ГЛОНАСС/GPS для всех: испытания на точность и доступность позиционирования однокристального приёмника в сложных условиях эксплуатации

Однокристальный GNSS приёмник, который сейчас вышел в серийное производство, был испытан в условиях плотной городской застройки с целью демонстрации преимуществ мультисистемной (ГЛОНАСС и GPS) работы в качестве потребительского приёмника. Применение комбинированной системы ГЛОНАСС/GPS началось с нескольких десятков тысяч приёмников для геодезической съёмки, на данный момент работают миллионы таких потребительских устройств. Благодаря росту количества персональных устройств спутниковой навигации, появлению автомобильных ОЕМ-систем и мобильных телефонов удалось достичь существенных объёмов на рынке в 2011 году. Уверенность в перспективности развития рынка навигационных пользовательских устройств подталкивает производителей высокочастотных специфических компонентов, таких как антенны и ПАВ-фильтры, к увеличению объёмов производства и оптимизации стоимости товаров. Одной из первых российских компаний, которая выпустила на рынок модули, выполненные на основе приемника STM, стала НАВИА. ГЛОНАСС-модули НАВИА уже зарекомендовали себя как надёжные, удобные модули для производства готовых терминалов навигации и управления движущимися объектами. Различные тесты модулей, показали, что ML8088s и GL 8088s отвечают всем заявленным характеристикам производителя и могут успешно применяться в устройствах мониторинга.

Испытания однокристального ГЛОНАСС/GPS приёмника в Лондоне, Токио и Техасе были проведены для того, чтобы показать, что совместное использование всех видимых спутников ГЛОНАСС в купе с GPS даёт лучшую доступность позиционирования в условиях плотной городской застройки, а в случае плохой доступности позиционирования — лучшую его точность.

Очевидно, что мультисистемные приёмники очень востребованы на потребительском рынке. Они могут обеспечить работу по большему числу спутников в условиях «городских каньонов», где в зоне видимости имеется только часть небесной полусферы и требуется высокая надёжность в отсеивании лишних сигналов, когда качество полезных сигналов сильно ухудшено из-за многократных переотражений и аттеньюаций. Далее кратко описываются трудности интеграции системы ГЛОНАСС (и в дальнейшем GALILEO), на основе которой выпускаются экономичные устройства для массового потребителя. Для такого рынка, с одной стороны, стоимость стоит на первом месте, а с другой стороны, предъявляются высокие требования к производительности, связанные с низким уровнем сигнала, ограничением в энергопотреблении, коротким временем «холодного» старта и стабильности позиционирования.

Цель состояла в том, чтобы, используя все доступные спутники, улучшить работу потребительских навигационных устройств в условиях помещений и городской застройки. 2011 год прошёл под эгидой поддержки ГЛОНАСС, развитие данной спутниковой системы опережает GALILEO примерно на три года. При проектировании приёмников, важно было преодолеть проблемы несовместимости аппаратной поддержки ГЛОНАСС и GPS. То есть частотно-модулированный сигнал ГЛОНАСС потребовал более широкой полосы частот, чем сигналы импульсно-кодовой модуляции, используемые GPS, полосовых фильтров с разными центрами частот и разной скоростью передачи элементов сигнала. И все это — без значительного увеличения стоимости приемника.

При идеальных условиях эксплуатации, спутники из дополнительных группировок будут малоэффективны, так как доступность позиционирования[1] приближается к 100 процентам при использовании только GPS. Присутствие в ионосфере используемых для позиционирования семи, восьми или девяти спутников в режиме фиксации минимизирует суммарную ошибку и дает правильные координаты.

В экстремальных условиях эксплуатации применение только GPS позволяет определить положение, но использование при этом только трёх, четырёх, пяти спутников, сосредоточенных в узкой части небесной полусферы, приводит к плохим значениям DOP[2]. Увеличение числа спутников значительно повышает точность, вследствие чего улучшается DOP и усредняется количество многолучевых ошибок. Ограничение числа позиционируемых спутников приводит к наложению многолучевых ошибок на определение координат усиливаемых DOP. Добавление второй или третьей спутниковой группировки предполагает расширение числа видимых спутников, и таким образом, в процессе определения координат участвует большее количество спутников, что приводит к уменьшению ошибок.

Поэтому в экстремальных условиях, где использование только GPS недостаточно, дополнительное применение спутников ГЛОНАСС (и в дальнейшем GALILEO) повышает доступность позиционирования до 100% (за исключением подземных туннелей).

Фактически, доступность – это самоулучшающаяся петля положительной обратной связи: поскольку спутники постоянно отслеживаются, то, даже будучи отклонении их от участия в текущем решении задачи позиционирования с помощью алгоритмов RAIM[3]/fault и FDE, не требуется повторного их поиска — они уже стали доступными для применения ранее. Если процесс позиционирования не прерывается, то можно продолжать точно предсказывать фазы для спутников с закрытыми препятствиями, что позволяет осуществлять мгновенное использование их при выходе «из тени», так как при этом не требуется приём дополнительной информации для их поиска и фиксации.

Дополнительные видимые спутники очень важны для потребителя, в частности, — как пример, при «self-assistance» («самообслуживании»), когда минимальная группа представлена пятью спутниками, а не тремя-четырьмя, чтобы автономно установить, что все спутники «правильные», с использованием методов автономного контроля целостности приёмника (RAIM). «Самообслуживание» имеет ещё более значительные преимущества у ГЛОНАСС: не нужно никакой инфраструктуры типа assisted-серверов, всегда приводящих к задержке в обслуживании. Метод ГЛОНАСС передачи параметров спутниковых орбит в Кеплеровском формате также очень подходит для алгоритма «самообслуживания».

 

Значение испытаний

Предыдущие попытки охарактеризовать преимущества мультисистемных устройств в городских условиях были приостановлены в связи с необходимостью использования профессиональных приёмников, не предназначенных для таких уровней сигнала, а также пришлось бы получать отдельные результаты для каждой группы или пожертвовать одним из спутниковых измерений для измерения времени. Эти обстоятельства не позволили продолжить испытания устройств, которые были запланированы для выхода на массовый рынок.

Выход нового мультисистемного решения имеет большое значение, так как тестируемый приёмник является по-настоящему массовым устройством, если он имеет повышенную чувствительность и полностью готовый как для измерения, так и для вычисления. Таким образом, автор этой статьи впервые сообщает абсолютно достоверные результаты испытаний.

 

Предыстория

Испытания проводились на однокристальном приёмнике GNSS Teseo-II (STA-8088). Краткая история: это продукт 2009 года выпуска, производства STM, основанный на Cartesio+ с уже включенными функциями GPS/GALILEO и процессором цифровых сигналов (DSP), он был готов для имплантирования функции ГЛОНАСС, что привело к созданию чипа Teseo-II (продукт 2010 года). Результаты испытаний с реальными спутниковыми сигналами были получены на Baseband-чипе в FPGA реализации уже в конце 2009 года, а в 2010 году – уже при использовании готового чипа.

Текущий дизайн потребовал введения дополнительных незначительных доработок схемы. Необходимые аппаратные и программные изменения DSP являлись небольшими и включены в следующее запланированное обновление схемы TeseoII. Реализация схемы RF-части потребовала гораздо большего внимания, чем двухканальная схема с каскадом промежуточной частоты (IF) и аналого-цифровой преобразователем (ADC), с дополнительным преобразованием частоты и более широкой полосы частот фильтра IF. Но, так как область кристалла с находящейся на ней RF-частью в общем объеме очень мала, то даже 30% увеличения схемы здесь незначительны для всей схемы. В соответствии с тем, что дизайн чипа рассчитан на общую однокристальную систему (RF и BB, от антенны до позиционирования, скорости и синхронизации (PVT)), поэтому общая площадь кристалла для 65-нанометрового процесса очень мала.

С коммерческой точки зрения, включение всех трёх спутниковых групп (GPS/ГЛОНАСС и GALILEO) в одну микросхему ново для потребителя. Многие из присутствующих на российском рынке компаний остановились на двухсистемном подходе, лишь бы удовлетворить требованиям правительства РФ о необходимости работы в системе ГЛОНАСС. Они не задумывались о будущем глобально, когда в мире будет присутствовать несколько группировок позиционирования и возможно каждая из стран — участниц этого процесса будет выдвигать в дальнейшем требования к преимущественному использованию своей – родной — системы.

В этом плане решение Teseo-II является революционным, т.к. заранее подготовлено к такому сценарию и уже сейчас может принимать системы ГЛОНАСС/GPS/GALILEO/QZSS и SBAS.

Технически, включение в группу независимых каналов приёма и обработки системы ГЛОНАСС — тоже новинка, в то время как комбинация GPS/GALILEO – уже стандартная практика. Для достижения такой гибкости также потребовались новые технические решения, учитывающие различающиеся аппаратные RF задержки, различия в скорости передачи сигналов. В дополнение к этому, существуют уже ставшие хорошо известными коррекция универсального глобального времени (UTC) и проблема коррекции геоида.

Прямой переход на одночиповое решение (RF + Baseband + CPU) встречается нечасто: это важный технологический прорыв. Доверие к этому шагу обусловлено опытом использования RF части и отработанной схемой Baseband процессора. За основу были взяты внешний RF интерфейс STA5630 и модифицированный GPS/GALILEO DSP, которые ранее были применены в Cartesio+.

Надёжность использования STA5630/Cartesio+ была доказана при массовом производстве в виде отдельных схем еще до выхода однокристальных решений «три-в-одном».

В отличие от двухчиповых решений GPS/ГЛОНАСС модулей, присутствующих на российском рынке, одночиповое решение от STMicroelectronics (Teseo-II) STA8088FG обладает гораздо большей надёжностью, помехозащищенностью, меньшим энергопотреблением и конечно, меньшими размерами (модуль ML8088s имеет размеры 13 х15 мм).

Поддержка ГЛОНАСС и GALILEO – это шаг вперед относительно предыдущего поколения аппаратной части RF. GALILEO совместим с GPS и, поэтому можно было использовать существующую схему, а ГЛОНАСС потребовал дополнительных изменений. См. рисунки 1 и 2.

Рисунок 1. Изменения RF для поддержки ГЛОНАСС

 

Рисунок 2. Изменения Baseband части для поддержки ГЛОНАСС

 

В RF-части, LNA, RF-усилитель и первый смеситель были объединены в один канал. Это позволило сэкономить на количестве выводов чипа и свести к минимуму энергопотребление. Более того, это позволило сохранить внешние издержки для производителей оборудования. Сигнал ГЛОНАСС, сниженный в первом смесителе до 30 МГц, поступает в канал вторичной обработки (показан коричневым цветом) и микшируясь до 8 МГц, подаётся на отдельный ADC и, далее в Baseband часть.

В Baseband части предусматривается дополнительный предварительный каскад обработки (обозначен коричневым цветом), который преобразует сигнал в 8 МГц, что необходимо для подачи в Baseband и пропускает полученный сигнал через режекторный фильтр защиты от заградительных помех, а также снижает частоту дискретизации до стандартного значения 16, пригодной для обработки в аппаратном обеспечении DSP.

Существующие устройства захвата и каналы слежения могут выбрать куда и когда принять сигналы GPS/GALILEO или ГЛОНАСС, что делает очень гибким распределение каналов по отношению к спутниковым группировкам.

Менее заметным, но очень важным моментом по отношению к производительности системы является программное обеспечение, которое контролирует данные аппаратные ресурсы, во-первых, чтобы замкнуть петли PLL слежения и провести измерения, а во-вторых, фильтр Кальмана, который преобразует измеренное в данные PVT, необходимые пользователю.

Все это претерпело структурную модификацию, чтобы обеспечить поддержку работы со многими спутниковыми группировками, а не только с ГЛОНАСС. В этом случае расширение программного обеспечения для приёма будущих глобальных навигационных систем станет этапом эволюционного развития, и не потребует серьезных доработок самого кристалла.

Программное обеспечение работало на реальном кристалле с 2010 года, но при использовании сигналов от любого симулятора или статических установленных на крыше антенн, были доступны только GPS данные, которые были настолько хороши, что не позволяли каких-либо манёвров для исследования по улучшению системы. В начале 2011 года стали доступны предпроизводственные образцы чипов и отладочные платы с антеннами в корпусе, что сделало возможным проведение мобильных полевых испытаний во всем мире.

 

Фактические результаты

До рождения кристалла с мультисистемным приёмом, результаты уже были видимы по пред-варительным испытаниям, проведенных с использованием профессиональных приемников с раздельными измерениями GPS и ГЛОНАСС. Тем не менее, эти испытания не дали хороших данных для потребительского приемника, потому что они показали низкую чувствительность. Приемники требовали достаточно чистого сигнала для управления PLL, но это нельзя было сделать в условиях города, и что самое главное, приемники создавали два отдельных решения при наличии постоянного дополнительного спутника для решения межсистемных различий во времени. Несвязанные решения не позволяли предсказывать положение спутников одной группировки за счёт вычисления их положения, опираясь на координаты, рассчитанные с применением другой, что является одним из главных преимуществ мультисистемных приёмников GNSS.

Моделирование видимых спутников было поведено в 2010 году в условиях плотной городской застройки в Италии, центре Милана. Результаты, усредняемые каждую минуту за полные 24 часа представлены в Таблице 1. Среднее число видимых спутников увеличивалось от 4,4 только с GPS, до 7,8 для GPS+ГЛОНАСС, с количеством точек «без фиксации позиции» (No Fix) равным нулю. Причем в режиме «только с GPS» было получено 380 ложных точек что составило около 26% общего времени приёма.

 

Группа	GPS	GPS + ГЛОНАСС
Видимый спутник*	4,4	7,8
Моменты времени с «No Fix»	380 минут	никогда
HDOP*	5,3	2,1
Ошибка*	x meter	(x 0,4) метров

Таблица 1. Точность и доступность GPS и GPS+ГЛОНАСС, в среднем свыше 24 часов

 

Однако доступность спутников сама по себе не являлась самоцелью. Наличие большего количества спутников в одном и том же небольшом участке небесной полусферы над городской застройкой может быть недостаточным из-за геометрического снижения точности. Для изучения этих данных, геометрическая точность, представленная HDOP[4]. При совместном использовании ГЛОНАСС и GPS результат оказался в 2,5 раза лучше.

Предыдущие исследования показали, что в отдельных городах, где проводились испытания, были доступны от двух до трех дополнительных спутников, но один из них использовался для временного определения. При применении совмещенного на одном кристалле высокочувствительного приемника мы предполагали, что будут задействованы от четырех или пять дополнительных спутников.

Фактические результаты намного превзошли наши ожидания. Во-первых, появились сигналы от многих других спутников, так как все предыдущие испытания и симуляции исключали отраженные сигналы. Имея дополнительные сигналы, приёмник значительно улучшил показатели DOP. Эффект влияния отражений на точность был существенно снижен, во-первых за счёт лучшей геометрии позиционирования, а во-вторых за счёт способности алгоритмов FDE/RAIM поддерживать устойчивость слежения за спутниками. К тому же уменьшилось количество ложных сигналов, способных исказить данные о координатах.

Результаты, представленные здесь, получены от полностью интегрированного высокочувствительного приемника, каким является приёмник NAVIA ML8088s, выполненного на чипе STA8088s. Он оптимизирован для обнаружения сигналов даже очень низкого уровня и получения результатов, полученных непосредственно от всех спутников, находящихся в поле зрения, вне зависимости от группировки. Это обеспечивает 100-процентную доступность спутников и намного повышает точность в сложных условиях городской застройки.

 

Доступность

Применение высокочувствительных приемников, которые не зависят от петель фазовой синхронизации (PLL), обеспечивает полную доступность в современных городах, даже при отражении от поверхности стекла в современных зданиях. Поэтому теперь уже требуются некоторые другие определения доступности, кроме как «доступны четыре спутника». Например, отслеживание спутников на заданном уровне качества сигнала, результат которого зависит от DOP. Даже DOP бывает трудно оценить, поскольку фильтр Кальмана присваивает разные веса каждому спутнику, которые не учитываются при расчете DOP. А также, помимо мгновенных измерений, данный фильтр использует историческое положение и текущую скорость, что оставляет на неизменном уровне точность позиционирования.

На рисуноке 3 показана доступность спутников в режиме слежения. Испытания проводились в финансовом районе Лондона в мае 2011 г.

 

Отслеживаемые спутники – GPS, ГЛОНАСС, GPS+ГЛОНАСС

Рисунок 3. GPS (отмечено голубым) против ГЛОНАСС (отмечено красным) и всех отслеживаемых спутников GNSS (отмечено зеленым).

Как видно на рис. 3, всего присутствует 7-8 спутников ГЛОНАСС и 8-9 спутников GPS, то есть мульти-GNSS — около 16 спутников. Был период, когда сигналы спутников не улавливались: во время прохождения туннеля Blackfriars Underpass, отметка времени примерно 156400 секунд. В других районах города, по времени примерно в 158500 и 161300 секунд, видимость снижалась до четырех спутников, но общее их число никогда не было меньше восьми. Следует обратить внимание, что тестирование проходило в старом городе, где находятся в основном каменные здания, поэтому отражающие сигналы слабее, чем от зданий из стекла и металла.

Несмотря на то, что вне туннелей доступность спутников составляет 100%, она может быть ограничена DOP или точностью позиционирования. Как видно на рисунке 4, по результатам других испытаний в Лондоне, мульти-GNSS DOP остается ниже 1, как должно быть при 10-16-ти видимых спутников, в то время как DOP только GPS часто выше 4, при этом какие-либо искажения из-за отражений и слабых сигналов значительно увеличивают DOP до 10 в пике.

 

GPS в сравнении с GNSS

Рисунок 4. Только GPS против совмещённых GPS/ГЛОНАСС показателей снижения точности

Так как испытания, проведенные в мае 2011 года, были достаточно несложными для создания стрессовых условий, при которых GPS нуждался бы в поддержке мульти-GNSS, было проведено новое тестирование в августе 2011 года. Как показано на аэрофотоснимке (рис.5), испытания проводились в современной высотной части города, Canary Wharf. Кроме того, дороги в городе очень узкие, что еще больше осложнило городские испытания. Здания из стекла и металла современной части города, как правило, дают лучшее отражение, чем каменные здания, вызывая «зашкаливание» алгоритмов RAIM и FDE.

 

Рисунок 5. GPS в сравнении с GNSS, Лондон, Canary Wharf

 

Получение результатов режима «только GPS» было затруднено (показано зеленым цветом), особенно в закрытой части станции Docklands, центральный левый, нижний путь.

 

Рисунок 6 показывает те же реальные результаты испытаний, отображенные на схематичной карте дорог.

Рисунок 6. GPS в сравнении с GNSS, Лондон, Canary Wharf, схематичная карта

 

Тестирование мульти-GNSS (голубого цвета) показало очень хорошие результаты, особенно на северной (в восточном направлении) части петли (вождение в Великобритании левостороннее, таким образом, по часовой стрелке образуется односторонняя петля).

 

Рисунок 7. а) Испытания в Токио: Teseo-I (GPS) в сравнении с Teseo-II (GNSS); б) DOP при испытаниях в Токио

 

Дальнейшие испытания были проведены в офисах STMicroelectronics по всему миру. Рисунок 7а показывает испытания в Токио, где желтым цветом обозначено результаты тестов предыдущего поколения чипов без ГЛОНАСС, и красным — Teseo-II с GPS+ГЛОНАСС.

Рисунок 7б дает некоторое разъяснение определения точности, показывая DOP в ходе испытания. Можно увидеть, что Teseo-II DOP редко были выше 2, но показатели режим «только GPS» (Teseo-I)находились между 6 и 12 в сложной северной части, обведенной в кружок.

Повторяем, что алгоритм испытаний является несложным для GPS, но точность определения затруднена.

Дальнейшие испытания в Токио выполнены на более узких городских улицах в тех же условиях тестирования, показаны на Рисунке 9. Голубым цветом – только GPS, красным – GPS+ГЛОНАСС, наблюдается значительное улучшение результатов.

На Рисунке 9 применена та же цветовая схема для отображения результатов тестирования в Далласе, на этот раз с приемником GPS конкурента против Teseo-II с конфигурацией GPS+ГЛОНАСС, снова наблюдаем очень хорошие результаты.

 

Рисунок 8. Только GPS (голубой) в сравнении с мульти-GNSS (красный), Токио.

 

Рисунок 9. Только GPS (голубой, приемник конкурента-производителя) в сравнении с GNSS (красный), Даллас.

 

Другие спутниковые группировки

Хотя аппаратное обеспечение Teseo-II поддерживает и GALILEO, пока нет доступных спутников GALILEO (на сентябрь 2011 г.), так что устройства на базе этого чипа, находящиеся в использовании по всему миру, до сих пор не имеют загруженного программного обеспечения для обслуживания этой спутниковой группировки. Однако если наступит время применения GALILEO, всегда есть возможность сделать обновление ПО.

Японская система QZSS имеет один доступный спутник, передающий традиционные GPS-совместимые сигналы, SBAS сигналы и L1C BOC сигналы. Teseo-II с помощью функций текущего загруженного ПО может обрабатывать первые два из них, и пока применение SBAS бесполезно в условиях городской застройки, так как отражения сигналов и помехи являются локальными и не улавливаемыми, целью системы QZSS является предоставление спутника с очень большим углом, чтобы данный спутник всегда был доступен в городской местности.

Рисунок 10 показывает испытание в Тайбэе (Тайвань) с использованием GPS (желтый цвет) в сравнении с мульти-GNSS (GPS плюс один спутник QZSS (красный цвет)), и истинные значения (лиловый цвет).

Рисунок 10. Только GPS (желтый) в сравнении с мульти-GNSS (GPS+QZSS (1 спутник, красный)), истинное значение — лиловый, Тайбэй

Дальнейшая работа

Испытания будут продолжены для получения более точных количественных результатов. Тестирование пройдет в Великобритании, где есть схемы дорог c векторными данными для отображения реальных направлений передвижения. Планируется модификация аппаратной части в целях поддержки системы Compass и GPS-III (L1-C), в дополнение к уже имеющемуся GALILEO. Поиск и отслеживание этих сигналов уже было продемонстрировано с использованием предварительно записанных транслируемых сэмплов сценариев на имитаторах сигналов GNSS.

В 2011 году система Compass была не доступна. В связи с чем работы над кремниевым исполнением Teseo-II были ориентированы, в основном, на максимальную гибкость в условиях различной кодовой длины, например, BOC или BPSK, что позволило, при наличии того или иного загруженного программного обеспечения для конфигурации функций аппаратного обеспечения DSP, получить возможность совместимости различных спутниковых группировок.

Результаты работ над совместимостью текущей версии мульти-GNSS ЧИПа были слабые: из-за того что центральная частота системы Compass 1561 МГц может поддерживаться только с помощью управляемого напряжением генератора и PLL, система Compass не может работать одновременно с другими спутниковыми группировками. Кроме того, скорость передачи кодов в системе Compass составляет 2 млн. бит/с, что тоже не поддерживается Teseo-II и может быть приведена к стандартной за счет использования внешних альтернативных схем, а это означает серьезные потери сигналов.

Так что работы по поддержке Compass актуальны только для исследований и разработки программного обеспечения, для односистемного решения, или с использованием отдельного RF-чипа.

Распространенный по всему миру сигнал Compass, который находится в формате сигнала GPS/GALILEO на несущей частоте и на кодовой длине и скорости, будет полностью совместим внутри одной мульти-GNSS схемы, но скорее всего не раньше 2020 года.

Испытания в городских условиях будут повторяться по мере развития группировки GALILEO. При наличии 32 каналов можно использовать деление 11/11/10 (GPS/GALILEO/ГЛОНАСС), при наличии полного состава всех трех групп, но в рамках современных требований к навигационным услугам комбинация 14/8/10 является более чем достаточной.

 

Заключение

Мультисистемный приемник может включать в себя GPS, ГЛОНАСС и GALILEO при минимально увеличенной стоимости. Имея 32 канала слежения и до 22 видимых спутников, даже в самых суровых городских условиях можно обеспечить 100% доступность и приемлемую точность позиционирования. При проведении тестирования обычно видны 10–16 спутников. Множественность измерений позволяет сделать алгоритмы RAIM и FDE гораздо более эффективными при устранении плохо отражаемых сигналов, а также сводит к минимуму геометрические эффекты оставшегося искажения сигналов.

В последнее время с развитием российской ГЛОНАСС потребности навигационного рынка в мультисистемных приемниках все только нарастают. Ряд отечественных компаний применяют однокристальные чипы STM для разработки своих ГЛОНАСС-модулей и готовых корпусных устройств. В частности, компания НАВИА в 2011 году выпустила на рынок сразу 2 совмещенных ГЛОНАСС/GPS/Galileo модуля, испытания которых показали очень хорошие результаты.