Совмещенные приемные модули систем ГЛОНАСС/GPS производства КБ «ГеоСтар Навигация»

Андрей Никитин
В первой части статьи рассказывается об истории развития навигационных систем GPS и ГЛОНАСС и текущем состоянии системы ГЛОНАСС. Во второй части рассмотрены преимущества навигации по общему созвездию спутников обеих систем и совмещенные приемные модули систем ГЛОНАСС/GPS, предлагаемые на рынок отечественным КБ «ГеоСтар Навигация».

Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) - комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), параметров движения (скорости, направления движения и т. д.) и временной синхронизации для наземных, водных и воздушных объектов.

Преимущества технологии навигации по объединенному созвездию ГЛОНАСС/GPS

Глобальные навигационные спутниковые системы определяют местоположение, скорость и точное время. Однако существенным фактором, влияющим на точность работы наземного навигационного оборудования, является количество видимых на небосклоне спутников. Для гарантированной работы GPS необходимо открытое пространство, когда в поле зрения находится максимальное число спутников, и отсутствуют отраженные сигналы.

При наличии различных затенений радиовидимости, которые характерны для условий применения на наземном транспорте, а особенно в условиях современного городского ландшафта, возможности точного позиционирования значительно ухудшаются. Количество видимых спутников одной системы может быть недостаточным для решения навигационной задачи с требуемой точностью, и само решение часто становится невозможным. Использование двух навигационных систем улучшает и расширяет возможности для потребителей.

Характерным примером является работа навигационного приемника вблизи стены дома, когда физически половина небосвода закрыта. В таких условиях использование ГЛОНАСС совместно с GPS существенно (почти в два раза) повышает надежность и достоверность приемника по определению координат. Поскольку решение навигационных задач на наземном транспорте предполагает работу в условиях частичных и частых затенений радиовидимости, приемник ГЛОНАСС+GPS имеет значительные преимущества перед любым односистемным приемником GPS или ГЛОНАСС.

Система ГЛОНАСС, в отличие от GPS, позволяет осуществлять уверенный прием навигационного сигнала в северных и южных полярных широтах Земли.

Совмещенные ГЛОНАСС/GPS-приемники компании «ГеоСтар Навигация»

Рассматривая ГЛОНАСС/GPS-приемники, предлагаемые отечественными производителями, ограничимся только одним классом, а именно OEM-приемниками, то есть законченными модулями, предназначенными для встраивания в качестве электронного компонента в законченные изделия различного назначения. Ряд производителей предлагают на рынок и законченные навигационные изделия для морских, авиационных, наземных носителей, и геодезическую аппаратуру, однако в основе этих изделий все равно лежат OEM-приемники.

КБ «ГеоСтар Навигация» предлагает на рынок два приемника: ГеоС-1 и ГеоС-1м. ГеоС-1 представляет собой законченную плату, представленную на рис. 3.

Рис. 3. Совмещенный ГЛОНАСС/GPS-приемник ГеоС-1

Приемник использует сигналы со спутников обеих навигационных систем ГеоС-1, что позволяет определить точное местоположение объекта там, где это невозможно (или возможно с ограничениями - режим 2D) в случае использования систем по отдельности. Приемник ГеоС-1 способен получать данные местоположения, используя или только сигналы ГЛОНАСС, или только GPS, или работая по совмещенному созвездию ГЛОНАСС+GPS. Структурная схема приемника представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема приемника ГеоС-1

Цифровая часть приемника ГеоС- 1 состоит из БИС процессора с архитектурой ARM-7 (AT91FR40162S компании Atmel) и коррелятора с акселератором (автомат быстрого поиска), выполненного на заказной БИС, являющейся разработкой ФГУП НИИМА «Прогресс». Применение специализированной микросхемы обеспечивает достижение высоких показателей по времени от подачи питания до первых координат и высокие показатели чувствительности приемника. За счет аппаратной реализации алгоритмов поиска ГеоС-1 обеспечивает получение навигационных данных в течение 36 секунд в «холодном» старте и в течение 4 секунд в «горячем» старте.

Точность определения координат (среднеквадратичное отклонение) в плане 3 м, по высоте 5 м. Точность определения скорости 0,05 м/с. Темп выдачи навигационной информации - пять раз в секунду. Приемник выдает импульс метки времени (1PPS - один импульс в секунду) с точностью 50 нс по отношению к шкале времени GPS-Time.

Чувствительность приемника в режиме обнаружения составляет -170 дБВт; в режиме слежения -180 дБВт. Требования к антенне: активная, с дополнительным усилением 10...35 дБ.

Питание 3,3 В ±5%; потребляемая мощность в режиме слежения 500 мВт, в дежурном режиме (питание от батарейного источника) 20...30 мкВт.

Каналы обмена данными: один канал USB 2.0, два дуплексных канала RS-232 (уровни сигналов LVTTL) с программно задаваемой скоростью передачи 4800...203400 бит/с. В зависимости от используемых каналов обмена (два канала RS-232 или один канал RS-232 + USB) и исполнения батарейного источника питания (установленный на плате или внешний) возможны четыре варианта исполнения, обозначаемые в заказе как суффикс «xx» в наименовании ГеоС-1хх. Габаритные размеры изделия 47х35х9 мм.

Фотография приемника Геос-1м представлена на рис. 5.

Рис. 5. Совмещенный ГЛОНАСС/GPS-приемник ГеоС-1м

В отличие от ГеоС-1, который устанавливается в аппаратуру пользователя автономно и соединяется с платами пользователя кабелями, приемник ГеоС-1м представляет собой модуль для поверхностного монтажа. Модуль непосредственно распаивается на пользовательскую печатную плату в рамках единого цикла ее монтажа. Габаритные размеры ГеоС-1м 35х35х3 мм (то есть на 47% меньше ГеоС-1). Вариант исполнения один - два канала RS-232 и внешний батарейный источник. Потребляемая мощность, по сравнению с ГеоС-1, также снижена и составляет 350 мВт в режиме слежения.

Технические характеристики модуля и его структура (за исключением отсутствия USB-порта) аналогичны приведенным для ГеоС-1.

Оба приемника являются изделиями гражданского назначения. Высокая чувствительность приемника и скорость определения координат в совокупности с малыми габаритами и низкой потребляемой мощностью обеспечивают их успешное применение в бортовой аппаратуре различных систем мониторинга транспорта.

Протоколы выдачи навигационной информации

Приемники обеспечивают два способа обмена навигационной информацией: символьный протокол NMEA 0183 v.3.01 и собственный бинарный протокол обмена. Данные в обоих протоколах выдаются приемником одновременно, но каждый - по своему каналу. По умолчанию, по каналу №0 выдаются данные бинарного протокола, по каналу №1 - NMEA. Используя соответствующую команду бинарного протокола, можно переприсвоить информационные протоколы другим коммуникационным каналам, то есть бинарный протокол будет выдаваться по каналу №1, а NMEA - по каналу №0. По каналу USB могут передаваться данные только одного из протоколов.

Протокол NMEA (National Marine Electronics Association) - полное название «NMEA 0183» - символьный протокол связи навигационного оборудования между собой. Используется почти во всех GPS-приемниках ввиду своей простоты. Поскольку приемник имеет последовательный интерфейс RS-232, то «общаться» с ним можно, подключив его, например, к IBM PC-совместимому компьютеру (согласовав, естественно, уровни сигналов, скорость передачи и формат посылки). Поскольку формат данных символьный, то просматривать и «дешифрировать» сообщения пользователь может (при некотором навыке), используя какую-либо терминальную программу (в простейшем случае программу «HyperTerminal», входящую в состав ОС Windows), не разрабатывая специального программного обеспечения.

Протокол NMEA не предусматривает посылку запросов в приемник. Приемник автоматически генерирует определенный набор сообщений, предусмотренный встроенным программным обеспечением. Формат пакетов приемника ГеоС-1 и их подробное описание приведены в документе «ГеоС-1. Руководство по эксплуатации [8].

Собственный бинарный протокол. Как правило, производитель навигационных приемников в дополнение к протоколу NMEA предлагает собственный протокол, обеспечивающий:

• Возможность настройки режимов работы приемника;
• Получение расширенной навигационной (по сравнению с NMEA) информации;
• Получение информации в ответ на запросы, посылаемые в приемник.

• Формат передачи, как уже отмечалось, бинарный (то есть, двоичный) - значение конкретного параметра передается не в ASCI-кодах, а виде двоичного числа; форматы в терминах языка C (byte, short, int, float, double и другие), выбираемого в зависимости от разрядности и способа представления данных. Таким образом, просмотр сообщений на компьютере возможен, но простейшие терминальные программы непригодны - для «дешифрации» необходимо использовать специальные программы.

  Дополнительная информация может включать в себя сообщения об альманахах, эфемеридах, измерительную информацию от спутников, данные о положении как в географических (широта, долгота, высота), так и в геоцентрических (расстояния X, Y, Z от центра геоида) координатах. Возможны тонкие настройки приемника (например, выключение и включение конкретного спутника из расчета положения) и другие функции.

  В общем случае протокол содержит ряд пакетов беззапросных сообщений (то есть, сообщений, отсылаемых приемником автоматически по мере их формирования), пакеты установок, запросов и команд, принимаемых приемником от контроллера и ответы на установки, запросы и команды, которые отсылаются приемником в контроллер.

  Полный перечень пакетов бинарного протокола, их формат и описание также приведены в [8].

  Платы коммутации и программное обеспечение GeoSDemo

  Для демонстрации работы приемников разработаны платы коммутации (соответственно, GeoS-1 DemoKit и GeoS-M DemoKit, представленные на рисунке 6) и программное обеспечение для персонального компьютера GeoSDemo.

  

  Рис. 6. Платы коммутации GeoS-1 DemoKit и GeoS-M DemoKit

  Плата коммутации осуществляет следующие функции:

• Формирование основного напряжения питания 3,3В из входного постоянного напряжения 5...30В;
• Подключение внешнего резервного источника напряжения (батарейки) к приемнику (для вариантов исполнения с внешней батареей) и возможность его отключения (для использования вариантов исполнения с батарейным источником питания, установленным на плате);
• Преобразование стандартных уровней сигналов RS-232 в уровни LVTTL и обратно;
• Подключение к портам USB и RS-232 персонального компьютера;
• Коммутацию входного напряжения питания от внешнего источника или через разъем USB;
• Буферирование и вывод на ВЧ-разъем секундной метки времени 1PPS;
• Индикацию наличия напряжения 3,3В и активности портов RS-232.

• Плата коммутации осуществляет подсоединение приемника к внешнему оборудованию (источнику питания, портам USB/RS-232 компьютера).

  Программное обеспечение GeoSDemo является демонстрационным программным обеспечением приемников GeoS-1 и GeoS-M.

  Программа позволяет:

• Производить автоматическое или ручное подключение к приемнику по последовательным портам RS-232 и USB;
• Отображать выходную навигационную информацию приемника, в том числе и в графическом виде;
• Формировать и посылать в приемник команды, запросы и установки;
• Отображать ответы приемника на команды, запросы и установки;
• Осуществлять запись выходной информации в лог-файлы;
• Производить чтение записанных ранее лог-файлов;
• Формировать и записывать протокол работы приемника;
• Производить обновление программного обеспечения приемника;

• На рисунке 7 представлено основное окно программы GeoSDemo.

  

  Рис. 7. Основное окно программы GeoSDemo

  Поле 1 содержит информацию о дате и времени, географические координаты и высоту, значения геометрического фактора DOP в плоскости и по высоте, скорость и курс носителя.

  В поле 2 размещена карта положения спутников, а также информация о спутниках GPS и ГЛОНАСС, отслеживаемых приемником («КА в слежении») и принимающих участие в расчете («КА в решении»). Также на карте отображаются спутники, угол возвышения которых ниже минимального.

  В поле 3 основного окна расположена статусная строка, в левой части которой отражаются статус подключения и параметры COM-портов ПК (номер и скорость обмена), настроенных на прием данных бинарного и NMEA протоколов. Надпись «USB» справа от номера COM-порта означает, что подключение произведено через виртуальный COM-порт, который создается драйвером USB.

  В поле 4 отображаются системная дата и время компьютера в соответствии с региональными настройками и статус аппаратной телеметрии приемника. Индикатор «Синт.» показывает состояние телеметрии синтезатора частоты приемника, а индикатор «Ант.» - состояние телеметрии напряжения питания антенны.

  В поле 5 основного окна размещена панель, содержащая набор из четырех вкладок: «Каналы», «Диаграмма», «Сообщения» и «Карта мира».

  Более подробная информация о программе, а также процедуры сохранения и загрузки альманахов, эфемерид, задание и сохранение программных настроек во Flash-памяти приемника приведены в документах [8, 9].

  Заключение

  На данный момент времени ГЛОНАСС приближается к тому состоянию, которое позволит считать его полноценной навигационной системой, способной выполнять заявленные функции даже без поддержки спутников других навигационных систем.

  Особый интерес представляет ожидаемый в 2010 году запуск третьего поколения спутников «Глонасс-К» с заявленным сроком службы 10 лет. Появление сигналов третьего диапазона L3 позволит более чем в два раза повысить точность определения местоположения. И, наконец, меньшая масса самого спутника позволит запускать его с космодрома «Плесецк» (а не с Байконура, как было ранее) с другими разгонным блоком и ракетой-носителем, что приведет к снижению стоимости выведения на орбиту примерно в два раза.

  Источник: http://www.compeljournal.ru/