что передается в навигационном сообщении
Навигационные сообщения
Каждый штатно функционирующий навигационный спутник передает навигационное сообщение, содержащее оперативную и неоперативную навигационную информацию. Эта информация предназначена как для проведения текущих навигационных опре делений, так и для планирования будущих сеансов приема.
Оперативная информация относится к тому спутнику, с борта которого эта информация передается, и содержит следующие данные:
координаты и параметры орбиты спутника в фиксированный момент времени (эфемериды);
сдвиг шкалы времени спутника относительно системной шкалы; относительный сдвиг несущей частоты излучаемого сигнала от номинального значения;
код метки времени, необходимый для синхронизации аппаратуры потребителя.
Неоперативная информация относится к СНС в целом и содержит альманах системы:
данные о функциональном состоянии всех спутников (альманах состояния);
сдвиг шкалы времени каждого спутника относительно системной шкалы (альманах фаз);
параметры орбит всех спутников системы (альманах орбит); поправку к шкале времени относительно UTC.
Навигационное сообщение передается в цифровом (двоичном) виде. Аналоговые параметры подвергаются предварительной оцифровке путем квантования по уровню. Каждому значению уровня ставится в соответствие определенная двоичная комбинация. Причем не обязательно последовательным значениям уровня ана логового параметра соответствуют последовательные двоичные значения. Систему соответствия между значениями параметра и двоичными комбинациями называют кодом, а кодовую последовательность, полностью описывающую параметр, называют словом.
Навигационное сообщение представляет собой непрерывный поток цифровой информации. Кратко рассмотрим структуру навигационных сообщений СНС ГЛОНАСС и GPS.
Модуляция сигнала навигационным сообщением. После того, как навигационное сообщение сформировано, оно должно быть передано навигационным спутником при помощи модуляции одного из параметров радиосигнала. Как известно, модулировать радиосигнал можно по амплитуде, частоте и фазе. При выборе типа модуляции принципиальное значение имеет потенциальная помехоустойчивость.
Формула света
Новая картина Мироздания
Cтруктура навигационного сообщения
Мы уже выяснили, что навигационный сигнал, передающийся на двух несущих частотах, модулирован двумя псевдослучайными кодами. Благодаря этому в самой структуре сигнала содержится единый формат времени GPS, позволяющий осуществлять временные привязки вплоть до долей наносекунды. Помимо этого, навигационный сигнал модулируется частотой 50 Герц (f0 / 204 600) для передачи непосредственно навигационной информации.
1. Страницы, строки, слова и биты
Навигационная информация содержит уточнённые данные об эфемеридах (орбитальные характеристики) передающего спутника; новые (последние) поправки к показаниям его часов, точную метку времени, от которой нужно рассчитать координаты спутника; поправки на влияние ионосферы; а также другую вспомогательную и техническую информацию. Эта информация передаётся одновременно на обеих несущих частотах L1 и L2.
Навигационный сигнал, передаваемый со спутника, состоит из отдельных информационных сообщений. Каждое такое сообщение (кадр или страница) содержит 1500 бит информации и передаётся за 30 секунд на частоте 50 Герц. В сообщении передаётся вся необходимая для навигации информация о передающем спутнике и небольшая часть информации об остальных спутниках системы. Полная навигационная информация, включающая данные обо всех спутниках, передаётся постепенно в течении 25 кадров (страниц) за 12,5 минут.
Навигационный кадр состоит из пяти строк (субкадров). Строка передаётся за 6 секунд и содержит 10 слов. Каждое слово передаётся за 0,6 секунды и содержит 30 элементарных однобитовых ячеек информации, содержащих либо «ноль», либо «единицу». Один бит (ячейка) передаётся за две сотых секунды, что соответствует одному колебанию волны частотой 50 Герц. См. рис. 1.
Рис. 1. Структура навигационного сообщения
2. Передаваемая информация
Каждая строка в навигационном сообщении (см. рис. 2) всегда начинается с так называемого телеметрического слова TLM (telemetry word). Оно содержит синхронизирующий формат (синхрокод) и диагностическое сообщение о статусе спутника и системы в целом, проверочные биты, в том числе информацию о возможных ошибках, возникшую при загрузки данных на спутник.
Рис. 2. Общая схема распределения информации в навигационном сообщении (кадре)
Второе слово в каждой строке называется HOW (Hand Over Word) – это своеобразный временной ключ. Он содержит информацию о точном бортовом времени спутника, включая счёт времени от начала навигационной недели, проверочные биты. Первая часть этого слова представляет собой число интервалов времени по 1,5 секунды, прошедших с начала недели.
Основное содержание первой строки составляет информация о техническом состоянии спутника и о поправках к бортовой шкале времени, представленных в виде коэффициентов квадратичного полинома.
Вторая и третья строки содержат значения элементов орбиты (эфемериды) передающего спутника, а также уточнённые коэффициенты полиномов и периодических функций, описывающих изменения орбитальных параметров со временем. Последнее десятое слово второй строки содержит опорный момент времени, который необходим для правильного расчёта местоположения спутника.
Четвертая и пятая строки, в отличие от первых трех, содержат информацию не о передающем спутнике, а о всей системе GPS и о местоположении (эфемеридах) других спутников.
Объём информации, передаваемой в 4-й и 5-й строках, достаточно большой. Поэтому она равномерно распределена на 25 страниц. В каждом навигационном сообщении (кадре) передаётся только одна страница. Соответственно, вся информация о системе GPS, включая альманах (эфемериды) для всех спутников, последовательно передаётся за 25 сообщений, что составляет 12,5 минут. Столько времени понадобится GPS приемнику для подготовительного этапа перед началом работы, если приемник установлен на новом месте и в его памяти отсутствует свежие значения альманаха.
Все навигационные спутники передают в 4-й и 5-й строках одну и ту же информацию. Поэтому, принимая сигнал только от одного спутника, можно получить краткую информацию о текущих орбитальных характеристиках и техническом состоянии всех навигационных спутников.
Во всех четвертых строках передаётся в основном служебная информация. Значительная её часть зарезервирована для военного пользования. И только в 18-й странице содержится информация о показаниях всемирного координированного времени (UTC) и о поправках, вызванных влиянием ионосферы и тропосферы на задержку сигнала. Во всех пятых строках с 1-й по 24-ю страницу передаются эфемериды всех 24-х навигационных спутников (так называемый альманах), а в 25-й странице – данные об их техническом состоянии.
Подведём итоги. Каждый спутник передаёт непрерывный радиосигнал сразу на двух несущих частотах. Этот сигнал разделён (см. рис. 1 и 2) специальными метками на отдельные кадры (страницы) и субкадры (строки). Полный пакет навигационной информации содержит 25 страниц (кадров) и передаётся за 12,5 минут. Каждый кадр состоит из 5-ти строк (субкадров) и его можно разделить на две части. Первая часть (1-я, 2-я и 3-я строки) содержит всю необходимую навигационную информацию о передающем спутнике. Вторая часть (4-я и 5-я строки) содержит информацию о других спутниках. Вся оперативная навигационная информация о передающем спутнике передаётся в одном кадре (странице) за 30 секунд. Остальная навигационная информация передаётся постепенно на 25-ти страницах (кадрах) за 12,5 минут.
Технология глобальной спутниковой навигации: какие бывают системы, параметры и функции
В этой статье мы расскажем про глобальные системы позиционирования, разработанные в США, России, ЕС и Китае; объясним, как поддержка технологий глобальной спутниковой навигации реализована в электронных устройствах, а также опишем ключевые и дополнительные функции современных навигационных приемников.
Система GPS (Global Positioning System) создавалась для применения в военных целях. Она начала работать в конце 80-х — начале 90-х годов, однако до 2000 года искусственные ограничения на определение местоположения существенно сдерживали ее возможности использования в гражданских целях.
Орбиты спутников системы GPS. Пример видимости спутников из одной из точек на поверхности Земли. Visible sat — это число спутников, видимых над горизонтом наблюдателя в идеальных условиях (чистое поле).
ГЛОНАСС
Российский аналог GPS — ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) — была развёрнута в 1995 году, но в связи с недостаточным финансированием и малым сроком службы спутников она не получила широкого распространения. Вторым рождением системы можно считать 2001 год, когда была принята целевая программа ее развития, благодаря которой ГЛОНАСС возобновил полноценную работу в 2010 году.
Сегодня на орбите работают 24 спутника ГЛОНАСС, они охватывают навигационным сигналом весь земной шар.
Новейшие потребительские устройства используют GPS и ГЛОНАСС как взаимодополняющие системы, подключаясь к ближайшим найденным спутникам, это значительно увеличивает скорость и точность их работы.
Пример: aвтомобильное GPS/ГЛОНАСС-навигационно-связное устройство на базе ОС Android, разработанное командой Promwad по заказу российского конструкторского бюро. Реализована поддержка GSM/GPRS/3G. Устройство автоматически обновляет информацию о дорожной обстановке в режиме реального времени и предлагает водителю оптимальный маршрут с учётом загруженности дорог.
Сейчас на стадии разработки находятся еще две спутниковые системы: европейская Galileo и китайская Compass.
Galileo
Галилео — совместный проект Европейского союза и Европейского космического агентства, анонсированный в 2002 году. Изначально рассчитывали, что уже в 2010 году в рамках этой системы на средней околоземной орбите будут работать 30 спутников. Но этот план не был реализован. Сейчас предположительной датой начала эксплуатации Galileo считается 2014 год. Однако ожидается, что полнофункциональное использование системы начнется не ранее 2020 года.
Compass
Это следующая ступень развития китайской региональной навигационной системы Beidou, которая была введена в эксплуатацию после запуска 10 спутников в конце 2011 года. Сейчас она обеспечивает покрытие в границах Азии и Тихоокеанского региона, но, как ожидается, к 2020 году система станет глобальной.
Сравнение орбит спутниковых навигационных систем GPS, ГЛОНАСС, Galileo и Compass (средняя околоземная орбита — MEO) с орбитами Международной космической станции (МКС), телескопа Хаббл и серии спутников Иридиум (Iridium) на низкой орбите, а также геостационарной орбиты и номинального размера Земли.
Поддержка ГНСС
Ключевые параметры навигационных приемников
Производители приемников используют различные методы уменьшения TTFF, включая скачивание и сохранения альманаха и эфемерид по беспроводным сетям передачи данных (т.н. метод Assisted GPS или A-GPS), это быстрее чем извлечение этих данных из сигналов ГНСС.
Холодный старт описывает ситуацию, когда приемнику нужно получение всей информации для определения места. Это может занять до 12 минут.
Теплый старт описывает ситуацию, когда у приемника есть почти вся необходимая информация в памяти, и он определит место в течении минуты.
Одним из ключевых параметров навигационных модулей в мобильных устройствах является энергопотребление. В зависимости от режима работы модуль потребляет различное количество энергии. Фаза поиска спутников (TTFF) характеризуется большим, а слежение меньшим энергопотреблением. Также производители реализуют различные схемы уменьшения энергопотребления, например, путем периодического перевода модуля в режим сна.
Как правило, все модули выдают данные по текстовому протоколу NMEA-0183, но кроме указанного текстового протокола каждый производитель имеет свой собственный двоичный протокол (Binary), который позволяет изменять конфигурацию модуля под конкретное использование либо получать доступ к дополнительному функционалу, а также доступ к сырым измерениям. Двоичный протокол удобен для использования на микроконтроллерах, т.к. при этом нет необходимости выполнять преобразование из текста в двоичные данные, тем самым экономя программную память путем исключения библиотеки работы со строками и времени на преобразование.
Стандарт NMEA-2000 — это развитие протокола NMEA-0183. В качестве физического уровня в NMEA-2000 используется CAN-шина, которая была выбрана в виду большей защищенности по сравнению с RS-232. С точки зрения протокола передачи данныхNMEA-2000 существенно отличается от своего предшественника, т.к. использует двоичный протокол, базирующийся на стандарте SAE J1939.
Частота обновления данных о местоположении и скорости всех модулей составляет 1 Гц, но при необходимости ее можно поднять до 5 или 10 Гц.
В зависимости от области применения модуль можно сконфигурировать под определенные динамические характеристики, которые он должен отслеживать (например, максимальное ускорение объекта). Это позволяет использовать оптимальный алгоритм и улучшать качество измерений.
Для выполнения навигационной задачи модуль должен одновременно принимать сигналы от нескольких спутников, т.е. иметь несколько приемных каналов. На сегодняшний день это число лежит в диапазоне от 12 до 88.
Точность определения местоположения по GPS составляет в среднем 15 м, она обусловлена используемым неточным сигналом, влиянием атмосферы на распространение радиосигнала, качеством кварцевых генераторов в приемниках и пр. Но с помощью корректирующих методов возможно улучшить точность определения местоположения. Эта технология называется Differential GPS. Существует два метода коррекции: наземный и спутниковый DGPS.
В наземных методах коррекции наземные станции дифференциальных поправок постоянно сверяют свое заведомо известное местоположение и сигналы от навигационных спутников. На базе этой информации вычисляются корректирующие величины, которые могут быть переданы с помощью УКВ- или ДВ-передатчика на мобильные DGPS-приемники в формате RTCM. На основании полученной информации потребитель может корректировать процесс определения собственного местоположения. Точность этого метода составляет 1—3 метра и зависит от расстояния до передатчика корректирующей информации и качества сигнала.
Спутниковые методы, такие как система WAAS (Wide Area Augmentation System), доступная в Северной Америке, и система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay System), доступная в Европе, шлют корректирующие данные с геостационарных спутников, таким образом достигается большая область приема, чем при наземных методах.
Спутниковые системы дифференциальной коррекции (SBAS — Space Based Augmentation Systems) позволяют улучшить точность, надежность и доступность навигационной системы за счет интеграции внешних данных в процессе расчета
Демонстрация принципа работы системы WAAS (Wide Area Augmentation System) на территории США
Одним из основных параметров, влияющих на точность определения местоположения и стабильность приема является чувствительность. Она, как правило, определяется качеством малошумящего усилителя на входе приемника и сложностью реализованных алгоритмов цифровой обработки. Типовые значения современных приемников лежат в диапазоне 143 дБм для поиска и 160 дБм для слежения.
Кроме определения местоположения ГНСС предоставляют информацию о точном времени. Как правило, все приемники имеют выход PPS (pulse per second, импульсов в секунду) — секундная метка (1 Гц), которая точно синхронизирована с временной шкалой UTC.
Дополнительные функции навигационных устройств
Счисление пути. На основе информации о направлении движения и пройденном пути (предоставляется дополнительными датчиками) приемник может рассчитывать свои координаты при отсутствии сигналов от спутников (например, в туннелях, на подземных стоянках и в плотной городской застройке).
Некоторые модули имеют возможность напрямую подключать флэш-память (например, по SPI) к модулю для записи трека c необходимой периодичностью. Эта функция позволяет отказаться от использования отдельного микроконтроллера, либо она может быть полезной для минимизации энергопотребления (т.е. система на кристалле может находиться в состоянии сна).
На этом поверхностный обзор технологий глобальной спутниковой навигации завершен. Спасибо за внимание. Примеры реализованных проектов на базе этих ГЛОНАСС и GPS можно посмотреть на странице разработок компании Promwad.
Система GPS. Взгляд изнутри и снаружи
Немного истории.
Первые шаги по развертыванию навигационной сети были предприняты в середине семидесятых, коммерческая же эксплуатация системы в сегодняшнем виде началась с 1995 года. В настоящий момент в работе находятся 28 спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы достаточно 24 спутников).
Попробуем разобраться в общих чертах, как устроена система глобального позиционирования, а потом коснемся ряда пользовательских аспектов. Рассмотрение же начнем с принципа определения дальности, лежащего в основе работы космической навигационной системы.
Алгоритм измерения расстояния от точки наблюдения до спутника.
Дальнометрия основана на вычислении расстояния по временной задержке распространения радиосигнала от спутника к приемнику. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время на скорость света.
Период повторения кода довольно велик (например, для P-кода он равен 267 дням). Каждый GPS-приемник имеет собственный генератор, работающий на той же частоте и модулирующий сигнал по тому же закону, что и генератор спутника. Таким образом, по времени задержки между одинаковыми участками кода, принятого со спутника и сгенерированного самостоятельно, можно вычислить время распространения сигнала, а, следовательно, и расстояние до спутника.
Одной из основных технических сложностей описанного выше метода является синхронизация часов на спутнике и в приемнике. Даже мизерная по обычным меркам погрешность может привести к огромной ошибке в определении расстояния. Каждый спутник несет на борту высокоточные атомные часы. Понятно, что устанавливать подобную штуку в каждый приемник невозможно. Поэтому для коррекции ошибок в определении координат из-за погрешностей встроенных в приемник часов используется некоторая избыточность в данных, необходимых для однозначной привязки к местности (подробней об этом чуть позже).
Кроме самих навигационных сигналов, спутник непрерывно передает разного рода служебную информацию. Приемник получает, например, эфемериды (точные данные об орбите спутника), прогноз задержки распространения радиосигнала в ионосфере (так как скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), а также сведения о работоспособности спутника (так называемых «альманах», содержащий обновляемые каждые 12.5 минут сведения о состоянии и орбитах всех спутников). Эти данные передаются со скоростью 50 бит/с на частотах L1 или L2.
Общие принципы определения координат с помощью GPS.
Основой идеи определения координат GPS-приемника является вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные содержатся в принятом со спутника альманахе). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется трилатерацией. 
Рис2.
Однако в жизни все не так просто. Приведенные выше рассуждения были сделаны для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, как бы ни изощрялись инженеры, некоторая погрешность всегда имеет место (хотя бы по указанной в предыдущем разделе неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и т.п.). Поэтому для определения трехмерных координат приемника привлекаются не три, а минимум четыре спутника.
Получив сигнал от четырех (или больше) спутников, приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.
Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания местоположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников существуют четыре наземных станции слежения, системы связи и центр управления, подконтрольные Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдения за всеми спутниками системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточнённые элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в альманах и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим приемникам.
После отмены описанного выше режима селективного доступа гражданские приемники «привязываются к местности» с погрешностью 3-5 метров (высота определяется с точностью около 10 метров). Приведенные цифры соответствуют одновременному приему сигнала с 6-8 спутников (большинство современных аппаратов имеют 12-канальный приемник, позволяющий одновременно обрабатывать информацию от 12 спутников).
В заключение части, повествующей о «теоретических» аспектах функционирования GPS, скажу, что Россия и в случае с космической навигацией пошла своим путем и развивает собственную систему ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Но из-за отсутствия должных инвестиций в настоящее время на орбите находятся лишь семь спутников из двадцати четырех, необходимых для нормального функционирования системы…
Краткие субъективные заметки пользователя GPS.
С первого взгляда GPS II+ можно принять за мобильный телефон, выпущенный пару лет назад. Лишь только присмотревшись, замечаешь необычно толстую антенну, огромный дисплей (56х38 мм!) и малое, по телефонным меркам, количество клавиш.
Интерфейс GPS II+ построен по принципу «перелистываемых» страниц (для этого даже есть специальная кнопка PAGE). Выше была описана «страница спутников», а кроме нее, есть «страница навигации», «карта», «страница возврата», «страница меню» и ряд других. Следует заметить, что описываемый аппарат не русифицирован, однако даже с плохим знанием английского можно понять его работу.
Заключение.
Но в любой бочке меда есть ложка дегтя. В данном случае в роли последнего выступают российские законы. Я не буду подробно рассуждать о юридических аспектах использования GPS-навигаторов в России (кое-что об этом можно найти здесь ), замечу лишь, что теоретически высокоточные навигационные приборы (коими, без сомнения являются даже любительские GPS-приемники) у нас запрещены, а их владельцев ждет конфискация аппарата и немалый штраф.