Ты здесь!

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?!

Решил почитать что пишут други. Вот, подивитесь! Это шедевр. Полный бред. Авторы даже не потрудились почитать, что они публикуют. Ужас. Не слова правды (ну пару слов есть).

«Если GPS приёмник был перевезён (в выключенном состоянии) на несколько сотен километров или внутренние часы стали показывать неточное время, то данные имеющегося альманаха являются неверными. В таком случае навигатору требуется выполнить новый «поиск неба» (переинициализация) для загрузки нового альманаха и эфимериса….»

Ну это полный аут. Такого бреда я ещё нигде не читал. Не верьте им. Альманах – это всего лишь менее точные параметры движения спутника. Они не привязаны к какой-либо позиции на Земле. Есдинственное что они могут, так это устареть. Просто стать неверными по прошествии какого-то интервала времени. А слова про «внутренние часы» – это шЫдевр. Если учесть что у приёмника внутри их не одна штука, то вообще не понятно о чем речь идёт. И, тем более, вам врядли понятно, что такое «часы внутри приёмника», я бы сказал, что у приёмника шкала времени, и не одна. Ну это сейчас не важно. А слова про то, что «Каждый GPS спутник передаёт только данные своего собственного эфимериса.» – это меня убило в конец. Тем не менее статья полный бред! На этом сайте не одна такая. Потом ещё расскажу.

P.S. Есть мнение, что я бывший разработчик навигационной аппаратуры, но это не так. Я в данный момент работаю в навигационной фирме. Разрабатываю аппаратуру, но это вовсе не значит, что тут я буду описывать какие-то секреты. Я буду рассказывать, как дела в этой области обстоят на самом деле, чтобы у Вас было правильное представление об этой ‘науке’.

Думаю стоит поговорить о космическом сегменте GPS. Спутники в системе GPS движутся в шести орбитальных плоскостях, сдвинутых друг относительно друга по прямому восхождению восходящего узла на 60 гр. Наклонение плоскостей орбит к плоскости экватора 55 гр. Орбиты близкие к круговым. Средняя высота орбит 20189 км. В каждой орбитальной плоскости располагается 4 спутника. Период обращения спутников 11 часов 57 минут 59.2 сек (половина звёздных суток). В системе используется кодовое разделение каналов (CDMA). Это означает, что все спутники вещают на одной и тоже частоте, точнее на одних и тех же частотах: L1 = 1575.42 МГц и L2 = 1224.60 МГц. В случае кодового разделения каждому спутнику присваивается свой уникальный код. К этому коду предъявляется ряд жестких требований (обсудим позже). На земле приёмник может различать сигналы от разных спутников только благодаря этому коду, уникальному для каждого спутника. Эти коды получили название кодов Голда (Gold code). У кого мозг чешется узнать больше, Вам сюда, а у кого нет, то продолжаем.

Для описания движения спутников используется модель в оскулирующих элементах. В этой модели движение каждой точки траектории аппроксимируется кеплеровской моделью, параметры которой меняются во времени. Спутники в составе навигационной информации сообщают параметры своей модели движения потребителю. Параметрами являются коэффициенты степенных и тригонометрических полиномов, которые описывают изменение кенлеровских элементов орбиты данного спутника. Зная эти параметры, приёмник может рассчитать координаты на спутника на заданный момент времени.

Старался изложить все как можно проще. Готов ответить на вопросы по теме. Но, так или иначе, мозг взорван! Добро пожаловать в наш клуб.

P.S. Оскулирующий элемент – это элемент, который скулит.

Решили мы с товарищами энтузиастами собрать приёмник на ПЛИС (Программируемая логическая интегральная схема), американская аббревиатура FPGA. Собственно на FPGA будет ASIC. Сама платформа будет состоять из процессора, памяти и FPGA в роли ASIC’a. Пока что всё на стадии задумки, но о ходе работ буду писать.

Начало этой беседы читай тут.

• Когда говорят, что на спутнике есть часы, то понимать это следует в переносном смысле.
• Когда говорят, что у приёмника есть часы, то это надо понимать в переносном смысле.
• Когда говорят, что у системы есть часы, то это надо понимать в переносном смысле.

А что там у них действительно есть? У них есть генераторы частоты. Эти самые генераторы частоты задают временнУю шкалу. Что это такое? Это что-ли как у градусника? Ну почти. Для наших с вами бесед лучше, чтобы Вы представляли себе генератор частоты (в смысле времени), как некое устройство на выходе которого периодически случаются какие-то события, причём одни и те же. Например, это ящик, из которого каждую тысячную долю секунды падает 1 песчинка. Таким образом, этот ящик представляет из себя генератор частоты (часы) с разрешающей способностью (если можно так сказать) 1 миллисекунда (1 мс) или 1 кГц (кило Герц) и задаёт миллисекундную шкалу времени. В его основе лежит периодически повторяющийся процесс падения песчинок. Как Вы видите это все не противоречит тому, что я писал в первой части.

Так вот, в центре управления системой стоит генератор на основе водородного стандарта. Нестабильность его очень маленькая и в системе он условно считается эталоном и задаёт шкалу времени системы. На спутниках стоят генераторы частоты на основе цезиевого и рубидиевого стандартов, причём их нестабильность выше чем у системных. Эти генераторы задают шкалы времени спутников. Нестабильность их такова, что если её не учитывать, то она сильно влияет на качество позиции. По этой причине в центре управления системой постоянно сверяют шкалы времени спутников со шкалой системы и при необходимости производят корректировку этих шкал. Уход шкалы спутника аппроксимируется полиномом первой или второй степени. Коэффициенты этого полинома входят в состав навигационный информации, передаваемой спутником на землю (читать тут). В приёмнике, к стати, тоже стоит генератор частоты, который задаёт шкалу времени приёмника. Но нестабильность его очень большая, потому что обычно используют дешёвые кварцевые генераторы.Но как Вы скоро узнаете – это не проблема. Нестабильность приводит к тому, что шкала времени (спутника, приёмника) начинает отставать или спешить по отношению к эталону, скажем к шкале системы. Чем выше нестабильность, тем больше будет уход и наоборот.

В итоге, Вы узнали:

1. что часы в системе, на спутнике и в приёмнике называются генератором частоты;
2. что генератор частоты задаёт шкалу времени;
3. что у любого генератора частоты есть нестабильность, которая приводит к смещению шкалы времени.

А почему о времени? Причём тут время, блог о спутниковой навигации. – спросите Вы. Да, Вы, правы, но, есть одно НО (или не одно). Время вот причём: приёмник измеряет задержку прохождения сигнала от спутника до антенны приёмника. Вот и ответ: раз задержка, значит – время.

В житейской практике текущее время часто отождествляют (одно и тоже) с показанием некоторых часов, например наручных. Назовём эти наручные часы «часами Н». Часы Н обычно показывают суточное время. Важно различать понятия истинного времени и показаний часов Н. Ведь часы могут как спешить, так и отставать от истинного времени. За истинное время принято время UTC – Всемирное Координатное Время. UTC — это наследие времени по Гринвичу (GMT), и иногда также ошибочно именуемое GMT. Новое имя было введено, чтобы избавиться от названия определённого места на Земле в международном стандарте. UTC базируется на атомном отсчёте времени, а не на времени в Гринвиче. Следует обратить внимание что время по UTC не переводится зимой и летом. Поэтому для тех мест, где есть перевод на летнее время, смещение относительно UTC меняется.(взято из wiki)

В качестве меры времени, обычно берётся некий периодический (повторяющийся) процесс, например вращения Земли вокруг Солнца (1 год) или вращение Земли вокруг своей оси (1 сутки). Таким образом, в основу любых часов положен периодически повторяющийся процесс. Чем лучше повторяемость каждого периода этого процесса, тем точнее часы можно построить на его основе. Есть ещё важный, на мой взгляд, момент: назовём его масштабом времени. Что если вещь, которую Вы пытаетесь измерить гораздо короче, чем разрешение Вашего инструмента? В этом случае надо взять инструмент с другой (более мелкой) шкалой. Например, возраст маленьких детей мерят в месяцах, а когда подрастает, то в годах и месяцах, и лишь когда они становятся совсем взрослые, то просто говорят, что ему, скажем, 9 лет. Так же и со временем: если нужно измерять очень короткие интервалы, то нужен периодически повторяющийся процесс с очень маленьким периодом, по крайней мере, с периодом меньше чем то, что Вы измеряете.

В классической физике, время — непрерывная величина, априорная характеристика мира, ничем не определяемая. В качестве основы измерения просто берётся некая последовательность событий, про которую считается несомненно верным, что она происходит через равные промежутки времени, то есть периодична. Именно на этом принципе и основаны часы. Такая же роль времени и в квантовой механике: несмотря на квантование почти всех величин, время осталось внешним, неквантованным параметром. В обоих случаях «скорость течения времени» не может ни от чего зависеть, а потому тавтологически равна константе. (взято из wiki)

Среди множества известных природных процессов, на каждой стадии своего развития, человечество выбирает некоторый процесс, который используется как эталон времени. В настоящее время, в соответствии с международными соглашениями, в качестве эталонного используется цезиевый атомно-лучевой стандарт. Дальше Ваш мозг вскипит, если не готовы, то пропустите жирное предложение. Одна секунда – это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Так описывается цезиевый стандарт частоты. Именно этот стандарт используется в часах, котрые устанавливаются на спутники. Но стандарт не запрещает использовать более точные часы. В центре управления системой (GPS или ГЛОНАСС) стоят часы, основанные на водородном стандарте. Они ещё точнее цезиевых, примерно на пару порядков.

В итоге, Вы узнали:

1. что время и показания часов не есть одно и тоже;
2. что в основе измерения времени положен периодический процесс;
3. что у времени есть масштаб.

P.S. Ждите продолжения, это не всё!

Меня все больше и больше радует, что народ из блоговара считает, что сайт интересный, ну или, по крайней мере, хочется так думать. Надеюсь, что положение не изменится. Самую хорошую невоенную статью с упоминанием обо мне я читал с удовольствием, так как беглым взглядом так и не нашёл, где ссылка стоит. Зачёт! Есть, конечно, и другие упоминания, но они скучны. Этот парень просто ведёт описание боевых действий. Побольше хороших статей.

Зовут меня Дима, как видно из подписей к постам. У Вас, наверное, есть вопрос: «А откуда он столько знает про GPS и про ГЛОНАСС, а наверно ещё и про SBAS?» Матерным словам не удивляйтесь. Просто ещё не успел рассказать, что они значат. Знаю я про это вот как. Довелось мне закончить МАИ (Московский Алкогольный Институт, если что), факультет №4 – ФРЕЛА (Факультет Радиоэлектроники Летательных Аппаратов) с отличием (пиарюсь). А откуда в алкогольном институте факультет по радиоэлектроники, да ещё и летательных аппаратов? – спросите Вы. Если не знаете ответ, то спросите у знакомых, Вам помогут. Не суть. Потом некоторое время довелось мне послужить в Щелково-7 под Москвой, в Космических Войсках. Насмотрелся я там и наслушался про ГЛОНАСС все, что только можно. С навигацией знаком ещё по институту, а потом пошел работать в одну из крупнейших и самых старых фирм, которая делает GPS\GLONASS приёмники. Она с 1989 года находится в Москве, как ни странно. Называть её не буду, дабы спать хорошо. Вот тут я и понабрался опыта разработки и инжиниринга в этой сфере. Пишу я всё, что знаю и стараюсь это делать понятным языком. Есть вещи, конечно, которые можно просто передать от автора. Тогда я напишу ссылку на литературу. По сути, блог – откровения разработчика.

Читая ссылки на свой блог, с удивлением обнаружил, что есть некоторые индивидуумы, которые не верят, что я все пишу сам. Ну в пределах разумного, конечно, как я заметил выше. Никак не могу понять, почему люди иногда выкидывают посты ради ссылок? Может кто подскажет. Игра – это конечно хорошо, но зачем же так херово играть?! Начал периодически почитывать статьи этого мастера, дабы понять как правильнее писать. Нашёл интересный пост, полностью с ним согласен, более того, сам так думал. Вот ещё местечко, которое мне очень понравилось. Добавил его даже в РСС. Играйте на здоровье, только честно.

Пришло, кажется, время поговорить о точности приёмников. Например, в такой последовательности:

1. Что это такое – точность?
2. На что она влияет?
3. Откуда приёмник её знает?
4. А имеет ли смысл сравнивать приёмники по точности?
5. Если имеет, то как и зачем?

1. В данном контексте я бы так сказал о точности. Предположим, приёмник выдал Вам значения ваших координат. Вы так радостно начали их использовать, но вот хотите знать, на сколько этим координатам можно доверять. Иными словами, Вам интересно на сколько эти значения отличаются от истинных Ваших координат. В этом случае приёмник может сообщить вам некоторые числа, сказав, что это точность вашей позиции. Эти числа по сути – оценка ошибки (если проще, то сама ошибка) расчета позиции. Чем эти числа меньше, тем меньше ошибка, и тем больше можно доверять полученной позиции. Конечно, это всё справедливо, если приёмник правильно оценивает точность. Назовите это как хотите: правильно ее считает, использует правильные формулы для ее вычисления и прочее. К стати, не исключено, что приёмник может просто «тыкать пальцем в небо» и с потолка брать значения точности. Такое я встречал и не раз. Но не стоит расстраиваться, не всё так плохо. В основном, точность получается в процессе расчёта координат или высчитывается по эмпирическим формулам. Тем не менее, полученное от приёмника число нужно ещё правильно истолковать. Про это я расскажу потом.
2. Да, по большому счету, она не на что не влияет. Обычно она влияет на то, как юзер будет толковать полученные координаты: как совсем плохие или, например, как очень хорошие.
3. Приёмник вычисляет ее у себя внутри, как я уже писал. По формулам или как побочный продукт решения навигационной задачи или как нибудь ещё. В любом случае – это вещь весьма мутная. Я, как профессиональный инженер, отношусь к этим точностям весьма скептически, даже в тех приёмниках, что делаю сам. Что поделать?! настолько все «плохо»
4. Смысл имеет. Более того, иногда интересно сравнить то, что выдает приёмник с тем, что у него написано в даташите (data sheet). Иногда, чтобы получить одинаковые (до 1 цифры после запятой) значения уходит уйма времени. Иногда их можно и не получить, в этом случае можно и в суд подать, если вы уверены в своей правоте.
5. Сравнивать можно только одинаковые по смыслу величины. Пример: У приёмника Q точность CEP(это английские буквы, читается «сеп») 1 метр, а у приёмника W точность 1,5 метра в 95% случаев. Значит ли это что приёмник Q лучше по точности? Вовсе нет. Точность по CEP это вовсе не точность в 95% случаев. Эти цифры сравнивать нельзя. Как сравнивать такие приёмники и что это за точности я расскажу потом, это долго.

Ну сами посудите. Стоит в чистом поле коробочка. Принимает что то с неба (не важно пока что). Говорит вам где Вы там в поле стоите (координаты Ваши) и курите бамбук. И при этом ещё и знает!!! на сколько она сама же точно Вам говорит ваше местоположение. Ну не шаманство? Ещё какое! Шаманство с бубном! (С).

P.S. Не могу не писать про войну. Затягивает, сцуко. Вот ссылочка на место боевых действий. Радуют посты типа тиких, все четко и по теме. Респект. Читал нудника, вот этот пост. Очень позитивно и по теме. К стати, его предыдущий пост тоже в тему. Радует,что начинаю появляться посты с позитивными ссылками, вот как этот. Большое спасибо. Вот ещё бы по сути блога высказываться начали: что понятно, что не поянтно, о чем писать или не писать. Было бы супер.