GPS Авто - навигация для автопутешественника. Системы глобального позиционирования

Синхронизация от GPS

Бескабельная революция

Происходит незаметный переворот. Постепенно бескабельные технологии объединяются, чтобы полностью устранить проверенные и надежные телефонные линии. Сначала в нашу жизнь вошли пейджеры. Первоначально применявшиеся лишь врачами, пейджеры настолько распространились, что даже мамы используют их, чтобы следить за своими детьми. Затем появился сотовый телефон настолько дорогой, что только преуспевающие бизнесмены и важные должностные лица могли позволить себе это устройство. Теперь он так распространен, что начинает терять своё значение как символ состоятельности и престижа.

Бескабельная революция не заканчивается. Одна из сегодняшних сфер борьбы - конкуренция на рынке местных телефонных услуг. "Малышка Бэлл" управляет кабельной инфраструктурой и взимает плату за ее использование. Новая технология - бескабельная локальная сеть, - обеспечивает телефонное обслуживание без использования устройств непосредственного соединения с пользователем. Ожидается, что эта технология даст телефоны нациям третьего мира в Азии и Африке, где инфраструктура кабельных линий никогда не создавалась. Не трудно заметить, что запросы на бескабельные услуги будут увеличиваться по мере проникновения этих технологий в нашу жизнь.

Но у этой революции есть и ограничение. В отличие от кабельных систем, где линии могут создаваться до тех пор пока они не заполонят все небо, каждая бескабельная система требует собственной уникальной полосы ограниченного спектра радиочастот. Для практического использования этот спектр физически ограничен полосой от нескольких сотен килогерц до тысячи и более мегагерц. Чтобы получить наиболее полную отдачу от отведенного диапазона радиоспектра, бескабельная система должна быть тщательно хронометрирована и синхронизирована. Это трудная задача, поскольку отсчет времени может потребовать микросекундной точности для базовых станций, размещенных на очень больших географических пространствах.

К счастью, имеется чрезвычайно простое и экономически эффективное решение в виде "GPS-часов". "GPS-часы" - это комбинация GPS-приемника и прецизионного генератора. GPS используется для коррекции (калибровки) генератора, чтобы устранить малые смещения генерируемой частоты. "GPS-часы" могут синхронизировать как отсчет времени системы так и частоту приемопередатчика и практически безотказны. Достаточно подать электроэнергию, чтобы они генерировали сигналы точного времени, и при этом никогда не требовали повторной калибровки. Чрезвычайно важно, что современное внимание GPS-технологий к массовому производству изделий для рынка автомобильных навигационных систем резко понизило стоимость GPS оборудования. Это позволяет осуществлять интеграцию GPS-приемников во многие приложения, требующие высокоточных подсистем отсчета времени.

ПЕЙДЖИНГ: простой пример

Пейджинг дает хороший пример для понимания того, насколько синхронизация отсчета времени важна в бескабельных технологиях. Большинство из нас когда-либо посылали или получали сообщения. Это простая процедура. Вы звоните в пейджинговую компанию, Вас запрашивают номер абонента и сообщение, и Вы вешаете трубку. Сообщение послано, и, при удаче, Ваш абонент отвечает. За этим кроется то, что каждая вышка в системе посылает одно и тоже сообщение одновременно. Система строится на том, что сигнал будет достигать приемника везде, где бы он ни находился в зоне обслуживания компании, даже если приемник располагается в глубине здания. Вероятно, когда Вы получаете Ваше сообщение, оно достигнет Вас от двух или даже трех различных вышек. Если сигналы не были синхронизированы, сообщение может быть получено и объявлено два или три раза.

Точность, требующаяся пейджинговой башне всего около микросекунды, что легко обеспечивается GPS. Типовая компоновка на передающей пейджинговой вышке использует "интеллектуальную-антенну": GPS-приемник и антенну в едином защищенном от климатических влияний блоке. Провайдеры пейджинговых услуг предпочитают такие антенны, потому что они просты при монтаже и надежно работают в сложных радиочастотных условиях пейджинговой вышки.



Вариант 10Mhz & 1pps

Thunderbolt GPS Disciplined Clock

Thunderbolt GPS Disciplined Clock
  • General: L1 frequency, CA/code (SPS), 8-channelcontinuous tracking receiver

  • Update rate: 1 Hz
  • 1 PPS accuracy: UTC ±50 nanoseconds
  • 10 MHz accuracy: 1.16 x 10-12 after one day (three sigma)
  • 10 MHz stability: See graph
  • Harmonic level: -40 dBc max
  • Spurious: -70 dBc max
  • Phase noise: 10 Hz -120 dBc/Hz,100 Hz -135 dBc/Hz , 1 kHz -135 dBc/Hz ,10 kHz -145 dBc/Hz, 100 kHz -145 dBc/H

 



Bullet II

Bullet II
  • Frequency: L1 (1575 MHz)

  • Polarization: Right-Hand Circular Polarization (RHCP)
  • VSWR: 2:1 Axial ratio: 2 dB @ zenith 10 dB above 10° elevation
  • Gain: 35 dB (nominal)
  • Noise: 2.75 dB (nominal)
  • Pass-band width: 50 MHz
  • Filtering: -20 dBm @ 1626 MHz -10 dBm @ 1500 MHz
  • Azimuth coverage: 360° (omni-directional)
  • Elevation coverage: 0° to 90° elevation

Пейджинговые вышки могут быть синхронизированы от ежесекундных синхроимпульсов (PPS), которые являются стандартным выходом многих GPS-приемников. Может показаться, что точность GPS в ±600 наносекунд слишком высока для этого применения, но другого способа для обеспечения безотказного и экономически эффективного отсчета времени просто не существует.



Вариант 1pps

ACE II GPS

ACE II GPS
  • Frequency: L1 (1575 MHz)
  • Polarization: Right-Hand Circular Polarization (RHCP)
  • VSWR: 2:1
  • Axial ratio: 2 dB @ zenith 10 dB above 10° elevation
  • Gain: 35 dB (nominal)
  • Noise: 2.75 dB (nominal)
  • Pass-band width: 50 MHz
  • Filtering: -20 dBm @ 1626 MHz -10 dBm @ 1500 MHz
  • Azimuth coverage: 360° (omni-directional)
  • Elevation coverage: 0° to 90° elevation (hemispherical)
GPS antenna GPS antenna
Compact, active micropatch antenna with magnetic mount. 1.60" x 1.90" x 0.55" high (40.6 mm x 48.3 mm x 13.9 mm)




Мобильные CDMA телефоны: альтернативное применение

С применением технологии усовершенствованных мобильных телефонных систем (Advanced Mobile Phone System, AMPS) началось активное внедрение сотовых телефонов. Большинство телефонов и опорных пунктов сотовых сетей в Соединенных Штатах все еще основано на этой аналоговой технологии. Недостаток технологии АMPS в том, что при этом может обслуживаться только ограниченное число пользователей.

Чтобы обслуживать большее количество пользователей, провайдеры сотовых телефонных компаний должны переходить к цифровым системам. Имеются два основных типа цифровых систем: коллективного доступа c разделением по времени (Time Division Multiple Access, TDMA) и коллективного доступа с кодовым разделением (Code Division Multiple Access, CDMA). Системы TDMA распределяют отведенную полосу частотного спектра среди некоторого числа пользователей и дают каждому доступ, в соответствии со строго определенной временной последовательностью. Системы CDMA занимают узкий участок спектра несущих радиочастот, основываясь на технологии широкополосного сигнала, в которой все пользователи осуществляют радиопередачу одновременно. Передаваемое каждым пользователем сообщение дискретно "распределено" на отведенной частотной полосе с помощью уникального кода, который отличает его от сообщений других пользователей на той же самой частоте. На базовой станции эти уникальные коды используются, чтобы разделить передачи пользователей. Системы CDMA обеспечивают лучшее качество звука и позволяют обслуживать наибольшее количество пользователей в системе.

Технология CDMA должна быть внедрена, но это не так просто сделать. Широкополосный сигнал требует сложного управления мощностью радиопередачи и гибкого согласования базовых станций. При этом требуется, чтобы базовые станции были точно скоординированы по времени. Для грядущих бескабельных CDMA телефонных систем, каждый передатчик должен быть настроен на свою частоту с точностью 10-10 и выдерживать временные интервалы с погрешностью не больше, чем 7 микросекунд в день. Это требование, известное как "пережиток", гарантирует высокую надежность телефонной системы. Если что-нибудь случится с антенной или кабелем, телефонные компании хотели бы, чтобы система всегда могла продолжить работу, пока ремонтная группа не прибудет на место неисправности. Первоначально CDMA системы использовали атомные стандарты частоты, чтобы поддержать эту точность. Современное поколение систем использует GPS-часы. Интересно,что ни один из двух компонентов GPS часов, ни GPS приемник, ни прецизионный кристаллический осциллятор, не могут по отдельности удовлетворить высоким предъявляемым требованиям. Для выполнения задачи долговременная стабильность GPS дополняет высокую короткопериодическую точность кристаллического осциллятора.



Местоопределение мобильного телефона

Один из признаков успеха бескабельной технологии заключается в том, что большое количество вызовов с мест происшествий поступает с сотовых телефонов. Автомобилисты звонят по 911, чтобы сообщить о пьяных шоферах, авариях и пожарах на дорогах. К сожалению, когда звонок о бедствии по 911 принимается от сотового телефона, у диспетчер нет никакой информации о месторасположении позвонившего. Координаты расположения обычных телефонов хранятся в обширной базе данных службы спасения "911" и используются для направления спасателей к месту происшествия. Однако для мобильного телефона в настоящее время нет сопоставимого метода определения местоположения. Следовательно, диспетчер должен положиться на информацию от пользователя сотового телефона, который часто не может точно передать свое местонахождение, задерживая разрешение чрезвычайной ситуации. Недавний пример: женщина находилась в снежной буре в течение нескольких часов, пока спасательная команда искала ее автомобиль.

Для разрешения этой проблемы Конгресс утвердил усовершенствованную службу 911 (или Е911), которая способна определять место позвонившего с точностью 125 метров, и которая должна быть введена в действие в течение следующих нескольких лет. Существует множество способов для реализации такой системы, и одно из предложений - включить GPS-приемники во все мобильные телефоны. Однако основной проект для реализации заключается в определении положения микротелефона по отношению к вышкам сотовой сети, используя метод, основанный на разности времени прихода сигнала (Time Difference Of Arrival, TDOA)

TDOA-методTDOA-метод основывается на измерении разности времени прихода сигнала от двух пунктов сотовой сети. Этот подход также известен как метод "гиперболической навигации", который является основой многих систем радионавигации, включая GPS и LORAN. Методика проста: сигнал, переданный сотовым телефоном достигает двух различных пунктов сети, но более близкий пункт получает сигнал немного раньше. Разность во времени прихода сигнала преобразуется, путем учета скорости распространения радиоволн, в разность расстояний. Если известно, что вызывающий оператор на 1200 метров ближе к одному пункту сети, чем к другому, то это соответствует его положению на некоторой гиперболе на поверхности. Добавление третьего пункта сети и другой гиперболической кривой, указывает точно положение вызывающего оператора на месте пересечении двух кривых (Рисунок 1).

Для обеспечения работоспособности этой методики два пункта сети должны быть очень точно и надежно синхронизированы по времени. Учитывая, что скорость распространения радиоволн равна скорости света, ошибка в определении времени в одну наносекунду соответствует ошибке в определении местоположения около 30 см. При ухудшении синхронизации между вышками, TDOA-измерения становятся неточными, гиперболы "размываются", и ошибка определения местоположения соответственно увеличивает. GPS-часы при каждой вышке сети легко синхронизируют сотовую сеть с точностью не хуже 100 наносекунд или 30 м по местоположению.



GPS-часы

Большинство пользователей думает о GPS как о средстве определения местоположения, но созвездие 24 спутников - это еще и прекрасный эталон времени. Каждый спутник содержит две пары рубидиевых и цезиевых атомных часов. Они контролируются по атомным часам на Земле, а вся система непрерывно калибруется по мировому стандарту времени - универсальному координированному времени (Universal Time Coordinated, UTC). Радионавигационный сигнал, такой как у GPS, естественно создан как временной сигнал, поэтому довольно просто использовать GPS как "атомные часы в небе".

GPS-часы

Сигнал от каждого спутника очень точен. Точность измерения - лучше чем одна наносекунда. Ошибки моделирования атмосферы могут составлять до 50 наносекунд в составе общей ошибки. Бесспорно, самый большой источник ошибок - код ограниченного доступа (Selective Availability, SA). Министерство Обороны преднамеренно ухудшает точность GPS, вынуждая медленно дрейфовать частоту спутниковых часов GPS. При наличии SA, в сигнал каждого спутника вносится ошибка синхронизации, равная приблизительно 100 наносекундам (1s), и ошибка частоты, равная приблизительно 10-8. При отсутствии SA, ошибки синхронизации были бы в лучшем случае приблизительно 10 наносекунд и ошибка частоты почти 10-10. При условии хорошего обзора неба, многоканальный GPS-приемник может осреднять ошибки от SA по семи или восьми спутникам, уменьшая эффект SA почти в три раза (Рисунок 2).

Выше упомянутая точность отвечает микросекундному требованию точности отсчета времени в пейджинговой индустрии, используя при этом стандартные GPS-приемники с выводом информации один раз в секунду. С другой стороны, требование-"пережиток" технологии CDMA, является намного более трудным техническим условием на точность. Это требует не только высокой степени точности отсчета времени, но также и очень точной калибровки частоты, что минимизирует дрейф генератора во время длительных периодов отсутствия сигналов GPS. Первое поколение GPS-часов использовало дорогие рубидиевые генераторы, чтобы выполнить это требование. Рубидиевые генераторы с конкурентноспособной ценой продаются приблизительно по $3000 и требуют регулярного обслуживания и замены. Поскольку технология CDMA борется с технологиями TDMA и AMPS за долю на общем рынке, то каждый блок, который входит в базовую станцию CDMA, должен быть по возможности наиболее конкурентноспособен.

При наличии SA, сигнал GPS является плохим источником эталонной частоты. Даже при отсутствии SA, GPS по своей природе не достаточно устойчив, чтобы обеспечить эталонную частоту для технологии CDMA. Атомные генераторы и даже многие кварцевые генераторы, обеспечивают на коротких интервалах более стабильную частоту, чем GPS. Тем не менее, все генераторы дрейфуют, какие-то больше, какие-то меньше, чем другие. В конечном счете, даже сложный цезиевый генератор будет дрейфовать от UTC. Напротив, GPS как бы удерживается на коротком поводке, и в то время как совершаются кратковременные уходы вперед и назад, в долговременном плане система всегда калибрована в пределах нескольких сотен наносекунд относительно UTC.

GPS-часы используют долговременную стабильность GPS и объединяют её с хорошей короткопериодической стабильностью качественных кварцевого (XO) или рубидиевого (Rb) генераторов. Как говорилось выше, эти генераторы имеют сигнал очень высокого качества на коротком интервале времени, но будут иметь тенденцию к уходу над более длительных периодах. Уход может контролироваться путем мягкого управления генератором от GPS (Рисунок 3). Средняя частота генератора на некотором интервале времени может измеряться GPS. Точность этого измерения равна точности отсчета времени GPS (SA, 100 наносекунд, 1s) деленной на интервал времени осреднения. На периодах времени в несколько минут, это измерение настолько грубо, что не может калибровать генератор достаточно точно. На более длительных интервалах осреднения, составляющих около 1000 секунд, точность калибровки приближается к 10-10 (100 нсек/1000 с). Для точной калибровки, генератор должен быть стабилен, то есть смещение частоты должно быть относительно постоянно на интервале измерения.

При наличии GPS-приемника, контролирующего долговременный уход, сравнительно недорогой)генератор специального изготовления (ovenized, OCXO) достигает высокого уровня как краткосрочной так и долговременной стабильности. Недавно изготовители кварцевого генератора ответили на требование систем CDMA, разработав стабильный генератор OCXO- технологии (double-oven). Этот генератор, при условии, что он периодически корректируется от GPS, способен поддерживать частоту на длительных интервалах времени даже при отсутствии сигналов GPS. Его цена ниже рубидиевого генератора, он имеет намного более широкий температурный диапазон и значительно более длительный срок службы.

Этот генератор меньшей стоимости породил второе поколение более простых и менее дорогих GPS-часов. Снижение стоимости и повышение надежности чрезвычайно существенно для успеха CDMA-систем на рынке. Без экономичного способа синхронизации вышек по всей стране и в мире CDMA-системы остались бы только экспериментальной технологией.

Подобно первому поколению GPS-часов, часы второго поколения используют автономный GPS-приемник, который выводит сигнал один раз в секунду (РРS). Этот PPS-сигнал сравнивается с PPS-сигналом, полученным с выхода OCXO, и разность от фазового компаратора используется микропроцессором, чтобы управлять OCXO (Рисунок 4). Это - дееспособный проект, но имеется еще лучший способ, чтобы построить эту "мышеловку".

Третье поколению GPS-часов продолжает тенденцию снижения цены. В разработке третьего поколения, показанной на рисунке 5, OCXO и GPS-приемник теперь жестко связаны на единой печатаной плате. 10 MHz частота от специального (double-oven) кварцевого генератора используется непосредственно как источник отсчета времени для цифрового процессора сигнала GPS и чипа входного каскада радиочастоты (RF front end chip). Более того, единый микропроцессор выполняет функции и GPS-приемника и управления часами. В разработках первого и второго поколений, точность сигнала PPS-выхода составляет от 40 до 100 нсек, что ограничивает точность GPS-часов. В разработках третьего поколения, генератор непосредственно сравнивается с сигналом GPS без использования PPS-выхода, позволяя приблизить точность к теоретическим пределам.

GPS-часы третьего поколения также идеальны для позиционирования в системе E911. При этом нет никакого специального требования как в CDMA-применении, поэтому может использоваться менее дорогой кварцевый специализированный генератор (single-oven). Тем не менее, по-прежнему очень важна надежность системы. B главный выигрыш GPS-часов третьего поколения заключается в высокой надежности, ставшей возможной благодаря высокой степени интеграции.



Синхронно с будущим

Если бы двадцать лет назад кто-нибудь предложил, чтобы точность местоположения в несколько метров обеспечивалась бесплатно через спутники массово производимыми электронными устройствами размером с кредитную карточку, то это назвали бы правдоподобной мечтой. Но в отличие большинства правдоподобных мечтаний, эта мечта осуществилась. Точно так же как персональный карманный радиотелефон.

Хотя эти потребительские качества на удивление просты, за ними скрывается бескабельная революция, которая прожорливо требует еще большего. Больше из ограниченной полосы спектра частот: более высокой надежности, большей ясности, более высокой пропускной способности, большей зоны охвата, больше различных полезных свойств. Синхронизация времени и частоты дает возможность технологиям типа цифровой CDMA-телефонии, усовершенствованной службы спасения "911" и эффективного радиопейджинга воплотить эти вызывающие требования в эффективную реальность. И GPS-часы, дитё миниатюрного спутникового приемника, позволяют сохранять время.

+ Главная
+ Что такое GPS?
+ Зачем нужен GPS?
+ Как использовать GPS?
+ Готовые решения
+ Альтернативы GPS
+ Статьи
+ Код кнопки сайта
Обзор автомобильного модуля Benefon Track Box »
Гибкие солнечные батареи для зарядки аккумуляторов »
Секреты GPS навигаторов Garmin »
Панель-столик для навигационной системы »
GPS: прогулки в третьем тысячелетии... »
Что такое альманах и эфимерис? »
Точность системы слежения »
Системы мониторинга и управления транспортными средствами »
Сравнение Garmin-12 и Garmin Geko 201 »
Синхронизация от GPS »
Отдых на славу: друзья и ... GPS. История из жизни. »

Статистика:

Реклама:

 

Цель сайта: донести до любителей путешествовать на своих автомобилях информацию об удобстве использования систем глобальной навигации. Примеры использования, решения, рассказы, и т.д. Информация взята из открытых источников и призванна помочь определиться сомневающемуся.
Реклама: