Проблемы с точностью определения координат в gps. Стоимость работ с использованием GPS приемников. Погрешности в эфемеридных данных при GPS-навигации

Карманная геолокация - дело довольно распространенное и в последнее время привычное. Сейчас на всех моделях современных телефонов есть GPS-система. Но часто по поводу нее у пользователей возникают вопросы. Например, они интересуются, как улучшить GPS-прием на "Андроиде" или IOS, чтобы получать более точную информацию о местонахождении или удобнее играть в игры, которые требуют детальной геолокации. Разберем эту проблему и выясним, что можно сделать.

GPS - это система, которая позволяет смартфону использовать навигационные приложения и определять ваше местонахождение, чтобы построить наилучший вариант маршрута до точки назначения. Основывается на получении данных от спутников, находящихся в космическом пространстве.

Зачем он мне?

GPS-навигация используется навигационными приложениями. Вместе они помогают добраться до нужного места без детального изучения бумажных карт местности и опроса окружающих на тему "Куда ехать дальше и где повернуть?"

Самые известные бесплатные "Яндекс.Карты" или "Яндекс.Навигатор", GoogleMaps и MapsMe. Еще в интернете можно найти пиратскую версию "Навитела". Но программа может быть старого года выпуска. В этом случае она способна завести вас на несуществующие дороги и под "кирпич". Кроме того, программа может быть заражена вирусом. Тогда есть вероятность, что она "сломает" систему вашего смартфона, и вам придется менять не только навигатор, но и телефон или как минимум его прошивку.

Сейчас самые распространенные и современные модели телефонов - это IPhone на базе IOS и поддерживающие иную систему телефоны ("Андроид"). GPS в них используется в более усовершенствованном виде - A-GPS. Это функция, увеличивающая скорость работы приложения при холодном и горячем старте, за счет других каналов связи (WI-FI, сотовая), а также повышающая точность позиционирования.

Ситуация, когда телефон не может подключиться к новым спутникам при включении приложения. В этом случае он работает автономно по данным, переданным при предыдущем включении теми спутниками, к которым он подключался. Горячий старт - когда спутники сразу же включаются в работу. Они появляются на экране приложения или в специальной вкладке отслеживания их работы и приема данных.

Первый вариант улучшения сигнала

Способов, как улучшить GPS-прием на "Андроиде" или IOS, огромное количество. Разберем 3 самых известных. Первым и самым простым способом, как усилить сигнал GPS, является включение соответствующего режима в настройках телефона. Для этого проделываем следующие шаги:

• Включаем GPS (геолокацию) и заходим в настройки телефона.
• Находим раздел "Геоданные".
• Выбираем верхнюю кнопку "Режим".
• Открывается окно с названием "Метод обнаружения".
• Выбираем пункт "Высокая точность".

Производительность телефона благодаря включению точности повысится. Одновременно время его работы без подзарядки может уменьшиться в несколько раз. Все дело в том, что включенный навигатор будет просто "съедать" батарею.

Второй способ, как улучшить GPS-прием на "Андроиде"

Второй вариант является более сложным. Зато он помогает так же часто, как и первый. Необходимо скачать приложение для очистки данных GPS. После обновления информации о спутниках система навигации начнет работать лучше, чем прежде. Но этот вариант может не подойти для некоторых телефонов по причине несовместимости приложения и модели, нехватки места и т. п.

Самый сложный, но надежный метод

Существует и третий, самый сложный вариант решения проблемы, как улучшить GPS-прием на "Андроиде". Он больше подходит для компьютерных гениев. Его суть заключается в переделке системного файла, контролирующего работу GPS-системы телефона. Разберемся по порядку:

1. Необходимо извлечь файл GPS.CONF, находящийся в папке system/etc/gps/conf, через специальные программы, которые дают доступ к системным файлам. Затем перемещаем его во внутреннюю память телефона или на SD-карту, чтобы его можно было открыть на компьютере в дальнейшем.
2. Изменение настроек GPS.CONF проводится через программу Notepad++ на обычном ПК. А подключение телефона к компьютеру осуществляется через стандартный USB-провод.
3. Далее нужно изменить настройки NTP-сервера, с помощью которого происходит синхронизация времени. Обычно в них указано что-то вроде этого - north-america.pool.ntp.org. Запись необходимо переписать - ru.pool.ntp.org или europe.pool.ntp.org.В итоге должно получится вот так: NTP_SERVER=ru.pool.ntp.org.
4. Также не лишним будет вписать дополнительные сервера, не внося в них никаких изменений: XTRA_SERVER_1=http://xtra1.gpsonextra.net/xtra.bin, XTRA_SERVER_2=http://xtra2.gpsonextra.net/xtra.bin, XTRA_SERVER_3=http://xtra3.gpsonextra.net/xtra.bin.
5. Далее необходимо решить, будет ли GPS-приемник использовать WI-FI для усиления сигнала. При вписывании параметра ENABLE_WIPER= надо поставить цифру, которая будет разрешать (1) или запрещать (0) использование беспроводного подключения. Например, ENABLE_WIPER=1.
6. Следующий параметр - скорость подключения и точность данных. Там ваш выбор следующий: INTERMEDIATE_POS=0 <—— (точно, но медленно) или INTERMEDIATE_POS=1 <—— (не точно, но быстро).
7. В типе использования передачи данных знающие люди советуют ставить User Plane, который отвечает за широкую передачу абонентских данных. Тогда в строке программы пишется DEFAULT_USER_PLANE=TRUE.
8. Точность GPS-данных отслеживается через параметр INTERMEDIATE_POS=, в строке которого можно задать как учитывание всех без исключения данных, так и удаление погрешностей. Если поставить после знака "=" 0 (ноль), то геолокация будет учитывать все, что найдет, а если 100, 300, 1000, 5000 - она удалит погрешности. Программисты рекомендуют ставить 0. Но если вы хотите попробовать, то можно использовать удаление погрешностей.
9. Применение функции A-GPS, как уже говорилось выше, поддерживается или автоматически включается на всех современных устройствах. Но если вы все же хотите, чтоб функция точно работала, то в строке задействования A-GPS нужно поставить DEFAULT_AGPS_ENABLE=TRUE.
10. Итоговый вариант файла нужно сохранить и скинуть на телефон, после чего перезагрузить его.

Важный момент: если вы не хотите проделывать это все сами по различным причинам, например из-за лени, страха сломать что-то в системе и т. п., то можно найти файл GPS.CONF с нужными вам параметрами и просто скопировать его на свой смартфон. Остается только перезагрузить телефон и пользоваться улучшенным GPS.

Почему еще не работает GPS на "Андроиде"?

У проблемы имеются и другие причины. Бывает такое, что не работает GPS на "Андроиде" совсем (не включается, не ищет спутники и т. д.). С этой проблемой может помочь разобраться снос системы до заводских настроек. Это делается через настройки телефона. Кроме того, гаджет можно перепрошить или отдать его работникам сервисного центра, которые "покопаются" в электронике и исправят недочет.

Спутниковые системы позиционирования и навигации, изначально разрабатывавшиеся для военных нужд, в последнее время находят широкое применение в гражданской сфере. GPS/ГЛОНАСС мониторинг транспорта, наблюдение за нуждающимися в опеке людьми, контроль перемещений сотрудников, слежение за животными, отслеживание багажа , геодезия и картография – это основные направления использования спутниковых технологий.

В настоящее время существует две глобальных системы спутникового позиционирования, созданных в США и РФ, и две региональных, охватывающих Китай, страны Евросоюза и еще ряд стран Европы и Азии. В России доступен ГЛОНАСС мониторинг и GPS мониторинг.

Системы GPS и ГЛОНАСС

GPS (Global Position System, Глобальная система позиционирования) – это спутниковая система, разработка которой началась в Америке с 1977 года. К 1993 программу развернули, а к июлю 1995 – добились полной готовности системы. В настоящее время космическая сеть GPS состоит из 32 спутников: 24 основных, 6 резервных. Они вращаются вокруг Земли по средневысокой орбите (20 180 км) в шести плоскостях, по четыре основных спутника в каждой.

На земле расположена главная контрольная станция и десять станций слежения, три из которых передают спутникам последнего поколения корректировочные данные, а те распределяют их на всю сеть.

Разработка системы ГЛОНАСС (Глобальной навигационной спутниковой системы) начата еще в СССР в 1982 году. О завершении работ заявили в декабре 2015 года. Для работы ГЛОНАСС требуется 24 спутника, для покрытия территории и РФ достаточно 18, а общее число спутников, находящихся в данный момент на орбите (включая резервные) – 27. Они также движутся по средневысокой орбите, но на меньшей высоте (19 140 км), в трех плоскостях, по восемь основных спутников в каждой.

Наземные станции ГЛОНАСС расположены в России (14), Антарктиде и Бразилии (по одной), намечается развертывание ряда дополнительных станций.

Предшественником системы GPS была система Transit, разработанная в 1964 году для управления запуском ракет с подводных лодок. Она могла определить местонахождение исключительно неподвижных объектов с точностью до 50 м, а единственный спутник находился в поле видимости всего один час в сутки. Программа GPS ранее носила названия DNSS и NAVSTAR. В СССР создание навигационной спутниковой системы велось с 1967 года в рамках программы «Циклон».

Основные отличия системs мониторинга ГЛОНАСС от GPS:

• американские спутники движутся синхронно с Землей, а российские – асинхронно;
• разная высота и количество орбит;
• разный угол их наклона (около 55° для GPS, 64,8° для ГЛОНАСС);
• разный формат сигналов и рабочие частоты.

Преимущества системы GPS

• GPS – старейшая из существующих систем позиционирования, приведена в полную готовность раньше российской.
• Надежность обусловлена использованием большего числа резервных спутников.
• Позиционирование происходит с меньшей погрешностью, чем у ГЛОНАСС (в среднем 4 м, а для спутников последнего поколения – 60–90 см).
• Множество устройств поддерживает систему.

Преимущества системы ГЛОНАСС

• Положение асинхронных спутников на орбите более стабильное, что облегчает управление ими. Регулярное внесение корректив не требуется. Данное преимущество важно для специалистов, а не потребителей.
• Система создана в России, поэтому обеспечивает уверенный прием сигнала и точность позиционирования в северных широтах. Это достигается за счет большего угла наклона спутниковых орбит.
• ГЛОНАСС – это отечественная система, и останется доступной для россиян в случае отключения GPS.

Недостатки системы GPS

• Спутники вращаются синхронно вращению Земли, поэтому для точного позиционирования требуется работа корректирующих станций.
• Низкий угол наклона не обеспечивает хорошего сигнала и точного позиционирования в полярных областях и высоких широтах.
• Право управления системой принадлежит военным, а они могут искажать сигнал или вообще отключить GPS для гражданских лиц или для других стран в случае конфликта с ними. Поэтому хотя GPS для транспорта точнее и удобнее, а ГЛОНАСС – надежнее.

Недостатки системы ГЛОНАСС

• Разработка системы началась позже и до недавнего времени велась со значительным отставанием от американцев (кризис, финансовые злоупотребления, хищения).
• Неполный комплект спутников. Продолжительность службы российских спутников ниже, чем американских, они чаще нуждаются в ремонте, поэтому точность навигации в ряде областей снижается.
• Спутниковый мониторинг транспорта ГЛОНАСС дороже, чем GPS из-за высокой стоимости устройств, адаптированных к работе с отечественной системой позиционирования.
• Недостаток программного обеспечения для смартфонов, КПК. Модули ГЛОНАСС проектировали для навигаторов. Для компактных портативных устройств на сегодняшний день более распространенный и доступный вариант – это поддержка GPS-ГЛОНАСС или только GPS.

Резюме

Системы GPS и ГЛОНАСС являются взаимодополняемыми. Оптимальное решение – это спутниковый GPS-ГЛОНАСС мониторинг. Устройства с двумя системами, например, GPS-маркеры с ГЛОНАСС-модулем «М-Плата» обеспечивают высокую точность позиционирования и уверенную работу. Если для позиционирования исключительно по ГЛОНАСС погрешность в среднем составляет 6 м, а для GPS – 4 м, то при использовании двух систем одновременно она снижается до 1,5 м. Но такие приборы с двумя микрочипами стоят дороже.

ГЛОНАСС разработана специально для российских широт и потенциально способна обеспечить высокую точность, из-за ее недоукомплектованности спутниками реальное преимущество пока на стороне GPS. Плюсы американской системы – это доступность и широкий выбор устройств с поддержкой GPS.

Вспомни, сколько раз ты ругался на ни в чем не повинный навигатор, обнаружив себя не на том съезде, на шоссе вместо дублера, на незнакомом диване с лицом в зубной пасте… Ну хорошо, в последнем случае навигатор ни при чем. А если подумать, устройство не всегда виновато и в остальных поворотах не туда.

Бирмингем, Англия

Программное обеспечение в навигаторе или смартфоне работает с GPS-чипами, в которых годами ничего не меняется. А уж в спутниках, которые десятилетиями наматывают круги на орбите, вообще ничего поменять нельзя. И все же американская корпорация Broadcom намерена изменить существующий порядок вещей.

Развязка, проходящая через высотное здание. Осака, Япония

На конференции ION GNSS+ в Портленде представлен прототип пригодного для коммерческого массового производства GPS-чипа BCM47755 с пределом точности в 30 см вместо нынешних 5 м!

Шанхай, Китай

Помимо прочего, чип потребляет вдвое меньше энергии (обладатели смартфонов открывают шампанское!) и не путается в частоколе высотных зданий. Представители Broadcom утверждают, что новым чипом будут оснащены некоторые модели смартфонов, которые поступят в продажу уже в 2018 году. Но вот досада: не говорят какие.

Суиндон, Великобритания

Любой приемник спутниковой навигации, будь то американский GPS, российский ГЛОНАСС, европейский Galileo или японский QZSS, работает примерно одинаково: он вычисляет свое местоположение по сигналу о точном нахождении трех и более спутников, используя разные данные, например время прохождения сигнала между спутником и приемником.

Спрингфилд, штат Вирджиния, США

Почему новые GPS-чипы запускают именно сейчас? Во-первых, Broadcom освоила выпуск процессоров на 28-нанометровой архитектуре. А во-вторых, увеличилась группировка навигационных спутников нового поколения. Формат передачи данных спутниками не один. Сигналы стандартной точности диапазона L1 используются довольно давно, но теперь им на помощь пришел более мощный и широкополосный сигнал L5. Как утверждают в Broadcom, даже при ограниченной видимости неба в крупных городах GPS-устройства одновременно «видят» шесть-семь спутников, и этого вполне достаточно для работы новых чипов высокой точности.

Современные технологии спутниковой навигации обеспечивают определение местоположения с точностью порядка 10-15 метров. В большинстве случаев этого достаточно, однако, в некоторых случаях требуется большее: скажем, автономный дрон, достаточно быстро перемещающийся над земной поверхностью, будет чувствовать себя неуютно в облаке из координат с метровыми погрешностями.

Для уточнения спутниковых данных используются дифференциальные системы и RTK (real-time kinematics) технологии, но до последнего времени подобного рода устройства были дорогими и громоздкими. Последние достижения цифровой техники в лице микрокомпьютера Intel Edison помогли решить эту проблему. Итак, встречайте: Reach – первый компактный высокоточный приемник GPS, очень доступный по цене, и, к тому же, разработанный в России.

Для начала поговорим немного о дифференциальных технологиях, которые позволяют Reach добиться столь высоких результатов. Они хорошо известны и достаточно широко внедрены. Дифференциальные навигационные системы (ДНСС) улучшают точность определения местоположения и скорости подвижных пользователей за счет предоставления данных измерений или корректирующей информации от одной или нескольких базовых станций.

Координаты каждой базовой станции известны с высокой точностью, так что данные измерений станцией служат для калибровки данных расположенных рядом приемников. Приемник может вычислить теоретическое расстояние и время распространения сигнала между собой и каждым спутником. Когда эти теоретические значения сравниваются с данными наблюдений, то различия представляют собой ошибки в принимаемых сигналах. Корректирующая информация (данные RTCM) получается из этих различий.

Точность определения координат с помощью Reach. Обратите внимание на масштаб.

Корректирующая информация может получаться устройством Reach из двух источников. Во-первых от общедоступной сети базовых станций через интернет по протоколу NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol), реализующего идею, описанную выше, применительно к глобальной компьютерной сети. Во-вторых, с помощью второго Reach, занимающего стационарную позицию вблизи первого и являющегося, таким образом, базовой станцией в терминах ДНСС. Второй вариант предпочтительнее (точность ДНСС сильно падает с увеличением расстояния между приемником и БС) – не случайно в рамках краудфайндинговой кампании на сайте Indiegogo создатели Reach первой позицией предлагают выкупить именно набор из двух устройств.

Спецификации устройства приведены в таблице ниже. Как видим, аппаратно он состоит из 3 частей: компьютера Intel Edison, на котором запущена ОС Linux и RTK софт RTKLIB; GPS-приемника U-blox NEO-M8T и антенны Tallysman TW4721. Обратите внимание, что приемник поддерживает все существующие спутниковые системы: GPS, ГЛОНАСС, Beidou и QZSS. Вся эта совокупность программных и аппаратных компонент обеспечивает впечатляющую точность определения координат: до 2 см!
Кому может пригодиться подобное устройство? Как уже говорилось выше, создателям различной мобильной робототехники, автономной и не очень; причем, учитывая его низкую стоимость (предзаказ $545 за двойной набор и $285 за одинарный) не только профессиональным, но и энтузиастам. Далее, составителям различного рода карт, опять-таки, в том числе и любителям. Ну и просто занудам, желающим знать свое местоположение с точностью до сантиметра.

Создатели Reach, компания Emlid, удачно выступили на сайте indiegogo: меньше чем за месяц собрана почти двойная запрошенная сумма. Значит, проект непременно будет реализован. У вас еще есть время, чтобы сделать предзаказ и оказаться в числе первых, кто получит принципиально новое навигационное устройство. Рассылка товара запланирована на июль.

Точность GPS измерений различается от 1 сантиметра до более чем 15 метров, в зависимости от используемой аппаратуры, методики обработки данных и других факторов. Кроме того, на точность получаемых данных влияет ваш опыт и знание основ работы c GPS системами.

Помните, что точность определения плановых координат при использовании GPS обычно в 2-5 выше, чем высоты, независимо от местоположения на поверхности Земли. Если Вы используете оборудование и программное обеспечение (ПО), дающее точность плановых координат около 1 см, то точность по высоте составит 2-5 см. Это может стать решающим фактором, когда Вы используете оборудование с точностью плановых координат порядка 2-5 метров. В этом случае, точность определения высоты может быть хуже десятков метров.

В этом разделе Вы найдёте информацию о том, как добиться от вашего GPS оборудования максимально возможной точности.

Оборудование

Выбор оборудования напрямую зависит от точности, которую вам необходимо получить.

C/A кодовые приёмники

Информация о состоянии всех спутников включается в альманах, передаваемый на каждый спутник. Данные альманаха обновляются ежедневно и передаются с каждого спутника приблизительно каждые 12.5 минут.

Если ваш GPS приёмник получил альманах, в котором содержится информация о том, что какой либо спутник “нездоров”, то приёмник не будет отслеживать и принимать данные от неработоспособного спутника до тех пор, пока альманах не будет обновлён. Даже если спутник вернётся в рабочее состояние, то приёмник начнёт использовать его данные, лишь после появления соответствующей информации в новом альманахе. GPS приёмник автоматически отслеживает эти изменения и выполняет обновления по мере необходимости.

Хотя ваш GPS приёмник обычно не использует сигнал от “нездорового” спутника, Вы при планировании GPS измерений можете не принимать это во внимание для целей предсказаний. В этом случае Вы можете использовать информацию от “нездорового” спутника или игнорировать “здоровый” спутник. Если Вы игнорировали указание на то, что спутник “нездоров”, тогда ПО планирования расположения спутников будет предполагать, что спутник “здоров”. Если же Вы игнорировали указание на то, что спутник “нездоров” в ПО базовой станции, то сообщение будет игнорироваться и спутниковые данные будут записываться в базовый файл.

Доступность спутников в GPS “созвездии”

GPS приёмник по умолчанию получает информацию от всех спутников. Это значит, что они используются во всех расчётах (при условии, что они “здоровые”). Некоторые GPS приёмники Trimble позволяют вам отключать “здоровые” спутники. После этого приёмник не будет принимать сигнал от этих спутников.

Внимание! Вам вряд ли понадобиться когда-либо отключать “здоровые” спутники. Это может пригодиться, например, для научных задач, чтобы “заставить” приёмник работать при определённой конфигурации созвездия GPS спутников.

Значение точности измерения расстояния от спутника до пользователя (URA или User Range Accuracy)

Значение точности измерения расстояния от спутника до пользователя (URA) включено в спутниковый сигнал. Это значение характеризует точность измерений от определённого спутника. URA для каждого космического аппарата обычно отображается на экране приёмника (серия 4000) или контроллера (TSC1). Если значение URA больше 30, то скорее всего на спутнике был активирован режим Избирательного Доступа (S/A).

Расположение антенны

Спутниковый GPS сигнал может быть принят из любого направления. Для получения наилучшего результата, антенну необходимо установить в районе с максимально открытым участком неба (вплоть до горизонта). Небольшое количество воды или снега не воздействует на качество приёма сигнала. Металлические поверхности, здания, плотные кроны деревьев и т. п. блокируют сигнал. Мощные передатчики (особенно в микроволновом диапазоне) могут искажать GPS сигнал. Во время работы Вы должны стараться избегать участков через которые проходит сфокусированное микроволновое излучение или мест расположенных вблизи мощных радаров излучающих на радиочастотах близким к кратным значениям частоты L1 сигнала (1575 МГц).

Антенну базовой станции необходимо размещать в местах с наиболее открытым горизонтом. Если, например, базовая станция расположена в сильно застроенной территории, то передвижной приёмник может захватить спутник невидимый с базовой станции. В таком случае, данный спутник не может использоваться при выполнении дифференциальной коррекции, т. к. требуются одновременные наблюдения с 2-х GPS приёмников. Гораздо труднее создать идеальные условия наблюдений для передвижного приёмника. Старайтесь обеспечить максимально открытый небосклон при проведении съёмки. Не становитесь вблизи высоких строений. При работе в лесу постарайтесь вынести антенну на метр или два над кронами деревьев.