Знакомство с GPS/GNSS

Обзор GPS/GNSS

Глобальная система позиционирования (Global Positioning System, GPS) является спутниковой системой навигации, разработанной Министерством обороны США, которая предоставляет информацию о местоположениях. Изначально GPS предназначалась для военных приложений в США, но в 1980-х годах правительство США сделало эту систему доступной для использования в гражданских целях. После того как GPS стала важным глобальным приложением, были запущены другие похожие спутниковые системы. Все вместе эти системы называются Глобальными Навигационными Спутниковыми Системами (Global Navigation Satellite Systems, GNSS). Примерами других систем GNSS являются ГЛОНАСС в России, GALILEO в Евросоюзе и Beidou в Китае. После того как эти системы обрели полную функциональность, большинство производителей приемников GNSS стали выпускать устройства, которые используют множество GNSS для увеличения числа видимых спутников с целью более точного и надежного позиционирования.

GPS/GNSS работает на основе метода трилатерации. Каждый спутник в системе постоянно передает сообщения, которые содержат время отправки сообщения, точную орбитальную информацию и орбиты всех спутников в системе (альманах). Приемник GPS/GNSS вычисляет свое положение, засекая точное время этих сообщений как минимум от четырех спутников.

Протокол связи GPS/GNSS (NMEA)

Информация позиционирования от приемника GPS/GNSS может быть получена во многих различных форматах. Один из наиболее часто поддерживаемых протоколов – это стандарт National Marine Electronics Association (NMEA) 0183. NMEA – это электрические спецификации и спецификации данных для сообщения между морскими электронными устройствами, включая приемники GPS/GNSS. Используется текст ASCII в формате предложений для передачи данных от одного говорящего ко множеству слушателей в одно и то же время. Этот стандарт также определяет формат отдельных предложений. Для сообщений в виде серий, NMEA определяет скорость взаимодействия равной 4800 (38400 для высокоскоростной спецификации), с 8 битами для данных, без учета четности, и с одним стоп-битом. Важно учитывать, что спецификации придерживаются многие приемники GPS/GNSS, но далеко не все. Важно ознакомиться с документацией производителя приемника, чтобы понимать принципы устройства.

Предложения NMEA

Обычно предложения NMEA 0183 имеют следующую структуру:

1. Начало предложения, обозначенное знаком доллара ($).
2. Поле адреса из пяти символов, состоящее из:
   1. Двух знаков идентификатора говорящего. В предложениях GPS/GNSS идентификатор говорящего обычно включает: GP для информации GPS; GL для информации GLONASS; и GN для смешанной информации GPS и GLONASS.
   2. Трех символов форматирования предложения.
3. Одно или более полей данных, разделенных запятыми.
4. Разделитель контрольной суммы и значение.
5. Разрывы предложения (переход на новую строку и перевод строки).

ArcGIS for Windows Mobile поддерживает пять стандартных средств форматирования предложений NMEA 0183:

• GGA – Global Positioning System Fix Data
• GSA – GNSS Dilution of Precision (DOP) and Active Satellites
• GSV – GNSS Satellites in View
• RMC – Recommended Minimum Specific GNSS Data
• VTG – Course Over Ground and Ground Speed

Подключение к приемнику GPS/GNSS

Чтобы можно было использовать приемник GPS/GNSS в ArcGIS for Windows Mobile, необходим последовательный порт, физический или виртуальный, к которому могло бы подключиться приложение. Это подключение может быть установлено множеством способов и отличается от устройства к устройству; однако, оно в общих чертах будет одним из следующих:

• Прямое подключение через последовательный кабель или подключение интегрированного устройства.
• USB-подключение – обычно требуется драйвер от производителя устройства, чтобы создать виртуальный последовательный порт.
• Подключение Bluetooth, использующее профиль Serial Port Profile (SPP).

Ознакомьтесь с документацией производителя приемника, чтобы понимать принципы устройства.

Симулятор GPS/GNSS

Кроме поддержки подключения к приемнику, ArcGIS for Windows Mobile поддерживает воспроизведение предложений NMEA, хранящихся в текстовом файле ASCII. Эти предложения могут быть записаны в журнал с помощью клиентских приложений или получены из других источников и воспроизведены для тестирования позднее.

Точность и фильтр качества GPS в ArcGIS for Windows Mobile

Положение не является точным на 100%. Всегда присутствуют некоторые источники ошибок, имеющие или аппаратный характер, или возникающие в связи с особенностями окружающей среды, например, нахождение объекта под деревьями или близко к зданиям, и поэтому скрытого от спутников. Поэтому точность и результат системы GPS определяется набором факторов. В зависимости от нужд вашего приложения, вы должны принимать во внимание возможности оборудования, доступность DGPS и промышленные факторы при выборе системы GPS. Автономная (самодостаточная) система GPS обеспечивает точность порядка 5–10 метров, идеальную для навигации и крупномасштабного позиционирования. Для улучшения точности автономной системы GPS доступно множество дифференциальных GPS-технологий для некоторых из устройств, что позволяет пользователям удалять ошибки и улучшать точность. Основной бесплатный сервис дифференциальной коррекции предоставлен системой Satellite Based Augmentation System (SBAS). В США одним из типов систем SBAS является Wide Area Augmentation System (WAAS). После того как на устройстве будет включена система WAAS и получена поправка DGPS, точность возрастет и будет находиться в пределах 2–5 метров.

Также на точность оказывает влияние геометрия спутников GPS. Измерение этого эффекта называется Понижением точности (Dilution of Precision, DOP). Для различных перспектив, оно включает Позиционное (3D) понижение точности (Positional Dilution of Precision, PDOP), Горизонтальное понижение точности (Horizontal Dilution of Precision, HDOP) и так далее. Единица (1) – идеальное значением DOP. Чем оно выше значение, тем хуже будет результат. Значения DOP от 1 до 5 допустимы для большинства приложений. Если устройство поддерживает российскую систему ГЛОНАСС (GLONASS), то оно комбинирует GPS и ГЛОНАСС (GLONASS) для улучшения значения DOP, используя большее количество видимых спутников.

Более низкое значение PDOP с лучшим типом поправки GPS означает получение GPS-положений более высокого качества. Это соотношение может привести к уменьшению результата позиционирования. ArcGIS for Windows Mobile предоставляет фильтр качества GPS в виде инструмента для работы с низкорезультативным, высокоточным режимом или с высокорезультативным, низкоточным режимом. Система навигации обычно является примером, который требует ее настройки для получения наилучшего результата вместо высокой точности в сложной среде GPS. При выборе идеальной системы GPS для вашего мобильного приложения важно в первую очередь понимать, какие требования предъявляются к точности и результату, до принятия решения о приобретении, поскольку это может сильно повлиять на успех вашего мобильного развертывания.