В. Яценко - Твой первый квадрокоптер: теория и практика

Геометрический фактор

Скорость и точность определения местоположения зависят от расположения спутников в пространстве относительно приемника. Наихудшим вариантом является расположение нескольких видимых спутников приблизительно на одной воображаемой линии с приемником. В этом случае погрешность и время определения возрастают до максимума. Поэтому наличие четырех-шести видимых спутников не всегда означает качественное позиционирование даже на открытой местности. Наилучшим вариантом является равномерное распределение нескольких спутников по полушарию над приемником. Применительно к геометрическому фактору, орбитальная структура ГЛОНАСС является более удачной, чем GPS NAVSTAR.

Альманах и эфемериды

Навигационные сообщения спутников несут два типа данных: альманах и эфемериды. Альманах содержит параметры орбит всех спутников, при помощи которых приемник может предсказать расположение спутников с достаточно большой погрешностью и не тратить время на попытки приема сигнала со спутников; которые заведомо не видны. Данные альманаха, передаваемые спутниками, обновляются каждые 30 суток. При хранении в памяти выключенного приемника они действительны не более 2–3 месяцев, далее погрешность в расчетах орбит становится недопустимой.

Эфемериды содержат корректирующие поправки, которые вычисляются наземными станциями слежения и регулярно загружаются в бортовой вычислитель спутника. В отличие от альманаха, каждый спутник передает только собственные эфемериды, обновляемые каждые 30 минут. При хранении в приемнике срок действия эфемерид не более 4–6 часов.

Информация передается со спутника с низкой скоростью, всего 50 бод. Пакет данных содержит контрольную сумму для проверки правильности приема. Также в пакет данных входит флажок "здоровья" спутника (health status). Если спутник неисправен или находится на обслуживании, он продолжает излучать навигационный сигнал для нужд станций слежения, но его сигнал помечается как недостоверный и отвергается приемником.

Время старта приемника, необходимое для перехода в режим определения позиции (GPS Fix или режим захвата спутников), зависит от имеющейся в памяти приемника информации о спутниках.

"Холодный" старт

При "холодном" старте ожидаемая позиция, время, альманах и эфемериды неизвестны. Приемник сканирует все каналы и весь диапазон возможных значений временных задержек навигационных сигналов. После того, как навигационный сигнал хотя бы от одного спутника получен и разобран, приемник обладает информацией о текущем альманахе всей спутниковой группировки и переходит к "теплому" старту.

Время "холодного" старта на открытой местности для современных модулей составляет порядка 30–35 с. При плохих метеоусловиях или мешающих кронах деревьев продолжительность старта может увеличиться до 60–70 с. Таким образом, при использовании приемных модулей на открытой местности можно обходиться без хранения альманаха в памяти и заново стартовать при каждом включении бортового питания. Но в городских условиях время "холодного" старта существенно возрастает, иногда до 10–15 минут.

"Теплый" старт

При "теплом" старте приемник, включенный после 6 и более часов бездействия, начнет сканировать сигналы спутников, используя данные хранящегося в памяти альманаха и время собственных часов. При этом будет осуществляться поиск только тех спутников, которые теоретически, по данным альманаха, должны находиться в видимом полушарии на момент старта. Это существенно сокращает время старта (порядка 10 с), поскольку приемнику достаточно лишь получить текущие эфемериды от заранее известных спутников.

"Горячий" старт

При "горячем" старте в памяти приемника хранится вся актуальная информация, включая действующие эфемериды, поэтому приемник переходит к определению позиции спустя 1–3 с после включения. Если же к моменту включения приемника видимыми являются менее трех спутников со "свежими" эфемеридами, то приемнику потребуется дополнительное время, чтобы собрать эфемериды с остальных спутников по алгоритму "теплого" старта.

При перемещении выключенного приемника на расстояние более 300 км хранящийся в его памяти альманах теряет актуальность, поэтому при включении на новом месте будет отработан "холодный" старт.

Технология A-GPS

Для ускорения "холодного" старта применяется загрузка в приемник альманаха, ориентировочных координат и времени, полученных по альтернативным каналам. Эта технология называется A-GPS (Assisted GPS). Обычно сначала по ближайшим сотовым станциям и точкам доступа Wi-Fi определяются приблизительные координаты с точностью 200–500 м, затем из Интернета скачивается актуальный альманах для этой местности и загружается в память приемника. Этот метод требует наличия беспроводного доступа в Интернет и используется в современных телефонах, но малоприменим для оборудования квадрокоптеров.

Переход приемника в режим захвата спутников (GPS Fix) означает лишь, что приемник загрузил альманах и эфемериды и "видит" достаточное для работы созвездие спутников. Для достижения приемлемой точности позиционирования потребуется дополнительное время, пока приемник накапливает данные для снижения погрешностей статистическими методами.

Некоторые модули GPS с устаревшими прошивками при неудачном расположении спутников зависали и вообще не могли стартовать по процедуре "холодного" старта, пока в них с компьютера не выгружали альманах. В современных модулях такая проблема не встречается.

Для хранения информации в модуле приемника GPS используется энергозависимая память с резервным источником питания. Обычно это миниатюрный литиевый аккумулятор или ионистор. Иногда спрашивают, почему в приемниках не используется обычная память EEPROM, которая не теряет информацию при отключении питания? Дело в том, что при работе приемника информация о текущих координатах и эфемеридах непрерывно перезаписывается, а энергонезависимая память имеет довольно ограниченный ресурс циклов перезаписи.

Антенны GPS

Антенны портативных GPS-модулей имеют специфическую конструкцию. Обычно это керамический блок с нанесенными на него электрохимическим методом металлическими элементами (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Обычная керамическая антенна GPS и миниатюрная чип-антенна

После изготовления антенну обычно подстраивают на заводе, подрезая уголки вибратора наждаком или лазером. Иногда применяются активные антенны, когда непосредственно на антенном модуле смонтирован малошумящий усилитель. Такие антенны более эффективны в сложных условиях, но на открытом пространстве, когда сигналы от спутников и без того хороши, они не дают заметного выигрыша. Недостатками керамической антенны являются большой вес и хрупкость, из-за чего антенны часто трескаются при аварии. Иногда трещина антенны не видна невооруженным глазом, но существенно снижает чувствительность приемника.