Gnss что это в планшете

Обновлено: 03.07.2024

GNSS (Global Navigation Satellite System) — это спутниковая система навигации, включающая все навигационные спутники, которые помогают мобильному телефону или автомобилю определить свое местоположение. GPS — спутниковая система навигации США, получившая название Global Positioning System (Глобальная система позиционирования). Однако современные коммерческие GPS-приемники также используют навигационные спутники систем ГЛОНАСС, Galileo, Beidou и QZSS. Приемники, работающие с несколькими спутниковыми системами навигации, обычно называют GNSS-приемниками.

Двухдиапазонная GNSS-технология

Спутники GNSS осуществляют передачу на нескольких частотах, или диапазонах. Различные диапазоны сигналов GNSS не только находятся на разных частотах, но и имеют различные структуры сигналов и кодировки. Использование нескольких диапазонов GNSS повышает точность за счет уменьшения влияния ошибок, вызванных искажениями из-за переотражений сигнала и атмосферных помех. Однако до последнего времени двухдиапазонные (они же многодиапазонные) приемники стоили $5000 и более. Такие прецизионные приемники нашли применение в основном в высокотехнологичных промышленных и аэрокосмических областях, таких как строительная геодезия, где точность порядка нескольких сантиметров является обязательной. С появлением новых недорогих двухдиапазонных GNSS-приемников, устанавливаемых в потребительские устройства (рис. 1), например мобильные телефоны, рынок двухдиапазонных приемников радикально изменился.

Традиционные многодиапазонные приемники используют диапазоны сигналов L1 и L2. Диапазон L2 первоначально был предназначен для военных, но для коммерческого использования был добавлен диапазон L2C. В последнее время дополнительно к новым недорогим приемникам (рис. 2) также был введен в действие набор новых, более надежных спутниковых сигналов, а именно сигналы L5 (GPS, QZSS), E5 (Galileo) и G3/B3 (ГЛОНАСС/Beidou). Теперь высокоточные GNSS-системы готовы к массовому рынку.

Рис. 2. Недорогие двухдиапазонные GNSS-приемники: Broadcom 47755 и ST Micro TeseoV

Преимущества двухдиапазонной системы

В номинальных условиях ясного неба с надлежащими двухдиапазонными антеннами двухдиапазонная технология обеспечивает примерно двукратное снижение средней погрешности позиционирования (также называемой «круговое вероятное отклонение» — КВО). Компания Nottingham Scientific провела тщательное исследование, сравнив два сотовых телефона — одного с однодиапазонным приемником и одного с двухдиапазонным, в качестве эталона использовался внешний двухдиапазонный приемник Septentri.

На рис. 3 стоит обратить внимание на уменьшенную погрешность XiaoMi M8 и близкое совпадение его данных с координатами эталонного приемника. Статистические показатели погрешности, такие как КВО, демонстрируют фактическое преимущество двухдиапазонного метода, поскольку в действительности средняя погрешность часто менее важна, чем максимальная погрешность и надежность определения координат в целом. Проще говоря, чаще всего наибольшая проблема заключается в том, что GNSS-приемник показывает вас не на той улице. Хорошие средние значения не всегда означают хороший результат.

Рис. 3. Исследование компании Nottingham Scientific: сравнение однодиапазонного Samsung S8, двухдиапазонного Xiaomi M8 и двухдиапазонного эталонного приемника Septentrio

В этом отношении двухдиапазонный режим обеспечивает очень заметное снижение максимальной погрешности, а также повышает надежность в сложных условиях эксплуатации. Хорошим примером сложных условий являются места посадки и высадки пассажиров во многих крупных аэропортах. Недавно в аэропорту Сан-Франциско были протестированы три популярных недорогих приемника (рис. 4) — два двухдиапазонных (Quectel LC79D L1+L5, Ublox F9 L1+L2) и один однодиапазонный (Ublox M8 в режиме работы только на L1).

Рис. 4. Quectel L1+L5 LC79D (зеленый), Ublox L1+L2 F9 (желтый), Ublox L1 (фиолетовый)

Несколько ключевых результатов тестирования:

Однодиапазонный приемник L1 не определил местоположение в небольшой зоне с плотной застройкой и предоставлял самые неправдоподобные данные в области с плотной застройкой, при выходе из зоны прибытия и прохождении под международным терминалом.
Двухдиапазонный приемник L1+L2 хорошо работал в большинстве областей, за исключением прохождения под международным терминалом, где он демонстрировал некоторое снижение точности.
Двухдиапазонный приемник L1+L5 продемонстрировал наиболее надежную работу и наименьшие отклонения.

Кроме того, было проведено дополнительное тестирование в центре Сан-Франциско, показавшее аналогичную тенденцию. Двухдиапазонные приемники L1+L2 и L1+L5 имели значительно менее неправдоподобные результаты по сравнению с приемником, работавшим только на диапазоне L1.

Сигнал L5 и его международные аналоги E5 и B3 являются одними из самых новых сигналов в технологии GNSS. Они имеют больший диапазон и улучшенную структуру сигнала. Эти новые и модернизированные широкополосные сигналы обеспечивают снижение уровня шума и искажений из-за переотражений сигнала. В проведенном простом тестировании в сложных условиях такое улучшение сразу обращает на себя внимание.

Двухдиапазонные приемники также являются подходящей отправной точкой для более продвинутых алгоритмов позиционирования, таких как Real-Time Kinematic, позиционирование высокой точности и геолокация на основе нескольких датчиков. При совместном использовании эти технологии могут повысить точность определения местоположения до 100 раз и даже обеспечить работу в условиях специальных помех.

Начало работы с двухдиапазонными приемниками

Хотя двухдиапазонные приемники раньше были очень дорогими, начиная с середины 2019 года они стали доступнее. В таблице представлены доступные решения для разработчиков «Интернета вещей» и автономных решений.

GNSS Data Interface

Описание: Программа «GNSS Data Interface» предназначена для обеспечения работоспособности «традиционных» навигационных программ, которые получают данные GPS/ГЛОНАСС через последовательный коммуникационный порт (COM порт).

Операционная система: Windows 7/8/10

Текущая версия программы: 1.2.0.2

Часто задаваемые вопросы: Читать

Программа «GNSS Data Interface» предназначена для обеспечения работоспособности «традиционных» навигационных программ, которые получают данные GPS/ГЛОНАСС через последовательный коммуникационный порт (COM порт).

Программа «GNSS Data Interface», далее «Программное Обеспечение» предоставляется «как есть», Вы пользуетесь им на собственный риск. Автор не предоставляет никаких других прямых и/или косвенных гарантий или условий. Лицензия на использование Программного Обеспечения предоставляется безвозмездно для использования только в личных целях. Вы вправе установить и использовать Программное Обеспечение одновременно на неограниченном числе компьютеров.

Программа считывает данные с сенсора GNSS Geolocation Sensor (GPS + ГЛОНАСС) и передаёт их в формате NMEA в последовательный коммуникационный порт.
В случае если навигационный сенсор выдаёт нативные данные в NMEA формате, таким образом, что в программе навигации мы будем иметь абсолютно всю информацию о спутниках (видимость, азимуты, уровни сигнала).
В случае, если «родные» данные в NMEA формате не «отдаются» навигационным чипом, то программа производит эмуляцию всех необходимых NMEA данных, как положение/высота/скорость, так и «поддельную» информацию о спутниках (12 спутников).
Например Broadcom чип в Asus VivoTab выдаёт данные в NMEA формате, а чип Ericsson в ноутбуках Lenovo нет
Если пропадает сигнал со спутников или пропадает информация от GNSS сенсора, программа также производит эмуляцию NMEA данных, таким образом, что навигационная программа выдаёт сигнал «Потерян сигнал GPS».
Из меню программы можно запускать любимую программу навигации, прописав её имя настройках программы, а также возможно настроить и автоматический запуск навигационной программы при старте программы GNSS Data Interface.
Из меню программы можно открыть онлайн карты Google, Yandex, Bing, OpenStreetMap.
Онлайн карты откроются в браузере по умолчанию с автоматическим указанием настоящего местоположения.
Также есть возможность генерации файлов в формате GPX, KML (для Google Earth) с информацией о пройденным маршруте.
Конфигурация программы производится через конфигурационный диалог (пункт в меню Options -> Setting, или через кнопку на тулбаре).
В конфигурации программы можно настроить, в том числе, и автоматический запуск интерфейса с датчиком местоположения (GNSS), автоматическое открытие указанного COM порта.
В "экспертной" конфигурации вывод NMEA данных поддерживается одновременно до четырех СОМ портов (т.е. нет необходимости использовать программы типа GPS Gate), а также и многое другое.

Инструкция по расширенной конфигурации и дополнительным возможностям:
GNSS Data Interface - extended configuration v1.0 (ru).pdf ( 80.43 КБ )

Системы GPS слежения

GNSS – это спутниковая навигационная технология, использующаяся для ориентирования на местности и отслеживания объектов. С ее помощью можно определить координаты независимо от времени суток и погодных условий. Благодаря этой системе всю информацию можно получать без видимых ориентиров за короткое время и с высокой точностью. Спутниковые программы мировых стран работают в рамках ГНСС.

Общая характеристика GNSS

ГНСС, или глобальные навигационные спутниковые системы, передают информацию о расположении, времени и скорости пользующимся определенными приборами пользователям на Земле, в воздухе или космическом пространстве. Чтобы реализовать функции системы, используют спутники, которые выполняют измерение местоположения с точностью до метра.

Предназначение

Изначально технология разрабатывалась для отслеживания военных объектов. Позже для сигнала, получаемого от спутников, нашли применение в обычной жизни. Он облегчает передвижение на земле, в воздухе, водном пространстве. С помощью спутниковых систем выясняют также скорость, направление движения объекта. Еще они обеспечивают определение точного времени.

Функционирование технологии достигается устройствами управления, расположенными на Земле и в космосе. Регулярно специалисты осуществляют оценку точности ГНСС-наблюдений для повышения качества информации.

Принцип работы

Навигационные системы измеряют расстояние от антенны на объекте до спутника, положение которого точно известно. Информация о местонахождении последних внесена в таблицу, которую называют альманахом. Приемник сохраняет данные в памяти и использует их для работы.

Каждый сигнал спутника включает передачу и всего альманаха. Благодаря информации о расстоянии до нескольких спутников и применению геометрических построений оборудование вычисляет положение объекта. Измеряться данные будут с высокой точностью за счет того, что скорость движения радиоволн известна.

Чтобы определить время, которое распространяет радиосигнал, все спутниковые системы излучают сигналы с использованием атомных часов. Они синхронизируются с системным временем. Эта информация позволяет определить координаты антенны.

Основные составляющие

ГНСС состоит из нескольких элементов:

спутников, двигающихся по орбите;
оборудования на Земле для контроля работы и управления;
спутниковых навигаторов;
радиомаяков, обеспечивающих точные координаты;
радиосистем, передающих поправки пользователям.

Обзор действующих спутниковых систем навигации

Глобальными спутниковыми системами являются ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). Разработкой технологий занимаются также страны Европы, Китай, Индия. Их основное оборудование не достигло уровня американских систем, но специалисты трудятся над этим.

Спутниковые системы

Это навигационная система США, работающая с 1978 года. Она выполняет позиционирование, навигацию и синхронизацию, состоит из космического, управляющего и пользовательского сегмента. Систему разработало и реализовало Министерство обороны США. Сейчас она доступна и для обычных граждан – им достаточно только купить телефон на ОС «Андроид» или планшет с GPS-датчиком.

Спутники транслируют сигнал с космоса, приемники используют его для вычисления координат и наблюдения за объектом в режиме реального времени. В технологии применяется 32 спутника, которые вращаются по орбите Земли.

ГЛОНАСС

С помощью системы определяют расположение и скорость движения авиации, морского, наземного и космического транспорта. Испытание оборудования и строительство спутников начали в 1995 году, но недостаточное финансирование не позволило ГЛОНАСС обрести глобальный характер.

Полноценное функционирование началось в 2010 году. Сейчас спутники активно взаимодействуют с GPS. Они подключаются к ближайшим объектам, что увеличивает скорость работы, точность.

DORIS

Преимущество технологии – в высокоточном определении орбиты и отслеживании маяков. Это система микроволнового слежения, основанная на принципе Доплера. Цель ее работы – измерения для услуг POD и приложений геодезии. Также она способна в один заход определить координаты орбит, осуществить геофизическое моделирование и позиционирование наземных маяков.

Beidou

Это китайская технология для осуществления геодезических, метрологических и других наблюдений за объектом. Оборудование включает около 38 спутников. Планируется, что на полную мощность система выйдет в 2020 году, поэтому ее характеристики стараются улучшить. Обеспечивает геометрическую сеть GNSS-наблюдений.

Galileo

Использование системы распространено среди обычных граждан и служб стран Европы. Отличие от ГНСС США и России в том, что ее не контролируют национальные военные ведомства. Но допускается возможность использовать сигнал для операций для обеспечения политики безопасности.

К сведению. Регулярно выполняется поверка работы оборудования. Оно обеспечивает точность до метра, а временная погрешность составляет миллиардную долю секунды.

В перечисленных технологиях пользуются различными, чаще национальными, системами координат.

Навигационная система	Система координат
ГЛОНАСС	ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года)
GPS	WGS-84 (World Geodetic System)
Система координат ГАЛИЛЕО	GTRF (Galileo Terrestrial Referenfce Frame)
БЕЙДОУ	CGCS2000 (China Geodetic Coordinate System 2000)

Региональные спутниковые навигационные системы

Основное преимущество использования спутниковых ГНСС-технологий заключается в повышенной точности определения местонахождения объектов, скорости движения и времени. Существуют также региональные системы:

IRNSS. Это индийская программа, которая подходит для эксплуатации только на территории страны. Технические параметры не позволяют охватывать большую площадь и частоту. Система состоит из пяти спутников.
QZSS. Среди услуг, оказываемых японской технологией: подвижная связь, вещание и использование для навигации.

Планируется создание трех группировок, посадка которых предполагается на геосинхронные орбиты.

Поддержка ГНСС

Чтобы в айфонах и смартфонах функционировала технология ГНСС, в электронных устройствах должны присутствовать приемники определенного типа:

Смарт-антенны. Датчик состоит из керамической антенны и навигационного приемника. Это компактный вариант, не требующий согласования.
MCM. Это чип, в комплект с которым входят все элементы навигационных приемников.
ОЕМ. Представляет собой экранированную плату с интерфейсным процессором и процессором частот.

Включение всех измерений технологии ГНСС не занимает много времени, настройка заключается в подключении к микроконтроллеру или системе на кристалле по соответствующему интерфейсу. В автомобилях эту функцию регистрации выполняет тахограф.

Ключевые параметры GNSS-приемников

Расшифровка требуемых показателей возможна после того, как приемник получит данные о:

сигналах со спутника;
альманахе, в котором указаны приблизительные параметры орбит всех спутников;
эфемеридах, точных параметрах орбит и часов всех спутников.

Оценка характеристик зависит от TTFF. Этот параметр показывает, за какой период времени приемник найдет сигнал от спутника и определит координаты. Если это новое устройство, оно было отключено или длительное время перевозилось, после включения получить необходимые данные сразу невозможно.

Чтоб улучшить этот показатель и повысить эффективность циклического процесса, производители устанавливают возможность скачать и сохранить альманах и эфемериды по беспроводной сети передачи данных. Это занимает меньше времени, чем если извлекать показания из сигналов ГНСС. Скачивание доступно бесплатно.

Встречаются конфигурации с динамическими характеристиками. Например, он помогает узнать показатели ускорения объекта. Эти элементы часто имеют пару приемных каналов. Их число достигает 88.

Методы ГНСС-наблюдений

Расположение по спутниковым системам определяется с высокой точностью до 15 м. Такие показатели связаны с воздействием атмосферных явлений на распространение радиосигнала, уровнем качества кварцевого генератора в приемнике.

Различаются следующие методы наблюдений: абсолютный, относительный. В первом случае положение приемника определяется по пространственной засечке. При этом нужно знать координаты хотя бы 4 спутников, величину псевдодальности. Точность измерений составляет 3–15 м.

При относительном методе (DGPS) для наблюдений используется 2 приемника. Один находится в месте с известными координатами, другой – на определяемом. При этом рассчитывается псевдодальность, поправка передается на ровер. Метод подходит для решения задач в геодезии.

При обоих методах наблюдения используются постобработка, определение координат в реальном времени. В первом случае необходимы ПК, специальная программа. При определении координат в реальном времени обработка осуществляется сразу, в управляющем микропрограммном обеспечении приемника.

Спутниковая навигация играет стратегическую и коммерческую роль. Технология позволяет увеличить национальную безопасность, быстрее обнаружить «вражеские» стороны. Благодаря функциональности таких технологий больше стран занимается собственными устройствами навигации, чтобы не зависеть от других государств.

В настоящее время GNSS оборудование используется в военной сфере, геодезии и картографии.

GNSS расшифровывается как Global Navigation Satellite System (или Спутниковая Система Навигации) и используется как общий термин для спутниковой локализации с глобальным покрытием по всему земному шару. По состоянию на 2019 год, существует несколько основных спутниковых группировок:

GPS (США), 31 спутник
ГЛОНАСС (Россия), 24 спутника
Бэйдоу (Китай), 23 спутника
Галилео (Евросоюз), 26 спутников
NAVIC (Индия), 7 спутников
QZSS (Япония), 4 спутника

Как это все работает?

Возьмем для примера обычный GPS в нашем телефоне. В зоне видимости с Земли всегда есть как минимум четыре GPS-спутника. Каждый из этих GPS-спутников отправляет информацию о своей позиции и текущее время на GPS-приемники с фиксированным интервалом. Ну а расстояние между GPS-приемником и спутником вычисляется путем нахождения разницы между временем отправки сигнала с GPS-спутника и временем получения сигнала GPS-приемником.

Как только приемник (например, ваш смартфон) получает сигнал хотя бы с трех спутников, вычисляется ваше местоположение (а точнее вашего телефона) с помощью трилатерации. GPS необходимо хотя бы три спутника для вычисления 2D-позиции (долгота и широта) и четыре спутника для 3D-позиции (долгота, широта, высота).

Почему GPS плохо работает в городских условиях?

И хотя под открытым небом GPS работает довольно неплохо, точность сильно падает в городских условиях (ошибка может быть 50 метров и более): высокие здания, провода, мосты и прочие объекты — все это ухудшает точность позиционирования.

Переотражение спутникового сигнала в городе. Фото Uber

Здания часто мешают прямой видимости спутников, и пока сигнал со спутника «летит» в ваш приемник, он успевает несколько раз отразиться от зданий и прийти с искажением. Из-за подобных переотражений точность позиционирования существенно снижается (бывает ± 500 метров). Вы, наверняка, сталкивались с такой ситуацией, когда при заказе такси ваше местоположение на карте отображалось неправильно.

Чтобы исключить эти проблемы, мы используем высокоточные GNSS-приемники, существенно повышающие точность позиционирования с помощью IMU (инерциальные измерительные модули), информации с CAN-шины автомобиля, RTK-поправок и еще немножко другой магии.

Повышение точности

Существует несколько основных способов повысить точность. Взглянем на самые популярные:

IMU (Инерциальный измерительный модуль) представляет собой набор акселерометров и гироскопов, обеспечивающих 3D-измерения. Сам по себе IMU не выдает данные о местоположение (позицию, высоту, скорость), но выдает полезную информацию для вычисления местоположения в местах, где GPS не «ловит» (тоннели, паркинги и пр.);

Типичный IMU

RTK-поправки существенно повышают точность местоположения до 1–2 сантиметров в реальном времени. Суть проста — по всему земному шару расположены так называемые базовые станции (base stations). Конкретная базовая станция знает погрешности в своей области и сообщает их приемнику, а последний, в свою очередь, учитывает эти корректировки и выдает более точное решение;

По большому счету, базовая станция — это GNSS-приемник в режиме “станция” + софт + радио/интернет канал

CAN-шина также полезна при расчете местоположения, так как автомобиль предоставляет полезные данные о скорости, оборотах колес и пр. характеристиках.

Вы знали, что в нашем OSCAR’e?

OSCAR и высокоточные GNSS-приемники

Сантиметровая точность необходима всем беспилотным автомобилям, не только OSCAR. Представьте на секунду, чтобы было бы, если бы беспилотник использовал обычный GPS с точностью ± 50 метров:

Такая низкая точность однозначно приведет к ДТП. Именно поэтому в процессе работы над OSCAR мы проводили исследования и испытывали ряд GNSS приемников, тестируя их в сложных условиях плотной городской застройки.

Автомобиль один, а GPS-треков несколько

В итоге, мы остановились на двух решениях:

NovAtel PwrPak 7D-E1
uBlox F9K

В StarLine мы наслаждаемся тем, что делаем безопасный беспилотный автомобиль реальностью. Если тебе также интересна эта тема и ты хочешь строить беспилотное будущее с нами, то приглашаем в команду!

Проект StarLine OSCAR (Open Source Car) открыт для специалистов из Open Source Community, где все желающие могут поучаствовать в процессе разработки беспилотника на уровне кода, опробовать свои алгоритмы на реальном автомобиле, оснащенном дорогостоящим оборудованием.

Читайте также: