RU:Accuracy of GPS data

From OpenStreetMap Wiki
Jump to navigation Jump to search
GPS Satellite NASA art-iif.jpg
A good way to get involved in the OpenStreetMap project is to upload GNSS (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou/COMPASS, etc.) traces. Recorded by your satellite receiver or mobile phone, the typical trace is a record of your location every second, or every meter (“tracelog”). Convert it to GPX format if it wasn't done for you automatically. The collected data can be displayed as a background of thin lines or little dots within the map editor. These lines and dots can then be used to help you add map features (such as roads and footpaths), similar to tracing from aerial imagery.
Record tracelog Convert Modify Upload Accuracy Device reviews

Точность GNSS данных зависит от многих факторов. Например, качество приемника GNSS, положение спутников GNSS в момент регистрации данных, характеристики окружающей среды (здания, лесной покров, долины и т.д.) и даже погода. На этой странице дается основное представление о том, как работает GNSS, и описываются некоторые ключевые вопросы, связанные с точностью.

Как работает GNSS

Раньше термины GNSS (Глобальная навигационная спутниковая система) и GPS (Глобальная система позиционирования) были по сути взаимозаменяемы при обсуждении вопроса о "точности GPS". Система GPS Соединенных Штатов была первой системой GNSS, доступной для потребителей. В последние годы во всем мире появилось множество дополнительных систем GNSS (ГЛОНАСС, QZSS, Бейдоу, Галилео и другие), и многие устройства могут использовать несколько GNSS систем одновременно для расширения покрытия и повышения точности. Учитывая это, в любом современном обсуждении точности этих устройств важно говорить об общей точности GNSS.

GPS

Система глобального позиционирования (GPS) - это спутниковая навигационная система, которая предоставляет информацию о местоположении в любом месте на поверхности Земли или вблизи нее. Она включает в себя несколько спутников на орбите над Землей. Каждый спутник постоянно передает сообщения, которые содержат время передачи сообщения и положение спутника. На земле GPS-модуль получает эти сообщения и, сравнивая время получения сообщения (на внутренних часах) со временем его передачи, выясняет, на каком расстоянии от каждого спутника он находится.

Для расчета своего местоположения GPS-устройство должно принимать сообщения (сигналы) как минимум с четырех спутников. Рассмотрим следующее:

Sphere2-intersect.svg GPS-модуль принимает сигналы от нескольких спутников. Давайте назовем их "Зеленый", "Красный" и "Фиолетовый". При приеме каждого сигнала он рассчитывает свое расстояние от каждого спутника.

Если модуль GPS принимает сигнал только от "Зеленого" спутника, то он может определить только то, что его местоположение лежит где-то на сфере всех местоположений, которые находятся на одинаковом расстоянии от "Зеленого" спутника (как показано на зеленой сфере на схеме выше).

Теперь рассмотрим случай, когда GPS-навигатор принимает сигналы и с "зеленого", и с "красного" спутника. Как и прежде, он определяет свое расстояние от каждого спутника. Так как мы получили два сигнала, мы можем сузить местоположение до тех точек, где две отдельные сферы расстояния пересекаются. Это означает, что местоположение должно быть где-то на синем круге, как показано на диаграмме.

Sphere3-intersect.svg Введя третий спутник, мы можем еще больше сузить местоположение до двух точек (как показано на рисунке в виде желтых точек). Только одна из этих точек будет находиться на поверхности Земли, и поэтому мы можем отбросить другую. Всего с тремя спутниками мы имеем "усеянное" (похожее на триангуляцию) наше местоположение. На практике четвертый спутник необходим для повышения точности (особенно высотной точности) из-за ошибок в измерении точного времени, в которое был получен каждый сигнал.
Для более подробной информации посмотрите видео или анимацию.


Факторы, влияющие на точность

Учитывая базовое понимание того, как работает GNSS, в этом разделе описываются некоторые из ключевых вопросов, влияющих на точность исправлений, вносимых GNSS. К ним относятся:

  • Характеристики GNSS приемника
  • Положение спутников в момент записи.
  • Окружающий ландшавт

GNSS приемник

Существует множество GNSS-устройств, которые можно использовать для записи треков. Это специальные GPS логгеры, для смартфонов со встроенной GNSS (многие телефоны просто называют это "GPS"), носимые и автомобильные приемники. Как и следовало ожидать, качество и набор функций используемого GNSS приемника может значительно повлиять на точность записанных треков. Следующие моменты имеют особое значение.

  1. Системы GNSS, с которыми устройство может работать
    Многие современные устройства способны принимать множество систем GNSS одновременно. GPS была первой доступной системой, но сегодня систем много. Сюда входят GPS, GLONASS, Galileo, Beidou, QZSS и так далее. Чем больше систем способно принимать устройство, тем более устойчивым и точным будет определение местоположения и запись трека.
  1. Диапазоны частот которые может принимать устройство
    Исторически сложилось так, что потребительские GNSS-устройства могли принимать сигнал только в так называемой верхнем L-диапазоне частот, в диапазоне 1500 МГц.[1][2] В верхнем L-диапазоне частот GPS имеет сигнал L1, в Galileo - E1, а в GLONASS - G1. Большинство GNSS-приемников, которые могут принимать сигнал только в верхней части диапазона, как правило, имеют максимальную точность около 3 метров. Однако, некоторые новые на рынке GNSS устройства могут использовать новейшие нижней полосы GNSS сигналы, представленные L5 в GPS, G3 в ГЛОНАСС, а также E5a и E5b в Галилео. Эти "более новые" сигналы транслируются в диапазоны 1100-1200 МГц; они легче проникают в материалы и меньше подвержены отражению; кроме того, дополнительный диапазон позволяет корректировать погрешности атмосферы. Возможность приема обоих диапазонов в GNSS-устройстве является огромным преимуществом, а устройства, которые это делают, заявляют точность до 30 сантиметров (а не до 3 метров). Устройства GNSS, которые делают это, почти всегда называют "двухдиапазонными GPS" или "двухдиапазонными GNSS". Если вы планируете использовать устройство для выполнения GNSS/GPX трассировки, покупка двухдиапазонного устройства, если это возможно, предоставит значительные возможности для более высокой точности.
  1. Антенна
    Не всегда очевидно, что для обнаружения сигналов сообщений, поступающих со спутников GNSS, требуется хорошая антенна. Сила сигнала GNSS часто выражается в децибелах, относящихся к одному милливатту (дБм). К моменту когда сигнал ГНСС преодолевает расстояние от спутника в космосе до земной поверхности, сигнал обычно оказывается слабым от -125дБм до -130дБм даже при ясном открытом небе. При застроенных городах или под покровом деревьев сигнал может упасть до -150 дБм (чем больше отрицательное значение, тем слабее сигнал). На этом уровне некоторые GNSS-устройства будут испытывать трудности с получением/фиксацией первоначального сигнала (но, возможно, смогут продолжить слежение, если сигнал был впервые получен на открытом воздухе). Хороший высокочувствительный приемник ГНСС может принимать сигналы до -155 дБм и продолжать слежение до уровней, приближающихся к -165 дБм.
  1. Количество одновременных каналов приема GNSS
    Описано в разделе #GPS выше, 3 видимых GPS спутника, в теории предоставляют все данные, необходимые для вычисления достаточно точного местоположения. На практике, однако, сигналы должны приниматься как минимум с четырех спутников GPS, чтобы исправить ошибки: чем больше, тем лучше. Современные приемники ГНСС имеют достаточно "каналов слежения", чтобы следить за многими спутниками одновременно, и, как правило, это можно сделать у нескольких провайдеров ГНСС. Большее количество одновременных каналов полезно для обеспечения общей точности, сокращения времени, необходимого для получения первоначального определения положения (холодный старт) и снижения энергопотребления. Подробнее смотрите здесь.
  1. Алгоритмы определения местоположения
    Чтобы рассчитать расстояние, на котором GPS-приемник находится от каждого спутника, приемник сначала вычисляет время, за которое этот сигнал прошел в точку приема. Он делает это, принимая разницу между временем, когда сигнал был передан (это время включено в сигнальное сообщение) и временем, когда сигнал был принят (с помощью внутренних часов). Так как сигналы движутся со скоростью света, даже ошибка в 0,001 секунды приравнивается к 300-километровой погрешности вычисленного расстояния! Чтобы снизить этот уровень погрешности, потребуются атомные часы. Однако это не только невыполнимо для потребительских устройств ГНСС, но и сами спутники GPS, в частности, имеют точность всего около 10 нано-секунд (за это время сигнал пройдет 3м). Именно по этой причине требуется минимум четыре спутника. Дополнительный(ые) спутник(и) используется для исправления ошибки. Хотя это редко обсуждается на потребительском уровне, поэтому важно, чтобы ваш приемник ГНСС включал хорошие алгоритмы исправления ошибок.

Положение спутников

Сигналы от различного количества спутников "в поле зрения" для определения вашего положения на Земле
.

Как отмечалось выше, обычно чем больше спутников используется при расчете вашего положения, тем выше уровень точности. По мере того как спутники системы ГНСС движутся по орбите вокруг Земли, количество спутников, находящихся в поле зрения (в оптимальных условиях), естественным образом колеблется. Это можно увидеть в анимации справа. Очевидно, что положение спутников полностью находится вне наших рук, однако стоит признать, что это фактор, влияющий на точность. Например, это одна из многих причин, по которой две трека, записанные в разные дни, будут отличаться. Если у вас есть возможность, возможно, стоит записать трек дважды (или более) и усреднить результаты.


Некоторые приемники ГНСС могут отображать количество спутников, находящихся в настоящее время в поле зрения, систему ГНСС, частью которой является данный спутник, и положение спутников на диаграмме радиолокационного типа. На некоторых приемниках это видно в стандартных меню, а на других - в "скрытом" или "отладочном". К сожалению, при наличии сотен приемников GNSS невозможно предоставить документацию по всем устройствам - обратитесь к руководству, которое поставляется вместе с устройством, или попробуйте поискать в Интернете. Приложения для смартфонов с такой функцией "вид со спутника" показаны в таблице характеристик мониторинга как для телефонов на базе iOS, так и Android.


Смотрите также раздел #Проблемы с GPS приемником ниже.

Ваше местоположение

Отражения ослабляют сигнал

Ошибки, вызванные отражениями и затенением под кронами деревьев
.

GPS требует прямой видимости между приемником и спутниками. Когда объект находиться на линии прямой видимости, точность страдает из-за отражений и ослабления сигналов. Это особенно критично в городской среде, в долинах и на горных склонах. Во всех трех ситуациях объекты (здания и сама Земля) достаточно существенны, чтобы полностью блокировать сигналы GPS. При приеме слабых сигналов они могут отражаться от зданий и окружающего ландшафта. Отражения генерируют многолучевые сигналы, поступающие на приемник с небольшой задержкой по времени. Это приводит к неточному вычислению позиции.

Даже если объект менее существенный (крона деревьев, крыша автомобиля, ваш тело), отражение и ослабление сигналов все равно может произойти. Иногда это можно наблюдать при просмотре записанных треков поверх аэрофотоснимков. На изображении слева, истинное положение тропинки следует за теневой областью в лесу. Однако, когда GPS-приемник входит в лес (идет с востока на запад), можно заметить, что отражения вызывают неправильное смещение записанного трека на юг.

При ношении GPS-устройства, как правило, чем выше фиксированная антенна, тем лучше прием. В хорошем положении находится плечевой ремень или верхний карман рюкзака, установленный поверх велосипедного шлема, или антенна на крыше автомобиля.

Закрытые помещения

Сгруппированные спутники могут давать большие ошибки.
Равномерно рапределенные спутники повышают точность.

Находясь в замкнутом пространстве, например, в долине с высокими горами со всех сторон или в городе, в окружении высотных домов, уменьшается площадь неба, видимая GPS-приемнику. Это вызывает две проблемы. Во-первых, это уменьшает количество спутников, которые находятся в прямой линии от места расположения приемника, тем самым нарушая правило "чем больше, тем лучше", описанное выше. Во-вторых, это не позволяет GPS-устройству получать GPS-сигналы от рассеянного набора спутников - то есть, спутники, используемые для вычисления вашего местоположения, группируются в небольшой области неба.

Сгруппированные спутники могут привести к большим ошибкам позиционирования, вплоть до нескольких сотен метров. Хотя мало что можно сделать для улучшения ситуации в замкнутом пространстве, стоит следить за GPS-устройством, чтобы быть в курсе, когда качество сигнала падает. Ищите диаграмму "вид со спутника" (как показано на изображениях справа) на вашем устройстве.

Для получения дополнительной информации, или если ваше устройство также сообщает "DOP-значение", вы можете прочитать wikipedia:DOP.

Проблемы с GPS приемником

В автомобилях/транспорте

Если вы планируете записать трек с транспортного средства, перед началом поездки получите устойчивое определение позиции под открытым небом. Это особенно важно для поездов, где вы можете никогда не определить позицию, если включите приёмник в самом вагоне.

Как узнать что приём хороший?

3D fix не является критерием качества определения позиции. Для контроля точности определения местоположения используйте PDOP (снижение точности позиции). Если он выше 6 - у вас плохой прием, и его нельзя использовать для записи треков. Ниже 4, это достаточно хорошо для отслеживания OSM. Менее 2 означает, что у вас очень качественное решение. Значение DOP зависит от способности GPS корректировать сигнал спутника, который обычно зависит от расположения спутников.

Смотрите также

Внешние ссылки