Как правильно разместить GPS антенну внутри автомобиля? (Часть вторая)

Под лобовым стеклом, в центре? Между передними сидениями? Или подвесить как-нибудь сбоку?
В первой части мы рассмотрели одну часть вопроса о размещении антенны внутри салона автомобиля, связанную уменьшением количества видимых спутников. Теперь переходим ко второй части:

Снижение точности определения координат, связанное с ухудшением качества приема сигналов.

Выше уже было сказано, что принцип измерения дальности до спутника основан на измерении времени задержки принятого от него сигнала. Вообще, навигационные спутники транслируют сигналы не нескольких частотах, но мы имеем дело с простым GPS приемником, который принимает сигналы только одного частотного диапазона L1, представляющего собой гармоническую несущую частоты 1575.4 МГц, последовательно промодулированную двумя псевдошумовыми последовательностями (P (precision) и C/A (coarse acqusition) кодами) и информационным сообщением. В GPS разные спутники ипользуют разные псвевдошумовые последовательности, что соответствует кодовому разделению сигналов, в ГЛОНАСС сигналы разных спутников различаются частотами несущих колебаний.

В нашем случае простого навигационного приемника под измерением задержки сигнала подразумевается измерение задержки C/A кода. GPS приемник генерирует реплику кода и, меняя ее начальную фазу, вычисляет значение свертки: перемножает оцифрованные отсчеты принятого сигнала с отсчетами реплики и суммирует результаты перемножений остчетов. В случае правильно подобранной начальной фазы реплики C/A кода наблюдается «всплеск» свертки (что вызвано особыми свойствами псевдошумовой последовательности), при его обнаружении принимается решение об обнаружении спутника, а подобранная начальная фаза реплики принимается равной времени задержки сигнала.

Измеренное время задержки, умноженное на скорость света принято называть псевдодальностью. Приставка «псевдо» призвана подчеркнуть факт существенного отличия измеренной дальности от реальной. Дело в том, что при ее измерении используется разность не между отсчетами одних и тех же часов, а между отсчетами часов спутника в момент передачи и GPS приемника в момент приема. Если часы всех спутников в значительной мере синхронизированы друг относительно друга, и, кроме того, информация об уходе их часов содержится в информационном сообщении, то часы применика могут идти совершенно иначе — заметно отставать или спешить. В то же время ошибка измерения задержки величиной в 1 секунду приведет к погрешности измерения дальности в 300 000 км, то есть будет значительно превосходить саму измеряемую величину. В общем, скорее «псевдо», чем дальность. К счастью, в уравнениях для всех спутников ошибка часов GPS приемника одна и та же, что позволяет вычислить ее в процессе решения навигационной задачи.

Какие есть еще источники ошибок измерения дальности? Их несколько: ошибка часов спутника, ошибка, связанная с неточностью знания его орбиты, ошибка, связанная с дополнительной задержкой сигнала в ионосфере и в тропосфере земли, ряд ошибок, связанных с релятивистскими эффектами, ошибка «многолучевости», ошибка, связанная с тепловым шумом. Из всех перечисленных только две последние связаны с качеством приема. Рассмотрим их.

Величина ошибки, связанной с тепловым шумом, определяется отношением мощности сигнала к мощности шума. Алгоритм навигационного приемника, оценивая качество принимаего сигнала, может вычислить это отношение. Однако, целесообразно рассматривать шумовую ошибку совместно с ошибкой многолучевости, поскольку последняя также влияет на мощность принимаего сигнала, то-есть на отношение сигнал/шум. Ошибка многолучевости связана с тем, что вместо одного сигнала, распространяющегося по прямой линии от спутника к GPS приемнику, приемник анализирует смесь различных переотражений сигнала от окружающих антенну объектов: поверхности земли, соседних домов, деревьев, а в нашем случае еще и элементов конструкции автомобиля. Существуют разные способы уменьшения ошибки многолучевости, например, измерение задержки с помощью несимметричного строба, позволяющего устранить так называемую «дальнюю» многолучевость, вызванную отражениями от объектов, расположенных вдали от антенны, фазированные антенные решетки, позволяющие динамически формировать диаграмму направленности определенного вида, с целью подавить мешающие сигналы, различные модели многолучевости, позволяющие оценить параметры отражающих объектов и учесть влияние мешающих сигналов. Однако, в данном случае нас эти методы не интересуют, нам лишь важно узнать, как изменится ошибка многолучевости при расположении антенны внутри автомобиля. Так же, как и в предыдущем пункте, мы не будем составлять электродинамическую модель кузова для выяснения его отражательных свойств в виду сложности данной задачи, а обратимся к уже проведенному эксперименту с парами антенн: одна на крыше автомобиля, другие поочередно устанавливаются в салоне в разных местах. Как уже было сказано ранее, автомобиль в течение эксперимента остается неподвижным. Для каждого из трех сеансов навигационный применик определял положение многократно, один раз в секунду. Примем средние за сеанс координаты за истинное местоположение антенны . Тогда для каждого отдельного измерения дальности до спутника можно записать:

(11)
где — сумма ошибок измерения дальности, связанных с уходом часов спутника, задржкой сигнала в ионосфере и тропосфере земли, и с поворотом земли за время распространения сигнала,
— ошибка часов GPS приемника, вычисленная в процессе решения навигационной задачи,
— сумма ошибок многолучевости и шума,
— координаты спутника.

Ошибки не зависят от способа расположения антенны. Поэтому, сравнивая величины (12) для антенны на крыше автомобиля и внутри салона мы увидим, как изменится сумма ошибок многолучевости и шума.

(12)

На следующих графиках представлены результаты сравнения ошибок псевдодальностей, а также отношения сигнал/шум для трех спутников и трех вариантов расположения антенн. На всех рисунках красным цветом обозначены результаты для антенны на крыше, а синим - результаты для антенны внутри салона.

Антенна под лобовым стеклом:

№ спутника Ошибка измерения дальности, связанная с многолучевостью и шумом Отношение сигнал/шум
21
29
16

Антенна между сидениями:

№ спутника Ошибка измерения дальности, связанная с многолучевостью и шумом Отношение сигнал/шум
21
29
16

Развернутая на 90 градусов антенна:

№ спутникаОшибка измерения дальности, связанная с многолучевостью и шумомОтношение сигнал/шум
21
29
16

Представленные графики наглядно иллюстрируют, как именно проявляется влияние корпуса автомобиля. Видно, что хотя количество видимых спутников при размещении антенны внутри салона меняется не сильно, качество принимаемого сигнала заметно ухудшается, что приводит к увеличению ошибки измерения дальности до спутников. Как отмеченное ухудшение качества приема влияет на определение координат? Ответ на этот вопрос иллюстрируется следующими графиками, на которых показана вычесленная позиция в плане для антенны на крыше (красные точки на графиках слева) и позиция в плане для антенн внутри салона (синие точки на графиках справа):

Антенна на крышеАнтенна под лобовым стеклом

Антенна на крышеАнтенна между сидениями

Антенна на крышеРазвернутая на 90 градусов антенна

Таким образом, в процессе ответа на вторую часть вопроса о размещении антенны внутри автомобиля, было отмечено серьезное ухудшение качества приема и заметное снижение точности определения координат. Однако, выявленное ухудшение оказалось не столь значительным, чтобы сделать невозможным решение задач системы спутникового мониторинга транспорта. Поэтому, мы решили провести еще один экспепримент более общего характера.

С помощью системы «Навигатор+» мы осуществляли спутниковый мониторинг автомобиля с тремя установленными GPS трекерами, работающими одновременно. В результате можно было наблюдать три траектории его перемещений и выявить отличия в них.

В процессе анализа полученных траекторий движения выяснилось, что все три исследованных способа расположения антенны дают приемлемые результаты с точки зрения работы в установившемся режиме. Вот фрагмент карты, с показанными на нем тремя траекториями, которые, совпадают с графической точностью

Однако, несмотря на то, что в установившемся режиме все три модуля показывали одинаковые результаты, был отмечен факт более медленного холодного старта для варианта расположения антенны между передними сидениями. Причина этого понятна — в момент холодного старта в GPS приемнике работает алгоритм первоначального поиска спутников. Для этого момента характерно отсутствие априорной информации о приблизительном расположении приемника и спутников, поэтому в процесе поиска GPS приемнику приходится перебирать множество возможных значений доплеровских сдвигов частот и началных фаз кодовых последовательностей. Для ускорения поиска в этом режиме к качеству сигналов предъявляются более жесткие требования. Видимо, для варианта расположения антенны между сидениями эти требования не очень удовлетворяются. Поэтому, если вы пользуетесь вариантом GPS трекера системы «Навигатор плюс» без провода резервного питания, и малое время включения модуля для вас важно, старайтесь не устанавливать антенну слишком глубоко в салоне.

23 сентября 2009 г.