Ты здесь!

Отойду в сторонку от профессионального рынка GPS техники. Расскажу про модное сейчас слово A-GPS. A-GPS – это assisted GPS. По-русски – это GPS с помощью. Ещё проще – это GPS с использованием информации об окружающем мире или иной информации, которая может помочь для вычисления позиции. На мой взгляд, ранок этот только развивается. На сколько мне известно, никаких стандартов ещё нет. Что это означает? Ну, по существу, это означает, что компания, которая изобретёт нечто и первая пробьётся на рынок c A-GPS, имеет все шансы это что-то стандартизировать. Это, конечно не означает, что нельзя изобретать что-то новое, или нужно использовать только то, что стандартизированное. Просто, мне кажется, может случиться точно также, как и с Microsoft в конце 80х, просто случиться завоевание рынка и монополия. А это не есть хорошо.

В основном A-GPS встречал в телефонах, смартфонах, КПК и прочих таких девайсах, у которых есть связь. Assisted предполагает наличие информации из вне, а это значит, что должен быть канал связи с внешним миром – типа интернет или, скажем, GPRS. Кроме этого, должен быть поставщик таких услуг, то есть некоторая организация, которая будет продавать вам эту информацию. Да, а вы думали она бесплатна? Нет.

Давайте я сначала скажу как можно ассиститься, а потом вернусь обратно к каналам и связи. Что может приёмнику помочь быстрее определить позицию, особенно если приёмник до ужаса дешёвый и простой? Почти всё, а именно:

1. Альманах;
2. Эфемериды – как обычные, так и точные;
3. Грубая позиция – подойдёт точность 100-ни метров, а то и километровая;
4. Температура;
5. Давление;
6. Влажность;
7. Информация с инерциальных датчиков;
8. Локальные параметры модели ионосферы;
9. Map-matching;
10. Ещё что-то.

Давайте рассмотрим первые 3 пункта в этом посте. Что даст альманах я уже рассказывал в предыдущих постах. А что дадут эфемериды? Почти тоже, что и альманах – они дадут возможность быстрее налавливать спутники, и можно будет сразу посчитать точные координаты спутников. Точные эфемериды имеют меньшую погрешность по отношению к обычным. Грубая позиция конечно необходима. Она позволит определить в каком полушарии мы находимся, чтобы знать какие спутники ловить, а какие нет.

Простая схема. Допустим «Вася» разаработал такой сервис предоставления услуг A-GPS пользователям сотовых сетей связи, при котором он поставляет им альманах, эфемериды и грубую позицию с точностью 5 км. За это он хочет денег. Он, естественно, разабатывал все с прицелом на конкретные бренды производителей телефонов, скажем Nokia. Вот он приходит в билайн и говорит, что вот мол мой план. Все будет работать. Люди смотрят на план, понимают, что это круто и покупают его. Ставят на каждой (в идеале) сотовой вышке по обычному геодезическому приёмнику и гонят с него альманах, эфемериды и позицию пользователю за деньги, естественно. Конечно, если у вас не Nokia, то скорее всего ничего не выйдет, если только производитель телефона не позаботился о соблюдении стандарта. Или если сам оператор не позаботился о вас, предоставляя для вашего телефона данные в нужном формате.
А поскольку вам не хочется каждый раз ждать минуты, пока вам ваш супер мега приёмник скажет где вы, то вы будете готовы за это платить. Вот так, вкратце, устроен примитивный A-GPS сервис.

У вас может сложиться впесатление, что A-GPS это нечто такое, что у нас будет работать через жопу или ещё хуже. Думаю, что, на первых порах, да. А потом приживётся и все станет как у всех. А пока, мне кажется, не стоит вестись на эту маркетинговую уловку. Пока это так.

Комментарии, пожелания, критика – всё принимается.

P.S. Чтобы проветрить мозг, от того бреда, что я тут изливаю, вот ссылочка на почитушки. Узнал тут про биржи и тоже решил заморочиться и зарегиться там. Как не курящему, мне аццки понравилась реклама.

Не смотря не сложность темы, думаю, стоит её, все таки, раскрыть. Ведь многие не знают, что именно передают спутники на землю. Передача информации из космоса, особенно на расстояние порядка 21000 км дело не очень простое. Предъявляются очень жёсткие требования к каналу связи, в частности, его надо экономить. В связи с этим вся передаваемая информация сжимается и передаётся в виде, так называемых, кадров (frame) со скоростью 50 бит/с. На землю в составе навигационной информации передаётся:

1. Эфемериды
2. Альманах
3. Параметры ионсферы
4. UTC данные
5. Данные о смещении шкалы времени спутника относительно шкалы времени системы

Эфемериды – это точные параметры модели движения спутника по орбите. Приёмник, зная модель движения и используя эти параметры (принятые со спутника) может определить его координаты с высокой точностью, порядка 1-3 метра. Каждый спутник передаёт только свои собственные эфемериды!

Альманах – это менее точные параметры модели движения спутника. Точность расчёта координат по альманаху составляет 10ки метров. Все спутники в системе GPS передают синхронно один и тот же альманах. Это является недостатком системы. Таким образом, чтобы принять весь альманах требуется 12,5 минут. Объяснения читайте тут. В ГЛОНАСС для приёма всего альманаха требуется всего лишь 2,5 минуты!!! Это ещё раз говорит о том, что система более продумана, но реализация страдает, как всегда, к сожалению. Для чего нужен альманах? С помощью альманаха приёмник может быстрее ловить спутники. Альманах помогает быстрее определить позицию (за счёт сокращения времени ловли спутников), если приёмник долго не включали. Долго – это относительно, если на столько долго, что альманах устарел, то он не поможет.

Ионосфера. Спутник передаёт параметры ионосферной модели. При прохождении сигнала из космоса до земли, он претерпевает задержку в ионосфере в связи с наличием в ней положительно заряженных частиц. Эта задержка обратно пропорциональна квадрату частоты несущей. Теория гласит, что если у нас есть 2 сигнала на разных частотах, то можно составить уравнение, из которого точно определить эту задержку. В случае наличия одной частоты, ионосферная задержка рассчитывается с использованием модели Клобушара (Klobuchar ). Коэффициенты этой модели и передаются в навигационном сообщении. Этих коэффициентов 8 штук.

UTC данные. Это временнаАя информация, необходимая приёмнику, чтобы определить время по текущей шкале UTC (для GPS). ГЛОНАСС всегда работает по шкале UTC. Про то, как устроено время в системе GPS читать тут.

Данные о смещении шкалы времени спутника относительно шкалы времени системы. Приёмнику трубуется знать, на сколько не точно идут часы на спутнике, для правильного расчёта позиции. Нестабильность шкалы времени аппроксимируется полиномом первой или второй степени. Коэффициенты этого полинома и передаются в составе навигационной информации. Приёмник, зная полином и используя принятые коэффициенты может определить смещение часов спутника, относительно системных часов.

Ну что-то я развернулся тут. Очевидно сказалось то, что я давно не писал. Чувствую, что что-то упустил. Строго не судите. Задавайте вопросы. Подкидывайте идеи о чем писать, а то могу и в дебри залезть.

P.S. Работы навалом сейчас, вот и не пишу часто. От блоговара тоже совсем отбился. Хотя последнее время читал болка, зануду рунета, этого «сумасшедшего«. Пытался найти себя в рейтинге, но не мог, видать пиписька не отросла ещё.

Судя по тому, что до сих пор приходят комменты в пост про альманах, люди не очень представляют как там всё устроено. И так ещё раз.

1. Зачем нужен альманах? Альманах нужен для того, чтобы приёмник при включении быстрее ловил спутники. Как это понять? Вот так: если приёмник с завода, его память девственно чиста. Там кроме фирмваря ничего нет. Вы его включаете и он начинает искать спутники, перебирая частоты и задержки. При этом он может искать и те спутники, которые в данный момент находятся в другом полушарии. Но поймёт приёмник это, только когда не найдёт такой спутник. Как только приёмник поймал хоть один спутник, он получает с этого спутника альманах. По альманаху он может определить границы поиска для каждого из спутников и это уменьшает время поиска. Как только приёмник наловит достаточно спутников, он посчитает позицию. Эта позиция, будучи правильной, сохраняется в энергонезависимой памяти – BBU (battery backed-up unit). Если вы теперь выключите приёмник, и, скажем, включите через 30 минут, то он наловит спутники достаточно быстро потому что
   1. У него есть альманах
   2. У него есть последняя позиция

   При наличии последней позиции, приёмник может определить какие спутники находятся в данном полушарии, а какие нет. За счёт этого не искать отсутствующие спутники. Естественно, что если приёмник перевезти на тысячи километров, то ОГ изменится достаточно сильно, и от наличия последней позиции толку будет мало.

2. Информация со спутников передаётся в виде кадров со скоростью 50 бит/с. Один кадр это 1500 бит. Состоит он из 5 подкадров по 300 бит каждый. Что передаётся в первых 3 подкадрах сейчас значения не имеет. В 4 и 5 подкадрах передаётся, в основном, альманах. В 4 подкадре для спутников в 25 по 32, в 5 – с 1 по 24. В ИКД на GPS написано, что полный набор информации – это 25 кадров. Значит, чтобы собрать полностью весь альманах на все спутники нужно: (1500 бит * 25)/50 (бит/с) = 750 секунд = 12,5 минут. А вот тут, внимательные заметят, как же как же! постойте, ведь спутников то много, а альманах один. Значит если мы ловим 2 спутника, то примем альманах бустрее. НЕТ! Все GPS спутники передают альманах синхронно! Это, кстати, один из недостатков системы GPS.

Любые вопросы и замечания приветствую.

Добавил в блог 2 страницы: статус орбитальной группировки GPS и статус орбитальной группировки ГЛОНАСС. Там можно посмотреть по каждой из плоскостей:

1. Номер точки спутника на плоскости;
2. Номер спутника (литера для ГЛОНАСС);
3. Специфические номера;
4. Дата запуска, ввода и вывода из эксплуатации;
5. Вермя активного существования;
6. Примечаения, если есть.

Зачем я это сделал? Чтобы интересующимся облегчить жизнь, да и самому легче смотреть. Пользуйтесь на здоровье.

Для каждой системы есть специальный документ, в котором подробно описано всё, что касается этой системы. Такими документами пользуются разработчики навигационной аппаратуры при проектировании приёмников. Эти документы находятся в свободном распространении как для GPS, так и для ГЛОНАСС. Называется он: Интерфейсный Контрольный Документ (ИКД). Я не буду оригинален, если просто приведу выдержки из ИКД для ГЛОНАС, павда, с небольшими изменениями.

Все спутники ГЛОНАСС оснащены высокостабильными генераторами частоты, суточная нестабильность которых составляет 5?10 в -13 степени для НКА ГЛОНАСС и 1?10 в -13 степени для НКА ГЛОНАСС-М. Точность взаимной синхронизации бортовых шкал времени спутников ГЛОНАСС составляет 20 нс (среднеквадратическое значение), а спутников ГЛОНАСС-М – 8нс (среднеквадратическое значение). нс – наносекунд, одна наносекунда меньше секунды в миллиард раз. Основой для формирования шкалы системного времени ГЛОНАСС является водородный стандарт частоты Центрального синхронизатора системы, суточная нестабильность которого составляет (1-5)?10 в -14 степени. Расхождение между шкалой системного времени ГЛОНАСС и шкалой Госэталона Координированного Всемирного Времени UTC(SU) не должна превышать 1 мс. Погрешность привязки шкалы системного времени ГЛОНАСС к шкале UTC(SU) не должна превышать 1 мкс.

Шкала системного времени ГЛОНАСС корректируется одновременно с плановой коррекцией на целое число секунд шкалы Координированного всемирного времени UTC. Коррекция шкалы UTC на величину ±1с проводится Международным Бюро Времени (BIH/BIPM) по рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS). Коррекция шкалы UTC производится, как правило, с периодичностью 1 раз в год (в полтора года) в конце одного из кварталов: в 00 часов 00 минут 00 секунд полночь с 31 декабря на 1 января – 1-й квартал (или с 31 марта на 1 апреля – 2-й квартал, с 30 июня на 1 июля – 3-й квартал, с 30 сентября на 1 октября – 4-й квартал) и осуществляется одновременно всеми пользователями, воспроизводящими или использующими шкалу UTC.
Предупреждение о моменте и величине коррекции UTC заблаговременно (не менее чем за три месяца) сообщается пользователям в соответствующих бюллетенях, извещениях и другими способами. Спутники ГЛОНАСС не содержат в навигационных сообщениях данных о коррекции UTC. В навигационном кадре спутника ГЛОНАСС-M предусмотрено заблаговременное уведомление потребителей о факте, величине и знаке секундной коррекции UTC.
При коррекции UTC, в соответствии с рекомендациями BIH/BIMP, проводится одновременная коррекция системного времени ГЛОНАСС путём соответствующего изменения оцифровки последовательности секундных импульсов бортовых часов всех спутников ГЛОНАСС временной навигационной информации. Это изменение происходит в 00 часов 00 минут 00 секунд UTC. В результате периодического проведения плановой секундной коррекции, между системным временем ГЛОНАСС и UTC(SU) не существует сдвига на целое число секунд. Однако, между системным временем ГЛОНАСС и UTC(SU) существует постоянный сдвиг на целое число часов, обусловленный особенностями функционирования Подсистемой Контроля и Управления: Tglonass = Tutc + 3 часа.

Мы знаем, что в GPS время учитывается в неделях и секундах внутри недели. А как в ГЛОНАСС? В ГЛОНАСС начало шкалы времени отсчитывается с 1 января 1980 года, но шкала корректируемая, в отличие от GPS. А как устроен счёт времени? Одним счётчиком время считается в секундах (миллисекундах) в пределах одних суток. Другой счётчик считает дни внутри четырёхлетия. Таким образом, привязавшись к четырёхлетию, в ГЛОНАСС решили проблему високосного года. В одном четырёхлетии 1461 день. В одном дне 86400 секунд. Вот и вся шкала. В отличие от GPS в ГЛОНАСС вместо понятия week rollover, используется понятие day rollover – смена дня.

Что вы узнали:

1. Кучу информации про то, как «время» устроено на спутниках.
2. Шкала системного времени ГЛОНАСС привязана к шкале времени UTC и корректируется вместе с ней. Начало шкалы 1 января 1980 года.
3. Время измеряется в секундах внутри каждого дня, а день считается внутри четырёхлетия.
4. Шкала системного времени ГЛОНАСС сдвинута относительно UTC на 3 часа, что соответствует нашему часовому поясу.

Большая часть теста взята из ИКД ГЛОНАСС.

Системное время GPS: что, как, почему?

В центре управления системой стоит высокоточный генератор шкалы времени на основе водородного стандарта. Его нестабильность очень мала, примерно 10 в -14 степени. Начало шкалы времени привязано к 00:00:00 6 января 1980 года. Иными словами системное время GPS есть Всемирное координированное время UTC, отнесённое к началу 6 января 1980г. Поправки системного времени GPS к Всемирному координированному времени UTC регистрируются с высокой точностью и передаются в виде постоянной величины в навигационном сообщении. Точность поправок при передаче поддерживается на уровне 90 наносекунд (1 сигма). На данный момент сдвиг шкалы системного времени GPS относительно шкалы UTC составляет 14 секунд. Системная шкала времени должна быть непрерывной и не корректируемой, поэтому она и отличается от шкалы UTC. Ведь шкала UTC периодически корректируется на целое число секунд. В системе GPS время отсчитывается по модулю одной недели. Это означает, что есть два счётчика, один из которых считает время в секундах (или в мили секундах) внутри недели, а второй считает количество недель, прошедших с 6 января 1980 года, и увеличивается если первый достиг максимального значения равного 604800 секунд. Записывается время так: 1443:142567 – 1443 неделя, 142567 секунда внутри недели. Это время можно с лёгкостью перевести в обычный формат. Я потом расскажу как это сделать. Так как у американцев неделя начинается с воскресения, то переход на новую неделю происходит в ночь с субботы на воскресение. Переход на новую неделю на жаргоне разработчиков называется week rollover – дословно «переворот недели». Читается: вик роловер. Кстати такое построение шкалы времени позволяет избавится от проблемы, связанной с високосным годом. Как известно, в нём на 1 день больше.

Что Вы узнали:

1. Начало шкалы времени GPS привязано к 6 января 1980 года. Это обуславливает сдвиг шкалы GPS относительно шкалы UTC на целое число секунд.
2. Сдвиг шкалы времени GPS передаётся в навигационном сообщении.
3. Время измеряется в неделях и секундах внутри недели.
4. Week rollover происходит с субботы на воскресение.

Читая свой РСС наткнулся на кучу интересного, ибо редко последнее время туда заходил. Выяснил, что на половину подхожу под это описание на блоге димка. Прочитал интереснейшую статью про ранжирование на мауле. Узнал как писать рекламные заголовки, хотя никогда не думал, что эта тема мне может быть интересна. Оказалось что может. Вчера до 4х утра просидел, читая как сделать лучше индексацию сайта в яндексе и гугле.

Да, различия есть, и, возможно, я их все даже не знаю, но основные могу описать. Самое главное отличие GPS от ГЛОНАСС – это то, что GPS уже лет 25 работает, а ГЛОНАСС пытается работать, но не получается. О причинах можно долго рассуждать, но вкратце – «А кому у нас это надо?», ведь есть GPS.

Какие ещё отличия?

1. Основное отличие – это сигнал и его структура. Как я уже писал, В системе GPS используется кодовое разделение каналов. В системе ГЛОНАСС – частотное разделение каналов (подробнее). Структура сигнала так же различна. Скоро будет подробный пост про структурой сигнала, там я все опишу.
2. Для описания движения спутников по орбите используются принципиально разные математические модели. У GPS – это модель в оскулирующих элементах. Эта модель подразумевает, что траектория движения спутника разбивается на участки, на которых движения описывается кеплеровской моделью, параметры которой меняются во времени. В системе ГЛОНАСС используется дифференциальная модель движения. Это означает, что для определения координат спутника на заданный момент времени требуется решить систему дифференциальных уравнений. Для решения этой системы нужны, так называемые, начальные значения – это такое чисто математическое понятие. В случае ГЛОНАСС эти приближения передаются со спутника в составе навигационной информации, поэтому приёмнику они доступны. Задача решения дифференциальных уравнений состоит в численном интегрировании, которое, по сути своей, является трудоёмкой задачей. Думаю тут всё.
3. В системе GPS 6 орбитальных плоскостей, и предполагалось по 4 спутника на каждой. Итого – 24 спутника, но они не обеспечивали должного покрытия всего земного шара, да и если какой-нибудь аппарат выходит из строя, то заменить его нечем. Поэтому группировку нарастили до 32 спутников. В этом случае некоторые орбиты имеют до 6 спутников. В системе ГЛОНАСС к расчёту ОГ подошли более серьёзно. В ГЛОНАСС 3 плоскости по 8 спутников (8 теоретически). Это обеспечивает полное покрытие земли и хорошую геометрию. Наши как всегда – рассчитали более хорошую орбиту, но вот доделать всё в целом не смогли. (информация в этом пункте может быть не точной)

Думаю, что это основные отличия и уверен, что есть ещё. Желающих покритиковать или что-то добавить милости просим.

На рисунке изображена функциональная схема приёмника.

Давайте разберём её подробно. Приёмник принимает сигнал со всех «видимых» спутников. Сигнал попадает в антенну приёмника, из неё в радио часть (1), где претерпевает первичную обработку, например, фильтрацию, усиление. Однако этим функции радио-части не ограничены, но подробное описание я опущу. С радио-части (1) аналоговый сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (2). В этом блоке из аналогового сигнала получается цифровой, который уже можно обрабатывать цифровыми методами. С АЦП сигнал поступает на, так называемую, «микросхему специального назначения»(3) – ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Читается как «айсик». Она предназначена для поиска, захвата и слежения за сигналами, поступающими со спутников, а именно за задержкой сигнала и за его частотой (или фазой несущей). ASIC тесно общается с процессором, потому что структура почти любого приёмника построена так, что для поддержания слежения на должном уровне нужно постоянно «помогать ASIC`у» (очень грубо сказал). Если точнее, то ASIC передаёт цифровые отчеты с выходов петель слежения за сигналами в процессор. В нем происходит их обработка:

1. Расчёт управляющего сигнала для петель слежения и закладка этой информации обратно в ASIC;
2. Битовая синхронизация;
3. Выделение навигационной информации;
4. Получение измерений (каких, пока не важно.
5. Ещё что-то, что я упустил.

Кстати, часть этих задач можно реализовать непосредственно в самом ASIC`е, а потом передавать в процессор только готовую информацию. Но такого я не встречал пока. Для работы процессору нужна память (5), где хранятся данные и код прошивки. Так же в процессоре происходит решение навигационной задачи, формирование данных для выдачи пользователю и всё остальное. Для управления приёмником в общем случае используются устройство ввода и устройство вывода. Например, если приёмник консьюмерный (это которые в магазинах продают долларов по 400 или около этого), то устроством ввода будет touch-screen, а устройством вывода – экран. Если это просто плата, то ввод и вывод будет осуществляться через COM порт с использованием какой-нибудь программы терминала.

Дальнейшее описание будет тесно опираться на эту схему и базовые понятия, такие как ASIC, процессор. Думаю, что из этого поста Вы узнали:

1. Радио-часть нужна для первичной обработки ссигнала.
2. ASIC нужен для поиска, захвата и слежения за сигналами со спутников.
3. Процессор обеспечивает ASIC управляющими сигналами для поддержания слежения, решает навигационную задачу и др.
4. Устройства ввода/вывода нужны для общения с внешним миром.

P.S. Статья достаточно краткая, что может вызвать у Вас дополнительные вопросы. И это хорошо. Комментируйте и я обязательно на них отвечу.

По поводу того, что я нашёл очередную бредовую статью развернулась большая война, если можно так сказать. Благодаря тому, что я в своё время зарегистрировался на сайте блоговара, на мой пост про альманах был написан хороший комментарий. В частности, автор как-то раздобыл оригинальную статью на английском. Я её прочитал (выборочно) и оказалось:

1. Скорее всего её переводили либо Промптом, либо люди далёкие от навигации;
2. Даже на английском она содержит много тематических ошибок.

Нечего удивляться, что в русскоязычном варианте они тоже есть. Другое дело, как люди берутся публиковать, то в чем не уверены или не могут это проверить. Ссылка на английский вариант: http://gpsinformation.net/main/almanac.txt

«Прошу обратить внимание правительства, что надо создать систему «ГЛОНАСС» в более короткий срок, чем первоначально планировалось к 2008 году…. Уже сейчас (необходимо) предусмотреть, кто и в каких объемах будет пользоваться этой системой… Быстрее надо вводить собственную группировку и получать от нее коммерческую отдачу.” В.В.Путин (26.12.05 г.) Взял тут.

Это шедевр. Всё только говорят, а делать ниче не делают. Вот вывели 3 спутника на орбиту. А толку? Тут же 3 поставили на выведение. У меня складывается ощущение, что государство выводит спутники на орбиту, чтобы их потом с неё же выводить, это новая игра по отмыванию денег что ли такая?!