Система ГЛОНАСС является крупнейшим навигационным комплексом, который позволяет отслеживать местоположение различных объектов. Проект, запущенный в 1982 г., по сей день активно развивается и совершенствуется. Причем работа ведется как над техническим обеспечением ГЛОНАСС, так и над инфраструктурой, позволяющей использовать систему все большему количеству людей. Так, если первые годы существования комплекса навигация посредством спутников использовалась преимущественно в решении военных задач, то сегодня ГЛОНАСС - это технологичный инструмент позиционирования, который стал обязательным в жизнедеятельности миллионов гражданских пользователей.

Глобальные системы спутниковой навигации

Ввиду технологической сложности глобального спутникового позиционирования на сегодняшний день полностью соответствовать этому названию могут лишь две системы - ГЛОНАСС и GPS. Первая является российской, а вторая - плодом американских разработчиков. С технической точки зрения ГЛОНАСС - это комплекс специализированного аппаратного оснащения, расположенного и на орбите, и на земле.

Для связи со спутниками используются специальные датчики и приемники, считывающие сигналы и формирующие на их основе данные о местоположении. Для расчета временных параметров применяются специальные Они служат для определения положения объекта с учетом трансляции и обработки радиоволн. Сокращение погрешностей позволяет обеспечивать более достоверный расчет параметров позиционирования.

Функции спутниковой навигации

В спектр задач глобальных систем спутниковой навигации входит определение точного местоположения наземных объектов. Помимо географического положения, глобальные навигационные спутниковые системы позволяют учитывать время, путь следования, скорость и другие параметры. Реализуются эти задачи посредством спутников, находящихся в разных точках над земной поверхностью.

Применение глобальной навигации используется не только в транспортной отрасли. Спутники помогают в поисково-спасательных операциях, выполнении геодезических и строительных работ, а также без них не обходится координация и обслуживание других космических станций и аппаратов. Военная отрасль также не остается без поддержки системы подобных целей обеспечивает защищенный сигнал, предназначенный специально для авторизованной аппаратуры Министерства обороны.

Система ГЛОНАСС

Полноценную работу система начала лишь в 2010 г., хотя попытки ввести комплекс в активную работу предпринимались с 1995 г. Во многом проблемы были связаны с низкой долговечностью используемых спутников.

На данный момент ГЛОНАСС - это 24 спутника, которые работают в разных точках орбиты. В целом навигационную инфраструктуру можно представить тремя компонентами: управляющий комплекс (обеспечивает контроль группировки на орбите), а также навигационные технические средства пользователей.

24 спутника, каждый из которых имеет свою постоянную высоту, распределены на несколько категорий. На каждое полушарие приходится по 12 спутников. Посредством спутниковых орбит над поверхностью земли формируется сетка, за счет сигналов которой определяются точные координаты. Помимо этого, спутниковый ГЛОНАСС имеет и несколько резервных объектов. Они также находятся каждый на своей орбите и не бездействуют. В круг их задач входит расширение покрытия над конкретным регионом и замена выходящих из строя спутников.

Система GPS

Американский аналог ГЛОНАСС - это система GPS, которая начинала свою работу также в 1980-е, но только с 2000 года точность определения координат сделал возможным ее широкое распространение среди потребителей. На сегодняшний день спутники gps гарантируют точность до 2-3 м. Задержка в развитии возможностей навигации долгое время была обусловлена ограничениями позиционирования искусственного характера. Тем не менее их снятие позволило с максимальной точностью определять координаты. Даже при условии синхронизации с миниатюрными приемниками достигается результат, соответствующий ГЛОНАСС.

Отличия между ГЛОНАСС и GPS

Между навигационными системами выделяется несколько отличий. В частности, есть разница в характере расстановки и движении спутников на орбитах. В комплексе ГЛОНАСС они движутся по трем плоскостям (по восемь спутников на каждую), а в системе GPS предусматривается работа в шести плоскостях (примерно по четыре на плоскость). Таким образом, российская система обеспечивает более широкий охват наземной территории, что отражается и в более высокой точности. Однако на практике краткосрочная «жизнь» отечественных спутников не позволяет использовать весь потенциал системы ГЛОНАСС. GPS, в свою очередь, поддерживает высокую точность за счет избыточного количества спутников. Тем не менее российский комплекс регулярно вводит новые спутники, как для целевого использования так и в качестве резервной поддержки.

Также применяются разные методы кодирования сигнала - американцы используют код CDMA, а в ГЛОНАСС - FDMA. При расчете приемниками данных для позиционирования российская спутниковая система предусматривает более сложную модель. В результате для использования ГЛОНАСС необходимо высокое потребление энергии, что отражается в габаритах устройств.

Что позволяют возможности ГЛОНАСС?

Среди базовых задач системы — определение координат объекта, способного взаимодействовать ГЛОНАСС. GPS в этом смысле выполняет схожие задачи. В частности, рассчитываются параметры движения наземных, морских и воздушных объектов. За несколько секунд транспортное средство, обеспеченное соответствующим навигатором может вычислить характеристики собственного движения.

При этом использование глобальной навигации уже стало обязательным для отдельных категорий транспорта. Если в 2000-х распространение спутникового позиционирования относилось к контролю определенных стратегических объектов, то сегодня приемниками снабжаются морские и авиационные суда, общественный транспорт и т. д. В скором будущем не исключено и обязательное обеспечение ГЛОНАСС-навигаторами всех частных автомобилей.

Какие устройства работают с ГЛОНАСС

Система способна обеспечивать непрерывное глобальное обслуживание всех без исключения категорий потребителей независимо от климатических, территориальных и временных условий. Как и услуги системы GPS, ГЛОНАСС навигатор предоставляется бесплатно и в любой точке планеты.

Среди устройств, которые имеют возможность приема спутниковых сигналов, значатся не только бортовые навигационные средства и GPS-приемники, но также и сотовые телефоны. Данные о местоположении, направлении и скорости движения отправляются на специальный сервер по сетям GSM-операторов. В использовании возможностей спутниковой навигации помогает специальная программа ГЛОНАСС и различные приложения, которые занимаются обработкой карт.

Комбинированные приемники

Территориальное расширение спутниковой навигации обусловило сращивание двух систем с точки зрения потребителя. На практике устройства ГЛОНАСС нередко дополняются GPS и наоборот, что повышает точность позиционирования и временных параметров. Технически это реализуется посредством двух датчиков, интегрированных в один навигатор. На основе этой идеи и производятся совмещенные приемники, работающие одновременно с системами ГЛОНАСС, GPS и сопутствующей аппаратурой.

Кроме повышения точности определения такой симбиоз делает возможным отслеживание местоположения, когда спутники одной из систем не улавливаются. Минимальное количество орбитальных объектов, «видимость» которых требуется для работы навигатора, составляет три единицы. Так, если, например, программа ГЛОНАСС становится недоступной, то на помощь придут спутники gps.

Другие системы спутниковой навигации

Разработкой проектов, схожих по масштабам с ГЛОНАСС и GPS, занимается Европейский союз, а также Индия и Китай. планирует реализовать систему Galileo, состоящую из 30 спутников, что позволит добиться непревзойденной точности. В Индии планируется запуск системы IRNSS, работающей посредством семи спутников. Навигационный комплекс ориентируется на внутригосударственное использование. Система Compass от китайских разработчиков должна состоять из двух сегментов. Первый будет включать 5 спутников, а второй - 30. Соответственно, авторы проекта предполагают два формата обслуживания.

Пользователя GPS-навигатора всегда интересует реальная точность GPS-навигации и степень доверия к ее показаниям. Насколько можно приближаться к какой-либо навигационной опасности, полагаясь только на приемник GPS-навигатора? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос не существует. Это связано со статистическим характером ошибок GPS-навигации. Рассмотрим их подробнее.

На скорость распространения радиоволн влияют ионосфера и тропосфера, ионосферная и тропосферная рефракция. Это главный, после отключения SA, источник погрешностей. Скорость радиоволн в пустоте постоянна, но при входе сигнала в атмосферу изменяется. Для сигналов от разных спутников задержка времени различна. Задержки распространения радиоволн зависят от состояния атмосферы и высоты спутника над горизонтом. Чем ниже , тем больший путь проходит его сигнал через атмосферу и тем больше искажения. Большинство приемников исключают использование сигналов от спутников с возвышением над горизонтом менее 7,5 градусов.

Кроме того, атмосферные помехи зависят от времени суток. После захода солнца плотность ионосферы и ее влияние на радиосигналы уменьшается, явление, хорошо знакомое радистам-коротковолновикам. Военные и гражданские приемники GPS-навигаторов могут автономно определять атмосферную задержку сигнала, сравнивая задержки на разных частотах. Одночастотные потребительские приемники вносят приблизительную поправку на основании прогноза, передаваемого в составе навигационного сообщения. Качество этой информации в последнее время выросло, что дополнительно повысило точность GPS-навигации.

Режим SA.

Для сохранения преимущества высокой точности для военных GPS-навигаторов с марта 1990 года был введен режим ограничения доступа SA (Selective Availability), искусственно снижающий точность гражданского GPS-навигатора. При задействованном режиме SA в мирное время добавляется ошибка в несколько десятков метров. В особых случаях могут вводиться ошибки в сотни метров. Правительство США отвечает за работоспособность системы GPS перед миллионами пользователей, и можно рассчитывать, что повторное включение SA, и тем более, столь значительное снижение точности не будет введено без достаточно серьезных причин.

Загрубление точности достигается путем хаотического сдвига времени передачи псевдослучайного кода. Ошибки, возникающие от SA, - случайные и равновероятные в каждую сторону. SA влияет также на точность курса и скорости по GPS-навигатору. По этой причине неподвижный приемник часто показывает слегка изменяющиеся скорость и курс. Так что оценить степень воздействия SA можно по периодическим изменениям курса и скорости по GPS.

Погрешности в эфемеридных данных при GPS-навигации.

Прежде всего это погрешности, связанные с отклонением спутника от расчетной орбиты, неточностями часов, задержками сигнала в электронных схемах. Коррекция этих данных производится с Земли периодически, в промежутках между сеансами связи ошибки накапливаются. Ввиду малости эта группа погрешностей не имеет значения для гражданских пользователей.

Крайне редко, но могут иметь место более крупные ошибки из-за внезапных сбоев информации в устройствах памяти спутника. Если такой сбой не выявляется средствами самодиагностики, то до момента обнаружения ошибки наземной службой и передаче команды о неисправности спутник может какое-то время передавать неверную информацию. Происходит так называемое нарушение непрерывности или как часто переводят термин integrity, целостности навигации.

Влияние отраженного сигнала на точность GPS-навигации.

Кроме прямого сигнала от спутника GPS-приемник также может принять сигналы, отраженные от скал, зданий, проходящих судов — так называемое характеризующие многолучевое распространение (multypath). Если прямой сигнал закрыт от приемника надстройками или такелажем судна, отраженный сигнал может быть сильнее. Этот сигнал проделывает более длинный путь, и приемник «думает», что находится дальше от спутника, чем на самом деле. Как правило, эти ошибки намного меньше 100 метров, поскольку только близко расположенные предметы способны дать достаточно сильное эхо.

Спутниковая геометрия при GPS-навигации.

Зависит от расположения приемника относительно спутников, по которым определяется позиция. Если приемник поймал четыре спутника и все они находятся на севере - спутниковая геометрия плохая. Результат — ошибка до 50-100 метров или даже невозможность определения координат.

Все четыре измерения - из одного и того же направления, и область пересечения линий положений слишком велика. Но если 4 спутника будут расположены равномерно по сторонам горизонта, то точность намного возрастет. Спутниковая геометрия измеряется геометрическим фактором PDOP (Position Dilution Of Precision). Идеальному расположению спутников соответствует PDOP = 1. Большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии.

Пригодными для навигации считаются значения PDOP меньше 6,0. В двухмерной навигации применяется HDOP (Horizontal Dilution Of Precision), меньше 4,0. Также используются вертикальный геометрический фактор VDOP, меньше 4,5, и временной TDOP, меньше 2,0. PDOP служит множителем для учета ошибок от других источников. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, режима SA, отраженного сигнала и так далее.

Так, если предполагаемые значения суммарных задержек сигнала по этим причинам, URE — User Range Error или UERE — User Equivalent Range Error, по-русски ЭДП - эквивалентная дальномерная погрешность, в сумме составляют 20 метров и HDOP = 1,5, то ожидаемая ошибка определения места будет равна 20 х 1,5 = 30 метров. Приемники GPS-навигаторов по-разному представляют информацию для оценки точности с использованием PDOP.

Кроме PDOP или HDOP, используется GQ (Geometric Quality) — величина, обратная HDOP, или качественная оценка в баллах. Многие современные приемники показывают ЕРЕ (Estimated Position Error - ожидаемую ошибку позиции) непосредственно в единицах дистанции. ЕРЕ учитывает расположение спутников и прогноз погрешности сигналов для каждого спутника в зависимости от SA, состояния атмосферы, ошибок спутниковых часов, передаваемых в составе эфемеридной информации.

Спутниковая геометрия также становится проблемой при использовании приемника GPS-навигатора внутри транспортных средств, в густом лесу, горах, вблизи высоких зданий. Когда сигналы от отдельных спутников блокированы, положение оставшихся спутников определит, насколько точной будет позиция GPS, и их число покажет, может ли позиция вообще быть определена. Хороший приемник GPS-навигатора покажет не только, какие спутники используются, но и их местоположение, азимут и возвышение над горизонтом, так что вы можете определить, затруднен ли прием данного спутника.

По материалам книги «Все о GPS-навигаторах».
Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И.

Специальная погрешность

Главная причина погрешностей данных в системе GPS больше не является проблемой. Второго мая, 2000 года в 5:05 утра (MEZ) так называемая специальная погрешность (SA) была отключена. Специальная погрешность - это искусственная фальсификация времени в сигнале L1, переданном спутником. Для гражданских GPS приемников эта погрешность вела к менее точному определению координат. (ошибка в приблизительно 50 м. в течение нескольких минут).

В дополнение, полученные данные передавались с меньшей точностью, что означает, что передаваемое положение спутника не соответствует действительности. Таким образом, за несколько часов возникает неточность данных о местоположении в 50-150 м. В те времена, когда специальная погрешность была активна, гражданские GPS приборы имели неточность в приблизительно 10 метров, а в наши дни - 20 или обычно даже меньше. После отключения выборочной погрешности, главным образом, улучшились точность данных о высоте.

Причиной для специальной погрешности была безопасность. Например, террористы не должны обладать возможностью обнаружения важных строительных объектов используя оружие на дистанционном управлении. Во время первой войны в заливе в 1990 специальная погрешность была отключена частично, т.к. американским войскам не хватало военных GPS приемников. Были приобретены 10 000 гражданских GPS приборов (Magellan и Trimble), которые позволили свободно и достаточно точно ориентироваться на пустынной местности. Специальная погрешность была деактивирована из-за широкого распространения GPS системы по всему миру. Следующие два графика показывают, как изменилась точность определения координат после выключения специальной погрешности. Длина границы диаграмм равняется 200 метрам, данные получены 1 мая 2000 года и 3 мая двухтысячного года в период 24 часа каждая. В то время как координаты при специальной погрешности находятся в радиусе 45 метров, то без нее 95 процентов всех точек находятся в радиусе 6.3 метра.

"Геометрия спутников"

Другой фактор, который влияет на точность определения координат - это "геометрия спутников". Геометрия спутников описывает положения спутников друг к другу с точки зрения приемника.

Если приемник видит 4 спутника и все они расположены, к примеру, на северо-западе, то это приведет к "плохой" геометрии. В худшем случае, обнаружение местоположения будет вовсе невозможно тогда, когда все определяемые расстояния будут указывать в одно направление. Даже, если местоположение распознано, погрешность может достигать 100 - 150 м. Если же эти 4 спутника будут хорошо распределены по небесному своду, то точность определяемого местоположения будет гораздо выше. Давайте предположим, что спутники расположены на севере, востоке, юге и западе, формируя углы в 90 градусов относительно друг друга. В данном случае расстояния могут быть измеряются в четырех разных направлениях, что и характеризует "хорошую" геометрию спутников.

Если два спутника находятся в наилучшем положении относительно приемника, то угол между приемником и спутниками равен 90 градусов. Время прохождения сигнала не может быть определенно абсолютно точно, о чем говорилось ранее. Поэтому возможные положения отмечены черными кругами. Точка пересечения (А) двух кругов достаточна мала и обозначена синим квадратным полем, что означает, что определяемые координаты будут достаточно точными.

Если спутники расположены почти в одну линию относительно приемника, то, как видно, на перекрестии мы получим более обширную площадь, а значит и меньшую точность.

Геометрия спутников также во многом зависит от высоких машин или от того, используете ли вы прибор в машине. Если какой-то из сигналов заблокирован, оставшиеся спутники попробуют определить координаты, если это вообще будет возможно. Такое часто может наблюдаться в зданиях, когда вы близко расположены к окнам. Если определение местоположением будет возможным, то в большинстве случаев оно будет не точным. Чем большая часть небосвода загорожена каким-либо предметом, тем становится сложнее определить координаты.

Большинство GPS приемников не только показывают количество "пойманных" спутников, но так же и их положение в небе. Это позволяет пользователю судить, закрывается ли какой-то определенный спутник каким-либо предметом и возникнет ли неточность данных при перемещении всего на пару метров.

Производители большинства приборов дают свою формулировку о точности измеряемых величин, которая в основном зависит от разных факторов. (о которых производитель неохотно говорит).

Для определения качества геометрии спутников в основном используются значения DOP ("разбавление" точности). В зависимости от того, какие факторы используются для вычисления значений DOP, возможны различные варианты:

• GDOP (Geometrical Dilution Of Precision); Полная точность; 3D-координаты и время
• PDOP (Positional Dilution Of Precision) ; Точность положения; 3D-координаты
• HDOP (Horizontal Dilution Of Precision); Горизонтальная точность; 2D-координаты
• VDOP (Vertical Dilution Of Precision); Вертикальная точность; высота
• TDOP (Time Dilution Of Precision); временная точность; время

HDOP-значения ниже 4 хороши, выше 8 - плохие. HDOP значения становятся хуже, если "пойманные" спутники находятся высоко в небе над приемником. С другой стороны, значения VDOP становятся тем хуже, чем ближе спутники к горизонту, а значения PDOP хороши, когда спутники находятся прямо над головой и еще три распределены по горизонту. Для точного определения местоположения, значение GDOP не должно быть меньше 5. Значения PDOP, HDOP и VDOP являются частью NMEA данных GPGSA.

Геометрия спутников не является причиной погрешности в определении положения, которое может быть измерено в метрах. На самом деле значения DOP усиливает другие неточности. Высокие значения DOP увеличивает другие ошибки больше, чем низкое значения DOP.

Ошибка, которая возникает при определении местоположения из-за геометрии спутников, также зависит от широты, на которой находится приемник. Это показано ниже на диаграммах. Диаграмма слева показывает неточность по высоте (вначале кривая изображена со специальной погрешностью), которая была записана в Вухане (Китай). Вухан расположен на 30.5° северной широты и является наилучшим местом, где совокупность спутников всегда идеальна. Диаграмма справа показывает такой же записанный интервал, сделанный на станции Касей в Антарктике (66.3° южной широты). Из-за не такой идеальной совокупности спутников в этой широте время от времени возникали более грубые ошибки. В дополнение ошибка происходит из-за влияния атмосферы - чем ближе к полюсам, тем больше погрешность.

Орбиты спутников

Хотя спутники и находятся на достаточно четко определенных орбитах, небольшое отклонения от орбит все же возможно из-за гравитации. Солнце и Луна имеют слабое влияние на орбиты. Данные об орбите постоянно корректируются и поправляются и регулярно посылаются приемнику в эмпирическую память. Поэтому влияние на точность определения местоположения достаточно маленькое и если возникает погрешность, то не более 2 метров.

Влияния отражения сигналов

Эффект происходит из-за отражения сигналов спутника от других объектов. Для GPS сигналов этот эффект главным образом происходит в близости больших зданий или других объектов. Отраженному сигналу требуется больше времени, чем прямому сигналу. Ошибка составит всего несколько метров.

Атмосферные эффекты

Другой источник неточности это уменьшение скорости распространения сигнала в тропосфере и ионосфере. Скорость распространения сигналов в открытом космосе равна скорости света, а в ионосфере и тропосфере она меньше. В атмосфере на высоте в 80 - 400 км энергией солнца создается большое количество положительно заряженных ионов. Электроны и ионы сконцентрированы в четырех токопроводящих слоях ионосферы (D-, E-, F1-, и F2-слоях).
Эти слоя преломляют электромагнитные волны, исходящих от спутников, что увеличивает время прохождения сигналов. В основном эти ошибки корректируются вычислительными действиями приемника. Различные варианты скоростей при прохождении ионосферы для низких и высоких частот прекрасно известны для нормальных условий. Эти значения используются при расчете координат местоположения. Однако, гражданские приемники не способны вносить корректировку для непредвиденных изменений в прохождении сигнала, причиной которых могут стать сильные солнечные ветра.

Известно, что во время прохождения ионосферы электромагнитные волны замедляются обратно пропорционально площади их частоты (1/f2). Это означает, что электромагнитные волны с низкой частотой замедляют скорость быстрее, чем электромагнитные волны с высокими частотами. Если сигналы с высокой и низкой частотой, которые достигли приемника, позволили проанализировать разность во времени их прибытия, то время прохождения в ионосфере также будет посчитано. Военные GPS приемники используют сигналы двух частот (L1 и L2) , которые по разному ведут себя в ионосфере, и это позволяет устранить другую погрешность при вычислениях.

Влияние тропосферы - это следующая причина, почему время прохождения сигнала увеличивается из-за преломления. Причинами преломления являются разная концентрация водяного пара в тропосфере, в зависимости от погоды. Данная ошибка не так велика, как ошибка, которая возникает при прохождение, через ионосферу, но она не может быть устранена вычислением. Для исправления этой ошибки при вычислении используется приблизительная поправка.

Следующие два графика показывают ошибку ионосферы. Данные изображенные слева, были получены одночастотным приемником, который не может внести исправить ошибку ионосферы. График справа получен двухчастотным приемником, который может корректировать ошибку ионосферы. Обе диаграммы имеют примерно одинаковый масштаб(Слева: Широта от -15м до +10 м, Долгота -10м до +20 м. Справа: широта от - 12 м до + 8 м, долгота от - 10м до +20м). Правый график показывает более высокую точность.

Используя WAAS и EGNOS можно настроить "карты" погодных условий над различными регионами. Откорректированные данные отсылаются на приемник и заметно улучшают точность.

Неточность часов и округление ошибок

Несмотря на то, что время приемника синхронизируется с временем спутника во время определения положения, все же неточность времени есть, что приводит к ошибки в 2м при определении местоположения. Округление и вычислительные ошибки приемника имеют погрешность примерно в 1м.

Релятивистские эффекты

В данном разделе нет полного объяснения теории относительности. В повседневной жизни мы не осознаем значения теории относительности. Однако, эта теория влияет на множество процессов, среди которых правильное функционирование GPS системы. Это влияние будет коротко объяснено далее.

Как мы знаем, время является одним из главных факторов в GPS навигации и должно быть равно 20-30 наносекундам, чтобы обеспечить необходимую точность. Поэтому необходимо учесть скорость движения спутников (примерно 12000 км/ч)

Кто когда-либо сталкивался с теорией относительности, знает, что время течет медленнее при больших скоростях. Для спутников, которые движутся со скоростью 3874 м/с, часы идут медленнее, чем для земли. Это релятивистское время ведет к неточности во времени примерно в 7,2 микросекунде в день (1 микросекунд = 10-6 секунд). Теория относительности также гласит, что время идет тем медленнее, чем сильнее поле гравитации. Для наблюдателя на земной поверхности часы спутника будут идти быстрее (так как спутник находится на 20 000 км выше и подвергается гравитационным силам меньше, чем наблюдатель). И эта вторая причина этого эффекта, который в шесть раз сильнее, чем неточность о которой говорилось чуть ранее.

В целом, кажется, что часы на спутниках идут немного быстрее. Отклонение времени для наблюдателя на Земле составило бы 38 микросекунд в день и послужили бы причиной ошибки в итоге в 10 км за день. Чтобы избежать этой ошибки нет необходимости постоянно вносить корректировки. Частота часов на спутниках была установлена на 10.229999995453 Mhz вместо of 10.23 Mhz, но данные используют так, как если бы они имели стандартную частоту в 10.23 MHz. Эта уловка решила проблему релятивистского эффекта раз и навсегда.

Но есть и другой релятивистский эффект, который не учитывается при определении местоположения по системе GPS. Это так называемый эффект Сагнака и он вызван тем, что наблюдатель на поверхности Земли также постоянно движется со скоростью 500м/с (скорость на экваторе) из-за того, что планета вращается. Но влияние этого эффекта мало и его корректировка сложна для вычисления, т.к. зависит от направления движения. Поэтому этот эффект учитывается только в особых случаях.

Ошибки GPS системы приведены в следующей таблице. Частные значение не являются постоянными значениями, но являются подчиняются различиям. Все числа - приблизительные значения.

Точность измерений с помощью ГЛОНАСС/GPS зависит от конструкции и класса приёмника, числа и расположения спутников (в реальном времени), состояния ионосферы и атмосферы Земли (сильной облачности и т.д.), наличия помех и других факторов.

"Бытовые" GPS-приборы, для "гражданских" пользователей, имеют погрешность измерения в диапазоне от ±3-5м до ±50м и больше (в среднем, реальная точность, при минимальной помехе, если новые модели, составляет ±5-15 метров в плане). Максимально возможная точность достигает +/- 2-3 метра на горизонтали. По высоте - от ±10-50м до ±100-150 метров. Высотомер будет точнее, если проводить калибровку цифрового барометра по ближайшей точке с известной точной высотой, (из обычного атласа, например) на ровном рельефе местности или по известному атмосферному давлению (если оно не слишком быстро меняется, при перемене погоды).

Измерители высокой точности "геодезического класса" - точнее на два-три порядка (до сантиметра, в плане и по высоте). Реальная точность измерений обусловлена различными факторами, например - удаленностью от ближайшей базовой (корректирующей) станции в зоне обслуживания системы, кратностью (числом повторных измерений / накоплений на точке), соответствующим контролем качества работ, уровнем подготовки и практическим опытом специалиста. Такое высокоточное оборудование - может применяться только специализированными организациями, специальными службами и военными.

Для повышения точности навигации рекомендуется использовать многосистемный Glanas / GPS-приёмник - на открытом пространстве (нет рядом зданий или нависающих деревьев) с достаточно ровным рельефом местности, и подключать дополнительную внешнюю антенну. Для целей маркетинга, таким аппаратам приписывают "двойную надёжность и точность" (ссылаясь на, одновременно используемые, две спутниковые системы, Глонасс и Джипиэс), но реальное фактическое, улучшение параметров (повышение точности определения координат) может составлять величины - лишь до нескольких десятков процентов. Возможно только заметное сокращение времени горячего-тёплого старта и продолжительности измерений.

Качество измерений джипиэс ухудшается, если спутники располагаются на небе плотным пучком или на одной линии и "далеко" - у линии горизонта (всё это называется "плохая геометрия") и есть помехи сигналу (закрывающие, отражающие сигнал высотные здания, деревья, крутые горы поблизости). На дневной стороне Земли (освещённой, в данный момент, Солнцем) - после прохождения через ионосферную плазму, радиосигналы ослабляются и искажаются на порядок сильнее, чем на ночной. Во время геомагнитной бури , после мощных солнечных вспышек - возможны перебои и длительные перерывы в работе спутникового навигационного оборудования.

Фактическая точность джипиэски зависит от типа GPS-приемника и особенностей сбора и обработки данных. Чем больше каналов (их должно быть не меньше 8) в навигаторе, тем точнее и быстрее определяются верные параметры. При получении "вспомогательных данных A-GPS сервера местоположения" по сети Интернет (путём пакетной передачи данных, в телефонах и смартфонах) - увеличивается скорость определения координат и расположения на карте.

WAAS (Wide Area Augmentation System, на американском континенте) и EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Services, в Европе) - дифференциальные подсистемы, передающие через геостационарные (на высоте от 36 тыс.км в нижних широтах до 40 тысяч километров над средними и высокими широтами) спутники корректирующую информацию на G P S-приёмники (вводятся поправки). Они могут улучшить качество позиционирования ровера (полевого, передвижного приемника), если поблизости располагаются и работают наземные базовые корректирующие станции (стационарные приёмники опорного сигнала, уже имеющие высокоточную координатную привязку). При этом полевой и базовый приёмник должны одновременно отслеживать одноимённые спутники.

Для повышения скорости измерений рекомендуется применять многоканальный (8-и канальный и более), многосистемный (Glonas / Gps) приёмник с внешней антеной. Должны быть видимы, как минимум, три спутника ГПС и два ГЛОНАСС. Чем их больше, тем лучше результат. Необходима, так же, хорошая видимость небосвода (открытый горизонт).

Быстрый, "горячий" (длительностью в первые секунды) или "тёплый старт" (полминуты или минута, по времени) приёмного устройства - возможен, если он содержит актуальный, свежий альманах. В случае, когда навигатор долго не использовался, приёмник вынужден получать полный альманах и, при его включении, будет производиться холодный старт (если прибор с поддержкой AGPS, тогда быстрее - до нескольких секунд).

Для определения только горизонтальных координат (широта / долгота) может быть достаточно сигналов трёх спутников. Для получения трёхмерных (с высотой) координат - нужны, как минимум, четыре сп-ка.

Лекция по анатомии мобильных устройст в. Навигация (GPS, ГЛОНАСС и др.) в смартфонах и планшетах. Источники ошибок. Методы тестирования.

Еще совсем недавно в торговых сетях можно было купить устройства под названием "Навигаторы". Главная функция этих устройств полностью соответствовала их названию, и выполняли они её, как правило, хорошо.

В то время в мире практически единственной нормально работающей системой навигации была американская GPS (Global Positioning System), и её хватало на все потребности. Собственно, слова "навигация" (навигатор) и GPS были в то время синонимами.

Всё изменилось, когда производители КПК (карманных компьютеров), а затем смартфонов и планшетов, стали встраивать в свои устройства поддержку навигации. Физически она реализовывалась в виде встроенных приемников навигационных сигналов. Иногда поддержку навигации можно было найти даже в кнопочных телефонах.

С этого момента всё изменилось. Навигаторы, как отдельные устройства, почти исчезли и из производства, и из продажи. Потребители в массовом порядке перешли на использование смартфонов и планшетов в качестве навигаторов.
Тем временем были успешно запущены в эксплуатацию еще две системы навигации - российская ГЛОНАСС и китайская Beidou (Бэйдоу, BDS).

Но это не значит, что в качестве навигации что-то стало лучше. Функция навигации в этих устройствах (смартфонах и планшетах) стала уже не основной, а одной из многих.

В результате многие пользователи стали замечать, что для целей навигации не все смартфоны "одинаково полезны".

Вот здесь мы и подходим к проблеме определения источников ошибок в навигации, включая вопрос и о роли недобросовестности производителей устройств в этом вопросе. Печально, но факт.

Но прежде чем винить производителей во всех грехах, разберемся сначала с источниками ошибок в навигации. Ибо производители, как мы выясним далее, виноваты не во всех грехах, а только в половине. :)

Ошибки в навигации можно разделить на два основных класса: вызванные внешними относительно устройства навигации причинами, и внутренними.

Начнем с внешних причин . Они возникают, в основном, из-за неравномерности атмосферы и естественной технической погрешности средств измерений.

Их примерный вклад таков:

Преломление сигнала в ионосфере ± 5 метров;
- Колебания орбиты спутника ± 2.5 метра;
- Ошибка часов спутника ± 2 метра;
- Неравномерность тропосферы ± 0.5 метра;
- Влияние отражений от предметов ± 1 метр;
- Погрешности измерения в приемнике ± 1 метр.

Эти погрешности имеют случайный знак и направление, поэтому итоговая погрешность рассчитывается в соответствии с теорией вероятностей как корень из суммы квадратов и составляет 6.12 метра. Это не значит, что погрешность всегда будет такой. Она зависит от количества видимых спутников, их взаимного расположения, а наиболее всего - от уровня отражений от окружающих предметов и влияния препятствий на ослабление сигналов спутников. В результате погрешность может быть как выше, так и ниже приведенной "усредненной" величины.

Ослабление сигналов от спутников может наступать, например, в следующих случаях:
- при нахождении внутри помещения;
- при нахождении между близко расположенными высокими объектами (между высотными зданиями, в узком горном ущелье и т.п.);
- при нахождении в лесу. Как показывает опыт, плотный высокий лес может значительно затруднять навигацию.

Эти проблемы связаны с тем, что высокочастотные радиосигналы распространяются подобно свету – то есть только в пределах прямой видимости.

Иногда навигация, пусть и с ошибками, может работать и на отраженных от препятствий сигналах; но при многократном переотражении они становятся настолько слабыми, что навигация с ними работать перестает.

Теперь переходим к "внутренним" причинам ошибок в навигации; т.е. которые создаются самим смартфоном или планшетом.

Собственно, проблем здесь только две. Во-первых, слабая чувствительность навигационного приемника (или проблемы с антенной); во-вторых, «кривой» софт смартфона или планшета.

Перед рассмотрением конкретных примеров поговорим о способах проверки качества навигации.

Методы тестирования навигации .

1. Тестирование навигации в «статике» (при неподвижном положении смартфона/планшета).

Такая проверка позволяет определить следующие параметры:
- скорость первоначального определения координат при «холодном старте» (засекается по часам);
- список навигационных систем, с которыми работает данный смартфон/планшет (GPS, ГЛОНАСС и т.д.);
- расчетную точность определения координат;
- скорость определения координат при «горячем старте».

Эти параметры можно определить как с помощью обычных навигационных программ, так и с помощью специальных тестовых программ (что удобнее).

Правила тестирования в «статике» очень просты: тестирование должно делаться на открытом пространстве (широкая улица, площадь, поле и т.п.) и при отключенном интернете . При нарушении последнего требования время «холодного старта» может значительно ускориться за счет прямого скачивания орбит спутников из интернета (A-GPS, assisted GPS) вместо их определения по сигналам с самих спутников; но уже будет «не честно», поскольку это уже не будет чистая работа самой системы навигации.

Рассмотрим пример работы программы тестирования навигации AndroiTS (существуют и аналоги):

(кликнуть для увеличения)

На только что представленной картинке видно, что смартфон работает с тремя навигационными системами: американской GPS, российской ГЛОНАСС и китайскойBeidou (BDS ).

В нижней части скриншота видны успешно определенные координаты текущего места. Величина одного градуса по широте – примерно 100 км, соответственно, цена единицы младшего разряда – 10 см.

Величина одного градуса по долготе – разная для разного географического положения. На экваторе она тоже составляет около 100 км, а вблизи полюсов уменьшается до 0 (у полюсов меридианы сближаются).

Справа от колонки с обозначением государственной принадлежности спутников идет колонка с номерами спутников. Эти номера к ним жестко привязаны и не меняются.

Далее идут колонки с цветными столбиками. Величина столбиков означает уровень сигнала, а цвет - их использование системой навигации или не использование. Неиспользуемые спутники обозначены серыми столбиками. Цвет используемых зависит от их уровня сигнала.

Следующая колонка - это тоже уровень сигнала от навигационных спутников, но уже в цифрах ("условных единицах").

Затем идет колонка с зелеными галочками и красными прочерками - это повтор информации о том, используется спутник или нет.

В верхней строке словом "ON" обозначен статус состояния навигации; в данном случае это означает, что в настройках смартфона разрешено определение координат и они определены. Если же там указан статус "WAIT" , то определение координат разрешено, но необходимое количество спутников еще не найдено. Статус "OFF" означает, что в настройках смартфона определение координат запрещено.

Затем кружочком с концентрическими окружностями и цифрой 5 обозначена расчетная точность определения координат в данный момент - 5 м. Эта величина рассчитывается, исходя из количества и "качества" используемых спутников и предполагает, что обработка данных от спутников в смартфоне делается без ошибок; но, как увидим далее, это не всегда так.

По мере движения спутников все эти данные должны меняться, но координаты (в нижней строке) должны меняться незначительно.

К сожалению, данное приложение не показывает время, затраченное на первоначальное определение координат ("холодный старт"), да и другие подобные приложения - тоже. Это время надо "засекать" вручную. Если время «холодного старта» составило менее минуты, то это – отличный результат; до 5 минут – хороший; до 15 минут – средний; более 15 минут – плохой.

Для определения скорости «горячего старта» достаточно выйти из программы тестирования и через несколько минут снова зайти. Как правило, за время запуска тестовой программы она успевает определить координаты и сразу же предъявляет их пользователю. Если же задержка с предъявлением координат при «горячем старте» превышает 10 секунд, то это уже подозрительно долго.

Эффект быстрого определения координат при «горячем старте» связан с тем, что система навигации запоминает последние вычисленные орбиты спутников и ей не надо заново их определять.

Итак, с тестированием навигации в «статике» разобрались.

Переходим ко 2-ому пункту тестирования навигации - в движении.

Главное предназначение навигации – привести нас в правильное место в процессе движения, и без проверки в движении тест был бы неполным.

В процессе движения с точки зрения навигации существуют три типа местности: открытая местность, городская застройка и лес.

Открытая местность – это идеальные условия навигации, здесь проблем нет (разве только у совсем "отстойных" устройств).

Городская застройка в большинстве случаев характеризуется наличием высокого уровня отражений и небольшим снижением уровня сигнала.

Лес «работает» наоборот – существенное ослабление сигнала и небольшой уровень отражений.

Для начала посмотрим на образец почти "идеального" трека:

На картинке изображены два трека: туда/обратно (так будет и далее почти на всех картинках). Такие картинки позволяют сделать достоверный вывод о качестве навигации, так как можно сличить два почти одинаковых трека между собой и с дорогой. На этой картинке всё хорошо – колебания трека находятся в пределах естественной погрешности. В верхней части адекватно прорисован проезд по разные стороны кольцевого перекрестка. В некоторых местах заметно расхождение между треками, вызванное, вероятно, отражениями сигнала от водной поверхности и от металлических конструкций моста через реку. А в некоторых - почти идеальное совпадение.

Теперь разберем несколько типовых случаев "проблемных" треков.

Посмотрим на трек GPS смартфона, на который повлияло снижения уровня сигнала в высоком лесу:

Расхождение треков друг с другом и с дорогой заметное, но далеко не катастрофическое. В данном случае точность навигации в смартфоне снизилась в пределах "естественной убыли" для таких условий. Такой смартфон надо признать подходящим для навигационных целей.

В правой части скриншота хорошо заметны расхождения треков между собой и дорогой. Такие расхождения в условиях подобной "колодцеобразной" застройки почти неизбежны, и в данном случае никак не свидетельствуют против тестируемого смартфона.

Теоретически, чем больше систем навигации поддерживает смартфон (планшет), тем больше спутников он использует для навигации и тем меньше должна быть ошибка.
Практически же это не всегда так. Довольно часто из-за "кривого" софта смартфон не может правильно состыковать данные от разных систем и в результате возникают аномальные ошибки. Рассмотрим несколько примеров.

Возьмем, например, такой трек:

На только что приведенном скриншоте виден иглообразный выброс, который не мог быть следствием каких-то помех: путь проходил через малоэтажную застройку без густых лесопарковых насаждений. Данный выброс целиком на совести "кривого" софта.

Но это были еще "цветочки". Бывают смартфоны, где аномальные ошибки навигации - это уже не "цветочки", а "ягодки":

При записи данного трека аномальные ошибки "кривого" софта соединились с ослаблением сигналов в высоком лесу. В результате получился трек, по которому просто невозможно догадаться, что путь туда и обратно был пройден по одной и той же тропинке трезвым человеком. :)
А густой пучок линий в верхней части - это "путь" неподвижно лежащего смартфона во время привала. :)

Есть еще один вид аномальных ошибок, связанный с паузой в потоке данных, поступающих от навигационного приемника к вычислительной части смартфона:

На этой картинке видно, что часть пути (примерно 300 м) прошла по прямой линии, притом частично прямо по воде. :)

В данном случае смартфон просто соединил прямой линией точки пропажи и появления потока координат. Их пропажа могла быть связана как с уменьшением количества видимых спутников ниже критического числа, так и с "кривым" софтом и даже аппаратными проблемами (хотя последнее и маловероятно).

В случае же полного пропадания сигналов от спутников, навигационные программы обычно не соединяют прямыми линиями точки пропажи и появления, а оставляют просто "пустое место" (получается разрыв в треке):

На этой картинке виден разрыв трека в том месте, где часть пути прошла по подземному переходу с полным пропаданием видимости всех спутников.

После изучения причин и характерных ошибок навигации, пора перейти к выводам .

Наилучшая навигация, как и следовало ожидать, бывает у смартфонов и планшетов "высоких" брендов. С ними проблемы в виде аномальных ошибок пока что не обнаруживались. И, разумеется, чем больше систем навигации поддерживает устройство, тем лучше. Правда, поддержка китайской Beidou пока имеет смысл при использовании устройства в регионах и странах, расположенных недалеко от Поднебесной. Китайская система навигации не глобальная, а "местная" (на данный момент). Так что поддержки GPS и ГЛОНАСС будет вполне достаточно.

Если же смартфон или планшет имеют не слишком "именитое" происхождение, то проблемы с навигацией могут быть, а могут и не быть. Перед его боевым применением рекомендуется его протестировать как в статике, так и в движении в различном окружении, чтобы впоследствии он не преподнес какой-либо неприятный сюрприз. В большинстве случаев мобильные устройства с поддержкой одной только GPS приносят меньше проблем, хотя и точность у них ниже, чем у многосистемных.

К сожалению, при выборе смартфона (планшета) с хорошей навигацией ориентироваться по обзорам устройств в интернете довольно сложно. Подавляющее число IT- порталов игнорируют проверку навигации в движении и в сложных условиях. Такую проверку делают только на данном портале () и еще буквально на паре других.

В заключение надо сказать, что навигационными средствами сейчас оборудуются не только смартфоны и планшеты, но и многие другие устройства. Они устанавливаются, например, в фотоаппаратах, видеокамерах, GPS- трекерах, автомобильных видеорегистраторах, смарт-часах, некоторых специализированных типах устройств, и даже в электронной системе налогообложения водителей российских большегрузов "Платон".

Ваш Доктор .
20.01.2017