Форум geofaq

# Дата: 14 Июн 2007 13:42 - Поправил: geologic
Ответить

Точность измерения скорости бытовыми GPS-приемниками, применение на практике (обзор и постановка проблемы).

Все приемники GPS имеют функцию замера текущей скорости, и полезные производные величины - средняя скорость, максимальная, вертикальная и т.п. Как известно, измерения скорости не являются непосредственной функцией данных замера координат и регистрации треков. Показания скорости заметно диссонируют с координатами, в этом несложно убедиться, стоя на месте - ваша скорость всегда будет ноль, тогда как координаты (точки, трека), честно иллюстрируя погрешность, будут "прогуливаться" в радиусе 30 метров и более.

Не является секретом, что измерения скорости GPS ведутся с помощью эффекта Допплера. Первоисточники говорят о том, что алгоритмы расчета координат и скоростей взаимосвязаны, подправляют и направляют друг друга, однако итоговая разница показаний видна наглядно. Поэтому, не вдаваясь в тонкости алгоритмов расчета, можно условно называть скорости, рассчитанные по трекам, "координатными", а снятые непосредственно с экрана - "допплеровскими" скоростями.

Научные и технические материалы полны сведениями о алгоритмах расчета допплеровских скоростей. Заинтересованные конференции пестрят обсуждениями на эту животрепещущую тему, вплоть до откровенных флеймов (в связи с чем тема допплеровских скоростей даже запрещена в ряде сообществ :) [4]. ОДнако, что характерно, сайты производителей оборудования, Garmin.com, например, предусмотрительно молчат о допплере вообще. Скорее всего причина в нестабильности результатов, в невозможности дать гарантии точности рядовым пользователям на их приборах.

Опыт использования бытовых GPS это подтверждает, хотя зарегистрированных рядов допплеровских измерений автору видеть не приходилось. Однако, по многочисленным сообщениям, отдельные отскоки замеров скорости, выходящие за рамки здравого смысла не так уж редки. Например, доводилось слышать о скоростях 160 - 200 км/ч, отмеченных отнюдь не профессиональными горнолыжниками, или видеть на приборе скорости до 12-16 км/ч для обычного пешего хода. Скорость 160 км/ч "достигнута" лично автором, на довольно подержанной отечественной модели автомобиля, что составляло 150% к показаниям спидометра. КОнечно, это лишь отдельные факты, серьезной статистики не приходилось встречать.

Однако из-за этих непредсказуемых отскоков существующие отработанные методики замеров скоростей в ответственных случаях решительно отметают допплеровские скорости, используя не столь детальные, зато стабильные и контролируемые "координатные" скорости. [3]. Какая же вообще может быть допплеровская точность и откуда берутся ошибки? Обратимся к первоисточникам.

"As is well known, a GPS receiver conducts a search over the space of the Doppler-frequency shift and the code-phase shift at the signal acquisition stage" [2]. Согласно этой статье, регистрация сдвига частоты идет в момент приема сигнала, причем двумя способами. Далее идет расчет с учетом координат, полученных обычным способом - измерением времени-расстояния до спутников. Особенно важно знать координаты на криволинейном участке. Иными словами, точность определения скорости зависит от точности расчета координат, а не наоборот, как иногда приходится слышать. Хотя зависимость эта опосредованная, но она постоянно упоминается в официальных документах.

Рассмотрим точность положения без учета загрубления сигнала, это отдельный фактор. Как сообщает первоисточник [1], точность определения положения с помощью обычного приемника GPS составляет около 15-ти метров. Говоря строже, пользователям бытовых GPS гарантируется "16 metres Spherical Error Probable (SEP) (3-D, 50%) positioning accuracy". Но это без учета неточностей "часовых механизмов" системы. С учетом неточности замера времени, а она составляет примерно 100 наносекунд, величина SEP c 95% вероятностью составит уже почти 40 метров: "This is approximately equal to 37 metres (3-D, 95%) ... under typical system operating conditions" [1]. В таких "нормальных" условиях приемники "can achieve 0.2 metres per second 3-D velocity accuracy" [1], или, говоря по-русски, "могут дать точность около 1 км/ч в лучшем случае".

Что же представляют собой "typical system operating conditions"? В документе есть и об этом. Условия "нормальной работы" включают многое - требования по атмосферным помехам, по радиопрозрачности атмосферы, а главное, требуют устойчивой видимости четырех спутников в разбросе не менее 5 град. друг от друга. Косвенным показателем нормальных условий, как упоминается там же, может являться 100 м точность положения по горизонтали (она показывается на экранах). Только в таких условиях может гарантироваться (на 95%) некая точность измерения скорости. Точность в этих условиях, как приведено выше, составляет 0.2 м/с без загрубления сигнала, и это минимальная величина для обычных приемников. Загрубление идет примерно в два раза, что дает бытовым пользователям точность 0,4 м/с (1,6 км/ч).

Основные выводы для пользователей бытовых GPS

- Скорость меряется автономно от координат, с использованием Допплера во всех приемниках, включая бытовые недорогие модели. Точность скорости зависит от точности замера координат;

- Должны соблюдаться нормальные условия измерения. Точность определения горизонтального положения вне этих условий может составлять 100 м и более, точность скорости ухудшается соответственно: возможны значительные выбросы, до 150-200%.

- нестабильный характер получения данных о скорости не позволяет решать ответственные задачи на бытовых приемниках: вероятность ошибок достаточно велика, а главное, отсутствуют методы фиксации условий наблюдения и разбраковки результатов на "нормальные" и "сомнительные".

Однако считать безнадежной ситуацию по использованию допплеровских скоростей нельзя. Интересным кажется сосредоточится на методике регистрации обстановки и отбраковки наблюдений. Возможные подходы:

- фиксация состояния спутников и точности хотя бы по экрану GPS, путем хотя бы видеозаписи. Наиболее полно можно фиксировать данные точности с помощью соответствующего софта, получающего поток данных NMEA от любых GPS-датчиков (OZI Explorer или DNR Garmin) через ком-порт. Поскольку для маломерных судов использование ноутбука или КПК затруднено, логично фиксировать эти данные на берегу, на одной базовой судейской станции.

- контроль/заверка с помощью других видов измерений (спидометры, одометры, непосредственные замеры в створе);

- методика непосредственной записи допплеровских скоростей через формат NMEA, и сравнение с обработанными (сглаженными) координатными скоростями - для средних судов и автомобилей;

Не лишним кажется фиксация географических условий наблюдения, включая метеообстановку раз в час или даже чаще. При проведении соревнований возможно использование автометеостанции или опытного наблюдателя с обычным оборудованием. Данные "соседних" метеостанций в радиусе видимости неба (5-10 км) представляются лишь ограниченно пригодными.

В свете регистрации точности, величина HDOP (horizontal dilution of precision) представляется наиболе интересной. "In general, testing is best performed when the system positioning accuracies can be achieved. Assuming the UERE error budget is maintained, this generally means DOP conditions of PDOP < 6, HDOP < 4..." [1]. Практика показывает, однако, что HDOP=4 может быть при всего лишь трех близких спутниках с плохой связью, когда ошибка гор. положения (EPE) достигает 60-160 метров. Скорее, условие HDOP<=2,0 предпочтительнее для отбраковки измерений, когда EPE=20-60 м. При HDOP=1 EPE близка к идеальной величине 15 м, этот предел отбраковки можно использовать для ответственных измерений, например.

Эту величину GPS-приемник выдает в разделах NMEA GRGGA - главные данные по точности, вместе с количеством спутников. Более подробные данные можно вычитать в разделе NMEA GRGSV - по каждому спутнику выдается азимут, угол положения, качество связи.


Материалы:
1. "NAVSTAR GPSUSER EQUIPMENT INTRODUCTION", SEPTEMBER 1996, PUBLIC RELEASE VERSION".
www.navcen.uscg.gov/pubs/gps/gpsuser/gpsuser.pdf

2. "A GPS Velocity Sensor: How Accurate Can It Be? – A First Look"
Luis Serrano, Donghyun Kim and Richard B. Langley Department of Geodesy and Geomatics Engineering University of New Brunswick, Canada Kenji Itani Furuno Electric Co., Ltd., Nishinomiya, Japan Mami Ueno CNRS I3S Laboratory, Sophia Antipolis, France
http://gauss.gge.unb.ca/papers.pdf/ionntm2004.serrano.pdf

3. GPSActionReplay: SpeedMeasurements
http://gpsactionreplay.free.fr/index.php?menu=1&choice=5

4. Пример дискуссии в рунете.
http://www.avia.ru/cgi/discshow.cgi?id=996325258571348443421057081312&page=3