 32dB). Самое непонятное, однако, в том, что версия прошивки в тестируемом приемнике — GSW3.1.1_3.1.00. 07.C2.3B1.00, т.е. уже 3.1.1. Возможно, это какой-то промежуточный, не окончательный вариант прошивки. Нам кажется, что практическая рекомендация для данного приемника может быть такова — после длительного выключения или перемещения приемника в выключенном состоянии на большие расстояния (когда данные альманаха и эфемерид устарели или сильно изменились), включать приемник следует в обстановке хорошей видимости спутников, чтобы уровень сигналов со спутников был достаточным для получения свежих данных альманаха и эфемерид. Как показали дальнейшие испытания, данное утверждение оказалось верным. После включения приемника необходимо подождать 1-2 минуты на месте до появления фиксации положения, после чего можно продолжить движение. Если же включить приемник и продолжать двигаться, то фиксация может не наступить довольно долго. Заключение
|
|
Просим при воспроизведении материалов этого сайта
делать ссылку на Зоопарк ручных компьютеров
Copyright © 1999-2016 Зоопарк ручных компьютеров |