Компоненты спутниковой навигации компании Allystar

Во многих современных инженерно-технических приложениях, таких как мониторинг автотранспорта, системы охраны и безопасности стационарных или подвижных объектов и т.д., бывает необходимо знать географическое местоположение некоторого объекта. В течение последних лет наиболее простым и бюджетным способом определения географических координат стало использование модулей спутниковой навигации. Принцип работы таких модулей — определение местоположения на поверхности Земли по сигналам систем спутниковой навигации (см. Рис. 1), которых в данный момент известно довольно много.

Рис. 1.

Практически каждое экономически развитое государство старается ввести в эксплуатацию собственную спутниковую навигационную систему. Первой самой широко известной системой стала американская GPS. Затем, в начале 2000-х годов, в эксплуатацию была введена российская система ГЛОНАСС. В данный момент для обычного гражданского использования также доступны европейская спутниковая система GALILEO, китайская BEIDOU, индийская IRNSS и японская QZSS.

Соответственно, подавляющее большинство современных модулей спутниковой навигации поддерживает работу одновременно с несколькими спутниковыми системами (одновременно со всеми или выборочно, согласно настройкам, задаваемым конечным пользователем). Поэтому в профессиональной литературе и в интернет-источниках всё чаще используется термин «модуль GNSS» (Global Navigation Satellite System).

Большую популярность модули GNSS приобрели благодаря ряду качеств:

1. Массовая доступность для обычных гражданских разработчиков. В данный момент на выпуске модулей GNSS специализируется множество компаний как российских, так и зарубежных. Каждый производитель добавляет в свои модули различные полезные функции, выгодно отличающие его продукцию от конкурентов. Поэтому у инженера-разработчика всегда есть большой выбор модулей GNSS и возможность подобрать именно тот модуль, который оптимально соответствует требованиям решаемой задачи.


2. Низкая стоимость. В связи с высокой конкуренцией среди производителей модулей GNSS и постоянно увеличивающимися объёмами их производства нередко стало наблюдаться снижение цен. Без преувеличения можно сказать, что в ряде случаев модули GNSS стали чуть ли не самым доступным и бюджетным компонентом разрабатываемой системы.


3. Стандартный протокол. Для обмена данными с модулем GNSS используется стандартный протокол NMEA и стандартный интерфейс UART. Хотя производители модулей GNSS стараются добавить поддержку различных проприетарных протоколов с расширенными возможностями и дополнительных интерфейсов (USB, I2C, SPI и т.д.), но поддержка NMEA и UART практически всегда имеется во всех модулях GNSS всех известных на рынке производителей. Это делает разработку программного приложения, управляющего работой модуля GNSS, более универсальной и позволяет оперативно заменять модули на печатной плате по мере необходимости.

Системы спутниковой навигации излучают радиосигналы в нескольких частотных диапазонах. Часть из них является открытой для свободного использования гражданскими пользователями, а часть предназначена исключительно для военных целей и требует применения специальных шифров, которые выдаются соответствующими государственными органами. Работа в открытых частотных диапазонах обеспечивает несколько загрублённую точность навигации, составляющую обычно 2,5 м CEP (Circular Error Probable). В подавляющем большинстве гражданских применений такой точности оказывается достаточно. Но в течение последних нескольких лет начали активно развиваться такие области техники, как беспилотные летательные аппараты (БПЛА), системы беспилотного вождения для автомобилей, системы высокоточного земледелия и т.д., где точности 2,5 м CEP оказывается недостаточно.

В связи с этим многие производители модулей GNSS начали задумываться, как повысить точность навигации, не прибегая к использованию сигналов из закрытых для гражданского применения диапазонов частот.

Одним из вариантов решения данной проблемы является технология RTK (Real Time Kinematic). Принцип её работы заключается в том, что область навигации заведомо ограничивается радиусом 1…1,5 км (например, площадь сельскохозяйственного поля, где работает высокоточная техника). В условном центре данной области устанавливается Базовая станция, которая является неподвижной в течение всего времени работы. Данная Базовая станция с помощью специальных математических алгоритмов определяет своё местоположение с высокой точностью (±1 см) и вычисляет дифференциальные поправки мгновенного значения координат относительно своего точного местоположения. Далее эти поправки передаются на подвижный объект (Ровер), который совершает перемещения в пределах досягаемости сигналов с Базовой станции. Считается, что Ровер находится в тех же условиях приёма радиосигнала, что и Базовая станция. Следовательно, дифференциальные поправки с Базовой станции позволят Роверу уточнить свои мгновенные координаты и достигнуть точности навигации, сопоставимой с точностью позиционирования самой Базовой станции (±1 см). Упрощённая схема взаимодействия между Базовой станцией и Ровером приведена на Рис. 2.

Рис. 2.

Ещё одна типичная проблема модулей GNSS заключается в длительном времени включения после долгого простоя (так называемый холодный старт). После включения питания может пройти до нескольких минут, пока модуль просканирует радиоэфир, поймает сигналы со спутников, находящихся в зоне прямой видимости, загрузит с них данные (эфемериды) и на основе этих данных произведёт расчёт своего местоположения. Ситуацию может усугубить ограниченная видимость открытого неба (когда модуль работает в условиях плотной городской застройки) и наличие близко расположенных крупных объектов, от которых происходит переотражение радиосигналов, приходящих со спутников. Для ускорения холодного старта модуля GNSS была придумана технология Assisted-GNSS или A-GNSS (см. Рис. 3).

Рис. 3.

Суть данной технологии заключается в том, что актуальные эфемериды спутников заранее рассчитываются и содержатся на специальном сервере в сети Интернет, откуда они могут быть оперативно считаны любым доступным способом (обычно через модем сотовой связи) и загружены в модуль GNSS. Таким образом, время холодного старта сокращается до нескольких секунд.

Компания «Симметрон» представляет модули GNSS производства компании Allystar (см. таблицу ниже).

(смотрите таблицу целиком используя горизонтальный скролл экрана монитора)

Бюджетные мультисистемные (GPS/ГЛОНАСС/BEIDOU/Galileo) модули GNSS со стандартной точностью навигации 2,5 м CEP:

• TAU1103R/TAU1103E — на данный момент один из самых простых и бюджетных модулей. Форм-фактор MAX-M8, частотный диапазон только L1, точность временной метки 1PPS стандартная (±25 нс), период временной метки 1 c, точность определения местоположения стандартная (2,5 м CEP), Assisted-GNSS, поддерживаемые системы навигации: только GPS/Beidou (модификация TAU1103R) или GPS/ГЛОНАСС/Galileo (модификацияTAU1103E).

  Даташит	Спецификация

• TAU1111R — форм-фактор NEO-M8, частотный диапазон только L1, точность временной метки 1PPS стандартная (±25 нс), период временной метки 1 c, точность определения местоположения стандартная (2,5 м CEP), Assisted-GNSS, поддерживаемые системы навигации: GPS/Beidou/ГЛОНАСС/Galileo.

  Даташит	Спецификация

Модули, работающие в двух открытых частотных диапазонах и обеспечивающие точность навигации <1 м CEP:

• TAU1202R — двухдиапазонный (диапазоны L1 и L5) мультисистемный (GPS/ГЛОНАСС/BEIDOU/Galileo) модуль с улучшенной точностью временной метки 1PPS (±20 нс), период временной метки 1 c, улучшенная точность определения местоположения (1 м CEP), Assisted-GNSS, форм-фактор MAX-M8. Повышение точности достигнуто за счёт работы сразу в двух открытых частотных диапазонах L1 и L5. Для полноценной работы модуля требуется специальная двухдиапазонная антенна.



Даташит	Спецификация

• TAU1201R — аналог TAU1202R в форм-факторе NEO-M8.

  Даташит	Спецификация

  
  

Модули высокоточной навигации, обеспечивающие точность 1,5 см CEP:

• TAU1308R — однодиапазонный (только L1), мультисистемный (GPS/ГЛОНАСС/BEIDOU/Galileo) модуль с поддержкой технологии RTK (Real Time Kinematic) с точностью определения местоположения 1,5 см, поддержка Assisted-GNSS, точность временной метки 1 PPS (±20 нс), период временной метки 1c. Такая точность достигается за счёт использования модулем дифференциальных поправок, получаемых от Базовой станции. Можно использовать поправки от уже существующей Базовой станции или установить собственную, построенную на этом же модуле TAU1308. В обоих случаях получение дифференциальных поправок осуществляется через подключение к Интернет.

  Даташит

• TAU1312R — трёхдиапазонный (диапазоны L1+L2, либо L1+L5), мультисистемный (GPS/ГЛОНАСС/BEIDOU/Galileo) модуль с поддержкой технологии RTK с точностью определения местоположения 1,5 см, поддержка Assisted-GNSS, точность временной метки 1PPS (±20 нс), период временной метки 1c. По сути, это полный аналог модуля TAU1308R, но поддержка нескольких частотных диапазонов обеспечивает более высокую устойчивость и надёжность при работе в условиях сильных помех. Для полноценной работы модуля потребуется соответствующая многодиапазонная антенна.

  Даташит

Компания Allystar также выпускает линейку антенн, рекомендуемых для совместного использования с модулями GNSS.

Встраиваемые пассивные антенны GNSS

Внешние активные антенны GNSS

Модель

Поддерживаемые системы

Коэффициент эллиптичности

Поляризация

Коэффициент усиления МШУ

Коэффициент шума

Коэффициент стоячей волны

Импеданс

Напряжение питания

Энергопотребление

Разъём

Влагозащита

Способ монтажа

Совместима с модулями

Размеры [мм]

Фото

AGR6301

GPS: L1 BDS: B1I/B1C ГЛОНАСС: L1 Galileo: E1 QZSS: L1-C

<2 дБ

Круговая правая

25 дБ

≤2 дБ

<2,5

50 Ом

3,0-5,0 В

<15 мА

SMA

IP67

Магнит

TAU1105 TAU1111

56.5 x 56.5 x 21

AGR6302

GPS: L1, L2C BDS: B1I, B1C, B2I Galileo: E1, E5b ГЛОНАСС: L1 QZSS: L1-C / L2C

<2 дБ

Круговая правая

27 дБ

≤2 дБ

<2,5

50 Ом

3,0-5,0 В

<20 мА

SMA

IP67

Магнит

TAU1302 TAU1312 TAU1201 TAU1202 TAU1204 TAU1205

Диаметр: 79, Высота: 24

AGR6303

GPS: L1, L1C, L5C BDS: B1I, B1C, B2a Galileo: E1, E5a ГЛОНАСС: L1 QZSS: L5 IRNSS: S-L5

<2 дБ

Круговая правая

27 дБ

≤2 дБ

<2,5

50 Ом

3,0-5,0 В

<20 мА

SMA

IP67

Магнит

TAU1302 TAU1312 TAU1201 TAU1202 TAU1204 TAU1205

Диаметр: 79, Высота: 24

AGR6116

GPS: L1, L1C, L5C BDS: B1I, B1C, B2a Galileo: E1, E5a QZSS: L5 IRNSS: S-L5

<3 дБ

Круговая правая

28 дБ

≤2 дБ

<2,5

50 Ом

3,0-5,0 В

<15 мА

SMA

IP67

Магнит

TAU1201 TAU1202 TAU1204 TAU1205

56.5 x 56.5 x 21

AGR6116 – активная двухдиапазонная антенна.

AGR6302/AGR6303 – активная двухдиапазонная антенна L1, L2 (AGR6302) или L1, L5 (AGR6303), специально рекомендованная для высокоточных модулей RTK.