GPS 내비게이션에서 좌표 결정의 정확성과 GPS 오류 원인. B. 스마트폰 및 태블릿의 내비게이션(GPS, GLONASS 등). 오류의 원인. Glonass와 비교한 GPS 정확도 테스트 방법
GLONASS 시스템은 다양한 물체의 위치를 추적할 수 있는 최대 규모의 내비게이션 시스템입니다. 1982년에 시작된 이 프로젝트는 여전히 활발하게 개발 및 개선되고 있습니다. 또한 GLONASS의 기술 지원과 점점 더 많은 사람들이 시스템을 사용할 수 있도록 하는 인프라에 대한 작업이 진행되고 있습니다. 따라서 단지가 존재한 첫해에는 위성을 통한 내비게이션이 주로 군사 문제를 해결하는 데 사용되었다면 오늘날 GLONASS는 수백만 명의 민간 사용자의 삶에 필수가 된 기술 포지셔닝 도구입니다.
글로벌 위성 항법 시스템
글로벌 위성 위치 확인의 기술적 복잡성으로 인해 오늘날 GLONASS와 GPS라는 두 가지 시스템만 이 이름에 완전히 해당할 수 있습니다. 첫 번째는 러시아어이고 두 번째는 미국 개발자의 결실입니다. 기술적 관점에서 볼 때 GLONASS는 궤도와 지상 모두에 위치한 특수 하드웨어의 복합체입니다.
위성과 통신하기 위해 신호를 읽고 이를 기반으로 위치 데이터를 생성하는 특수 센서와 수신기가 사용됩니다. 시간 매개변수를 계산하려면 특별한 매개변수가 사용되며 전파의 방송 및 처리를 고려하여 물체의 위치를 결정하는 데 사용됩니다. 오류를 줄이면 위치 지정 매개변수를 더욱 안정적으로 계산할 수 있습니다.
위성 항법 기능
글로벌 위성 항법 시스템의 작업 범위에는 지상 물체의 정확한 위치를 결정하는 것이 포함됩니다. 지리적 위치 외에도 글로벌 항법 위성 시스템을 사용하면 시간, 경로, 속도 및 기타 매개변수를 고려할 수 있습니다. 이러한 작업은 지구 표면 위의 여러 지점에 위치한 위성을 통해 실현됩니다.
글로벌 내비게이션의 사용은 운송 산업에만 국한되지 않습니다. 위성은 수색 및 구조 작업, 측지 및 건설 작업을 돕고, 다른 우주 정거장 및 차량의 조정 및 유지 관리도 필수적입니다. 군수산업 역시 유사한 목적을 위한 시스템 지원 없이는 국방부의 승인된 장비를 위해 특별히 설계된 보안 신호를 제공하지 않습니다.
글로나스 시스템
이 시스템은 2010년에야 완전 가동되기 시작했지만 단지를 적극적으로 가동시키려는 시도는 1995년부터 이루어졌습니다. 문제는 주로 사용된 위성의 낮은 내구성과 관련이 있었습니다.
현재 GLONASS는 궤도의 서로 다른 지점에서 작동하는 24개의 위성으로 구성되어 있습니다. 일반적으로 내비게이션 인프라는 제어 콤플렉스(궤도 내 그룹 제어 제공)와 사용자 내비게이션 장비의 세 가지 구성 요소로 표현될 수 있습니다.
각각 일정한 고도를 갖고 있는 24개의 위성은 여러 카테고리로 나뉩니다. 각 반구에는 12개의 위성이 있습니다. 위성 궤도를 통해 지구 표면에 격자가 형성되고, 그 신호를 통해 정확한 좌표가 결정됩니다. 또한 위성 GLONASS에는 여러 백업 시설도 있습니다. 그들은 또한 각각 자신의 궤도에 있으며 유휴 상태가 아닙니다. 그들의 임무에는 특정 지역에 대한 적용 범위를 확장하고 고장난 위성을 교체하는 것이 포함됩니다.
GPS 시스템
GLONASS의 미국 유사품은 GPS 시스템으로, 1980년대에 작업을 시작했지만 2000년이 되어서야 좌표 결정의 정확성이 향상되어 소비자들 사이에 널리 보급될 수 있었습니다. 오늘날 GPS 위성은 최대 2~3m의 정확도를 보장하며, 내비게이션 기능 개발이 지연되는 것은 오랫동안 인위적인 위치 제한으로 인해 발생해 왔습니다. 그럼에도 불구하고 이를 제거하면 최대 정확도로 좌표를 결정할 수 있었습니다. 소형 수신기와 동기화하는 경우에도 GLONASS에 해당하는 결과를 얻을 수 있습니다.
GLONASS와 GPS의 차이점
내비게이션 시스템에는 몇 가지 차이점이 있습니다. 특히, 궤도상 위성의 배열과 이동의 성격에 차이가 있습니다. GLONASS 단지에서는 3개의 평면(각각 8개의 위성)을 따라 이동하며 GPS 시스템은 6개의 평면(평면당 약 4개)에서 작업을 제공합니다. 따라서 러시아 시스템은 지상 지역에 대한 더 넓은 범위를 제공하며 이는 더 높은 정확도에 반영됩니다. 그러나 실제로 국내 위성의 단기 "수명"으로 인해 GLONASS 시스템의 잠재력을 최대한 활용할 수는 없습니다. GPS는 위성의 중복으로 인해 높은 정확도를 유지합니다. 그럼에도 불구하고 러시아 단지는 정기적으로 표적 사용과 백업 지원을 위해 새로운 위성을 도입합니다.
다양한 신호 인코딩 방법도 사용됩니다. 미국인은 CDMA 코드를 사용하고 GLONASS는 FDMA를 사용합니다. 수신기가 위치 데이터를 계산할 때 러시아 위성 시스템은 더 복잡한 모델을 제공합니다. 결과적으로 GLONASS를 사용하려면 높은 에너지 소비가 필요하며 이는 장치 크기에 반영됩니다.
GLONASS 기능은 무엇을 허용합니까?
시스템의 기본 작업 중에는 GLONASS와 상호 작용할 수 있는 물체의 좌표를 결정하는 것이 있습니다. 이러한 의미에서 GPS는 유사한 작업을 수행합니다. 특히 지상, 해상, 공중 물체의 이동 매개변수가 계산됩니다. 적절한 내비게이터가 장착된 차량은 몇 초 안에 자체 움직임의 특성을 계산할 수 있습니다.
동시에 특정 운송 범주에서는 이미 글로벌 내비게이션 사용이 의무화되었습니다. 2000년대에 특정 전략 대상의 통제와 관련된 위성 측위가 확산되었다면 오늘날 수신기에는 선박, 항공기, 대중 교통 등이 장착되어 있습니다. 가까운 미래에는 모든 개인 차량을 제공해야 할 가능성이 있습니다. GLONASS 네비게이터와 함께.
GLONASS와 작동하는 장치
이 시스템은 기후, 영토, 시간 조건에 관계없이 모든 범주의 소비자에게 예외 없이 지속적인 글로벌 서비스를 제공할 수 있습니다. GLONASS 내비게이터도 GPS 시스템 서비스와 마찬가지로 전 세계 어디에서나 무료로 제공됩니다.
위성 신호를 수신할 수 있는 장치에는 차량 내 항법 보조 장치 및 GPS 수신기뿐만 아니라 휴대폰도 포함됩니다. 위치, 방향 및 이동 속도에 대한 데이터는 GSM 운영자 네트워크를 통해 특수 서버로 전송됩니다. 지도를 처리하는 특수 GLONASS 프로그램과 다양한 애플리케이션은 위성 내비게이션 기능을 사용하는 데 도움이 됩니다.
콤보 수신기
위성 내비게이션의 영토 확장은 소비자의 관점에서 두 시스템의 병합으로 이어졌습니다. 실제로 GLONASS 장치는 GPS로 보완되는 경우가 많으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 이를 통해 위치 확인 및 타이밍 매개변수의 정확성이 향상됩니다. 기술적으로 이는 하나의 네비게이터에 통합된 두 개의 센서를 통해 실현됩니다. 이 아이디어를 바탕으로 GLONASS, GPS 시스템 및 관련 장비와 동시에 작동하는 결합 수신기가 생산됩니다.
결정의 정확성을 높이는 것 외에도 이러한 공생을 통해 시스템 중 하나의 위성이 감지되지 않을 때 위치를 추적할 수 있습니다. 네비게이터가 작동하는 데 필요한 "가시성"인 궤도 물체의 최소 수는 3개 단위입니다. 예를 들어 GLONASS 프로그램을 사용할 수 없게 되면 GPS 위성이 구출됩니다.
기타 위성 내비게이션 시스템
유럽연합(EU)과 인도, 중국도 GLONASS, GPS와 비슷한 규모의 프로젝트를 개발하고 있다. 30개의 위성으로 구성된 갈릴레오 시스템을 구현하여 비교할 수 없는 정확도를 달성할 계획입니다. 인도에서는 7개의 위성을 통해 작동하는 IRNSS 시스템을 출시할 계획입니다. 내비게이션 콤플렉스는 국내 사용을 지향합니다. 중국 개발자의 Compass 시스템은 두 부분으로 구성되어야 합니다. 첫 번째에는 5개의 위성이 포함되고 두 번째에는 30개가 포함됩니다. 따라서 프로젝트 작성자는 두 가지 서비스 형식을 구상합니다.
현대 위성 항법 기술은 약 10-15미터의 정확도로 위치 결정을 제공합니다. 대부분의 경우 이것으로 충분하지만 어떤 경우에는 더 많은 것이 필요합니다. 예를 들어 지표면 위로 매우 빠르게 이동하는 자율 드론은 미터 오류가 있는 좌표 구름에서 불편함을 느낄 것입니다.
위성 데이터를 명확하게 하기 위해 차동 시스템과 RTK(실시간 운동학) 기술이 사용되지만 최근까지 이러한 장치는 가격이 비싸고 번거로웠습니다. Intel Edison 마이크로컴퓨터 형태의 최신 디지털 기술 발전이 이 문제를 해결하는 데 도움이 되었습니다. 따라서 다음을 만나보십시오. Reach - 매우 저렴하고 또한 러시아에서 개발된 최초의 소형 고정밀 GPS 수신기입니다.
먼저 Reach가 이렇게 높은 결과를 얻을 수 있게 해주는 차등 기술에 대해 조금 이야기해 보겠습니다. 그것들은 잘 알려져 있고 꽤 널리 구현되어 있습니다. 차동 항법 시스템(DNSS)은 하나 이상의 기지국에서 측정 데이터 또는 수정 정보를 제공하여 모바일 사용자의 위치 및 속도 정확도를 향상시킵니다.
각 기지국의 좌표는 매우 정확하게 알려져 있으므로 기지국의 측정값은 근처 수신기의 데이터를 교정하는 데 사용됩니다. 수신기는 자신과 각 위성 사이의 이론적인 거리와 신호 전파 시간을 계산할 수 있습니다. 이러한 이론적 값을 관측 데이터와 비교할 때 그 차이는 수신된 신호의 오류를 나타냅니다. 이러한 차이점으로부터 수정 정보(RTCM 데이터)를 얻습니다.
Reach를 이용한 좌표 결정의 정확성. 규모에 주의하세요.
수정 정보는 Reach 장치를 통해 두 가지 소스에서 얻을 수 있습니다. 첫째, 글로벌 컴퓨터 네트워크와 관련하여 위에서 설명한 아이디어를 구현하는 NTRIP(인터넷 프로토콜을 통한 RTCM의 네트워크 전송) 프로토콜을 사용하여 인터넷을 통한 기지국의 공용 네트워크에서. 둘째, 첫 번째 Reach 근처의 고정 위치를 차지하고 DNSS 측면에서 기지국 역할을 하는 두 번째 Reach의 도움을 받습니다. 두 번째 옵션이 바람직합니다(수신기와 BS 사이의 거리가 멀어짐에 따라 DNSS 정확도가 크게 떨어짐). Indiegogo 웹사이트의 크라우드 펀딩 캠페인의 일환으로 Reach 제작자가 일련의 구매를 위한 첫 번째 위치를 제공한 것은 우연이 아닙니다. 두 개의 장치.
장치 사양은 아래 표와 같습니다. 보시다시피 하드웨어는 세 부분으로 구성됩니다. Linux OS 및 RTK 소프트웨어 RTKLIB를 실행하는 Intel Edison 컴퓨터; U-blox NEO-M8T GPS 수신기 및 Tallysman TW4721 안테나. 수신기는 GPS, GLONASS, Beidou 및 QZSS 등 기존의 모든 위성 시스템을 지원합니다. 이 전체 소프트웨어 및 하드웨어 구성 요소 세트는 최대 2cm의 인상적인 좌표 결정 정확도를 제공합니다!
누가 그러한 장치를 사용할 수 있습니까? 위에서 언급했듯이 다양한 모바일 로봇 공학의 창시자는 자율적이지만 그렇지 않습니다. 더욱이 가격이 저렴하기 때문에(더블 세트 선주문 $545, 싱글 세트 $285) 전문가뿐만 아니라 매니아들에게도 어필할 것입니다. 또한 아마추어를 포함하여 다양한 종류의 지도를 편집하는 사람들도 있습니다. 글쎄요, 자신의 위치를 센티미터 단위까지 알고 싶어하는 괴짜들일 뿐입니다.
Emlid 회사인 Reach의 창시자는 indiegogo 웹사이트에서 성공적으로 성과를 거두었습니다. 한 달도 채 안 되어 요청한 금액의 거의 두 배에 달하는 금액이 수집되었습니다. 이는 프로젝트가 확실히 구현된다는 것을 의미합니다. 아직 사전 주문할 시간이 있으며 완전히 새로운 내비게이션 기기를 가장 먼저 받아보실 수 있습니다. 상품 배포는 7월 예정입니다.
특수 오류
GPS 데이터 오류의 주요 원인은 더 이상 문제가 되지 않습니다. 2000년 5월 2일 오전 5시 5분(MEZ)에 소위 특수 오류(SA)가 꺼졌습니다. 특별한 오류는 위성이 전송하는 L1 신호의 시간을 인위적으로 변조하는 것입니다. 민간 GPS 수신기의 경우 이 오류로 인해 좌표 결정이 덜 정확해졌습니다. (몇 분 안에 약 50m의 오차가 발생합니다.)
또한 수신된 데이터의 전송 정확도가 낮아 위성의 전송 위치가 정확하지 않다는 의미입니다. 따라서 몇 시간 내에 위치 데이터에 50~150m의 부정확성이 발생합니다. 특수 오류가 활성화된 당시 민간 GPS 장치의 부정확성은 약 10m였으며 오늘날은 일반적으로 20m 이하입니다. . 샘플링 오류를 끄면 주로 고도 데이터의 정확성이 향상되었습니다.
특별한 오류가 발생한 이유는 안전 때문이었습니다. 예를 들어, 테러리스트는 원격 조종 무기를 사용하여 중요한 건설 현장을 탐지할 수 없어야 합니다. 1990년 1차 걸프전 당시 특수 오류는 부분적으로 비활성화되었습니다. 미군에는 군용 GPS 수신기가 부족했습니다. 10,000개의 민간용 GPS 장치(Magellan 및 Trimble)를 구입하여 사막 지형을 자유롭고 정확하게 탐색할 수 있게 되었습니다. 전 세계적으로 GPS 시스템이 널리 사용됨에 따라 특수 오류가 비활성화되었습니다. 다음 두 그래프는 특수 오류를 끈 후 좌표 결정 정확도가 어떻게 변경되었는지 보여줍니다. 다이어그램의 경계 길이는 200미터이며, 데이터는 2000년 5월 1일과 2000년 5월 3일에 각각 24시간 동안 수집되었습니다. 특별한 오류가 있는 좌표는 반경 45m 내에 있지만, 오류가 없으면 전체 지점의 95%가 반경 6.3m 내에 있습니다.
"위성의 기하학"
좌표 결정의 정확성에 영향을 미치는 또 다른 요소는 '위성의 기하학'입니다. 위성 기하학은 수신기의 관점에서 서로에 대한 위성의 위치를 설명합니다.
수신기가 4개의 위성을 감지하고 모두 북서쪽에 위치하는 경우 이는 "나쁜" 기하학으로 이어질 것입니다. 최악의 경우, 감지된 모든 거리가 동일한 방향을 가리키면 위치 감지가 완전히 불가능해집니다. 위치가 인식되더라도 오차는 100~150m에 달할 수 있는데, 이 4개의 위성이 하늘 전체에 잘 분포되어 있다면 판별된 위치의 정확도가 훨씬 높아질 것입니다. 위성이 북쪽, 동쪽, 남쪽, 서쪽에 위치하고 서로 90도 각도를 형성한다고 가정해 보겠습니다. 이 경우, 4가지 다른 방향에서 거리를 측정할 수 있으며, 이는 "좋은" 위성 기하학의 특징입니다.
두 개의 위성이 수신기를 기준으로 가장 좋은 위치에 있는 경우 수신기와 위성 사이의 각도는 90도입니다. 앞에서 설명한 것처럼 신호 이동 시간은 절대적으로 확실할 수 없습니다. 따라서 가능한 위치는 검은색 원으로 표시됩니다. 두 원의 교차점(A)은 매우 작으며 파란색 사각형 필드로 표시됩니다. 이는 결정된 좌표가 매우 정확하다는 것을 의미합니다.
위성이 수신기를 기준으로 거의 한 줄에 위치하면 보시다시피 십자선에서 더 넓은 영역을 얻게 되어 정확도가 떨어집니다.
위성의 기하학적 구조는 키가 큰 자동차나 자동차에서 계측기를 사용하는지 여부에 따라 많이 달라집니다. 신호 중 하나라도 차단되면 나머지 위성은 가능하다면 좌표를 결정하려고 시도합니다. 이는 건물에서 창문 가까이에 있을 때 자주 발생할 수 있습니다. 위치 결정이 가능하더라도 대부분의 경우 정확하지 않습니다. 하늘의 더 많은 부분이 물체에 의해 가려질수록 좌표를 결정하는 것이 더 어려워집니다.
대부분의 GPS 수신기는 "포착된" 위성의 수뿐만 아니라 하늘에서의 위치도 표시합니다. 이를 통해 사용자는 특정 위성이 물체에 의해 가려지는지 여부와 단 몇 미터만 이동할 때 데이터가 부정확해지는지 여부를 판단할 수 있습니다.
대부분의 장비 제조업체는 주로 다양한 요인에 따라 달라지는 측정값의 정확도에 대한 자체 공식을 제공합니다. (제조업체는 이에 대해 이야기하기를 꺼려합니다).
DOP(Dilution of Precision) 값은 주로 위성 기하학의 품질을 결정하는 데 사용됩니다. DOP 값을 계산하는 데 사용되는 요소에 따라 다양한 옵션이 가능합니다.
- GDOP(정밀도의 기하학적 희석); 완전 정밀도; 3D 좌표 및 시간
- PDOP(정밀도의 위치 희석) ; 위치 정확도; 3D 좌표
- HDOP(정밀도의 수평 희석); 수평 정확도; 2D 좌표
- VDOP(정밀도의 수직 희석); 수직 정확도; 키
- TDOP(정밀도의 시간 희석); 시간적 정확성; 시간
HDOP 값이 4 미만이면 좋고, 8 이상이면 나쁘다. "잡힌" 위성이 수신기 위 하늘 높이 있으면 HDOP 값이 더 나빠집니다. 반면, VDOP 값은 위성이 수평선에 가까울수록 나빠지고, PDOP 값은 바로 머리 위에 위성이 있고 수평선에 3개가 더 펼쳐져 있을 때 좋습니다. 정확한 위치 결정을 위해 GDOP 값은 5보다 작아서는 안됩니다. PDOP, HDOP 및 VDOP 값은 NMEA GPGSA 데이터의 일부입니다.
위성의 기하학적 구조로 인해 미터 단위로 측정할 수 있는 위치 결정 오류가 발생하지 않습니다. 실제로 DOP 값은 다른 부정확성을 증폭시킵니다. 높은 DOP 값은 낮은 DOP 값보다 다른 오류를 더 증가시킵니다.
위성의 기하학적 구조로 인해 위치 결정 시 발생하는 오류도 수신기가 위치한 위도에 따라 달라집니다. 이는 아래 다이어그램에 나와 있습니다. 왼쪽 다이어그램은 우한(중국)에서 기록된 높이 불확실성(곡선의 시작 부분에 특별한 오류가 표시됨)을 보여줍니다. 우한은 북위 30.5°에 위치하며 위성 별자리가 항상 완벽한 최고의 장소입니다. 오른쪽 다이어그램은 남극(위도 66.3°S)의 Kasei 관측소에서 촬영된 동일한 기록 간격을 보여줍니다. 이 위도에서는 이상적이지 않은 위성 집합으로 인해 때때로 더 심각한 오류가 발생했습니다. 또한 대기의 영향으로 인해 오류가 발생합니다. 극에 가까울수록 오류가 커집니다.
위성 궤도
위성은 상당히 잘 정의된 궤도에 있지만 중력으로 인해 궤도에서 약간의 편차가 여전히 가능합니다. 태양과 달은 궤도에 거의 영향을 미치지 않습니다. 궤도 데이터는 지속적으로 조정 및 수정되며 경험적 메모리의 수신기로 정기적으로 전송됩니다. 따라서 정확도에 영향을 미칩니다. 
위치판단 범위가 매우 작아서 오류가 발생해도 2미터가 채 되지 않습니다.
신호 반사의 효과
이 효과는 다른 물체의 위성 신호가 반사되어 발생합니다. GPS 신호의 경우 이 효과는 주로 대형 건물이나 기타 물체 근처에서 발생합니다. 반사된 신호는 직접 신호보다 완료하는 데 시간이 더 오래 걸립니다. 오류는 몇 미터에 불과합니다.
대기 효과
부정확성의 또 다른 원인은 대류권과 전리층에서 신호 전파 속도가 감소하는 것입니다. 우주 공간에서의 신호 전파 속도는 빛의 속도와 동일하지만 전리층과 대류권에서는 속도가 더 느립니다. 고도 80~400km의 대기에서는 태양 에너지가 수많은 양전하 이온을 생성합니다. 전자와 이온은 전리층의 4개 전도성 층(D-, E-, F1- 및 F2 층)에 집중되어 있습니다. 
이 층은 위성에서 나오는 전자기파를 굴절시켜 신호의 이동 시간을 증가시킵니다. 기본적으로 이러한 오류는 수신기의 계산 작업에 의해 수정됩니다. 정상 조건에서는 낮은 주파수와 높은 주파수에 대해 전리층을 통과할 때 다양한 속도 옵션이 잘 알려져 있습니다. 이 값은 위치 좌표를 계산할 때 사용됩니다. 그러나 민간 수신기는 강한 태양풍으로 인해 발생할 수 있는 신호 전송의 예상치 못한 변화에 적응할 수 없습니다.
전리층이 통과하는 동안 전자기파는 주파수 영역(1/f2)에 반비례하여 속도가 느려지는 것으로 알려져 있습니다. 이는 저주파 전자파가 고주파 전자파보다 더 빨리 느려진다는 것을 의미합니다. 수신기에 도달한 고주파 신호와 저주파 신호를 통해 도착 시간의 차이를 분석하면 전리층을 통과하는 시간도 계산됩니다. 군용 GPS 수신기는 전리층에서 다르게 동작하는 두 가지 주파수(L1 및 L2)의 신호를 사용하므로 계산 시 또 다른 오류가 제거됩니다.
굴절로 인해 신호 전달 시간이 증가하는 다음 이유는 대류권의 영향입니다. 굴절의 원인은 날씨에 따라 대류권의 수증기 농도가 다르기 때문입니다. 이 오차는 전리층을 통과할 때 발생하는 오차만큼 크지는 않지만 계산으로는 제거할 수 없습니다. 이 오류를 수정하기 위해 계산에 대략적인 수정이 사용됩니다.
다음 두 그래프는 전리층 오류를 보여줍니다. 왼쪽에 표시된 데이터는 단일 주파수 수신기로 얻은 것이며 전리층 오류를 수정할 수 없습니다. 오른쪽 그래프는 전리층 오류를 보정할 수 있는 이중 주파수 수신기를 사용하여 얻은 것입니다. 두 다이어그램 모두 거의 동일한 축척을 갖습니다(왼쪽: 위도 -15m ~ +10m, 경도 -10m ~ +20m, 오른쪽: 위도 -12m ~ +8m, 경도 -10m ~ +20m). 오른쪽 그래프는 더 높은 정확도를 보여줍니다.
WAAS 및 EGNOS를 사용하면 다양한 지역의 기상 조건에 대한 "지도"를 설정할 수 있습니다. 수정된 데이터는 수신기로 전송되어 정확도가 크게 향상됩니다.
시계 부정확성 및 반올림 오류
위치 결정 시 수신기 시간이 위성 시간과 동기화되어도 여전히 시간 부정확성이 있어 위치 결정 시 2m의 오차가 발생합니다. 반올림 및 수신자 계산 오류는 약 1m의 오류가 있습니다.
상대론적 효과
이 섹션에서는 상대성 이론에 대한 완전한 설명을 제공하지 않습니다. 일상생활에서 우리는 상대성 이론의 중요성을 인식하지 못하고 있습니다. 그러나 이 이론은 GPS 시스템의 적절한 기능을 포함하여 많은 프로세스에 영향을 미칩니다. 이 영향에 대해서는 아래에서 간략하게 설명하겠습니다.
우리가 알고 있듯이 시간은 GPS 내비게이션의 주요 요소 중 하나이며 필요한 정확성을 보장하려면 20-30나노초와 동일해야 합니다. 따라서 위성의 속도(약 12,000km/h)를 고려해야 합니다.
상대성 이론을 접해 본 사람이라면 시간이 빠른 속도로 흐를수록 느리게 흐른다는 사실을 알 것입니다. 3874m/s의 속도로 움직이는 위성의 경우 시계는 지구보다 느리게 흐릅니다. 이러한 상대론적 시간으로 인해 하루에 약 7.2마이크로초(1마이크로초 = 10-6초)의 시간 부정확성이 발생합니다. 상대성 이론에서는 중력장이 강할수록 시간이 느리게 흐른다고 말합니다. 지구 표면에 있는 관측자의 경우 위성의 시계는 더 빠르게 작동합니다(위성은 관측자보다 20,000km 더 높고 중력의 영향을 덜 받기 때문입니다). 그리고 이것이 이 효과의 두 번째 이유인데, 이는 앞서 언급한 부정확성보다 6배 더 강력합니다.
일반적으로 위성의 시계는 조금 더 빠르게 움직이는 것 같습니다. 지구상의 관찰자의 시간 편차는 하루에 38마이크로초가 되며 하루에 총 10km의 오류가 발생합니다. 이러한 실수를 피하기 위해 지속적으로 조정할 필요는 없습니다. 위성의 클럭 주파수는 10.23MHz가 아닌 10.229999995453MHz로 설정됐으나, 데이터는 마치 10.23MHz의 표준 주파수를 갖고 있는 것처럼 사용된다. 이 트릭은 상대론적 효과의 문제를 완전히 해결했습니다.
그러나 GPS 시스템을 사용하여 위치를 결정할 때 고려되지 않는 또 다른 상대론적 효과가 있습니다. 이것이 소위 사낙 효과인데, 이는 지구 표면의 관찰자 역시 행성이 회전한다는 사실로 인해 500m/s(적도에서의 속도)의 속도로 끊임없이 움직이고 있다는 사실에 기인합니다. 그러나 이 효과의 영향력은 작고 조정도 계산하기 어렵습니다. 이동 방향에 따라 다릅니다. 따라서 이 효과는 특별한 경우에만 고려됩니다.
GPS 시스템 오류는 다음 표에 나와 있습니다. 부분값은 상수값이 아니고 차이가 있을 수 있습니다. 모든 숫자는 대략적인 값입니다.
모바일 장치의 해부학에 대한 강의V. 스마트폰 및 태블릿의 내비게이션(GPS, GLONASS 등). 오류의 원인. 테스트 방법.
최근까지는 소매 체인에서 "내비게이터"라는 장치를 구입할 수 있었습니다. 이 장치의 주요 기능은 이름과 완전히 일치하며 일반적으로 잘 수행되었습니다.
당시 세계에서 실질적으로 정상적으로 작동하는 유일한 내비게이션 시스템은 미국의 GPS(Global Positioning System)였으며 모든 요구 사항을 충족하기에 충분했습니다. 사실 당시에는 '내비게이션'(네비게이터)과 GPS라는 단어가 동의어였습니다.
PDA(휴대용 컴퓨터) 제조업체와 스마트폰 및 태블릿 제조업체가 장치에 내비게이션 지원을 구축하기 시작하면서 모든 것이 바뀌었습니다. 물리적으로는 내비게이션 신호 수신기가 내장된 형태로 구현됐다. 때로는 푸시 버튼 전화기에서도 내비게이션 지원을 찾을 수 있습니다.
그 순간부터 모든 것이 바뀌었습니다. 별도의 장치인 내비게이터는 생산과 판매 모두에서 거의 사라졌습니다. 소비자들은 스마트폰과 태블릿을 내비게이터로 사용하는 쪽으로 대거 전환했습니다.
그 동안 러시아 GLONASS와 중국 Beidou(Beidou, BDS)라는 두 개의 내비게이션 시스템이 성공적으로 가동되었습니다.
하지만 이것이 내비게이션의 품질이 향상되었다는 의미는 아닙니다. 이러한 장치(스마트폰 및 태블릿)의 내비게이션 기능은 더 이상 주요 기능이 아니라 많은 기능 중 하나가 되었습니다.
결과적으로 많은 사용자는 모든 스마트폰이 내비게이션 목적으로 "동일하게 유용"하지는 않다는 사실을 깨닫기 시작했습니다.
여기서 우리는 이 문제에 대한 장치 제조업체의 부정직의 역할에 대한 질문을 포함하여 탐색 오류의 원인을 식별하는 문제에 도달합니다. 슬프지만 사실이야.
하지만 제조업체의 모든 잘못을 비난하기 전에 먼저 내비게이션 오류의 원인을 살펴보겠습니다. 나중에 알게 되겠지만 생산자는 모든 죄에 대한 책임이 아니라 절반에 대해서만 책임이 있습니다. :)
탐색 오류내비게이션 장치 외부 원인과 내부 원인이라는 두 가지 주요 클래스로 나눌 수 있습니다.
외부적인 이유부터 시작해보자. 이는 주로 대기의 불균일성과 측정 장비의 자연적인 기술적 오류로 인해 발생합니다.
대략적인 기여는 다음과 같습니다.
전리층에서의 신호 굴절 ± 5미터;
- 위성 궤도 변동 ± 2.5미터;
- 위성 시계 오류 ± 2미터;
- 대류권 불균일 ± 0.5 미터;
- 물체 반사의 영향± 1미터;
- 수신기 ± 1미터의 측정 오류.
이러한 오류는 임의의 부호와 방향을 가지므로 최종 오류는 확률 이론에 따라 제곱합의 근으로 계산되며 6.12미터입니다. 그렇다고 오류가 항상 이런 식으로 발생한다는 의미는 아닙니다. 이는 눈에 보이는 위성의 수, 상대 위치, 그리고 무엇보다도 주변 물체의 반사 수준과 위성 신호 약화에 대한 장애물의 영향에 따라 달라집니다. 결과적으로 오류는 주어진 "평균" 값보다 높거나 낮을 수 있습니다.
예를 들어 다음과 같은 경우에는 위성 신호가 약해질 수 있습니다.
- 실내에 있는 경우
- 밀집된 높은 물체 사이(고층 건물 사이, 좁은 산 협곡 등)에 있는 경우
- 숲 속에 있을 때. 경험에 따르면 울창하고 키가 큰 숲이 항해를 훨씬 더 어렵게 만들 수 있습니다.
이러한 문제는 고주파 무선 신호가 빛처럼 이동한다는 사실, 즉 가시선 내에서만 발생한다는 사실에 기인합니다.
때로는 오류가 있기는 하지만 내비게이션이 장애물에서 반사된 신호에 대해서도 작동할 수 있습니다. 그러나 반복적으로 반영되면 너무 약해져서 내비게이션 작동이 중단됩니다.
이제 오류의 "내부" 원인을 살펴보겠습니다.탐색 중; 저것들. 스마트폰이나 태블릿 자체에서 생성됩니다.
사실 여기에는 두 가지 문제만 있습니다. 첫째, 내비게이션 수신기의 감도가 좋지 않습니다(또는 안테나 문제). 둘째, 스마트폰이나 태블릿의 "비뚤어진" 소프트웨어입니다.
구체적인 예를 살펴보기 전에 탐색 품질을 확인하는 방법에 대해 이야기해 보겠습니다.
내비게이션 테스트 방법.
1. "정적" 모드에서 내비게이션을 테스트합니다(스마트폰/태블릿이 정지된 위치에 있음).
이 검사를 통해 다음 매개변수를 결정할 수 있습니다.
- "콜드 스타트" 중 좌표의 초기 결정 속도(시계로 측정)
- 이 스마트폰/태블릿과 함께 작동하는 내비게이션 시스템 목록(GPS, GLONASS 등)
- 좌표 결정의 추정 정확도;
- "핫 스타트" 중 좌표 결정 속도.
이러한 매개변수는 일반 탐색 프로그램과 특수 테스트 프로그램(더 편리함)을 모두 사용하여 결정할 수 있습니다.
정적 테스트의 규칙은 매우 간단합니다. 테스트는 반드시 수행되어야 합니다. 열린 공간에서(넓은 거리, 광장, 들판 등) 및 인터넷이 꺼졌을 때. 마지막 요구 사항을 위반하는 경우 위성 자체의 신호에서 위성 궤도를 결정하는 대신 인터넷(A-GPS, 보조 GPS)에서 위성 궤도를 직접 다운로드하므로 "콜드 스타트" 시간이 크게 가속화될 수 있습니다. 그러나 이는 더 이상 내비게이션 시스템 자체의 순수한 작업이 아니기 때문에 더 이상 "공정"하지 않습니다.
AndroiTS 내비게이션 테스트 프로그램이 작동하는 방식에 대한 예를 살펴보겠습니다(유사 항목 있음).
(확대하려면 클릭)
방금 제시된 사진은 스마트폰이 미국식 GPS, 러시아식 GLONASS 및 중국식 Beidou(BDS)의 세 가지 내비게이션 시스템과 작동한다는 것을 보여줍니다.
스크린샷 하단에서 현재 위치의 성공적으로 결정된 좌표를 볼 수 있습니다. 위도 1도의 값은 약 100km이므로 가장 낮은 등급의 단위 가격은 10cm입니다.
경도 1도의 값은 지리적 위치에 따라 다릅니다. 적도에서도 약 100km이고 극 근처에서는 0으로 감소합니다(극에서는 자오선이 서로 가까워집니다).
위성의 국적을 나타내는 열 오른쪽에는 위성 번호가 있는 열이 있습니다. 이 번호는 엄격하게 연결되어 있으며 변경되지 않습니다.
다음은 색상 막대가 있는 열입니다. 막대의 크기는 신호 레벨을 나타내고 색상은 내비게이션 시스템에서 사용 중인지 여부를 나타냅니다. 사용되지 않는 위성은 회색 막대로 표시됩니다. 사용되는 색상은 신호 레벨에 따라 다릅니다.
다음 열은 항법 위성의 신호 레벨이지만 숫자("기존 단위")입니다.
그런 다음 녹색 확인 표시와 빨간색 대시가 있는 열이 있습니다. 이는 위성 사용 여부에 대한 정보가 반복되는 것입니다.
맨 윗줄에서 "ON"이라는 단어는 탐색 상태를 나타냅니다. 이 경우 이는 스마트폰 설정에서 좌표 결정이 허용되고 결정된다는 의미입니다. 상태가 "WAIT"인 경우 좌표 결정은 허용되지만 필요한 수의 위성을 아직 찾지 못한 것입니다. "OFF" 상태는 스마트폰 설정에서 좌표 결정이 금지되어 있음을 의미합니다.
그런 다음 동심원이 있는 원과 숫자 5는 현재 좌표를 결정하는 예상 정확도(5m)를 나타냅니다. 이 값은 사용된 위성의 수와 "품질"을 기준으로 계산되며 스마트폰에서 위성의 데이터 처리가 오류 없이 수행된다고 가정합니다. 그러나 나중에 살펴보겠지만 항상 그런 것은 아닙니다.
위성이 이동함에 따라 이 모든 데이터가 변경되어야 하지만 좌표(최종선)는 약간 변경되어야 합니다.
불행하게도 이 애플리케이션은 좌표의 초기 결정("콜드 스타트")에 소요된 시간을 표시하지 않으며 다른 유사한 애플리케이션도 표시하지 않습니다. 이 시간은 수동으로 "시간을 측정"해야 합니다. "콜드 스타트" 시간이 1분 미만이었다면 이는 훌륭한 결과입니다. 최대 5분 – 좋습니다. 최대 15분 - 평균; 15분 이상 - 좋지 않습니다.
"핫 스타트" 속도를 확인하려면 테스트 프로그램을 종료하고 몇 분 후에 다시 로그인하십시오. 일반적으로 테스트 프로그램을 시작하는 동안 좌표를 결정하고 즉시 사용자에게 제공합니다. "핫 스타트" 중 좌표 표시 지연이 10초를 초과하면 이미 의심스러울 정도로 긴 것입니다.
"핫 스타트" 중에 좌표를 신속하게 결정하는 효과는 내비게이션 시스템이 마지막으로 계산된 위성 궤도를 기억하고 이를 다시 결정할 필요가 없다는 사실에 기인합니다.
그래서 우리는 "정적" 모드에서 탐색 테스트를 분류했습니다.
계속 나아가자 내비게이션 테스트의 두 번째 지점으로 이동 중입니다.
내비게이션의 주요 목적은 이동하는 동안 올바른 장소로 안내하는 것이며, 이동하는 동안 테스트하지 않으면 테스트가 불완전하게 됩니다.
이동 과정에서 탐색 관점에서 볼 때 개방형 지형, 도시 지역 및 숲의 세 가지 유형의 지형이 있습니다.
개방된 공간은 이상적인 탐색 조건이며 여기서는 문제가 없습니다(매우 "짜증나는" 장치 제외).
대부분의 경우 도시 개발은 높은 수준의 반사가 존재하고 신호 수준이 약간 감소하는 것이 특징입니다.
숲은 반대 방향으로 "작동"합니다. 즉, 신호가 크게 약화되고 반사 수준이 낮아집니다.
먼저 거의 "이상적인" 트랙의 샘플을 살펴보겠습니다.
그림에는 거기/뒤의 두 트랙이 표시됩니다(이는 거의 모든 그림에서 계속 나타납니다). 이러한 사진을 사용하면 거의 동일한 두 개의 트랙을 서로 및 도로와 비교할 수 있으므로 탐색 품질에 대해 신뢰할 수 있는 결론을 내릴 수 있습니다. 이 그림에서는 모든 것이 정상입니다. 트랙 진동은 자연 오류의 한계 내에 있습니다. 상단에는 로터리의 서로 다른 측면의 통로가 적절하게 그려져 있습니다. 어떤 곳에서는 선로 사이에 눈에 띄는 불일치가 있는데, 이는 아마도 수면과 강 위에 있는 다리의 금속 구조물로부터의 신호 반사로 인해 발생했을 것입니다. 그리고 일부에서는 거의 완벽한 우연의 일치입니다.
이제 "문제" 트랙의 몇 가지 일반적인 사례를 살펴보겠습니다.
높은 숲에서 신호 레벨 감소로 인해 영향을 받은 스마트폰의 GPS 트랙을 살펴보겠습니다.
선로가 서로 다르고 도로에서 갈라지는 것이 눈에 띄지만 재앙과는 거리가 멀습니다. 이 경우 스마트폰 내비게이션의 정확도는 해당 조건에 따른 '자연 쇠퇴' 한도 내에서 감소했다. 이러한 스마트폰은 내비게이션 목적에 적합한 것으로 간주되어야 합니다.
스크린샷의 오른쪽에는 선로와 도로 사이의 불일치가 명확하게 표시됩니다. 이러한 "잘 구성된" 개발 조건의 이러한 불일치는 거의 불가피하며, 이 경우 테스트 중인 스마트폰에 대해 어떤 식으로든 나타내지 않습니다.
이론적으로 스마트폰(태블릿)이 지원하는 내비게이션 시스템이 많을수록 내비게이션에 사용되는 위성이 많아지고 오류가 작아져야 합니다.
실제로는 항상 그런 것은 아닙니다. 비뚤어진 소프트웨어로 인해 스마트폰이 다른 시스템의 데이터를 올바르게 연결할 수 없어 비정상적인 오류가 발생하는 경우가 많습니다. 몇 가지 예를 살펴보겠습니다.
예를 들어 다음 트랙을 살펴보겠습니다.
방금 표시된 스크린샷은 간섭의 결과일 수 없는 바늘 모양의 분출을 보여줍니다. 경로는 울창한 숲이 없는 저층 건물을 통과했습니다. 이 릴리스는 전적으로 "비뚤어진" 소프트웨어의 양심에 달려 있습니다.
그러나 이것들은 여전히 "꽃"이었습니다. 비정상적인 탐색 오류가 더 이상 꽃이 아닌 열매인 스마트폰이 있습니다.
이 트랙을 녹음할 때 "비뚤어진" 소프트웨어의 변칙적인 오류와 높은 숲의 신호 약화가 결합되었습니다. 결과는 냉정한 사람이 같은 길을 따라 그곳으로 갔다가 돌아 오는 길을 추측하는 것이 단순히 불가능한 트랙입니다. :)
그리고 상단의 굵은 선 묶음은 휴게소에서 움직이지 않는 스마트폰의 '경로'입니다. :)
내비게이션 수신기에서 스마트폰의 컴퓨팅 부분으로 전달되는 데이터 흐름의 일시 중지와 관련된 또 다른 유형의 비정상적인 오류가 있습니다.
이 사진은 경로의 일부(약 300m)가 직선으로 통과하고 일부는 물을 직접 통과하는 것을 보여줍니다. :)
이 경우 스마트폰은 단순히 좌표열이 사라지고 나타나는 지점들을 직선으로 연결했을 뿐이다. 이들의 손실은 눈에 보이는 위성 수가 임계 수치 이하로 감소하거나 "비뚤어진" 소프트웨어 및 심지어 하드웨어 문제(후자는 가능성이 낮음)와 관련될 수 있습니다.
위성 신호가 완전히 손실된 경우 내비게이션 프로그램은 일반적으로 손실 지점과 모양을 직선으로 연결하지 않고 단순히 "빈 공간"을 남겨 둡니다(이로 인해 트랙에 틈이 발생함).
이 사진은 경로의 일부가 모든 위성의 가시성이 완전히 상실된 지하 통로를 통과하는 곳에서 선로의 단절을 보여줍니다.
원인과 일반적인 탐색 오류를 연구한 후 이제 시간입니다. 결론을 내리다.
예상대로 최고의 내비게이션은 "고급" 브랜드의 스마트폰과 태블릿에서 찾을 수 있습니다. 비정상적인 오류 형태의 문제는 아직 발견되지 않았습니다. 물론 장치가 지원하는 내비게이션 시스템이 많을수록 좋습니다. 사실, 중국 Beidou에 대한 지원은 중세 왕국 근처에 위치한 지역 및 국가에서 장치를 사용할 때 여전히 의미가 있습니다. 중국 내비게이션 시스템은 글로벌이 아니라 "로컬"(현재)입니다. 따라서 GPS 및 GLONASS 지원이면 충분합니다.
스마트폰이나 태블릿이 "유명한" 원산지가 아닌 경우 탐색에 문제가 있을 수도 있고 없을 수도 있습니다. 전투에서 사용하기 전에, 나중에 불쾌한 놀라움을 나타내지 않도록 다양한 환경에서 정적 및 모션 모두 테스트하는 것이 좋습니다. 대부분의 경우 GPS만 지원하는 모바일 장치는 다중 시스템 장치보다 정확도가 떨어지더라도 문제가 덜 발생합니다.
아쉽게도 네비게이션 기능이 좋은 스마트폰(태블릿)을 선택할 때, 인터넷에서 기기 리뷰를 살펴보는 것은 상당히 어렵습니다. 이동 중에도, 어려운 상황에서도 내비게이션 확인을 무시하는 IT 포털이 압도적으로 많습니다. 이 확인은 이 포털()과 문자 그대로 다른 몇 가지 포털에서만 수행됩니다.
마지막으로이제 스마트폰이나 태블릿뿐만 아니라 다른 많은 기기에도 내비게이션 보조 장치가 탑재되어 있다고 할 수 있습니다. 예를 들어 카메라, 비디오 카메라, GPS 추적기, 차량용 비디오 레코더, 스마트 시계, 일부 특수 유형의 장치, 심지어 러시아 대형 트럭 "Platon" 운전자를 위한 전자 세금 시스템에도 설치됩니다.
담당 의사.
20.01.2017
모두를 위한 GLONASS/GPS: 어려운 작동 조건에서 단일 칩 수신기 위치 확인의 정확성과 접근성 테스트
필립 마토스(Philip Mattos)
번역: 안드레이 루삭
지원@사이트
빅토리아 불라노바
[이메일 보호됨]
현재 대량 생산에 들어간 단일 칩 GNSS 수신기는 소비자 수신기로서 다중 시스템(GLONASS 및 GPS) 작동의 이점을 입증하기 위해 밀집된 도시 환경에서 테스트되었습니다. 통합된 GLONASS/GPS 시스템의 사용은 수만 대의 측지 측량 수신기로 시작되었으며 현재 수백만 대의 소비자 장치가 작동되고 있습니다. 개인용 위성 내비게이션 장치 수의 증가, 자동차 OEM 시스템 및 휴대폰의 출현 덕분에 2011년에는 상당한 시장 규모를 달성할 수 있었습니다. 내비게이션 사용자 장치 시장 발전 전망에 대한 확신으로 인해 안테나 및 SAW 필터와 같은 고주파수 특정 부품 제조업체는 생산량을 늘리고 제품 비용을 최적화해야 합니다. STM 수신기 기반 모듈을 출시한 최초의 러시아 회사 중 하나는 NAVIA였습니다. NAVIA GLONASS 모듈은 기성 내비게이션 단말기 생산 및 움직이는 물체 제어를 위한 안정적이고 편리한 모듈임을 이미 입증했습니다. 다양한 모듈 테스트를 통해 ML8088 및 GL 8088이 제조업체가 명시한 모든 특성을 충족하고 모니터링 장치에 성공적으로 사용될 수 있는 것으로 나타났습니다.
런던, 도쿄, 텍사스에서 단일 칩 GLONASS/GPS 수신기 테스트를 수행하여 GPS와 결합된 모든 가시 GLONASS 위성을 공동으로 사용하면 밀집된 도시 지역에서 위치 확인 가용성이 향상되고 위치 확인 가용성이 열악한 경우에 더 나은 위치 확인 가용성을 제공한다는 사실을 보여주었습니다. - 위치 정확도가 향상되었습니다.
다중 시스템 수신기가 소비자 시장에서 큰 수요가 있다는 것은 분명합니다. 가시성 영역에서 천구 반구의 일부만 볼 수 있고 유용한 신호의 품질이 매우 높을 때 불필요한 신호를 필터링하는 높은 신뢰성이 요구되는 "도시 협곡" 조건에서 더 많은 수의 위성에 대한 작동을 보장할 수 있습니다. 다중 반사 및 감쇠로 인해 품질이 저하됩니다. 다음은 대중 소비자를 위해 비용 효율적인 장치를 생산하는 기반으로 GLONASS 시스템(및 이후 GALILEO)을 통합하는 데 따른 어려움을 간략하게 설명합니다. 이러한 시장에서는 한편으로는 비용이 우선이고 다른 한편으로는 낮은 신호 레벨, 제한된 전력 소비, 짧은 콜드 스타트 시간 및 위치 안정성과 관련된 고성능 요구 사항이 있습니다.
목표는 사용 가능한 모든 위성을 사용하여 실내 및 도시 환경에서 소비자 내비게이션 장치의 성능을 향상시키는 것이었습니다. 2011년은 GLONASS 지원으로 통과되었으며, 이 위성 시스템의 개발은 GALILEO보다 약 3년 앞서 있습니다. 수신기를 설계할 때 GLONASS와 GPS에 대한 하드웨어 지원 비호환성 문제를 극복하는 것이 중요했습니다. 즉, 주파수 변조된 GLONASS 신호는 GPS에서 사용되는 펄스 코드 변조 신호보다 더 넓은 주파수 대역이 필요하고 주파수 중심이 다르며 신호 요소의 전송 속도가 다른 대역 통과 필터가 필요합니다. 그리고 이 모든 것은 수신기 비용을 크게 증가시키지 않고 이루어집니다.
이상적인 작동 조건에서는 추가 별자리의 위성이 효과적이지 않습니다. 포지셔닝 가용성 GPS만 사용해도 100%에 가까워요. 고정 모드에서 위치 확인에 사용되는 7개, 8개 또는 9개의 위성이 전리층에 존재하면 전체 오류가 최소화되고 정확한 좌표가 제공됩니다.
극한의 운용 조건에서는 GPS만을 사용하면 위치를 파악할 수 있지만, 천구 반구의 좁은 부분에 집중된 3, 4, 5개의 위성만을 사용하면 DOP 값이 저하됩니다. 위성 수를 늘리면 정확도가 크게 향상되어 DOP가 향상되고 다중 경로 오류가 평균화됩니다. 배치된 위성의 수를 제한하면 증폭된 DOP의 좌표를 결정할 때 다중 경로 오류가 부과됩니다. 두 번째 또는 세 번째 위성 성좌를 추가하면 가시 위성의 수가 늘어나므로 좌표 결정 과정에 더 많은 위성이 참여하므로 오류가 줄어 듭니다.
따라서 GPS만으로는 충분하지 않은 극한 상황에서 GLONASS 위성(및 후속 GALILEO)을 추가로 사용하면 위치 확인 가용성이 100%(지하 터널 제외)로 높아집니다.
실제로 가용성은 자체적으로 개선되는 긍정적인 피드백 루프입니다. 위성은 지속적으로 추적되므로 RAIM/결함 및 FDE 알고리즘을 사용하여 위치 결정 문제에 대한 현재 솔루션에 참여하는 것이 거부되더라도 검색할 필요가 없습니다. 다시 한번 말씀드리지만, 이미 이전에 사용할 수 있게 되었습니다. 포지셔닝 프로세스가 중단되지 않으면 닫힌 장애물이 있는 위성의 위상을 계속해서 정확하게 예측할 수 있으며 이를 검색하고 수정하기 위해 추가 정보를 수신할 필요가 없기 때문에 그림자를 떠날 때 즉시 사용할 수 있습니다.
추가적인 가시 위성은 소비자에게 매우 중요합니다. 특히 최소 그룹이 3개 또는 4개가 아닌 5개의 위성으로 표시되는 "자체 지원"("셀프 서비스")의 경우 수신기 자율 무결성 모니터링(RAIM) 기술을 사용하여 모든 위성이 "올바른"지 자율적으로 확인합니다. "셀프 서비스"는 GLONASS에 훨씬 더 중요한 이점을 제공합니다. 항상 서비스 지연을 초래하는 지원 서버와 같은 인프라가 필요하지 않습니다. Keplerian 형식으로 위성 궤도 매개변수를 전송하는 GLONASS 방법은 "셀프 서비스" 알고리즘에도 매우 적합합니다.
테스트 값
도시 환경에서 다중 시스템 장치의 이점을 특성화하려는 이전 시도는 그러한 신호 레벨에 맞게 설계되지 않은 전문 수신기를 사용해야 할 필요성으로 인해 중단되었으며, 측정을 위해 각 그룹에 대해 별도의 결과를 얻거나 위성 측정 중 하나를 희생해야 했습니다. 시간. 이러한 상황으로 인해 대중 시장에 출시될 예정이었던 장치를 계속 테스트할 수 없었습니다.
새로운 다중 시스템 솔루션의 출시는 매우 중요합니다. 테스트 중인 수신기의 감도가 향상되고 측정 및 계산이 모두 완벽하게 준비되어 있다면 진정한 대량 생산 장치이기 때문입니다. 따라서 이 기사의 저자는 처음으로 절대적으로 신뢰할 수 있는 테스트 결과를 보고합니다.
배경
테스트는 단일 칩 GNSS 수신기 Teseo-II(STA-8088)에서 수행되었습니다. 간략한 역사: 이것은 GPS/GALILEO 및 디지털 신호 프로세서(DSP)가 이미 포함된 Cartesio+를 기반으로 하는 STM에서 제조한 2009년 제품입니다. GLONASS 기능을 이식할 준비가 되어 Teseo-II 칩이 탄생했습니다. (2010년 제품). 실제 위성 신호에 대한 테스트 결과는 2009년 말 FPGA 구현의 베이스밴드 칩에서 획득되었으며, 2010년에는 기성 칩을 사용하여 획득되었습니다.
현재 설계에는 추가적인 사소한 회로 수정이 필요했습니다. 필요한 DSP 하드웨어 및 소프트웨어 변경 사항은 사소했으며 다음 예정된 TeseoII 회로 업데이트에 포함되었습니다. RF 부품 회로 구현에는 중간 주파수(IF) 단계와 아날로그-디지털 변환기(ADC), 추가 주파수 변환 및 더 넓은 대역폭의 IF 필터를 갖춘 2채널 회로보다 훨씬 더 많은 주의가 필요했습니다. 그러나 RF 부품이 그 위에 위치하는 크리스탈의 면적은 전체 부피에서 매우 작기 때문에 회로 전체에서 30%의 증가조차도 미미합니다. 칩 설계가 일반적인 단일 칩 시스템(RF 및 BB, 안테나부터 위치 지정, 속도 및 타이밍(PVT)까지)을 위한 것이므로 65nm 공정의 전체 다이 면적은 매우 작습니다.
상업적인 관점에서 볼 때 세 개의 위성 별자리가 모두 포함됩니다(GPS/GLONASS 및갈릴레오) 하나의 칩으로 소비자에게 새로운 것입니다. 러시아 시장에 진출한 많은 회사는 GLONASS 시스템에서 작업해야 하는 필요성에 대한 러시아 정부의 요구 사항을 충족하기 위해 2개 시스템 접근 방식에 정착했습니다. 그들은 전 세계에 여러 포지셔닝 그룹이 있을 것이고 아마도 이 프로세스에 참여하는 각 국가가 자신의 시스템을 주로 사용하라는 요구를 더욱 제시할 글로벌 미래에 대해서는 생각하지 않았습니다.
이에 대한 해결방안은테세오— II혁명적이기 때문에 이러한 시나리오에 대해 사전에 준비되어 있으며 이미 GLONASS 시스템을 받을 수 있습니다. GPS/ 갈릴레오/ QZSS그리고SBAS.
기술적으로 GLONASS 시스템을 그룹에 수신하고 처리하기 위한 독립 채널을 포함시키는 것도 새로운 기능이며 GPS/GALILEO 조합은 이미 표준 관행입니다. 이러한 유연성을 달성하려면 다양한 RF 하드웨어 지연과 신호 전송 속도의 차이를 고려하는 새로운 기술 솔루션도 필요했습니다. 이 외에도 현재 잘 알려진 협정 세계시(UTC) 보정과 지오이드 보정 문제가 있습니다.
단일 칩 솔루션(RF + 베이스밴드 + CPU)으로 직접 전환하는 경우는 드뭅니다. 이는 중요한 기술 혁신입니다. 이 단계에 대한 자신감은 RF 부품을 사용해 본 경험과 프로세서의 입증된 베이스밴드 회로에서 비롯됩니다. 이전에 Cartesio+에서 사용되었던 외부 RF 인터페이스 STA5630과 수정된 GPS/GALILEO DSP가 기본으로 사용되었습니다.
STA5630/Cartesio+의 신뢰성은 3-in-1 SoC 솔루션 출시 이전에도 별도 회로 형태의 양산을 통해 입증됐다.
듀얼 칩 솔루션과 달리GPS/GLONASS 모듈이 러시아 시장에 출시되었습니다.ST마이크로일렉트로닉스 (테세오— II) S.T.A.8088 FG훨씬 더 높은 신뢰성, 잡음 내성, 더 낮은 전력 소비 및 더 작은 크기(모듈)를 갖습니다. M.L.8088 에스크기는 13 x 15mm).
GLONASS 및 GALILEO에 대한 지원은 이전 세대의 RF 하드웨어에 비해 한 단계 발전했습니다. GALILEO는 GPS와 호환되므로 기존 방식을 사용할 수 있지만 GLONASS에는 추가 변경이 필요했습니다. 그림 1과 2를 참조하세요.
그림 1.
그림 2.변경 사항베이스밴드 GLONASS를 지지하는 부품
RF 부분에서는 LNA, RF 증폭기 및 첫 번째 믹서가 하나의 채널로 결합되었습니다. 이를 통해 칩 핀 수를 절약하고 전력 소비를 최소화할 수 있었습니다. 또한 이를 통해 장비 제조업체의 외부 비용을 유지할 수 있었습니다. 첫 번째 믹서에서 30MHz로 감소된 GLONASS 신호는 두 번째 처리 채널(갈색으로 표시)로 들어가고 8MHz로 혼합되어 별도의 ADC에 공급된 다음 베이스밴드 부분에 공급됩니다.
베이스밴드 부분은 신호를 베이스밴드에 공급하는 데 필요한 8MHz로 변환하고 결과 신호를 간섭 방지 필터를 통해 전달하며 샘플링 주파수를 감소시키는 추가 예비 처리 단계(갈색으로 표시)를 제공합니다. 표준 값 16은 DSP 하드웨어 처리에 적합합니다.
기존 획득 장치 및 추적 채널은 GPS/GALILEO 또는 GLONASS 신호를 수신할 위치와 시기를 선택할 수 있으므로 위성 집합과 관련된 채널 배포가 매우 유연해집니다.
덜 눈에 띄지만 시스템 성능에 매우 중요한 것은 이러한 하드웨어 리소스를 제어하는 소프트웨어로, 먼저 PLL 추적 루프를 닫고 측정을 수행하고, 두 번째로 측정된 내용을 PVT 데이터로 변환하는 Kalman 필터입니다. .
이 모든 것은 GLONASS뿐만 아니라 많은 위성 집합에 대한 작업을 지원하기 위해 구조적 수정을 거쳤습니다. 이 경우, 미래의 글로벌 내비게이션 시스템을 수용하기 위해 소프트웨어를 확장하는 것은 진화적 개발의 단계가 될 것이며 크리스탈 자체에 큰 수정이 필요하지 않을 것입니다.
이 소프트웨어는 2010년부터 실제 칩에서 실행되었지만 시뮬레이터나 지붕에 고정된 안테나의 신호를 사용하면 GPS 데이터만 사용할 수 있었기 때문에 시스템 개선을 위한 연구를 위한 어떠한 조작도 허용되지 않았습니다. 2011년 초에는 사전 생산 칩 샘플과 패키지에 안테나가 포함된 개발 보드가 출시되어 전 세계적으로 모바일 현장 테스트가 가능해졌습니다.
실제 결과
다중 시스템 수신 기능을 갖춘 크리스탈이 탄생하기 전에는 별도의 GPS 및 GLONASS 측정 기능을 갖춘 전문 수신기를 사용하여 수행한 예비 테스트에서 결과가 이미 확인되었습니다. 그러나 이러한 테스트는 낮은 감도를 보여 소비자 수신기에 좋은 데이터를 제공하지 못했습니다. 수신기에는 PLL을 구동하기 위해 충분히 깨끗한 신호가 필요했지만 도시 환경에서는 이를 수행할 수 없었으며 가장 중요한 것은 수신기가 시스템 간 타이밍 차이를 처리하기 위해 지속적인 추가 위성을 갖춘 두 개의 별도 솔루션을 만들었다는 것입니다. 결합되지 않은 솔루션에서는 다른 별자리를 사용하여 계산된 좌표를 기반으로 위치를 계산하여 한 별자리의 위성 위치를 예측할 수 없었는데, 이는 다중 시스템 GNSS 수신기의 주요 장점 중 하나입니다.
가시 위성 시뮬레이션은 2010년 밀라노의 중심인 이탈리아의 밀집된 도시 환경에서 수행되었습니다. 전체 24시간 동안 매 분마다 평균을 낸 결과가 표 1에 나와 있습니다. 가시 위성의 평균 수는 GPS만 사용한 경우 4.4개에서 GPS+GLONASS의 경우 7.8개로 증가했으며 No Fix 포인트 수는 0입니다. 또한, 'GPS 전용' 모드에서는 380개의 허위 포인트가 수신되었는데, 이는 전체 수신 시간의 약 26%에 해당한다.
1 번 테이블.정확성과 가용성GPS그리고GPS+GLONASS, 평균 24시간 이상
그러나 위성의 가용성은 그 자체로 끝나지 않았습니다. 도시 지역에 걸쳐 천구의 동일한 작은 영역에 더 많은 위성을 갖는 것만으로는 정확도의 기하학적 감소로 인해 충분하지 않을 수 있습니다. 이 데이터를 조사하려면 HDOP로 표시되는 기하학적 정밀도를 살펴보세요. GLONASS와 GPS를 함께 사용했을 때 결과가 2.5배 더 좋아졌습니다.
이전 연구에서는 개별 테스트 도시에서 2~3개의 추가 위성을 사용할 수 있었지만 그 중 1개는 타이밍에 사용된 것으로 나타났습니다. 하나의 칩에 결합된 매우 민감한 수신기를 사용할 때 우리는 4~5개의 추가 위성이 포함될 것이라고 가정했습니다.
실제 결과는 우리의 기대를 훨씬 뛰어넘었습니다. 첫째, 이전의 모든 테스트와 시뮬레이션에서는 반사 신호가 제외되었기 때문에 다른 많은 위성의 신호가 나타났습니다. 추가 신호를 통해 수신기의 DOP 성능이 크게 향상되었습니다. 정확성에 대한 반사의 영향은 첫째로 더 나은 포지셔닝 기하학으로 인해, 둘째로 위성 추적 안정성을 유지하는 FDE/RAIM 알고리즘의 능력으로 인해 크게 감소했습니다. 또한 좌표 데이터를 왜곡할 수 있는 잘못된 신호의 수도 감소했습니다.
여기에 제시된 결과는 STA8088s 칩을 기반으로 하는 NAVIA ML8088s 수신기와 같은 완전히 통합된 고감도 수신기에서 얻은 것입니다. 매우 낮은 수준의 신호도 감지하고 별자리에 관계없이 시야에 있는 모든 위성에서 직접 결과를 얻을 수 있도록 최적화되어 있습니다. 이는 100% 위성 가용성을 보장하고 어려운 도시 환경에서 정확도를 크게 향상시킵니다.
유효성
PLL(위상 고정 루프)과 무관한 고감도 수신기를 사용하면 현대 건물의 유리 표면에서 반사되는 경우에도 현대 도시에서 완전한 접근성을 보장합니다. 따라서 이제 "4개의 위성을 사용할 수 있습니다"가 아닌 다른 가용성 정의가 필요합니다. 예를 들어, 특정 수준의 신호 품질에서 위성을 추적하면 그 결과는 DOP에 따라 달라집니다. Kalman 필터는 DOP를 계산할 때 고려되지 않는 각 위성에 서로 다른 가중치를 할당하기 때문에 DOP도 추정하기 어려울 수 있습니다. 또한 즉각적인 측정 외에도 이 필터는 과거 위치와 현재 속도를 사용하므로 위치 정확도는 변경되지 않습니다.
그림 3은 추적 모드에서의 위성 가용성을 보여줍니다. 테스트는 2011년 5월 런던의 금융 지구에서 이루어졌습니다.
추적된 위성 –GPS, 글로나스,GPS+글로나스
그림 3.GPS(파란색으로 표시) GLONASS(빨간색으로 표시) 및 모든 추적 위성에 대한GPS(녹색으로 표시).
그림에서 볼 수 있듯이. 3, 총 7-8개의 GLONASS 위성과 8-9개의 GPS 위성, 즉 다중 GNSS(약 16개의 위성)가 있습니다. 위성 신호가 수신되지 않는 기간이 있었습니다. Blackfriars Underpass 터널을 통과하는 동안 타임 스탬프는 약 156400초였습니다. 도시의 다른 지역에서는 약 158,500초와 161,300초에 가시성이 4개의 위성으로 떨어졌지만 총 개수는 8개보다 적지 않았습니다. 테스트는 주로 석조 건물이 있는 구시가지에서 이루어졌기 때문에 반사 신호가 유리나 금속 건물보다 약하다는 점에 유의해야 합니다.
위성 가용성은 100% 터널 외부이지만 DOP 또는 위치 정확도에 의해 제한될 수 있습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이, 런던의 다른 테스트에서 다중 GNSS DOP는 10~16개의 가시 위성이 있어야 하기 때문에 1 미만으로 유지되는 반면, GPS 전용 DOP는 반사 및 왜곡으로 인해 왜곡 없이 4보다 높은 경우가 많습니다. 신호가 약하면 DOP는 피크에서 10으로 크게 증가합니다.
GPS비교하다GPS
그림 4.오직GPS결합에 반대GPS/GLONASS 정확도 감소 표시기
2011년 5월에 수행된 테스트는 GPS가 다중 GNSS 지원을 필요로 하는 스트레스 조건을 생성할 만큼 가볍기 때문에 2011년 8월에 새로운 테스트가 수행되었습니다. 항공사진(Fig. 5)에서 볼 수 있듯이 도시의 현대적인 고층건물인 Canary Wharf에서 테스트를 진행하였다. 게다가, 도시의 도로는 매우 좁아서 도시의 도전을 더욱 어렵게 만들었습니다. 도시 현대 지역의 유리 및 금속 건물은 석조 건물보다 더 나은 반사를 제공하는 경향이 있어 RAIM 및 FDE 알고리즘이 차트에서 벗어나게 됩니다.
그림 5. GPS와 GNSS, 런던, 카나리 워프
GPS만으로 결과를 얻는 것은 어려웠습니다(녹색으로 표시). 특히 Docklands 역의 폐쇄된 부분, 중앙 왼쪽, 하단 선로에서는 더욱 그렇습니다.
그림 6은 도식 로드맵에 표시된 것과 동일한 실제 테스트 결과를 보여줍니다.
그림 6. GPS와 GNSS, 런던, Canary Wharf, 스케치 지도
다중 GNSS 테스트(파란색)는 특히 루프의 북쪽(동쪽) 부분에서 매우 좋은 결과를 보여주었습니다(영국에서 운전하는 것은 왼쪽에 있으므로 시계 방향으로 일방 통행 루프가 생성됨).
그림 7. a) 도쿄에서의 테스트: Teseo-I(GPS) 대 Teseo-II(GNSS); b) 도쿄에서 테스트할 때 DOP
추가 테스트는 전 세계 STMicroelectronics 사무소에서 수행되었습니다. 그림 7a는 도쿄에서의 테스트를 보여줍니다. 노란색은 GLONASS가 없는 이전 세대 칩의 테스트 결과를 나타내고 빨간색은 GPS+GLONASS가 포함된 Teseo-II를 나타냅니다.
그림 7b는 테스트 중 DOP를 보여줌으로써 정확도 정의를 명확하게 보여줍니다. Teseo-II DOP는 2보다 높은 경우가 거의 없었지만, 원으로 표시된 북쪽 화합물에서는 GPS 전용(Teseo-I) DOP가 6~12 사이인 것을 볼 수 있습니다.
GPS에 대한 테스트 알고리즘은 간단하지만 결정의 정확성은 어렵다는 점을 반복합니다.
그림 9에 표시된 것과 같이 동일한 테스트 조건에서 도쿄의 더 좁은 도시 거리에서 추가 테스트가 수행되었습니다. 파란색 - GPS만, 빨간색 - GPS+GLONASS, 결과가 크게 향상되었습니다.
그림 9는 동일한 색 구성표를 사용하여 달라스 테스트 결과를 표시합니다. 이번에는 경쟁사의 GPS 수신기와 GPS+GLONASS 구성의 Teseo-II를 사용하여 매우 좋은 결과를 보여줍니다.
그림 8. 전용GPS(파란색) vs 멀티GPS(빨간색), 도쿄.
그림 9. 전용GPS(파란색, 경쟁사 수신기) 대비GPS(빨간색), 달라스.
기타 위성 별자리
비록 하드웨어테세오— II지원하고갈릴레오, 아직 위성을 사용할 수 없습니다갈릴레오(2011년 9월 현재) 따라서 전 세계에서 사용되는 이 칩 기반 장치에는 아직 이 위성 집합을 서비스하기 위한 소프트웨어가 로드되어 있지 않습니다. 하지만, 사용할 때가 된다면 갈릴레오, 소프트웨어를 업데이트할 기회는 항상 있습니다.
일본 QZSS 시스템에는 기존 GPS 호환 신호, SBAS 신호 및 L1C BOC 신호를 전송하는 하나의 위성이 있습니다. Teseo-II는 현재 로드된 소프트웨어 기능의 도움으로 처음 두 가지를 처리할 수 있으며, SBAS의 사용은 도시 환경에서는 쓸모가 없지만 신호 반사 및 간섭은 국지적이고 감지할 수 없기 때문에 SBAS의 목적은 QZSS 시스템은 도시 지역에서 항상 위성을 사용할 수 있도록 매우 넓은 각도의 위성을 제공하는 것입니다.
그림 10은 GPS(노란색)와 다중 GNSS(GPS + QZSS 위성 1개(빨간색)) 및 지상 실측(보라색)을 사용한 타이페이(대만)의 테스트를 보여줍니다.
그림 10. 만GPS(노란색) 대 다중GPS (GPS+
QZSS (위성 1개, 빨간색)), 참값 -라일락, 타이페이
추가 작업
테스트를 통해 더욱 정확한 정량적 결과를 얻을 수 있습니다. 테스트는 실제 여행 방향을 표시하는 벡터 데이터가 포함된 도로 지도가 있는 영국에서 실시됩니다. 기존 GALILEO 외에 Compass 시스템과 GPS-III(L1-C)을 지원하도록 하드웨어를 수정할 계획입니다. 이러한 신호를 찾고 추적하는 방법은 GNSS 신호 시뮬레이터에서 미리 녹음된 방송 스크립트 샘플을 사용하여 이미 시연되었습니다.
2011년에는 Compass를 사용할 수 없었습니다. 이와 관련하여 Teseo-II의 실리콘 구현에 대한 작업은 주로 BOC 또는 BPSK와 같은 다양한 코드 길이의 조건에서 유연성을 극대화하는 데 중점을 두었습니다. 이는 DSP 하드웨어 구성을 위해 하나 또는 다른 로드된 소프트웨어를 사용하여 이를 가능하게 했습니다. 기능을 통해 서로 다른 위성 집합 간의 호환성을 얻을 수 있습니다.
다중 GNSS CHIP의 현재 버전에 대한 호환성 작업은 약했습니다. Compass 시스템의 1561MHz 중심 주파수는 전압 제어 발진기와 PLL을 통해서만 유지될 수 있기 때문에 Compass 시스템은 다른 위성 집합과 동시에 작동할 수 없습니다. 또한 Compass 시스템의 코드 전송 속도는 200만 bps인데, 이는 Teseo-II에서도 지원되지 않으며 외부 대체 회로를 사용하여 표준으로 가져올 수 있으므로 심각한 신호 손실이 발생합니다.
따라서 Compass 지원 작업은 연구 및 소프트웨어 개발, 단일 시스템 솔루션 또는 별도의 RF 칩 사용에만 관련됩니다.
반송파 주파수, 코드 길이 및 속도에서 GPS/GALILEO 신호 형식으로 되어 있는 전세계 Compass 신호는 단일 다중 GNSS 회로 내에서 완벽하게 호환되지만 2020년 이전에는 호환되지 않을 가능성이 높습니다.
그룹이 발전함에 따라 도시 조건에서의 테스트가 반복됩니다.갈릴레오. 채널이 32개라면 11/11/10 분할(GPS/ 갈릴레오/GLONASS), 세 그룹이 모두 완벽하게 보완되어 있지만 내비게이션 서비스에 대한 현대적인 요구 사항의 틀 내에서는 14/8/10 조합이면 충분합니다.
결론
다중 시스템 수신기에는 최소한의 비용으로 GPS, GLONASS 및 GALILEO를 포함할 수 있습니다. 32개의 추적 채널과 최대 22개의 가시 위성을 통해 가장 가혹한 도시 환경에서도 100% 가용성과 허용 가능한 위치 정확도를 보장할 수 있습니다. 테스트 중에는 일반적으로 10~16개의 위성이 표시됩니다. 여러 측정을 통해 RAIM 및 FDE 알고리즘은 제대로 반사되지 않은 신호를 제거하는 동시에 나머지 신호 왜곡의 기하학적 효과를 최소화하는 데 훨씬 더 효과적입니다.
최근 러시아 GLONASS의 개발로 다중 시스템 수신기에 대한 내비게이션 시장의 요구가 점점 커지고 있습니다. 다수의 국내 기업이 단일 칩 칩을 사용하고 있습니다. STM자체 GLONASS 모듈과 기성 패키지 장치를 개발합니다. 특히 2011년 NAVIA사는 GLONASS/GLONASS/ GPS/ 갈릴레오테스트 결과 매우 좋은 결과를 보인 모듈.
즉시 또는 통합 가용성(영어) 가용성 – PDOP 조건이 충족되는 시간의 %를 나타냅니다.<=6 при углах места КА >= 5도. 간단한 예: 2010년 이전에는 전 세계 일부 지역에서 GLONASS 가용성이 70-80%를 넘지 않았지만 이제는 모든 곳에서 100%입니다!)
정확도 감소또는 기하학적 정확도 감소(영어) 정밀도 희석, DOP, 영어 GDOP(기하학적 정밀도 희석)
림(영어) 수신기 자율 무결성 모니터링 ARIC(Autonomous Receiver Integrity Monitoring)는 GPS 시스템과 GPS 수신기의 무결성을 평가하고 유지하도록 설계된 기술입니다. 이는 항공이나 해상 항법과 같이 적절한 수준의 안전을 보장하기 위해 GPS 시스템의 올바른 작동이 필요한 경우에 특히 중요합니다.
