Как улучшить GPS-сигнал на Android-устройстве |

Датчик GPS позволяет телефону использовать навигационные приложения, например, Google Maps, а также сервисы определения местонахождения, чтобы другие приложения могли точно знать, где вы находитесь. И, конечно, качественный сигнал крайне важен для навигации, а также и для игры в некоторые игры дополненной реальности (AR), такие, как Pokemon Go. Вот как вы можете улучшить GPS-сигнал на своем устройстве.

Что такое GPS?

Чтобы знать, как можно оптимизировать работу GPS, стоит разобраться, как она вообще работает. GPS расшифровывается как «Глобальная система позиционирования», и разработана она была для нужд армии США в 1973 г., но в 1995-м начала использоваться и для гражданских целей. Изначально в ней было задействовано 24 спутника, но сегодня группировка насчитывает 31 спутник GPS.

Ваш смартфон связывается со всеми этими спутниками посредством GPS-антенны, которая по умолчанию встроена в большинство современных смартфонов и планшетов. Антенна через драйвер связана с программным обеспечением. Таким образом, у ошибок GPS-сигнала могут быть три причины:

• Число GPS-спутников в конкретной местности
• Качество GPS-антенны, встроенной в смартфон
• Работа драйвера в операционной системе.

Включаем режим высокой точности

Если хотите получить максимальное качество GPS-сигнала, будьте готовы к тому, что заряд батареи будет таять несколько быстрее. Это необходимая жертва, но все можно вернуть «как было», если вам больше не нужно будет пользоваться GPS – например, кода вы поймаете всех покемонов. Включить эту функцию очень просто.

Откройте меню «Настройки», выберите «Местоположение» и убедитесь, что сервисы определения местоположения включены. Переключатель в правом верхнем углу должен быть зеленым и в положении «направо».

Первым пунктом пол «Местоположением» теперь должен быть «Режим». Выберите его и далее выберите вариант «Высокая точность». В этом режиме для определения вашего местоположения используется не только GPS, но и Wi-Fi и мобильные сети. Это требует большего расхода заряда батареи, но и позволяет определять местоположение с максимально возможной точностью.

Поддерживаем сигнал GPS включенным

Одна из проблем, с которой мы сталкиваемся при переключении от одного приложения к другому – GPS отключается для экономии заряда. К примеру, вы играете в Pkemon Go и решили просмотреть полученные сообщения – и GPS при этом отключается.

Однако можно сделать так, чтобы GPS не отключалась. Для этого нужно установить GPS-приложение. Мы рекомендуем Connected GPS – это простое приложение, но свое дело оно делает. Но помните, что на заряде батареи это может сказаться.

Определяем, на каком уровне проблема – программном или «железном»

С помощью GPS Essentials вы сможете диагностировать, что является причиной слабого сигнала GPS – «железо» или программное обеспечение. В главном меню GPS Essentials выберите «Satellites» и наблюдайте, как ваш телефон соединяется со спутниками, парящими на орбите.

Если никаких спутников не наблюдается, возможно, это из-за помех, создаваемых металлическими конструкциями поблизости, корпусом смартфона, или же само устройство приема GPS-сигнала в телефоне работает неправильно. Если спутники появились, а GPS все равно не работает, это программная проблема.

Обновляем данные GPS

Иногда устройство может «приклеиваться» к определенным спутникам, даже если они вне зоны доступа, из-за чего GPS работает неправильно. Чтобы это исправить, можно использовать приложения вроде GPS Status & Toolbox, чтобы очистить данные GPS и заново переподключиться к спутникам.

Открыв приложение, тапните в  любом месте на экране, затем нажмите иконку меню и выберите Manage A-GPS state. Нажмите Reset. По окончании вернитесь в меню Manage A-GPS state и нажмите Download. После этого ваши GPS-данные обновятся. Если же снова начнутся проблемы, повторите процесс.

Обзаводимся внешним GPS-приемником

Если встроенный в телефон GPS-приемник уже не удается оживить, возможно, стоит приобрести внешний GPS-приемник. Он может соединяться с телефоном по Bluetooth и заряжаться тем же зарядным устройством, что телефон.

Есть другие предложения, как улучшить работу GPS? Делитесь в комментариях.

голосовать

Article Rating

использование программ для усиления сигнала на смартфоне

На всех моделях современных телефонов есть GPS-система навигации. Как правило, путешественники пользуются ей довольно часто, но неоднократно возникают вопросы, как улучшить ее работу. Как сделать так, чтобы система работала гораздо быстрее и качественнее? Сейчас подробно разберем, как улучшить GPS прием на Андроиде.

Рассмотрим основные моменты работы GPS навигатора в смартфоне. Для чего он нужен? GPS – это система навигаторов, которая определяет ваше местонахождения и прокладывает наиболее выгодный для вас маршрут до точки назначения.
Для начала, давайте подумаем, какие именно трудности возникают с работой GPS-навигатора.

1. Долгий поиск спутников. Небо ясное, безоблачное, погода солнечная, а вы стоите три, пять, десять, пятнадцать минут, чтобы словить спутник.
2. В движении спутники практически не ловятся. Вам удобней идти и следовать за стрелкой навигатора, но приходится стоять и ждать.
3. Вы поймали спутник, и, вроде, идете по дороге, а стрелка навигатора показывает, что вы идете по крышам домов. Нет, может программа так устроена, но вам такое вряд ли понравится.
4. Очень распространенной проблемой является обновление спутников. Вы следуете установленному маршруту, переворачиваете горизонтально – сигнал спутников потерян. Тоже самое происходит, если вы невзначай вышли в режим меню.

Чтобы избежать подобных конфузов, мы расскажем вам несколько способов.

Высокая точность

Является самым простым, но не факт, что он сработает на вашем устройстве. Нужно включить соответствующий режим в настройках Android:

• включаем GPS и заходим в настройки;
• раздел «Геоданные»;
• вверху кнопка «Режим»;
• окно «Метод обнаружения»;
• пункт «Высокая точность».

После этого точность телефона должна повыситься.

Меню геолокация

Режим определения

Приложение «Статус GPS»

Поможет тем пользователям, у которых смартфон работает на базе процессора MTK. Все очень просто:

Страница в Плеймаркете

Настройки приложения

• В магазине «Play Market» скачиваем приложение «Статус GPS», устанавливаем его на смартфон. Оно значительно ускоряет поиск спутников, помогает таким приложениям, как «MAPS.ME», «Google Play Market» и другим более точно позиционировать. То есть, если вы «ходили» по крышам домов, то теперь будет следовать точно по указанному пути. Загружается и выключается всегда автоматически.
• Далее следует скачать инженерное меню «MTK». Находим там пункт «Location Based Servise», потом «YGPS». Оно ищет спутники в разы быстрее и запоминает их расположение.

Теперь система быстро и точно обнаружит ваше местонахождение.

Специальные файлы из системного раздела

Является самым надежным способом, поэтому подойдет каждому. Но также он является и самым сложным по применению тем, что необходимо переделать системный файл, что контролирует работу GPS-системы. Это можно делать вручную, но легче найти уже готовый оптимизированный файл и просто заменить им старый.

Обязательно необходимы:

• Наличие прав пользователя;
• Сеть Интернет;
• Файловый менеджер.

1. Нужно найти специальные файлы из системного раздела. Их можно найти и скачать на просторах интернета. Просто выбираем свою страну и скачиваем файл GPS.CONF.
2. Открываем файловый менеджер и переносим файл в папку /system/etc. Соглашаемся с предупреждением (чтение: owner, группа, прочие; запись(owner).
3. Устанавливаем необходимые для файла разрешения.
4. Открываем программу GPS Test. В настройках выбераем «Clear AGPS» и очищаем кэш спутниковых данных.
5. Выполняем перезагрузку.
6. Вновь заходим в GPS Test и проверяем скорость нахождения спутников и местонахождение.

Теперь Ваша система GPS должна ускориться и работать так, как нужно даже без сети Wi-Fi. Надеемся, что один из этих способов помог Вам в решении проблемы. Путешествуйте с удовольствием и не теряйтесь.

 Загрузка …

Видео «Как настроить быстрый поиск спутников на Андроид»

В этом ролике показано, как настроить быстрый поиск спутников на Андроид

Автомобилей усилитель gps сигнала booster ретранслятор для повышения чувствительности приема автонавигатора и телефона

Автомобилей усилитель gps-сигнала Booster для повышения 5 м/16FT ретранслятор приемник + Transmiter телефона навигации и бесплатная доставка. Это полный комплект gps-усилителя, включает приемник + передатчик. Установите приемник снаружи автомобиля, установите передатчик внутри автомобиля. Питание требует 5 В от автомобильного зарядного устройства. Не нужно беспокоиться о дожде, потому что это водостойкая и хорошая наклейка 3 м. Может использоваться для общего смартфона/ноутбука/настольного компьютера/планшетного ПК. Прием GPS сигнала будет стабильным!

Важные замечания при установке автомобильного усилителя для GPS сигнала.

Приемный блок должен находиться за кузовом автомобиля! Если вы разместите его внутри в салоне даже на задней полке GPS усилитель работать не будет. Это связано с наводками передающей и принимающей части, они будут друг друга глушить и качество работы будет плохое. Поэтому, чтобы ваш GPS усилителя работал хорошо обязательно внешний блок устанавливаете на внешней поверхности автомобиля — это может быть крыша, крышка багажника, части бампера. Если вас выступает фара спереди или сзади можно разместить его там.

Длина кабеля для приемника 5 м — это будет достаточно, чтобы провести его скрыто по салону и подключить GPS приемнику. В любом случае, перед началом монтажа проверьте работу всей системы и только после этого начинайте монтировать и проводить кабели.

Тестирование антенного усилителя показала очень хороший результат — количество спутников существенное прибавилось, сигнал стал более стабильным, особенно в городской застройке, где много систем радиосвязи. Рекомендуем к приобретению данные GPS усилитель!

2017 автомобилей усилитель gps-сигнала Booster для повышения 5 м/16FT ретранслятор приемник + Transmiter телефона навигации бесплатная доставка.

Это полный комплект gps-усилителя Включает приемник + передатчик. Установите приемник снаружи автомобиля, установите передатчик внутри автомобиля. Питание требует 5 В от автомобильного зарядного устройства.

Не нужно беспокоиться о дожде, потому что это водостойкая и хорошая наклейка 3 м.

Полный посылка включает в себя:

1 x антенный передатчик
1 х приемника
2×3 м клей

Антенны содержат высокоэффективную gps-патч-антенну и высокотехнический малошумный усилитель; обеспечивает отличное усиление сигнала и выход-полоса-отказ для приемника

Напряжение: 3,0-5,0 В

Частота: 1575,42 мГц

USB порт gps приемник

Может использоваться для общего смартфона/ноутбука/настольного компьютера/планшетного ПК…

Легкая установка

Водонепроницаемость IP64

Монтаж магнитное основание

Кабель Длина приближенные. 5 м/16 футов (часть приемника) + м 2 м/6 футов (часть передатчика)

Особенности:

-Usb-порт gps приемник
-Может использоваться для общего смартфона/ноутбука/настольного компьютера/планшетного ПК…
-Водонепроницаемость IP64
-Монтаж магнитное основание
Параметры:
-Центральная частота (МГц): 1575,42
-Полоса пропускания (МГц): 6
-Входное напряжение (Ом): 50
-V.S.W.R: <1,5
-Потребление электроэнергии: <15мА
-Интенсивность поляризации: R.H.C.P
-Напряжение питания: USB 5 В
-Коэффициент звука: <1,5 дБ
-Осевое соотношение: 30 дБ
-Усиление (dBi): 29 дБ ± 3 дБ (LNA)
-Рабочий ток: <20 мА
-Длина кабеля approxi. 5 м/15 футов (часть приемника) + м 2 м/6 футов (часть передатчика)
-Индуктивная установка антенны:
Приемник в автомобиле с помощью положения адсорбции багажника; кабель в автомобиль от задней двери или заднего сиденья двери автомобиля, затем перейдите к следующим напольным коврикам под центральной консолью, подключите передатчик, передатчик помещается над центральным консольным ящиком для хранения, или, Наконец-то получил через силу для работы.
-Разъем питания: usb-разъем интерфейс обеспечивает антенну напряжения, поддерживающий мини-прикуриватель автомобиля к usb-вилке питания
-Приемник: установленный на транспортном средстве, Автомобиль получает сильный gps-сигнал и усилен для передачи на транспортное средство.
-Передатчик: установлен в транспортном средстве, после того, как приемник усиливает сигнал, передаваемый снова на автомобиль, поэтому автомобильный навигатор получает эквивалент в три или четыре раза внешней силы сигнала.

Установка Руководство:

1. приемный конец верхних магнитов, установленных вне багажника транспортного средства, перед приемом.
2. передатчик, установленный в центральной консоли под ветровым стеклом или передним отделением для хранения пассажиров, обратите внимание на излучающую поверхность (поверхность черного корпуса) для gps местоположения устройства (навигатора), И чтобы гарантировать, что передатчик с gps менее чем на один метр от устройства, Передатчик и gps без металлического блока между заказ устройствами для достижения наилучших результатов.
3. после того, как он приемника и передатчика установлен, Подключите USB power partwith прикуривателя (входное напряжение DC16V или меньше), мощность сторона индикатор, который означает, что работать должным образом, а затем начать gps оборудования.

 Смотрите отзывы счастливых покупателей (возможен машинный перевод) и присоединяйтесь к ним:

Этот продукт работает как ретранслятор: Питание силы входного сигнала gps. Нет никакого подключения к устройству navi непосредственно, но усилитель с его внутренней антенной должен быть расположен рядом с устройством navi. Программа Android «GPS-STATUS.APK» говорит, сила сигнала утроена. К сожалению, приемная антенна не водостойкая. У меня есть «подобранная» передняя часть на бампере моего мобильного дома, чтобы избежать экранирования альков. Теперь я могу использовать свой дешевый планшет android с плохим gps-приемником в качестве замечательной навигационной системы с большим дисплеем! Низкая цена за очень полезный товар! Я бы хотел, чтобы все китайские товары были настолько значимы!

+
Репитер работает хорошо, качество приема улучшилось намного. Доставка средняя по длительности.
+
Хорошо и работает идеально.
+
Всё отлично! Рекомендую.
+
Посылка пришла целой, упаковка хорошая. В работе не проверял, жду начало гаражного сезона. На вид все ок, качество элементов, проводов и разъемов хорошее, но мана в пакете нет – смотрите описание товара и установку на странице товара. Надеюсь, сигнал будет усиливать для навигатора, как заявлено. Продавцу звезды и респект.
+
Проверил — все работает, спутников стал видеть в 2 раза больше!

 

Предлагаем подборку лучших товаров по данной теме, найденных в сети. Приобретайте по нашим ссылкам и получайте максимальную скидку на всю сумму заказа! Перейдите в магазин и получите свою выгоду сейчас:

почему бывает плохим и как это исправить

Любой маячок или трекер использует для определения координат спутниковые данные, которые получает с помощью GPS-сигнала. Но, к сожалению, не всегда удается поймать достаточно сильный сигнал, или же маячок вообще перестает видеть спутники. Что делать в таких ситуациях? Можно ли улучшить сигнал?

Принцип работы GPS

Аббревиатура GPS расшифровывается как «глобальная система местоопределения». Для получения необходимых координат используются сигналы, получаемые сразу с нескольких навигационных спутников. По этим данным GPS-маячок вычисляет расстояние до спутников и их взаимное расположение, и на основе этого определяет свое местоположение. Чтобы вычислить широту и долготу, маячку нужны сигналы как минимум с трех спутников. А если нужно узнать еще и высоту, то количество минимально необходимых спутников увеличивается до четырех.

ГЛОНАСС передает более точный сигнал

Относительно недавно в маячках использовалась исключительно система GPS, но теперь трекеры ловят сигналы и от российского аналога ГЛОНАСС. В этих двух системах есть принципиальные различия. Спутники GPS перемещаются с наклоном в 55⁰ относительно экватора, и поэтому в северных широтах их сигнал становится намного хуже. Спутники ГЛОНАСС расположены с наклоном в 65⁰, благодаря чему они демонстрируют отличное качество передачи сигнала в северных широтах. Поэтому перед тем как приобрести маячок, следует подумать о том, где он будет использоваться и есть ли в нем поддержка ГЛОНАСС.

Почему сигнал может быть плохим?

Качество передачи сигнала со спутника не всегда одинаково. В определенных местах сигнал может и вовсе пропадать. На устойчивость приема влияет:

• Наличие преград на пути сигнала, таких как высотные здания, горы, тоннели, метро, паркинги, густой лес. В этом случае маячок может либо не принимать сигнал, либо получать данные с меньшего количества спутников и менее точно рассчитывать свои координаты.
• Геометрия спутников, то есть их расположение относительно друг друга. Например, если маячок уловил сигналы с четырех спутников, но все они расположены в одном направлении, то точность будет ниже.
• Наличие объектов, способных отразить сигнал, например, гладких стен. Так сигнал попадает в маячок с задержкой, из-за чего приемнику кажется, что спутник находится на большем расстоянии, и это увеличивает погрешность.
• Наличие различных атмосферных явлений: повышенной облачности, грозового фронта, урагана, града.

GPS-сигнал не способен пробиться через бетонные сооружения

На точность сигнала также оказывают негативное влияние атермальные стекла, тонировка (по сути она является тонким слоем металла), лобовые стекла с подогревом, различные датчики, установленные в машине.

Если GPS не ловит?

Если же автомобиль с маячком оказался в «мертвой зоне», то определить его приблизительные координаты можно с помощью технологии LBS. Ее суть заключается в использовании данных с вышек сотового оператора. Как известно, базовые станции имеют фиксированное местоположение, отмеченное на интернет-сервисах оператора. Эта информация передается на маячок. По положению вышек он вычисляет координаты и высылает результат в мониторинговый центр или непосредственно владельцу.

Определять местоположение таким образом можно даже в паркинге и узких переулках. На точность передачи влияет количество базовых станций, находящихся поблизости. Например, в городской зоне точность координат варьируется в пределах 50–500 метров, а за городом – 500– 3000 метров.

Улучшить скорость и точность определения координат по спутникам может технология A-GPS. Для этого используется вспомогательная навигационная информация с серверов, куда эти данные постоянно передаются спутниками.

Как улучшить сигнал?

Естественно, каждый владелец автомобиля с маячком задавался вопросом о том, как улучшить сигнал. Прежде всего, трекер необходимо корректно установить:

Маячок нельзя устанавливать рядом с металлическими предметами, а его крышка с винтами должна «смотреть» в пластик, стекло или же открытое пространство (например, салон). Минимальное расстояние от устройства до ближайшего металлического элемента – 60 см. Если не придерживаться данного требования, маркер будет работать некорректно или же станет долго и неточно определять координаты.

Маркер нельзя ставить «лицом» к тонированному стеклу, так как оно является серьезным препятствием для спутниковых сигналов.

На качество GSM-сигнала влияет площадь покрытия сотовой связи. Здесь явным лидером выступает «МегаФон», у которого на счету более 43 000 вышек сотовой связи. На втором месте находится «МТС» – более 36 000 вышек.

GPS антенна своими руками за 5 минут / Хабр

Для приема GPS сигналов, можно изготовить несложную антенну, которая по своим возможностям будет соответствовать маленькой патч-антенне.

Предлагаемая антенна — диполь, пассивная, поэтому небольшой выигрыш в токе потребления GPS модуля достигается.

Принимаем центральную частоту GPS сигнала равной 1575.42 МГц, находим длину одного плеча антенны L/4 = 47.7 мм. Цифра справедлива для провода без изоляции. Провод в изоляции должен быть чуть короче. Длина плеч диполя и монополя отсчитывается от грани оплетки кабеля.

Если половинка диполя одна, то это уже монополь. Я подготовил диполь и монополь.

Антенны крепятся на короткий коаксиал с разъемом типа IPX.В качестве эталонной антенны используем активную маленькую патч-антенну. GPS-модуль NEO6.

Сравниваем сигналы спутников показанные в u-center 19.11.01.

Антенны, располагаем близко к окну. Ориентация — по усредненному максимуму сигналов.

Уровни сигналов

Керамика:

Диполь:

Монополь:

Вывод:

1. Активная патч-антенна сопоставима с диполем.
2. Диполь дает прирост усиления относительно монополя ~ 5 дБ (до 4 раз по мощности).

Основной вывод: диполь может заменить маленькую патч-антенну. Экономия тока около 6 мА, при 3.3В питании. (20 мВт!). Масса малой патч-антенны около 3 грамм, масса диполя с проводом IPX всего 0.65 грамм!

Как улучшить сигнал GPS на вашем телефоне Android — TAG Mobile

Глобальная система позиционирования (GPS) на вашем смартфоне — это полезное приложение, которое позволяет вам использовать карты Google, любые другие навигационные приложения или даже играть в игры с дополненной реальностью, такие как Pokémon Go. Это функция, которая поможет вам сориентироваться. Таким образом, для работы датчиков GPS важны сильные сигналы, а слабый сигнал может вас потерять. Неизменно, что разные смартфоны имеют разные датчики GPS с разной мощностью, и приведенные ниже советы позволят вам улучшить сигналы GPS вашего устройства.

1. Линия прямой видимости (LOS) к небу

Первое, что нужно проверить, чтобы усилить сигнал GPS, — это ваше местоположение. Датчику GPS требуется прямая видимость неба (LOS), а это означает, что для правильной работы требуется четкий обзор неба. Вы должны выйти на улицу под небом, чтобы ваш телефон принял сигналы от спутников GPS, указанных выше, и убедился, что он показывает ваше местоположение.

2. Включите режим «Высокая точность»

Иногда мощность сигнала может быть слабой даже при прямой видимости.В это время вы можете включить режим «Высокая точность» для усиления сигналов. Этот режим позволит Интернету и GPS определять точное местоположение. Недостаток этого режима в том, что он сильно расходует заряд батареи. Это причина того, что большинство телефонов Android сохраняют точность на умеренном уровне для экономии заряда батареи. Когда сигналы слабые, у вас всегда есть возможность изменить режим на «Высокая точность». Все, что вам нужно сделать, это перейти в «Настройки»> «Местоположение», нажать на режим и выбрать «Режим высокой точности».

3. Повторно откалибруйте GPS

Плохое качество сигналов GPS также может быть причиной слабого приема сигналов GPS телефоном. Это может произойти из-за плохой калибровки GPS вашего телефона, которую можно повторно откалибровать через приложение. В магазине приложений есть множество приложений, которые повторно калибруют GPS вашего телефона. Установите любое из этих приложений и просто нажмите кнопку калибровки. Приложение настроит и исправит ваш GPS. Проблема может сохраняться даже после калибровки, и если это произойдет, проблема может быть диагностирована с помощью встроенной функции приложения.Это поможет вам понять, связана ли проблема с программным или аппаратным обеспечением. Приложение попытается обнаружить любой спутник GPS в радиусе действия телефона. Часто есть металлические предметы, которые могут стать препятствием для приема телефоном сигналов. Это также может быть связано с неисправностью оборудования вашего телефона. Приложение поможет вам определить причину слабых сигналов.

4. Выполните повторную калибровку компаса телефона

Иногда, хотя GPS вашего телефона может показывать ваше местоположение, он может указывать вам неправильное направление.Это может быть опасно, особенно если вы используете навигацию. Эту проблему также можно решить с помощью приложения компаса, которое, возможно, уже установлено на вашем телефоне. Если это не так, вы всегда можете перейти в Google Play Store и загрузить его. Вы также можете использовать для этого статус GPS. Как только вы загрузите статус GPS, откройте приложение, и оно сразу же начнет поиск спутников. Он покажет, может ли ваш телефон четко принимать сигналы со спутника. Если ваше устройство может обнаруживать сигналы, вам необходимо откалибровать компас на вашем телефоне.Просто нажмите на экран, и в верхнем левом углу откроется меню гамбургеров. Щелкните « Compass Calibration » и следуйте инструкциям, представленным вам.

Теперь ваш компас правильно откалиброван, и устройство указывает правильное направление. Если это не удается, вы можете попробовать обновить данные GPS, как описано ниже.

5. Обновить данные GPS

Если все ваши попытки безуспешны, а телефон по-прежнему принимает слабые сигналы и не может найти спутники, рекомендуется обновить данные GPS.В том же приложении нажмите «Диагностика датчиков», а затем «Датчики GPS». Появится всплывающее окно и нажмите вкладку «Сброс», чтобы очистить кешированные данные GPS и начать с начала. Кроме того, вы также можете загрузить и установить Статус GPS и Toolbox, которые могут помочь вам выполнить ту же функцию. Для начала коснитесь любого места в приложении, перейдите в меню приложения и нажмите « Manage A-GPS State ». Нажмите на кнопку «Сброс», вернитесь в «Управление состоянием A-GPS», нажмите «Загрузить» и попробуйте перезагрузить телефон.Если это сработает, ваш телефон сможет быстрее находить спутники, показывая ваше местоположение более точно. Для проверки откройте карты Google и узнайте, действительно ли ситуация улучшилась.

В настоящее время почти все современные смартфоны имеют встроенный GPS, поэтому очень важно проверить его точность. За правильную работу GPS влияют многие факторы. Факторами, влияющими на эффективную работу GPS, являются погода, аппаратное обеспечение телефона и программное обеспечение. Независимо от того, есть ли у вас новый телефон или старый, рекомендуется проверить работу GPS, чтобы убедиться, что он работает правильно, когда вам это нужно.

.

GNSS, сигналы и приемники | IntechOpen

1. Введение

Навигационные решения стали частью нашей повседневной жизни благодаря их широкому использованию в ряде приложений, включая сельское хозяйство, наземную навигацию и пешеходную навигацию. Ключевой технологией навигации, используемой в таких приложениях, являются глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS), и несколько таких систем в настоящее время предоставляют эту услугу. Глобальная система позиционирования США (GPS) была первой такой полнофункциональной системой.ГЛОНАСС, российская система, была второй по активности, и она также имеет глобальное покрытие. Аналогичным образом, спутниковая навигационная система Европейского Союза Galileo должна быть полностью введена в эксплуатацию в 2018 году.

Хотя каждая из этих систем имеет уникальные характеристики, все они имеют общие общие черты. У каждого есть космический сегмент, контрольный сегмент и пользовательский сегмент. Более того, все они основаны на односторонней передаче радиочастотных (РЧ) сигналов от спутников к приемникам на поверхности Земли и вблизи нее.Используя измерения, полученные на основе этих сигналов, приемник GNSS может найти решение для своего местоположения, скорости и времени (PVT). Более того, все системы GNSS используют понятие дальности по времени прибытия (TOA). Это требует измерения времени прохождения сигнала и временного интервала, который требуется сигналу для прохождения между спутником и приемником, чтобы рассчитать расстояние между приемником и спутником [1]. Расстояние от передатчика до приемника можно затем получить, умножив время прохождения сигнала на скорость света.

В этой главе представлен обзор глобальной системы позиционирования (GPS) и ГЛОНАСС и их сигналов. Во-первых, он описывает архитектуру системы с точки зрения трех основных сегментов: управления, пространства и пользователя. Затем в нем рассматриваются новые характеристики сигналов GPS гражданского и военного назначения, подчеркивая их значение. После этого вкратце обсуждаются источники ошибок измерения GPS. В главе также рассматриваются основные аспекты системы ГЛОНАСС, включая характеристики сигнала ГЛОНАСС, программу модернизации ГЛОНАСС, план радиочастот (РЧ) ГЛОНАСС, псевдослучайные (PR) коды дальности и навигационное сообщение о внутрисистемных помехах.Наконец, перечислены преимущества сочетания GPS и ГЛОНАСС, чтобы читатель мог понять преимущества такой интеграции.

2. Обзор GPS

GPS предоставляет услуги трехмерного позиционирования и навигации как для гражданских, так и для военных пользователей [2]. Приемники GPS используют диапазон TOA для генерации псевдодальности кода для определения местоположения пользователя. Они также отслеживают изменения в частоте сигнала, чтобы определить скорость изменения дальности для определения скорости [3].Измеряется время между передачей сигнала и его прибытием в приемник. Расстояние от передатчика до приемника может быть получено путем масштабирования времени прохождения сигнала по скорости света. Используя концепцию трилатерации, приемник GPS может определять свое положение, используя измеренное время прохождения вместе с местоположениями спутников, которые получены из навигационного сообщения, передаваемого сигналом. Хотя для определения местоположения пользователя можно использовать три спутника, требуется как минимум четыре из-за дополнительной оценки смещения часов приемника.

Рисунок 1 иллюстрирует концепцию определения местоположения с помощью трилатерации с использованием дальности до трех спутников. Использование четырех спутников для определения положения повышает точность решения за счет устранения смещения часов приемника. Первое и второе измерения дальности между пользователем и спутником определяют две сферы на двух разных спутниках, а пересечение этих двух сфер определяет круг возможных положений приемника. Третье измерение дальности, пересекающееся с первыми двумя, сужает эти положения приемников до неоднозначной пары, а четвертое измерение разрешает эту неоднозначность и определяет смещение часов.Уравнения GPS-позиционирования можно найти в [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Военные сигналы GPS более устойчивы к помехам и спуфингу, чем гражданские сигналы [3]; следовательно, позиция, определяемая военными сигналами, более точна, чем позиция, определяемая гражданскими сигналами.

Рисунок 1.

Концепция определения местоположения с помощью трилатерации с использованием сигналов от трех спутников. Положение пользователя обозначено красной точкой [4].

3. Структура GPS

Как упоминалось ранее, GPS состоит из трех сегментов [7]: космического сегмента, созвездия спутников, вращающихся вокруг Земли на очень больших высотах; сегмент управления, состоящий из группы наземных постов управления; и пользовательский сегмент, пользовательское оборудование или просто различные военные и гражданские приемники.На рисунке 2 показаны три сегмента, которые более подробно обсуждаются в этом разделе.

Рисунок 2.

Сегменты GPS [8].

3.1. Космический сегмент

Космический сегмент GPS состоит из группы спутников, которые непрерывно транслируют радиочастотные сигналы пользователям. В последние годы ВВС США эксплуатировали 32 спутника GPS, из которых 24 доступны 95% времени [4]. Спутники GPS перемещаются по средней околоземной орбите (MEO) на высоте примерно 20 200 км, и каждый из них обращается вокруг Земли дважды в день, что означает, что период обращения вокруг Земли составляет примерно 12 часов [7].Эти спутники распределены между шестью равноотстоящими орбитальными плоскостями, каждая из которых имеет наклон цели 55 ° [6], спутниковое распределение, которое улучшает видимость спутников для пользователей GPS по всему миру, тем самым повышая точность навигации. Спутники GPS передают радиочастотные сигналы, содержащие закодированную информацию и навигационные данные, что позволяет приемнику вычислять псевдодальности и доплеровские измерения для оценки положения, скорости и времени.

В июне 2011 года ВВС США успешно расширили свою группировку GPS, известную как конфигурация «Расширяемые 24» [9].Три из 24 слотов были обновлены, а шесть спутников были перемещены; таким образом, к группировке были добавлены три дополнительных спутника. Система GPS, состоящая из 27 слотов, улучшила видимость спутников по всему миру. В таблице 1 обобщены характеристики спутников GPS нынешнего и будущих поколений, включая Block IIA (второе поколение, «Расширенный»), Block IIR («Пополнение»), Block IIR (M) («Модернизированный»), Block IIF (« Follow-on ») и GPS III [10].

Таблица 1.

Особенности спутников GPS текущего и будущих поколений [10].

3.2. Сегмент управления

Состоящий из глобальной сети наземных объектов, отслеживающих спутники GPS, основными задачами сегмента управления GPS являются управление и обслуживание системы посредством мониторинга и анализа передачи сигналов, а также отправки команд и обновлений данных в группировку GPS.

Ссылаясь на [7], текущий сегмент оперативного управления включает в себя главную станцию ​​управления (MCS), альтернативную главную станцию ​​управления, 12 антенн управления и контроля и 16 участков мониторинга.Расположение этих средств показано на рисунке 3.

Рисунок 3.

Расположение главной станции управления GPS, альтернативной главной станции управления, 12 антенн управления и контроля и 16 участков мониторинга [11].

3.3. Пользовательский сегмент

Пользовательский сегмент представлен широким спектром типов GPS-приемников. Они захватывают и отслеживают спутниковые сигналы и обрабатывают сигналы, передаваемые спутниками GPS, оценивают дальность связи между пользователем и спутником и скорость дальности, а также вычисляют решение PVT [12].Приемник GPS стоил более 100 000 долларов в середине 1980-х годов; в настоящее время встроенный приемник доступен на рынке менее чем за 20 долларов, и, по оценкам, с 1997 года ежегодно производится более 1 миллиона приемников [1]. Поскольку GPS предоставляется пользователям бесплатно, они могут использовать приемники в любое время и в любом месте земного шара для определения своего местоположения [6].

4. Характеристики сигнала GPS

Спутники GPS выдают центральную частоту L-диапазона 10,23 МГц, используя очень стабильные часы.Затем спутники умножают эту частоту на 154 и 120, чтобы сгенерировать две несущие частоты: L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц [13]. Сигналы GPS состоят из несущего сигнала с частотой L1 или L2, уникального кода, присвоенного каждому спутнику, и сообщения данных, передающего информацию о местоположении, скорости и смещении часов. Две несущие частоты модулируются комбинацией сообщения данных и уникального кода для передачи необходимой информации пользователю. Частота L1 модулируется двумя сигналами кода измерения дальности: грубым кодом / кодом обнаружения (C / A) и точным (P) кодом [2].

Каждый спутник имеет уникальный код C / A PRN, и все эти коды PRN почти ортогональны друг другу, что позволяет приемнику GPS различать спутники, даже если спутники вещают на одних и тех же двух несущих частотах, L1 и L2. [14]. Каждый код C / A повторяется каждую миллисекунду и имеет длину 1023 бита. Длительность каждого чипа в коде C / A составляет около 1 мс, а скорость кода составляет 1,023 МГц (или мегагипсов в секунду (Mcps)) с длиной волны около 300 м. Продолжительность кода P составляет около 7 дней, и он модулирует как L1, так и L2.Используемый только военными, этот код имеет скорость в 10,23-10 раз больше, чем код C / A. Длина волны кода P составляет около 30 м, что делает его намного короче и, следовательно, более точным, чем код C / A [2].

Последняя ключевая часть сигнала GPS — это навигационное сообщение. На получение всего сообщения уходит 12,5 мин, которое загружается со скоростью 50 бит / с [6]. Его наиболее важными частями являются эфемериды, данные альманаха и параметры смещения спутниковых часов.

Чтобы подготовить сигнал GPS для передачи спутником, сначала применяется операция XOR, чтобы объединить двоичное навигационное сообщение с кодом.Если бит сообщения и кодовый элемент совпадают, результатом будет 0; если они разные, результатом будет 1. Во-вторых, объединенный сигнал объединяется с несущей с использованием модуляции двоичной фазовой манипуляции (BPSK): бит «0» оставляет сигнал несущей нетронутым, тогда как бит «1» вызывает сигнал умножается на -1 и сдвигает несущую на 180 °. Рисунок 4 иллюстрирует этот процесс.

Рисунок 4.

Структура сигнала GPS [15].

Как упоминалось выше, шаблоны кода PRN почти ортогональны, что является важным свойством, которое значительно упрощает процесс идентификации спутника [2].Два кода ортогональны, когда сумма их временных произведений, произвольно сдвинутых друг относительно друга, почти равна нулю. Функция взаимной корреляции для спутников m и n с кодами PRN Ck и Cl выражается как

∑11023Cki⋅Cli + n≈0, forallk ≠ lE1

Эта ортогональность делает кросс-спутниковую интерференцию небольшой [14].

Еще одним важным свойством кодов PRN является то, что каждый шаблон PRN практически не коррелирован сам с собой:

∑11023Cki⋅Cki + n≈0, foralln≥1E2

Автокорреляция шаблона PRN почти равна нулю для любого сдвига n≥1.Однако, когда n равно нулю, функция достигает пика. Используя эту функцию, приемник сравнивает PRN-код принятого сигнала с локально сгенерированной копией того же кода, чтобы определить, какой спутник сгенерировал соответствующий сигнал.

5. Архитектура приемника GPS

На рисунке 5 показана высокоуровневая архитектура приемника GPS. Приемники GPS состоят из антенны, ВЧ-интерфейса, гетеродина и навигационного процессора. Первым элементом архитектуры приемника является антенна, которая должна быть способна принимать сигналы с правой круговой поляризацией (RHCP), потому что это тип сигнала, передаваемого спутниками GPS [1].Также важна диаграмма усиления антенны, которая показывает, насколько хорошо антенна работает на различных центральных частотах, поляризациях и углах места.

Рисунок 5.

Высокоуровневая архитектура приемников GPS [16].

Предварительный усилитель — это первый активный компонент, который идет после антенны. Часто он размещается в том же корпусе, что и антенный элемент. Поскольку антенна может принимать несколько частотных диапазонов, обычно на каждую полосу приходится по одному предусилителю; тем не менее, один предусилитель может охватывать несколько диапазонов.Основная функция предусилителя — усиление сигнала на выходе антенны [3]. Предварительные усилители обычно состоят из трех компонентов: (1) преселекторный фильтр, который удаляет внеполосные помехи и ограничивает полосу шума, (2) защита от перегорания, предотвращающая возможные мощные помехи электронным компонентам приемника, и (3) малошумящий усилитель (МШУ). Сигналы GPS обычно очень слабые, около -160 дБВт или 10–6 Вт; таким образом, LNA усиливает сигналы на 20–35 дБ, чтобы повысить их до уровней, подходящих для обработки [17].

После антенны и МШУ идет ВЧ вход. Этот блок генерирует чистый дискретизированный сигнал для блока обработки сигналов [12]. Действительно, предварительные фильтры на входе усиливают, преобразуют с понижением частоты и оцифровывают принятый сигнал.

Фильтрация имеет решающее значение по нескольким причинам: она отклоняет внеполосные сигналы, снижает шум в принимаемом сигнале и снижает влияние наложения спектров. Сигналы с широкой полосой пропускания могут обеспечивать измерения с высоким разрешением во временной области, но требуют более высоких частот дискретизации, в результате чего приемник потребляет гораздо больше энергии [18].Фильтр может смягчить это, разрешив более узкополосные сигналы.

Преобразование с понижением частоты — это процесс, выполняемый входной частью для понижения частоты РЧ-сигнала либо до промежуточной частоты, либо непосредственно до основной полосы [3]. Это необходимо для облегчения процессов отбора проб и фильтрации. Преобразование с понижением частоты часто выполняется с помощью смесителя, который умножает принятый сигнал на локально сгенерированную копию, а затем фильтрует выходной сигнал для удаления двухчастотных членов [1], как показано на рисунке 6.Фильтрация и преобразование частот сигнала с понижением частоты обычно достигаются в несколько последовательных этапов из-за сложности реализации стабильного полосового фильтра с высокой центральной частотой.

Рисунок 6.

Блок-схема двухкаскадного понижающего преобразования.

Последним этапом обработки сигнала во внешнем радиочастотном интерфейсе является преобразование аналогового сигнала в цифровой. Полосовая выборка завершает как дискретизацию, так и преобразование с понижением частоты сигнала [12].

Приемники

GPS выполняют измерения, используя оценки TOA сигнала, фазы и частоты принятой несущей. Один местный опорный генератор (см. Рисунок 4) формирует все опорные частоты в приемнике [19]. Поскольку генератор критически важен для работы приемника, особое внимание необходимо уделять его размеру, потребляемой мощности, стабильности (как краткосрочной, так и долгосрочной), а также его чувствительности к температуре и вибрации [3]. В некоторых случаях приемники GPS имеют несколько эталонных частот для преобразования с понижением частоты.В этих случаях каждому смесителю требуется точная опорная частота. Процесс создания опорных частот в приемнике из гетеродина называется синтезом частоты, который использует комбинацию целочисленного и дробного умножения частоты [20].

На рисунке 4 показано, что последним этапом приемника GPS является навигационный процессор. Это устройство принимает условный сигнал (выход внешнего интерфейса). Этот отфильтрованный и преобразованный с понижением частоты сигнал должен содержать всю необходимую информацию, которую несет сигнал, когда он был принят антенной.На этапе обработки навигации приемник извлекает измерения для псевдодальности и скорости изменения псевдодальности для всех спутников в поле зрения и, используя их, оценивает решение PVT для антенны.

Процесс навигации обычно состоит из двух этапов: во-первых, оцениваются псевдодальности и скорости псевдодальности до каждого спутника; во-вторых, с помощью этих измерений оценивается информация о местоположении, скорости и времени пользователя. Обработка сигнала на этом уровне, в свою очередь, может быть разделена на следующие этапы [12]:

• Получение сигнала: это включает обнаружение сигналов от находящихся в поле зрения спутников и обеспечивает грубую оценку задержки кода и доплеровской частоты. входящего сигнала от каждого спутника.

• Отслеживание сигнала: это рекурсивный процесс оценки, который непрерывно обновляет оценки изменяющихся во времени параметров сигнала.

• Мониторинг сигнала: Это одновременно с отслеживанием и включает оценку нескольких параметров, включая отношение несущей к шуму (C / N ₀ ). Приемник использует мониторинг сигнала, чтобы решить, например, когда происходит потеря захвата сигнала.

• Извлечение навигационного сообщения: этот процесс также происходит параллельно с отслеживанием сигнала.Извлечение навигационного сообщения включает декодирование спутниковых эфемерид.

• Генерация измерений: использует параметры отслеживания для оценки дальности и скорости изменения дальности для всех видимых спутников.

• Решение PVT: использует диапазон и скорость изменения диапазона оценок для вычисления желаемого навигационного решения.

6. Измерения GPS

При отслеживании спутникового сигнала приемник GPS отслеживает три параметра: псевдодальности, фазу несущей и доплеровский сдвиг [7, 11].Псевдодальность вычисляется путем измерения времени прохождения сигнала от спутника до приемника и описывается как «псевдодальность», поскольку эти измерения искажаются из-за смещения часов спутника и приемника [6]. Измерения фазы несущей отслеживают разницу между фазами несущей для принятой и локально созданной копии сигнала. Доплеровское измерение отражает скорость изменения фазы несущей [12].

7. Ошибки GPS

Сигналы и измерения GPS подвержены влиянию многих факторов помех, обычно известных как ошибки GP.Первый источник ошибок связан с дрейфом часов спутника и приемника. Несмотря на высокий уровень точности, спутниковые часы все же немного отклоняются от времени GPS. По причинам доступности и размера приемные часы обычно намного дешевле; следовательно, они быстро отклоняются от времени GPS. Этот дрейф приводит к значительным ошибкам дальности в измерениях приемника.

После выхода из спутниковой антенны сигнал GPS должен пройти тысячи километров, чтобы достичь антенны приемника, а затем и схемы приемника.Первая и более продолжительная часть этого путешествия — это пространство, где сигнал сохраняет свои характеристики. Однако, когда сигнал попадает в атмосферу, эта среда вызывает некоторые нежелательные эффекты. Два основных слоя атмосферы, а именно ионосфера и тропосфера, соответственно, будут добавлять задержки во время прохождения сигнала и, следовательно, вызывать некоторые ошибки в измерениях.

Когда он приближается к антенне приемника, сигнал обычно испытывает отражения и эхо, то есть часто отражается от объектов рядом с приемником, вызывая удары по антенне с разных направлений — явление, известное как многолучевое распространение.Многолучевое распространение является одним из основных источников ошибок, ухудшающих сигналы GPS [6]. Все вышеупомянутые помехи являются результатом характера сигнала или среды распространения и считаются непреднамеренными. Преднамеренное ухудшение или замена сигнала во многих случаях является более проблематичным источником ошибок GPS. Один из основных типов преднамеренных ошибок — это глушение сигнала. Подавление сигнала — это преднамеренная помеха, вызванная радиопередачей радиочастотных (РЧ) сигналов в окрестности приемника с целью предотвращения отслеживания истинных сигналов GNSS.

8. Обзор ГЛОНАСС

Как и GPS, ГЛОНАСС предлагает услуги трехмерного позиционирования и навигации как для гражданских, так и для военных пользователей. В этой системе пользователи также определяют свое положение и скорость, используя измерения псевдодальности и фазы несущей. Обе системы используют диапазон времени прибытия (TOA) для определения положения и скорости пользователя [21]. ГЛОНАСС включает в себя три компонента: группировку спутников (эквивалентную космическому сегменту GPS), наземные станции управления (также эквивалентные сегменту управления GPS) и оборудование пользователя (также эквивалентное пользовательскому сегменту GPS) [22].Наземный сегмент состоит из главной станции управления (MCS). Пользовательский сегмент состоит из всех военных и гражданских приемников.

8.1. Космический сегмент ГЛОНАСС

Полная группировка ГЛОНАСС состоит из 24 спутников [21]. По данным [23], на орбите находятся 26 действующих спутников ГЛОНАСС-М, из них 22 находятся в эксплуатации, еще четыре имеют резервный статус. С запуском нескольких спутников ГЛОНАСС-М и спутников ГЛОНАСС-К теперь доступна полная группировка из 24 спутников.

Спутники ГЛОНАСС вращаются вокруг Земли в трех орбитальных плоскостях, равномерно разнесенных на 120 °. Каждая плоскость имеет восемь спутников, разделенных аргументом широты 45 °, и эти спутники имеют угол наклона цели 64,8 °, что значительно выше, чем у спутников GPS. Орбиты ГЛОНАСС очень круглые, с эксцентриситетом меньше, чем у GPS, и ближе к нулю [24]. Спутники ГЛОНАСС имеют радиус 25 510 км, что дает высоту 19 130 км [22]. По сравнению с GPS, ГЛОНАСС имеет более короткий орбитальный период (11 ч 15 мин 40 с) из-за меньшей высоты.Сравнение основных различий между ГЛОНАСС и GPS дается в следующих разделах.

8.2. Сегмент управления ГЛОНАСС

Ключевой задачей станции управления ГЛОНАСС является синхронизация часов спутников со временем ГЛОНАСС и вычисление временного сдвига между временем ГЛОНАСС и UTC [3]. Он также загружает поправки часов, прогнозируемые эфемериды и данные альманаха на спутники ГЛОНАСС. Кроме того, этот сегмент отслеживает состояние текущей группировки ГЛОНАСС и соответствующим образом корректирует параметры орбиты.ГЛОНАСС загружает свои навигационные данные на спутники два раза в день, в то время как это делается один раз в день с помощью GPS [25].

Наземный сегмент управления ГЛОНАСС состоит из двух основных частей: центра управления системой (SCC), расположенного в Москве, и сети командных пунктов слежения (CTS), расположенных на всей территории бывшего Советского Союза (SU). Функции SCC и CTS аналогичны функциям главной станции управления GPS и ее станций мониторинга [22].

8.3. Пользовательский сегмент ГЛОНАСС

Как и в случае GPS, пользовательский сегмент ГЛОНАСС содержит приемное оборудование конечного пользователя, которое отслеживает и принимает спутниковые сигналы.Подобно приемникам GPS, они также обрабатывают сигналы, передаваемые видимыми спутниками, оценивают псевдодальность и скорость изменения псевдодальности по этим сигналам и вычисляют решение положения, скорости и времени (PVT).

9. Модернизация ГЛОНАСС

Конструкция спутника ГЛОНАСС несколько раз улучшалась, в результате чего было создано три поколения спутников: исходный ГЛОНАСС (запущен в 1982 г.), ГЛОНАСС-М (запущен в 2003 г.) и ГЛОНАСС-К (запущен в 2011). В группировку входят два типа космических аппаратов ГЛОНАСС: спутник ГЛОНАСС-М и спутник ГЛОНАСС-К.Ниже приводится краткое описание каждого типа.

9.1. Первое поколение (ГЛОНАСС)

Первое поколение спутников ГЛОНАСС (Ураган) было запущено в 1982 году. Каждый спутник весил около 1250 кг и был оснащен базовой двигательной установкой, позволяющей перемещаться по орбите [26]. Первоначально основная роль ГЛОНАСС заключалась в управлении формированием навигационного сигнала и получении данных спутниковых эфемерид и альманаха. Это поколение больше не используется.

9.2. Второе поколение (ГЛОНАСС-М)

ГЛОНАСС-М, модернизированная версия бывшей группировки, было запущено в 2003 году, имеет более длительный срок службы, около 7 лет и гражданскую модуляцию частотного диапазона L2. Эти изменения улучшили навигационные характеристики, предоставили обновленные навигационные радиосигналы и повысили стабильность этих сигналов [27].

9.3. Третье поколение (ГЛОНАСС-К)

Значительные улучшения произошли в 2011 году с запуском третьего поколения ГЛОНАСС-К.Среди этих изменений — увеличение срока службы спутников до десяти лет и уменьшение их веса вдвое [22]. Также была улучшена точность: каждый спутник передает пять навигационных сигналов вместо двух. Эти новые спутники были предназначены для передачи четырех военных сигналов на несущих L1 и L2 и одного гражданского сигнала на частоте L3. Спутники ГЛОНАСС-К передают другие сигналы; два из них совместимы с навигационными сигналами GPS / Galileo. Добавление сигналов CDMA улучшило совместимость и обеспечило возможность взаимодействия с услугами, предоставляемыми другими GNSS, что проложило путь для производства приемников, используемых со всеми GNSS [23].В таблице 2 показано, как система обновлялась за эти годы.

Таблица 2.

Дорожная карта модернизации системы ГЛОНАСС.

10. Характеристики сигнала ГЛОНАСС

Документ управления интерфейсом ГЛОНАСС (ICD), хранящийся в Российском институте космической техники, содержит подробную информацию о структуре радиосигналов ГЛОНАСС [22]. В отличие от GPS, ГЛОНАСС использует множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA) для модуляции сигнала. Этот метод использует один и тот же код псевдослучайного шума (PRN) для всех спутников для создания сигнала с расширенным спектром.GPS, с другой стороны, использует множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA) для идентификации каждого отдельного спутника. FDMA обеспечивает лучшее подавление помех для узкополосных сигналов помех по сравнению с CDMA. В CDMA один источник узкополосных помех может нарушить все спутниковые сигналы GPS одновременно, такие помехи влияют только на один сигнал FDMA ГЛОНАСС за раз. Однако недостатком FDMA является то, что он требует большего спектра, чем системы CDMA. ГЛОНАСС использует L1 в диапазоне 1602.0–1615,5 МГц и L2 в диапазоне 1246,0–1256,5 МГц для передачи кода C / A и P кода.

10.1. Частотный план ГЛОНАСС

Номинальные значения несущих частот L1 и L2 выражаются как [22]

fk1 = f01 + KΔf1E3

fk2 = f02 + KΔf2E4

, где K — номер частотного канала сигналов, передаваемых спутниками ГЛОНАСС. в поддиапазонах L1 и L2:

f01 = 1602 МГц; Δf1 = 562,5 кГц для поддиапазона L1

f02 = 1246 МГц; Δf2 = 437,5 кГц для поддиапазона L2

Каждый спутник имеет стандартную номинальную частоту с значение 5.0 МГц, который генерирует несущие частоты L1 и L2. Система использует 12 каналов для переключения между 24 работающими спутниками. Противоположные спутники в одной плоскости орбиты разделены аргументом широты 180 °, как показано на Рисунке 7 [26].

Рис. 7. Противоположные спутники

ГЛОНАСС [3].

10.2. Структура сигнала ГЛОНАСС

Спутники ГЛОНАСС также передают два кода PRN: код грубого обнаружения (C / A) и код точного обнаружения (P). Код C / A передается только на частоте L1, а код P передается на частотах L1 и L2.ГЛОНАСС использует двухфазную модуляцию для объединения несущего сигнала с суммированием по модулю 2 кода PRN со скоростью 511 кГц, навигационного сообщения со скоростью 50 бит / с и вспомогательной меандровой последовательностью 100 Гц [21].

Спутники ГЛОНАСС-К также передают новые сигналы CDMA в L3-диапазоне на несущей частоте 1202,025 МГц [23]. Скорость передачи микросхем для кода дальности составляет 10,23 Мбит / с, и он повторяется каждые 1 мс. Новый сигнал, однако, использует метод квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) с синфазным каналом, выделенным для данных, и квадратурным каналом для пилотной информации.Этот спектр сигнала изображен на рисунке 8.

Рисунок 8.

L3 спектр сигнала CDMA [23].

10.3. Код ранжирования стандартной точности (код C / A)

Код C / A представляет собой 511-битную двоичную последовательность, которая модулируется на несущей частоте с частотой дискретизации 0,511 МГц и, таким образом, повторяется каждую миллисекунду [3]. Он получается из седьмого бита девятиразрядного регистра сдвига. Код описывается неприводимым многочленом 1 + x ⁵ + x ⁷ .Начальное состояние определяется как каждый бит, содержащий значение «1» [22].

10.4. Код дальности с высокой точностью (P-код)

P-код ГЛОНАСС представляет собой двоичную последовательность длиной 5,11 миллионов бит. Он модулируется несущим сигналом с частотой 5,11 МГц и, следовательно, повторяется каждые 1 с [3].

10,5. Внутрисистемные помехи

Внутрисистемные помехи в ГЛОНАСС возникают из-за свойств взаимной корреляции кодов определения дальности и используемого метода FDMA [22]. Помехи действительно возникают внутри приемника между сигналами, передаваемыми по частотному каналу K = n, и сигналами, передаваемыми по соседним каналам K = n + 1 и K = n — 1.Другими словами, эта интерференция возникает, когда спутники с соседними частотами видны одновременно.

10.6. Навигационное сообщение ГЛОНАСС

Навигационное сообщение содержит немедленные и не немедленные данные. Он транслируется со спутников ГЛОНАСС со скоростью 50 бит / с, чтобы предоставить пользователям данные, необходимые для определения местоположения, времени и планирования наблюдений [22].

Непосредственные данные содержат информацию о спутниках ГЛОНАСС. Это трансляция навигационного сигнала, который включает в себя в основном счет спутникового времени и разницу между бортовой шкалой времени спутника и временем ГЛОНАСС.Разница между несущей частотой спутникового сигнала и его номинальным значением также включается в эти данные вместе с эфемеридами и другими параметрами.

Непосредственные данные, с другой стороны, содержат информацию об альманахе системы. Данные альманаха предоставляют информацию о статусе всех спутников в текущей группировке, грубые корректировки бортовой шкалы времени для каждого спутника относительно времени ГЛОНАСС. Данные альманаха также содержат информацию об орбитальных параметрах всех спутников (орбитальный альманах) и поправку ко времени ГЛОНАСС по отношению к UTC (SU) и некоторым другим параметрам [22].

11. Сравнение GPS и ГЛОНАСС

В этом разделе дается краткое сравнение GPS и ГЛОНАСС. Важно понимать сходства и различия между GPS и ГЛОНАСС, в частности, при объединении их в одну навигационную службу или решение. Основные различия между обеими системами связаны со структурой созвездия, системой отсчета времени, системой координат и методом модуляции или мультиплексирования сигнала. В следующих подразделах кратко описаны системы координат и времени GPS и ГЛОНАСС.

11.1. Системы отсчета времени

И GPS, и ГЛОНАСС имеют свои собственные системы времени; Таким образом, преобразование времени из времени ГЛОНАСС во время GPS или наоборот непросто. Самый важный фактор, который необходимо учитывать при обработке данных комбинированных GPS и ГЛОНАСС, — это разница между двумя временными шкалами.

11.2. Система времени ГЛОНАСС

Как видно из таблицы 2, суточная стабильность спутниковых часов для ГЛОНАСС, ГЛОНАСС-М и ГЛОНАСС-К лучше, чем 5 × 10 ⁻¹³ , 1 × 10 ⁻¹³ и 5 × 10 ⁻¹⁴ соответственно.Временной сдвиг между временем ГЛОНАСС и национальным эталонным временем UTC (SU) составляет 3 часа ICD (2008):

tGLONASS = tUTCSU + 03h00minsE5

Следующее выражение используется для выравнивания эфемерид спутников ГЛОНАСС в одном случае с измерениями, приведенными в UTC. (SU):

tGLONASS = t + τc + τntb − γntbt − tbE6

, где

1. t время передачи навигационного сигнала по бортовой шкале времени,

2. τ _c корректировка шкалы времени ГЛОНАСС до Время UTC (SU),

3. t _b индекс временного интервала в пределах текущего дня,

4. τ _n (t _b ) поправка к n-му спутниковому времени относительно времени ГЛОНАСС в момент времени t _b ,

5. γ _n (t _b ) относительное отклонение прогнозируемого значения несущей частоты n-спутника от номинального значения в момент времени t _b .

Спутники ГЛОНАСС-М передают разницу между шкалой времени GPS и ГЛОНАСС (которая никогда не превышает 30 нс) [22].

11.3. Преобразование времени

Время ГЛОНАСС может быть преобразовано в время GPS по следующей формуле [27]:

tGPS = tGLONASS + τc + τu + τgE7

, где

τc = τUTCSU − tGLONASSE8

τu =

− tUTC9 τg = tGPS − tUTCE10

При комбинированной обработке данных GPS / ГЛОНАСС необходимо учитывать различия между этими временными шкалами.В противном случае вносятся систематические ошибки, которые повлияют на комбинированное решение позиционирования.

В таблице 3 приведены основные параметры GPS и ГЛОНАСС, которые необходимо учитывать при объединении обработки данных GPS / ГЛОНАСС.

Эфемериды широковещательной передачи

, скорость, ускорение

900 900 Таблица.

Сравнение GPS и ГЛОНАСС.

12. Преимущества комбинированного GPS и ГЛОНАСС

Во многих случаях, например, при навигации в городских или горных районах, во время высокодинамичных летательных аппаратов или под влиянием помех видимость спутника становится проблемой. В таких ситуациях включение в навигационную систему группировок GPS и ГЛОНАСС может значительно повысить точность навигационного решения. Объединение обеих систем в одно навигационное решение дает следующие существенные преимущества:

• Повышенная наблюдаемость спутников

• Заметное увеличенное пространственное распределение видимых спутников

• Пониженные факторы снижения точности (DOP) по горизонтали и вертикали

С другой стороны, при объединении ГЛОНАСС и GPS следует учитывать следующие факторы:

• Различные аспекты данных навигации ГЛОНАСС и GPS

• Различия между опорными системами координат, используемыми в ГЛОНАСС и GPS

• Смещение шкалы времени между ГЛОНАСС и GPS

13.Заключение

Спрос на услуги и приложения GNSS быстро растет. К счастью, у нас есть более доступные GNSS, обеспечивающие лучшую функциональность и более широкий охват. Среди них GPS и ГЛОНАСС на момент написания полностью функциональны. В этой главе мы дали общий обзор обеих систем, обсудили структуру системы и характеристики сигнала, а также представили обзор новых функций ГЛОНАСС, предназначенных для исправления недостатков GPS. В конце главы приводится краткое сравнение ГЛОНАСС и GPS, в котором подчеркиваются преимущества объединения обеих систем вместе.

.

источников ошибок GNSS | IntechOpen

GNSS-сигналы имеют очень низкую мощность и, следовательно, подвержены нескольким источникам шума и ошибок. Диапазон, измеренный приемником GNSS, загрязнен этими ошибками, поэтому его называют псевдодальностью . Общее уравнение наблюдения псевдодальности выражается следующим образом:

, где Prs — псевдодальность между спутником s и приемником r . ρrs — истинный геометрический диапазон, c — скорость света, а dtr и dTs представляют ошибки приемника и спутниковых часов в секундах.Символ I обозначает ионосферную задержку, а T — тропосферную задержку в метрах. Наконец, ε объединяет ошибки из-за многолучевости и шума приемника.

В этом разделе ошибки GNSS будут классифицированы в зависимости от характера самой ошибки. Ошибки, связанные с синхронизацией как на спутнике, так и на приемнике, группируются как ошибки, связанные с часами. Ошибки распространения сигнала объединяют атмосферные ошибки, ошибки многолучевого распространения и влияние относительного движения между спутником и приемником.Параметры орбиты спутника, необходимые для расчета положения и скорости спутника, оцениваются на контрольном участке. Эти параметры отправляются на спутники GNSS для передачи в навигационном сообщении. Эта ошибка оценки сочетается с эффектом шума приемника как системные ошибки. Последний тип ошибок GNSS — это преднамеренные ошибки. Однако эти ошибки являются преднамеренными и могут нанести вред; к ним относятся подавление сигналов и спуфинг.

2.1. Ошибки, связанные с часами

Приемники генерируют измерения в основном на основе измерения времени [3].Действительно, время занимает центральное место в системах GNSS; поэтому спутники GNSS оснащены очень точными и, следовательно, очень дорогими часами [4]. Несмотря на свою точность, часы спутников все же немного отклоняются от времени GNSS. По причинам доступности и размера приемные часы обычно намного дешевле; следовательно, они быстро уходят от времени GNSS. Этот дрейф приводит к резким ошибкам дальности в измерениях приемника. Соответственно, важно исправить или компенсировать ошибки синхронизации в сигнале GNSS.Эти ошибки часов можно резюмировать следующим образом:

2.1.1. Ошибки спутниковых часов

Есть три фактора, которые могут повлиять на спутниковые часы GNSS: стабильность, релятивистские эффекты и временная групповая задержка.

Стабильность часов: Стабильность спутниковых часов составляет примерно 1-2 части из 10 ¹³ в сутки, что составляет примерно от 8,64 до 17,28 нс в сутки. Это эквивалентно ошибке диапазона от 2,59 м до 5,18 м [5]. Эта нестабильность dTs ‘ моделируется с использованием квадратичной функции:

dTs’ = af0 + af1t − toc + af2t − toc2E2

, где t — время GPS приемника, toc — эталонное время эпохи, af0 — это смещение тактовой частоты, af1 — коэффициент ухода тактовой частоты, а af2 — коэффициент скорости ухода тактовой частоты.Значения toc, af0 , af1 и f2 получены из широковещательного навигационного сообщения.

Релятивистские эффекты: Часы на борту спутника будут подвержены влиянию как общей, так и специальной теории относительности. В конечном итоге эти часы будут работать быстрее, чем те же часы на Земле, примерно на 38,4 мкс / день. В пересчете на скорость света это эквивалентно ошибке дальности около 11512 м. Чтобы компенсировать этот эффект, перед запуском в тактовую частоту спутника вносится соответствующее смещение [4].Однако остается остаточный эффект из-за некруглой орбиты спутника, который следует компенсировать на стороне пользователя. Эта релятивистская поправка Δtr рассчитывается по [6].

Δtr = −2c2μaesinEE3

, где c — скорость света, μ = 3,986005 x 10 ¹⁴ м ³ / с ² — универсальный гравитационный параметр Земли для GPS, a — большая полуось Земли, e — это эксцентриситет орбиты спутника, а E — эксцентричная аномалия орбиты спутника.Если орбита была идеальной окружностью, этот эффект равен нулю, так как эксцентриситет равен нулю. Например, для эксцентриситета 0,015 максимальное значение будет 16,8 нс, что соответствует примерно 5 м. Другое альтернативное уравнение к уравнению. (3) заключается в использовании положения и скорости спутника для расчета релятивистской поправки по следующей формуле [7]:

Δtr = −2rs.vsc2E4

, где rs.vsis — скалярное произведение векторов положения и скорости спутника.

Групповая задержка по времени (TGD): поправки спутниковых часов в навигационном сообщении относятся к одному сигналу GNSS или комбинации сигналов.В случае GPS этот сигнал представляет собой не зависящую от ионосферы комбинацию кодов в полосах частот L1 и L2. В случае одночастотного режима необходимо внести поправку для компенсации смещения смещения между L1 и комбинационными сигналами, не зависящими от ионосферы. Это исправление также предоставляется в навигационном сообщении, которое называется групповой задержкой по времени (TGD) [7].

Общая ошибка спутниковых часов теперь рассчитывается как сумма трех членов:

dTs = dTs ‘+ Δtr + TGDE5

2.1.2. Ошибки часов приемника

Приемники GNSS оснащены недорогими кварцевыми часами, точность которых ниже, чем у спутниковых часов [8]. В результате ошибка часов приемника намного больше, чем ошибка спутниковых часов GNSS. Есть два способа решить эту проблему. Один из них — использовать внешние точные часы, обычно цезиевые или рубидиевые, которые имеют превосходные характеристики, но проблема в том, что они очень дороги, поскольку стоят от нескольких тысяч долларов до примерно 20 000 долларов [4].

Другое решение, которое является гораздо более распространенным, состоит в том, чтобы удалить эту ошибку путем различения спутников или путем оценки ошибки как дополнительного неизвестного параметра в процессе оценки местоположения. Последнее решение призвано сделать цены на приемники доступными [2]. Добавление смещения часов приемника к набору неизвестных, в дополнение к трем параметрам положения, устанавливает ограничение минимум четырьмя видимыми спутниками вместо трех для получения решения от приемника.

Чтобы ошибка часов приемника не становилась слишком большой, производители приемников применяют механизм управления часами. Для этого используются два основных подхода [9]. Первый метод — это непрерывное управление, чтобы погрешность часов оставалась в приемлемом диапазоне. Другой метод — это скачок времени, при котором смещение часов регулируется только тогда, когда ошибка достигает определенного порога. Хотя смещение часов оценивается как неизвестный параметр в фильтре оценки, его все же следует удерживать в определенных пределах.Причина этого в том, что часы приемника используются для временной отметки выхода приемника. Эта метка времени должна иметь минимальный уровень точности для синхронизации времени между различными системами.

2.1.3. Межсистемные смещения

Одним из способов повышения точности и доступности решения GNSS-приемника является использование всех наблюдений из всех доступных созвездий GNSS. GPS и российская глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС в настоящее время являются полностью действующими системами с глобальным покрытием, в то время как другие системы в настоящее время развиваются для достижения глобального покрытия, такие как европейские системы Galileo и китайские системы BeiDuo.

Каждая GNSS имеет свою собственную систему синхронизации, и, следовательно, существуют некоторые межсистемные смещения часов, которые следует учитывать при работе с системой с несколькими созвездиями. Это может быть достигнуто путем введения новых неизвестных, которые представляют разницу во времени между добавленным временем созвездия GNSS и временем GPS [10]. Например, если измерения ГЛОНАСС должны использоваться, то смещение часов приемника в формуле. (1) теперь можно представить как dtr = dtr, GPS + dtr, GPS-GLONASS. Поскольку количество неизвестных увеличивается до пяти, для этого потребуется минимум пять видимых спутников от обеих группировок.

2.2. Ошибки распространения сигнала

Во время распространения сигнала Земля вращалась бы, вызывая относительный сдвиг между местоположениями спутника и приемника во время передачи сигнала и времени приема сигнала. Если это не учитывать, это относительное расстояние, известное как эффект Саньяка, вызовет дополнительную ошибку в измеряемом диапазоне.

Кроме того, сигнал GNSS проходит большое расстояние между спутником и приемником. Первая и самая длинная часть пути сигнала GNSS проходит через пространство, где сигнал сохраняет свои первоначальные характеристики, главной из которых является его постоянная скорость.Однако на более низких высотах сигнал будет испытывать некоторые возмущения, например, ионосферные и тропосферные эффекты. Более того, на последнем участке пути прохождения сигнала сигнал GNSS поступает непосредственно в приемник либо через одиночные или множественные отражения от окружающих объектов. Этот эффект многолучевого распространения не является детерминированным и может значительно ухудшить сигнал. В этом разделе рассматриваются факторы, которые влияют на сигнал на протяжении всего пути между спутником и приемником.

2.2.1. Эффект Саньяка

Эффект Саньяка — это релятивистская ошибка, вызванная вращением Земли во время распространения сигнала между спутником и приемником [11]. Параметры эфемерид, полученные из навигационного сообщения, предоставляют информацию о местоположении спутника, выраженную в кадре с привязкой к Земле (ECEF) во время передачи сигнала. Однако во время прохождения сигнала Земля могла бы вращаться (см. Рисунок 2) и, следовательно, кадр ECEF; следовательно, необходима поправка, чтобы выразить положение спутника в кадре ECEF во время приема сигнала, а не во время передачи [2].Величина вращения кадра во время прохождения сигнала составляет we (tr-tt), , где we — скорость вращения Земли, tr — время приема сигнала, а tt — время передачи сигнала.

Рисунок 2.

Эффект Саньяка.

Хотя эта ошибка не наблюдается непосредственно в уравнении. Согласно формуле (1) он присущ вычислению геометрического диапазона ρrs. Геометрический диапазон рассчитывается как разница между положением приемника и положением спутников, и, добавив поправку Саньяка, его можно записать как

ρrs = rrtr − Rzwetr − tt⋅rsttE6

, где r _r — это вектор положения приемника, а r _s — вектор положения спутника, оба в кадре ECEF.⋅ — норма, оператор, а Rzθ — матрица вращения координат вокруг оси z кадра ECEF на угол θ, который определяется как

Rzθ = cosθsinθ0 − sinθcosθ0001E7

. 30 м [12].

2.2.2. Ошибки ионосферы

Когда сигнал достигает высоты около 1000 км над поверхностью Земли, он проникает в верхний слой атмосферы, а именно ионосферу (см. Рисунок 3). Этот слой атмосферы включает различные типы газов, которые легко ионизируются солнечным излучением [4].Интенсивность солнечной активности является ключевым фактором, определяющим состояние ионосферы, но на нее также влияют сезон и время суток. Соответственно, эти три параметра определяют уровень ионизации, тем самым изменяя показатели преломления слоев ионосферы, тем самым влияя на время прохождения сигнала, измеряемое приемником [8].

Рисунок 3.

Среда распространения сигнала GPS [18].

Ионосфера действует как дисперсионная среда, а это означает, что ионосферная задержка зависит от частоты.Эта задержка представляет собой одну из значительных ошибок определения дальности при определении местоположения GNSS и в некоторых ситуациях может достигать значения 300 нс (100 м) [13]. Ионосферная задержка первого порядка I , в метрах, представлена ​​уравнением:

I = 40,3ECTECf2E8

, где TEC — полное электронное содержание, которое определяется как количество электронов в трубке из 1 m ² сечение в направлении распространения сигнала, а f — частота сигнала.

Для двухчастотных приемников, использующих комбинации сигналов, не зависящих от ионосферы, эта ошибка первого порядка может быть устранена, а вместе с ней и 99,99% ионосферной задержки [14]. С другой стороны, в одночастотных приемниках ионосферная задержка должна быть смоделирована или оценена. Самый простой способ — использовать модели вещания, передаваемые в сообщении спутниковой навигации, такие как модель Клобучара GPS [13] и модель Galileo NeQuick [15]. Тем не менее, эти модели могут исправить приблизительно 50% среднеквадратичной ошибки ионосферы; даже самая точная теоретическая модель может исправить только до 80% этой ошибки [13].

Другой подход заключается в использовании сети глобальных или локальных двухчастотных приемников для оценки ионосферных поправок в сеточной модели. Эта сеть обычно оценивает вертикальное TEC (VTEC) и отправляет эти поправки пользователям. Поправки спутниковой сети функционального дополнения (SBAS), предоставляемые Американской системой расширения зоны действия (WAAS), являются примером таких поправок. VTEC можно использовать для получения общего наклонного ПЭС через коэффициент угла наклона, который учитывает влияние угла места спутника [16].Если одночастотный приемник может принимать эти поправки, моделирование ионосферной ошибки будет более точным, чем использование моделей радиовещания.

2.2.3. Ошибки тропосферы

Следующий шаг — прохождение сигнала через тропосферу, самую нижнюю часть атмосферы, простирающуюся от поверхности Земли до максимальной высоты 20 км над уровнем моря (см. Рисунок 3). Эта часть атмосферы состоит из сухих газов и водяного пара [16]. Так как тропосфера является преломляющим слоем, она также задерживает сигналы GNSS; однако, будучи электрически нейтральным, этот слой не является дисперсионным для некоторых частот ГНСС [10].Задержка в тропосфере состоит из двух компонентов: влажной и сухой. Мокрый сложно смоделировать, но, к счастью, на него приходится всего 10 процентов задержки. Сухой, отвечающий за остальную задержку, легче смоделировать. Задержка в тропосфере не зависит от частоты; поэтому, в отличие от ионосферной задержки, ее нельзя устранить путем объединения измерений по сигналам GPS L1 и L2. В зависимости от высоты спутника, задержка в тропосфере составляет от 2,5 м до 25 м к измерениям дальности [4].

Для обеспечения точности на уровне метра можно использовать несколько моделей для уменьшения общей тропосферной ошибки, например, модель Хопфилда и модель Саастамойнена. Эти модели обычно вычисляют зенитную задержку (для угла места = 0), а затем используют функцию отображения для получения общей наклонной задержки в зависимости от угла места спутника [17]. Для приложений, которым требуется более высокий уровень точности оценки тропосферной ошибки, моделируется сухой компонент, а зенитный влажный компонент оценивается как дополнительная неизвестная в навигационном фильтре.

2.2.4. Ошибки из-за многолучевого распространения

По мере приближения сигнала к антенне приемника он часто может еще больше ухудшиться. В нескольких сценариях сигнал может достигать антенны приемника более чем по одному пути (см. Рисунок 4) из-за отражений сигнала от окружающих конструкций или земли [19]. Обычно один из полученных сигналов является сигналом прямой видимости (LOS) вместе с одним или несколькими его эхо-сигналами, которые являются задержанными версиями исходного сигнала. Эти отложенные версии накладываются на сигнал LOS, что может значительно исказить желаемый сигнал LOS.Эффект многолучевого распространения зависит от окружающей среды и относительного движения спутникового приемника. Более того, как правило, этот эффект нельзя устранить с помощью дифференциального позиционирования — даже для близко расположенных приемников. Следовательно, ошибка из-за многолучевого распространения может ограничивать точность позиционирования, даже если другие источники ошибок были удалены. В самых тяжелых условиях ошибка многолучевого распространения может вызвать ошибку псевдодальности до 100 м [3].

Рис. 4.

Сигналы прямой видимости (прямые) и многолучевые (непрямые) [18].

Одним из решений, позволяющих избежать этого источника ошибок, является размещение приемной антенны в месте, где отсутствуют отражения; однако это не всегда практично, особенно когда приемник GNSS находится на движущейся платформе. Другой способ уменьшить ошибку из-за многолучевого распространения — использовать конструкцию приемника или антенны. Антенна с «дроссельным кольцом» — одна из самых известных антенн, уменьшающих многолучевость [20]. Другие конструкции были сделаны для сохранения тех же высоких характеристик «дроссельного кольца», но с меньшим весом и меньшими размерами [21].Некоторые современные приемники используют методы, основанные на использовании нескольких антенн или так называемой антенной решетке. С такой технологией приемник может настраиваться на отслеживание только сигнала LOS и блокировать все другие копии сигнала [22]. Эффект многолучевого распространения также можно уменьшить на уровне измерений при обработке данных. Самый простой способ — это взвешивание измерений в соответствии с углом места, поскольку ошибка многолучевого распространения увеличивается при меньших углах места [1]. Более продвинутый подход заключается в обнаружении эффекта многолучевого распространения с использованием информации о фазе кода, такой как наблюдение кода минус несущая.Эти данные могут использоваться для корректировки спутникового взвешивания или даже для отклонения некоторых измерений с серьезными эффектами многолучевого распространения [23].

2.3. Системные ошибки

Некоторые ошибки GNSS возникают из-за общего характера системы, например формы орбитальных плоскостей и конструкции приемника. Эти источники ошибок обсуждаются в этом разделе.

2.3.1. Ошибки орбиты спутника

Приемники вычисляют положение спутника на основе информации, содержащейся в навигационном сообщении, известном как спутниковые эфемериды.Эти параметры эфемерид оцениваются в контрольном сегменте и затем загружаются на спутники. Спутники передают обновленные эфемеридные данные каждые 2 часа; однако эти параметры оцениваются с помощью аппроксимации кривой для прогнозирования орбиты спутника, что оставляет остаточные ошибки относительно реальной орбиты [2]. Этот источник ошибок вносит среднеквадратическую ошибку (RMS) около 2 м [4]. Эта ошибка может быть уменьшена, если доступны поправки глобальной или локальной сети для положения спутника. Эти поправки используются для уточнения поправок к эфемеридам широковещательной передачи и, следовательно, повышения точности.Для постобработки можно использовать более точные эфемериды, доступные в IGS [24], если требуется точность сантиметрового уровня и был использован двухчастотный приемник.

2.3.2. Шум приемника

Шум приемника — это сложная ошибка, возникающая на стороне приемника при измерении спутниковых сигналов. Он охватывает широкий спектр типов шума, включая, помимо прочего, микроволновое излучение, воспринимаемое антенной в интересующем диапазоне, не связанное с сигналом; шум, вносимый такими компонентами системы, как антенна, кабели и усилители; шум квантования сигнала [25].Шум приемника считается белым шумом; следовательно, этого нельзя избежать полностью. Однако с помощью современной технологии приемников этот член сокращается примерно до 0,1–1% цикла в фазе несущей и до d сантиметров в измерениях псевдодальности. Противоречие состоит в том, что шум приемника увеличивается на 2 для наблюдений с одной разностью, в то время как для наблюдений с двойной разностью шум увеличивается вдвое [26]. Иногда используется разность наблюдений для устранения общих ошибок между приемниками, ошибок между спутниками или того и другого.

2.4. Источники преднамеренных ошибок

Некоторые источники ошибок GNSS являются преднамеренными, т. Е. Навязанными поставщиком услуг или атакой на систему. Они обсуждаются в следующих подразделах.

2.4.1. Выборочная доступность

Выборочная доступность связана только с системой GPS среди всех систем GNSS. Выборочная доступность (SA) была намеренным ухудшением характеристик GPS правительством США по соображениям национальной безопасности. Поправки спутниковых часов в эфемеридах вещания были намеренно ухудшены, чтобы снизить точность для гражданского использования GPS до уровня точности 100 м для горизонтального положения [20].Однако 2 мая 2000 года эта функция была прекращена, и США объявили, что больше не будут вводить ее. Более того, новое поколение спутников GPS (GPS III) не будет иметь этой функции, а это означает, что SA больше не может использоваться правительством США [27].

2.4.2. Заглушение сигнала

Преднамеренная помеха во многих случаях является значительным источником ухудшения сигнала GNSS. Преднамеренная помеха, известная как глушение сигнала, вызывается трансляцией вредоносных радиочастотных (RF) сигналов, чтобы предотвратить отслеживание GNSS-сигналов находящимися поблизости приемниками GNSS [11].Типичными прямыми последствиями помех являются сдвиги частоты сигнала в герцах (Гц) и падение мощности сигнала в децибелах (дБ). Эти эффекты, в свою очередь, могут вызвать серьезные ошибки в расчетах местоположения, скорости и времени и даже полностью заморозить приемник, что приведет к отказу в обслуживании. Атака на сигнал GNSS посредством глушения не требует ни сложных знаний, ни сложного оборудования: все, что требуется, — это сигнал большей мощности на той же частоте, чтобы победить сигнал цели [28].Рисунок 5 показывает видимость нескольких спутников в сценарии моделирования открытого неба. На рисунке 6, с другой стороны, показан разрыв (выделенный прямоугольник) в доступности спутников для того же сценария, но когда вставлен сигнал помех. Сигнал помех длился около 1 минуты с мощностью около -70 дБмВт и полосой пропускания 10 МГц вокруг центральной частоты сигнала GPS L1. Сигнал с помехами немного большей мощности может полностью блокировать сигналы от всех находящихся в поле зрения спутников.

Рисунок 5.

Наличие спутников в чистом сценарии.

Рисунок 6.

Нарушение доступности спутника во время наличия сигнала помехи.

Одним из вариантов решения этой проблемы является использование военных (M-Code) приемников или приемников с несколькими созвездиями. Другой вариант — полностью перейти на любые другие доступные навигационные решения [29]. Среди них — система навигации дальнего действия (Loran-C), которая сейчас не активна, но министерство обороны США приводит заслуживающий внимания аргумент в пользу ее повторной активации из-за ее значимости в качестве альтернативы для навигации на основе GPS.Более того, модернизированная версия системы, известная как улучшенный Loran (e-Loran-C), уже была создана и протестирована. Особенностью этой системы является то, что мощность ее сигнала примерно в тысячу раз превышает мощность сигнала GPS. Более того, он использует полностью отличный от GPS диапазон частот. Это делает его защищенным от преднамеренных помех GPS-сигналам. Другой альтернативой являются спутниковые системы функционального дополнения (SBAS) и наземные системы функционального дополнения (GBAS), одобренные Федеральной авиационной системой США (FAA).Эти системы, хотя и локальные, эффективно помогают в устранении сбоев сигнала GPS. Кроме того, они устойчивы к помехам сигнала GPS. Навигационные системы без помех, например, инерциальные навигационные системы (INS), являются отличной альтернативой, на которую можно положиться в условиях помех.

2.4.3. Подмена сигнала

Подмена сигнала GNSS — это создание поддельного сигнала GNSS, который выглядит аутентичным для приемника GNSS. Подмена сигнала более вредна, чем подмена помех, потому что ее нелегко обнаружить.Приемник может быть обманут сигналом спуфинга, который, в свою очередь, влияет на его навигационное решение. Более того, использование методов корреляции для обнаружения спуфинга невозможно, поскольку принятый сигнал статистически коррелирует с подлинным сигналом GNSS, в отличие от случая подавления сигнала [30]. Эффект подделки сигнала при ухудшении качества навигационного решения может иметь серьезные последствия как для военных, так и для гражданских приложений, особенно тех, которые связаны с услугами по охране человеческой жизни.

Продолжаются исследования по поиску надежных методов смягчения последствий атак с подделкой сообщений [31].Один из примеров таких методов основан на направлении прихода сигнала (DOA). Если приемник GNSS и его антенна могут обнаружить сигнал DOA, это можно использовать для отклонения сигнала подделки. Это зависит от того факта, что в большинстве случаев ложный сигнал будет исходить от наземного передатчика и, следовательно, имеет небольшой угол места. С другой стороны, угол возвышения аутентичных сигналов можно предсказать из эфемерид широковещательной передачи [31].

2.6. Снижение точности

Одним из параметров, который не зависит от чистоты измерений, но играет роль в точности определения местоположения, является DOP.Этот фактор зависит от геометрии видимых спутников; чем лучше геометрия, тем ниже DOP и, следовательно, лучше позиционное решение. Рисунок 7 наглядно отображает концепцию DOP. На рисунке 7 (а) показан идеальный случай, когда сигналы от двух спутников будут образовывать круги, которые пересекаются в положении приемника, при условии, что приемник имеет идеальные измерения для сигнала, что никогда не бывает истинным из-за ошибок GNSS. Рисунок 7 (b) представляет собой практический сценарий, в котором неопределенность измерения делает радиусы виртуальных цепей немного неоднозначными.Область пересечения характеризует область возможных положений приемника. Эта область может иметь совершенно другую форму, как на рисунке 7 (c). Это зависит исключительно от геометрии видимых спутников. DOP используется для выбора спутников, которые должны быть включены в расчет местоположения. Идеальный приемник выбрал бы только набор спутников с минимальным DOP [32]. Число DOP не имеет единицы измерения, и для его расчета необходимо знать только положение приемника и спутников, т.е. никаких измерений не требуется [4].Следовательно, DOP может быть вычислен до перехода к плану сбора данных о траектории [2].

Рис. 7.

Снижение точности измерения дальности в 2D. Предоставлено Noureldin et al. [2].

DOP или геометрический DOP (GDOP) — это общий термин для описания геометрии спутников; однако у этого есть подкатегории. Горизонтальное снижение точности (HDOP), вертикальное снижение точности (VDOP) и снижение точности положения (PDOP) — вот лишь некоторые из них.Значения DOP при моделировании с использованием созвездия только GPS показаны на рисунках 8 и 9, соответственно, для областей низких широт (экватор) и областей высоких широт (Северный полюс). Из обоих рисунков видно, что значения DOP на экваторе всегда ниже из-за лучшей геометрии спутника. Также можно отметить, что GPS обеспечивает лучшее HDOP по сравнению с VDOP из-за расположения спутников и их орбит. Точность полученного / ожидаемого решения GPS выражается как произведение коэффициента ошибки псевдодальности (т.е.е., UERE) и геометрический фактор (т.е. DOP) [11]:

Ошибка в решении GPS = коэффициент ошибки псевдодальности × геометрический коэффициент = UERE × DOPE9

Рисунок 8.

Значения горизонтального DOP на низких и высоких широтах.

Рис. 9.

Значения вертикального DOP в низких и высоких широтах.

В качестве примера, значение UERE, равное 9 м, и значение HDOP, равное 1,4, будут указывать на точность положения по горизонтали 12,6 м на уровне двух сигм.

.