29 August 2012

Оборудование спутниковой системы АвтоТрекер — что под капотом? Приемники ГЛОНАСС/GPS

Блог компании «Русские Навигационные Технологии» corporate blog
В прошлом посте я рассказал, что такое спутниковые системы мониторинга транспорта в целом и как они появились. Теперь начнем постепенно знакомиться с составом и компонентами системы. И начнем знакомство с аппаратной основы любой системы мониторинга – бортового навигационного терминала (или абонентского терминала или бортового блока, у каждого производителя обычно собственное обозначение). Бортовой блок представляет собой электронное устройство, включающее спутниковый модуль (GPS или ГЛОНАСС/GPS), модуль передачи данных (GSM-модем), набор интерфейсов для связи с внешними устройствами и датчиками (чаще всего это RS-232/485, CAN, 1-Wire, USB) и микроконтроллер, который всем этим управляет. Так же на борту присутствует некоторое количество флеш-памяти, иногда GSM-антенна встроена в плату, но это уже конструктивные особенности, о которых поговорим позже. Сегодня же хотелось поговорить об одном из основных компонентах бортового блока – спутниковом приемнике GPS/ГЛОНАСС.


Типичная компоновка GPS/GSM бортового блока

Собственно активная разработка потребительской навигационной аппаратуры GPS началась в 2000-м году, когда указом президента США было отменено загрубление точности показаний GPS-приемников в гражданском диапазоне, и появилась возможность определять местоположение объекта с погрешностью 10-15 м обычным, «бытовым» GPS-приемником. На рынок электронных компонентов сразу же выходят электронные гиганты, такие как Trimble, Tyco, uBlox.
В то время это были относительно громоздкие устройства, первые GPS-модули был размером со спичечный коробок (здесь и далее под навигационным приемником понимается именно электронный компонент, модуль, отвечающий за навигацию, а не законченное устройство, типа GPS-навигатора или GPS-трекера). Для сравнения, современные GPS-чипы, используемые в блоках АвтоТрекер и представляющие собой систему на кристалле (System-on-a-Chip, SoC) имеют размер около 0,25 см² и даже меньше. При этом у него в несколько раз выше чувствительность и больше каналов. До 2007 года фактически рынок спутниковых электронных компонентов в России отсутствовал, выбор был очень скудным. Например, сроки поставки через официального дистрибутора партии GPS-модулей в 1000 штук могли составлять полгода и более. Одной из первых компаний, вышедших на российский рынок, была американская корпорация Trimble. Они сразу предложили множество интересных технических решений, от электронных компонентов, до готовых систем. При этом их продукция отличалась высоким качеством при невысокой цене. Это и послужило причиной того, что в первых моделях бортовых блоков АвтоТрекер стояли GPS-приемники именно Trimble.

12-канальный GPS-приемник Trimble 46240-25 образца 2005 года имеет габариты 26*26*6 мм, что неплохо для своего времени. Но новейшие разработки GPS-чипов меньше его в 500-700 раз!

Но рынок электронных компонентов стремительно развивался и после 2007 года в Россию пришли новые игроки, в том числе китайские производители. Конкуренция значительно обострилась, началась гонка технологий и цен, в результате сейчас приемники 2005-2006 года выглядят просто гигантами.

Последние модели 56- канальных GPS/ГЛОНАСС-модулей могут без проблем встраиваться в любое мобильное устройство

Но помимо массы и габаритов у приемников значительно улучшились все рабочие характеристики. В частности – количество каналов. Современный приемник содержит 50-60 каналов, против 12 в 2006 году. На что это влияет? Для определения двух координат (долготы и широты) GPS-приемнику достаточно иметь сигнал с трех спутников, а для определения трех координат (долготы, широты и высоты) — с четырех спутников. Но для уверенной работы приемник должен иметь возможность работать с большим количеством спутников. Например, при потере сигнала от одного спутника, GPS-приемник сможет воспользоваться другим доступным каналом. Можно сказать, что 8-канального приемника в большинстве случаев достаточно для нормальной работы. При дальнейшем увеличении числа каналов у GPS появляется возможность принимать несколько сигналов от одного спутника (основной и отраженный). Использование большого количества каналов повышает общую чувствительность и помехоустойчивость приемника, что в конечном итоге приводит к увеличению точности и уменьшению времени определения координат.
Другой, очень важный параметр навигационного приемника – чувствительность. Чем она выше, тем более слабый сигнал со спутника может быть принят, тем больше шансов у приемника точно определить координаты. Чувствительность GPS-приемника определяется, кроме всего прочего, и особенностями обработки и анализа сигналов, принимаемых от спутников. Основным параметром принятого сигнала является его дальномерная задержка, которая может быть вычислена при помощи набора корреляторов. Чтобы достигнуть высокой чувствительности, GPS-приемник должен параллельно анализировать достаточное количество задержек сигнала. Наличие большого количества корреляторов значительно повышает производительность приемника, что приводит к улучшению чувствительности и уменьшению времени первого определения местоположения (Time To First Fix, TTFF). Так, в GPS-модулях, появившихся в 2008 году (в основном на чипе SiRF Star III), общее количество параллельных корреляторов составляет 200 000, что позволяет модулям достигать чувствительности –159 дБм. В условиях хорошего приема это значит, что захват сигнала происходит практически мгновенно. До этого момента типичным количеством корреляторов в GPS-приемнике было 8-10 тысяч (например, uBlox ANTARIS 4). Все эти параметры обязательно учитываются при подборе компонентов и разработке бортового оборудования АвтоТрекер.
Отдельная тема – приемники ГЛОНАСС. Их активное производство началось относительно недавно. Этому способствовали, в том числе политические факторы – 18 февраля 2009 года вступил в силу Федеральный Закон «О навигационной деятельности», и позже ряд законодательных актов, обязывающих государственный транспорт, транспорт, перевозящий пассажиров, опасные грузы и пр. оснащать навигационной системой с поддержкой ГЛОНАСС. Такие принудительные меры подтолкнули развитие потребительской навигационной аппаратуры ГЛОНАСС. Поначалу предложения от разработчиков и производителей приемников не было вообще. Те единичные и мелкосерийные экземпляры российских приемников не выдерживали никакой критики и не могли конкурировать по характеристикам с аппаратурой GPS. При этом они стоили баснословных денег, их стоимость доходила до 250-300$.

Один из первых модулей ГЛОНАСС

Покупать такие приборы желающих было немного, но было найдено компромиссное решение. Бортовой блок АвтоТрекер остался без изменений со стандартным GPS, а в случае острой необходимости к нему подключался внешний модуль ГЛОНАСС. Это позволяло, не проводить полную замену автомобильных блоков, а осуществлять своего рода их модернизацию.
Позже, спустя примерно год, российские предприятия наладили выпуск небольших партий ГЛОНАСС-приемников более-менее приемлемого качества и характеристик. До GPS было по прежнему далеко, но работали они вполне сносно, напоминали по габаритам тот же Trimble образца 2005 года. И к тому же все они являлись (и являются) двухсистемными – ГЛОНАСС/GPS, что позволяло уточнять данные, используя сигналы альтернативной системы.

Микросхема бортового блок АвтоТрекер АТ-10 с модулем ГЛОНАСС производства КБ НАВИС

Цены к этому моменту тоже значительно снизились. Но прошло еще около года, и появились и зарубежные разработки приемников ГЛОНАСС. Они были компактными, технологичными и очень приблизились по характеристикам и цене к GPS. Знаковым моментом тогда явилось появление смартфона IPhone 4S c поддержкой ГЛОНАСС. Возможно, это послужило толчком для международных электронных компаний к производству ГЛОНАСС-оборудования. Сейчас ГЛОНАСС-версии навигационных приемников имеются у большинства крупных иностранных производителей – Trimble, uBlox, SiRF, Telit и т.д.

ГЛОНАСС/GPS/Gallileo модуль компании Telit габаритами 16*12,2*2,4 мм вполне приемлемая альтернатива традиционному GPS-модулю

И мы продолжаем внимательно следить за этим рынком, регулярно анализируем и тестируем образцы новых приемников, для того чтобы реализовать в бортовом блоке лучшие разработки. С методикой и результатами таких тестов мы познакомим вас в одном из следующих постов.
Tags:GPS-приемникГЛОНАССавтотрекермониторинг транспорта
Hubs: Блог компании «Русские Навигационные Технологии» corporate blog
0
12.1k 19
Comments 19