Измерения точностных характеристик навигационных модулей ГЛОНАСС\GPS

Последнее

Если навигационный приёмник в вашем мобильнике ошибается и даже если ошибка достаточно велика, то это не вызывает никаких особых проблем. Но если мы начинаем использовать неточный навигационный приёмник в качестве средств измерения для учета расстояний, скорости и для выставления счетов абонентам, вопрос погрешностей измерений выходит на первый план. С полной неизбежностью результаты измерений будут использоваться в рамках судебных разбирательств. Поэтому есть необходимость в постоянном совершенствовании нормативной базы таким образом, чтобы постоянно понуждать производителей навигационных повышать их качество.

В результате введения в действие системы ЭРА-ГЛОНАСС все транспортные средства на территории РФ должны быть оборудованы системой вызова экстренных оперативных служб. Ведущая лаборатория РФ по сертификационным испытаниям средств связи «Испытательная лаборатория «ЭРА», входящая в состав АНО «СЦ Связь-сертификат» аккредитованная на проведение соответствующих испытаний, заказала разработку автоматизированных рабочих мест для измерения параметров различных элементов систем ЭРА-ГЛОНАСС.

Команда UniTesS разработалf три АРМ:

  • для измерения параметров GPS\ГЛОНАСС приемников в соответствии с ГОСТ Р 55534;
  • для измерения параметров радиоинтерфейса GSM\UMTS модема в соответствии с ГОСТ Р 55533;
  • для измерения параметров тонального модема в соответствии с ГОСТ Р 55533.

Самую активную полемику среди заинтересованных лиц вызвал АРМ по тестированию GPS\ГЛОНАСС навигационных приемников.

На разработку данного АРМ было потрачено порядка 3 месяцев. И ещё 8 месяцев ушло на отладку! Существенной проблемой стали не отработанные методики испытаний, допускающие двоякое толкование условий измерений. В ходе апробирования АРМ были выработаны предложения для внесения изменений в ГОСТ Р 55534. Большая часть этих предложений была принята регулятором – НП ГЛОНАСС.

Чрезвычайно остро встала проблема валидации программного обеспечения UniTesS. Ответственность была очень высока. Понимая это, разработчики вводили различные способы выгрузки промежуточных результатов, чтобы была возможность пересчитать их все буквально на калькуляторе. Но даже спустя год ввода в эксплуатацию, возникают спорные моменты.

Множество вопросов возникает к методикам измерения. Но разработчика и эксплуатирующие лаборатории волнует только одно – возможность строго следовать требованиям ГОСТ Р в части методик измерения, условий и норм. Ответственности за методики ни разработчики, ни лаборатории нести не могут!

На сегодняшний день АРМ для поверки GPS/ГЛОНАСС приёмников апробирован на абсолютном большинстве чипсетов мировых и отечественных производителей. Помимо лабораторий РФ наш АРМ используют ряд зарубежных лабораторий для проведения предварительных испытаний систем ЭРА-ГЛОНАСС.

Команда разработчиков прошла большой путь. Накоплен опыт по измерению параметров навигационных модулей в рамках подтверждения качества и рамках поверки средств измерения, и выработали свой взгляд на ситуацию.

Отсутствие интереса к процессу разработки ГОСТ Р 55534 со стороны отечественных разработчиков вызывает искреннее возмущение. Во всем мире сертификация используется как очень хороший регулятор рынка. Например, в Республике Беларусь это уже поняли, и когда необходимо ограничить импорт, достаточно просто ужесточить контроль за деятельностью испытательных сертификационных лабораторий, что бы они выполняли испытания в полном объеме и соблюдали методики, что может, при необходимости, создать естественный барьер для импорта.

Если посмотреть, как идет разработка стандартов ETSI или 3GPP то сразу заметно, как крупные вендоры лоббируют введение иногда очень завышенных требований или настаивают на применении очень дорого измерительного оборудования, например как безэховые камеры, различные акустические комплексы. Таким образом, рынок ограничивается для тех же азиатских компаний и никто не говорит что это нерыночные методы! Почему такие же способы не могут использоваться для продвижения отечественных решений? Поэтому не стоит бояться разрабатывать собственные стандарты и требования в интересах собственных производителей. Научного потенциала для этого хватает. Если просто копировать иностранные стандарты мы открываем рынок иностранным решениям, под которые эти стандарты и разработаны. А свои производители оказываются в худшем положении.

Те, кто знаком с производством электроники в крупных корпорациях, знают, что для каждого рынка производятся разные партии продукции. Многие видели печатные платы с незапаянными элементами. Действительно, если в стране нет жестких требований к параметрам ЭМС, то зачем устанавливать дополнительные фильтры? Целые отделы занимаются оптимизацией затрат, исходя из технических требований рынка сбыта.

Рассмотрим два основных метода измерения параметров навигационных модулей.

Самый простой и распространений способ измерения параметров навигационных модулей ГЛОНАСС\GPS – использование геодезической точки с известными координатами и сигнала реальных спутников. Но в данном случае возникает проблема сходимости измерений (повторяемости), вследствие постоянно изменяющихся параметров:

  • спутниковых созвездий, PDOP;
  • времени распространения сигнала в тропосфере, ионосфере;
  • мощности сигнала спутников в точке измерения.

При использовании реальных сигналов группировки спутников возникают следующие вопросы.

  • проблема сходимости или повторяемости измерений, вследствие постоянно изменяющихся условий.
  • с нормативной точки зрения для поверки должны применяться эталонные средства измерения, а спутники ими не являются.
  • возможны измерения только ограниченного ряда параметров.

На наш взгляд подобные измерения нельзя относить к метрологии, так как каждый раз измерения будут проводиться в различных условиях. Более того в данном случае невозможно проверить точностные характеристики при движении образца, а это для многих применений является критическим, например для систем устанавливаемых на транспорт или на другие специальные средства.

Существуют приложения, где необходимо проверять точностные характеристики на этапах ускорения, рывков. Это невозможно выполнить без использования специализированных векторных генераторов с возможностью генерации сигналов созвездий спутников.

Использование имитаторов сигналов навигационных систем тоже имеет свои недостатки, главный из которых – высокая стоимость. Кроме того, требуются высококвалифицированные сотрудники, так как настройка приборов достаточно сложна, пользователь должен представлять что такое альманах, эфемериды, псевдодальности.

В большинстве случаев измерения проводятся при подключении генератора к антенному входу модуля. Таким образом, важнейшие параметры антенн никак не учитываются. А в нашем случае антенна содержит важнейший элемент – предусилитель, от параметров которого напрямую зависит её чувствительность. Это конечно не недостаток генератора, а, скорее, применяемых методик. Так как, в принципе, измерения можно провести и в безэховой камере с использованием измерительных антенн, но даже в этом случае не будет проверена диаграмма направленности антенны.

К достоинствам метода, безусловно, относятся:

  • высокая сходимость измерений, результаты полученные в разных лабораториях должны совпадать с учетом неопределённости измерений
  • возможность имитации сложных траекторий, ускорений, рывков
  • векторные генераторы могут быть внесены в реестр средств измерений и могут применяться как эталонные в области законодательной метрологии.

Достаточно посмотреть на результаты измерений, что бы развеять скепсис некоторых коллег: дескать, зачем необходимо измерять параметры чипсетов производства именитых брендов, технологии которых давно отработаны и не вызывают проблем?

В ходе разработки наших решений по автоматизации измерений мы тестировали чипсеты от различных производителей. При имитации статической точки практически ни у одного нет никаких проблем, точность позиционирования очень высокая в от полутора – до трёх метров для GPS или ГЛОНАСС.

 

Но стоит начать имитировать движение, особенно с ускорением, картина резко меняется.

Измерения мы проводили на больших временных интервалах, порядка несколько часов. Мы имитировали различные замкнутые траектории с этапами ускорения до 2G.

Красной линией на графике широта-долгота выделена эталонная траектория.

Было выявлено два характера ошибок:

  • случайные
  • повторяющиеся

На данном графике дидно, что большинство кругов пройдено хорошо, но  какой то момент возникли аномально большие погрешности – до сотни метров. Их причину можно видеть в сбоях программного обеспечения модуля.

 

Здесь мы видим повторяющуюся, стационарную погрешность наверняка связанную с неверными настройками алгоритмов фильтрации с предсказанием

 

 

В соответствии с методикой измерений ГОСТ Р 55534 оценивается только среднеквадратическое значение вектора ошибки. С учетом больших интервалов усреднения единичные аномальные точки, даже если они имеют километровые погрешности, заметно не влияют на результаты.

Конечно  для некоторых применений это не так важно, потому что человек может легко эти точки исключить.

Но если речь идет о таких автоматизированных системах, как ПЛАТОН, где ведётся учёт пройденного расстояния, скорости, то подобная ситуация становится абсолютно неприемлемой. Когда гигантские объемы информации должны обрабатываться автоматически, то даже при единственном ежедневном сбое навигационного модуля, с учетом огромного количества абонентов, неизбежно возникнут серьезные проблемы. Особенно конечно учитывая резонансность самого вопроса.

 

 

Предсказуемо самые большие проблемы возникают, конечно, на интервалах движения с ускорением. Для многих это оказывается неприятной неожиданностью: в статике все отлично, то почему так всё плохо в динамике?

Сложно дать однозначный ответ на этот впорос. Естественно, производители оборудования пытаются экономить на закупке чипсетов и использовать различные алгоритмы обработки сигналов, чтобы обеспечить более высокую точность. Для статики это хорошо работает, но в динамике вызывает обратный эффект в виде различных инертностей.

И ещё один интересный факт: все эти результаты получены с использованием методики ГОСТ Р 55534 когда на приёмник не воздействуют никакие внешние факторы, снижающие точность.

 

 

А теперь реальные картинки. Появились буквально несколько дней назад на информационных ресурсах в интернете. Это данные с трекера установленного на акулу. Как вы понимаете там дешевых чипсетов не используют, однако получают вот такие результаты. Погрешности просто фантастические.

 

 

 

А ведь это техническое решение очень уважаемой корпорации Caterpillar.

 

 

Теперь немного теории спутниковой навигации.

Можно выделить три категории факторов ухудшения точности :

  • Системные
  • Внутренние
  • Связанные с распространением навигационного сигнала

Системные – это погрешности космического и наземного сегментов, неточности эфемеридного обеспечения. Эти факторы никак не могут быть обработаны навигационным модулем.

Внутренние факторы напрямую зависят от качества изготовления приемника, к ним относятся нестабильность работы опорного генератора, собственные шумы и качество программного обеспечения.

Так вот в соответствии с методикой ГОСТ Р 55534 учитываются только внутренние факторы ухудшения точности, а суммарно они вносят лишь порядка 30% в финальную точность.

Так как на текущий момент навигационные системы применяются, в основном, на транспорте, то очень большой интерес вызывает способность модулей работать в сложнейших условиях приема.

Когда автомобиль движется по городу с высотной застройкой, происходит постоянная смена рабочего созвездия, и происходят различные замирания вследствие многолучевости. 

 

 

На самом деле условия хуже не придумаешь. И сейчас для производителей чипсетов это является самой большой проблемой.

Вспомните графики с огромными погрешностями. Так на них отражены результаты без имитации среды распространения сигналов. В реальной жизни все будет згначительно хуже.

Наверняка многие читали, слышали что сейчас некоторые производители автомобилей испытывают сложности с сертификацией систем ЭРА-ГЛОНАСС  якобы из-за завышенных требований, но при измерениях там даже не учитываются модели распространения сигналов. На смаом деле требования абсолютно выполнимы при условии использования качественной элементной базы. Просто для многих стала сюрпризом оснащенность и квалификация отдельных испытательных лабораторий и принципиальная позиция по соблюдению методик измерений. Но, в конечном итоге, это положительно сказывается на смежных отраслях, да и в целом поднимает статус данного сегмента системы сертификации.

Отдельно стоит отметить, что ЭРА-ГЛОНАСС стала серьезным драйвером роста целых сегментов экономики.

В целях дальнейшего совершенствования нормативной базы мы предлагаем следующие пути развития методик выполнения измерений:

  • Для определения точности в режиме маневрирования необходимо однозначно определять сложные сценарии движения, имитировать реальные ускорения транспортного средства в районе 1.1 – 1.2 G, резкие остановки, развороты, повороты на 90%. Необходима имитация движения в реальном городе, имитация столкновений. В общем это то, ради чего и внедряется система ЭРА-ГЛОНАСС, но никто не знает как поведет себя навигационный модуль в случае резкой остановки. 
  • Необходимо вводить разные статистические оценки вектора ошибок, чтобы не допускать на рынок устройства, которые имеют существенные единичные ошибки.
  • Необходимо прописать параметры модели среды распространения, чтобы получать погрешности приближенные к действительности.

Вот самые важные вопросы, которые должны учитываться при развитии нормативной базы. Конечно, это серьезная работа, но она позволит развиваться всем смежным отраслям.

Для нас очень интересно направление измерений точностных характеристик навигационных модулей. Поэтому мы разработали свое законченное решение для автоматизированных измерений. Оно включает в себя специализированный векторный генератор и комплект программного обеспечения, которое обеспечивает выполнение методик и формирует протоколы.

В настоящее время мы работаем над созданием бюджетного решения для измерения таких параметров GPS, GSM, UMTS, Wi-Fi антенн, как коэффициент усиления, АЧХ, 3D диаграмма направленности. Эта тема актуальна для производителей различного оборудования, в состав которого входят навигационные модули. Сейчас все ищут пути экономии, в том числе и на комплектации, стараются выбрать самые дешевые элементы, но мало кто имеет средства объективного контроля. Если рассматривать чип антенны, устанавливаемые на печатные платы, то очень много нареканий вызывает АЧХ даже для диапазона L1. У некоторых это самый нестабильный параметр от партии к партии.

Стоимость существующих комплексов для антенных измерений может составлять сотни тысяч долларов США. Понимая эту проблему, мы сейчас разрабатываем свое доступное решение на базе отечественных поглощающих материалов для создания безэховой зоны и измерительных антенн. Делаем свое поворотное устройство из радиопрозрачных материалов.

Следите за нашими разработками на сайте unitess.ru

О UniTesS

UniTesS – система менеджмента и автоматизации в лаборатории.

Структурно UniTesS состоит из:

Разработка АРМ

Вы не нашли необходимого АРМ в перечне нашей продукции?
В представленных АРМ используются другие эталоны?
У вас другой парк поверяемых/калибруемых средств измерений?

Мы сможем разработать для вас автоматизированное рабочее место под заказ в короткие сроки.

Заполните заявку

Контакты

UniTesS Россия 

  • mb@unitess.by
  • +7 (495) 975-72-83 
  • 127055, Россия, г. Москва,
    ул. Новослободская, д. 67/69, этаж 1, пом. VIII, офис 7а 

 

UniTesS Беларусь 

  • mb@unitess.by
  • +375 (44) 594-63-87
  • +375 (17) 365-35-28
  • 220104, Республика Беларусь,
    г.
    Минск, ул. П. Глебки, 15А

Партнёры и официальные представители