Развитие китайской системы спутниковой навигации BeiDou. Принцип работы гнсс beidou
Когда вы разглядываете новый смартфон для покупки, вы смотрите не только на его внешний вид, но и на характеристики. В характеристиках часто можно увидеть такую связку: GPS/ГЛОНАСС/BeiDou. Если с GPS и ГЛОНАСС все понятно, то что такое BeiDou?
BeiDou (читается как Бэйдоу) — китайская спутниковая навигационная система. В коммерческую эксплуатацию была запущена в 2012 году, а на полною мощность выйдет примерно к 2020 году.
По сути, представляет аналог GPS и ГЛОНАСС — эти две системы стандартно поддерживаются большинством новых смартфонов. С недавних пор к ним добавилась система навигации BeiDou, поэтому часто можно видеть в графе характеристик «Спутниковая навигация» поддержку трех спутниковых навигационных систем — GPS, ГЛОНАСС и BeiDou.
Многие смартфоны уже получили поддержку BeiDou, но пока не все. Этим занимаются, в первую очередь, китайские компании, но есть и компании из других стран, как, например, Samsung, которая включила поддержку BeiDou на многих своих устройствах.
А что от этого всего пользователю, спросите вы? На самом деле пользователь устройства оказывается в выигрыше. Смотрите, каждая навигационная система имеет свои плюсы и минусы, но как бы там ни было, в связке они позволяют более точно позиционировать устройство по спутникам. И не забывайте, что при включенном интернете позиционирование происходит в том числе по нему. Чем больше источников, тем точнее указывается местоположение пользователя с устройством. Разумеется, ничего плохого здесь нет, сплошные плюсы.
В будущем, вероятно, BeiDou будут поддерживать практически все смартфоны, как было в случае с GPS или ГЛОНАСС.
Уже никого не удивляет. А вот пометка «BeiDou » (или BDS) в разделе характеристик «Навигация » у многих пользователей вызывает недоумение. Что это за технология такая и насколько важно её наличие в смартфоне, мы и расскажем в этой статье.
BeiDou – это китайская навигационная система, аналог американской GPS и российской ГЛОНАСС. Система была запущена ещё в 2000-м году, однако больше 10 лет китайские власти потратили на доработку навигацию и эксперименты, поэтому в коммерческой эксплуатации BeiDou оказалась лишь в 2012 году. Отметим, что BeiDou является системой двойного назначения; то есть пользоваться китайской навигацией могут как военные, так и гражданские лица.
В 2014 году BeiDou прошла экспертную проверку, которая показала, что максимальная погрешность системы — менее 1 метра.
Принцип действия BeiDou в общих чертах такой же, как и у GPS и ГЛОНАСС. Система состоит из 2 составляющих: наземной и космической . Космическая составляющая включает в себя группу спутников, размещённых на околоземных орбитах. Наземная же – это ряд станций, которые способствуют повышению точности и скорости работы навигации. Определение местоположения происходит путём замера времени, необходимого радиоволне для того, чтобы от спутника или наземной станции дойти до приёмника – коими выступать могут телефон, планшет или навигатор. Получив данные минимум от 3 источников, приёмник сообщает владельцу, где он сейчас находится.
Подобный замер является возможным благодаря тому, что скорость радиоволны всегда одинакова – она равняется скорости света.
BeiDou: конкурент для GPS?
На 2017 год система BeiDou не способна составить полноценную конкуренцию GPS и ГЛОНАСС во всём мире, потому как большинство станций расположено на территории Поднебесной и рядом с ней. При этом в некоторых азиатских странах (в Таиланде, Лаосе, Брунее и, естественно, в Китае) BeiDou котируется на том же уровне, что и её именитые конкуренты. С 2013 года китайские станции навигации устанавливаются и в Пакистане. Пакистанские власти голосуют обеими руками за сотрудничество с Китаем, потому как боятся, что в случае конфликта с США останутся без навигации вообще.
В 2015 году китайцы поставили одну станцию в Европе – если конкретнее, в Бельгии – однако очевидно, что этого не хватит для высокоточного позиционирования. Система может давать довольно точные результаты и за счёт компонентов одной только космической составляющей – но ведь спутники находятся над Европой и Россией не круглые сутки. Поэтому о стабильности пока не может идти речи.
Во время замера, пришедшегося на начало 2017 года, было определено, что устойчивый сигнал на территории Восточной Европы поступает с 6 спутников BeiDou.
В будущее китайцы смотрят с оптимизмом – обещают, что BeiDou к 2020 году станет такой же эффективной системой, как GPS, и что её зона покрытия увеличится. На 2017 год на орбите находятся 23 спутника BeiDou. В ближайшее время их количество увеличится до 35 – причем теперь китайцы будут выводить только спутники «Бейдоу 3», отличающиеся улучшенными характеристиками. Первая пара таких спутников была отправлена на орбиту 5 ноября 2017 года.
Какие смартфоны имеют встроенный модуль BeiDou?
Почти все современные модели, выпускаемые преимущественно для китайского рынка, поддерживают навигацию BeiDou. С недавних пор поддержкой новой спутниковой системы могут похвастать девайсы от Samsung .
В перечень самых заметных смартфонов с модулями BeiDou входят:
Проверить, поддерживает ли смартфон работу с навигационной системой BeiDou, можно, воспользовавшись приложением GPS Test .
Заключение
Для россиян крайне важно наблюдать за тем, как развивается ситуация с BeiDou. Ещё с 2015 года ходят упорные слухи о том, что Китай и Россия совершат взаимовыгодный обмен: китайцы поставят 3 станции BeiDou на территории России, а в самой Поднебесной будут размещены 3 станции ГЛОНАСС. Возможно, уже спустя пару лет система BeiDou в России и странах бывшего СНГ будет функционировать эффективнее, чем её американский аналог.
Спутниковая навигационная система Бэйдоу - китайская спутниковая система навигации, состоящая из двух отдельных групп спутников. Первая группа Бэдоу-1, официально названная как Экспериментальная спутниковая навигационная система, была запущена в 2000 году в ограниченном тестовом режиме и состояла только из трех спутников. Вторая группа Бэйдоу-2, также известная как COMPASS, находится в стадии создания, которое предполагается завершить к 2020 году.
Название Бэйдоу, система получила в честь созвездия Большой Медведицы, которое с давних времен использовалось в навигации для нахождения Полярной Звезды. Оригинальная идея создания китайской навигационной системы была предложена ещё в 1980 гг. Ченом Фангьюном (Chen Fangyun).
Китайское национально космическое управление определило следующий порядок развития системы Бэйдоу:
- 2000—2003 гг.: Экспериментальная система Бэйдоу, состоящая из трёх спутников.
- 2012 год: Навигационная система для покрытия территории Китая и остальной Азии.
- 2020 год: Глобальная навигационная система.
В начале 2000-х годов Китайская Бэйдоу-1 отставала от GPS и ГЛОНАСС минимум на поколение. Экспериментальная спутниковая система работала медленнее, давала худшие результаты и была в десятки раз дороже. В 2004 году, с началом создания Бэйдоу-2, произошла модернизация технологий и ситуация изменилась в лучшую сторону. Планируется, что новая глобальная спутниковая система навигации Бэйдоу будет состоять из 35 спутников, среди которых 5 будут расположены на геостационарной орбите, а оставшиеся 30 на средних орбитах, полностью охватывающих Землю. Как и в других спутниковых системах, будет доступно два уровня позиционирования услуг - открытый и закрытый (для военных). Открытый вариант будет доступен по всему миру для обычных пользователей и, как утверждают разработчики, точность позиционирования составит до 10 метров, а скорость до 0.2 метров в секунду.
Китайской стороне ещё предстоит урегулировать вопросы с американской, европейской и российской сторонами относительно частотных диапозонов, которые будет использовать Бэйдоу. Пока же китайская спутниковая система работает на частотах сигнала В1 и Е2 с частотой 1561,098 МГц.
Бэйдоу-2 была запущена в коммерческую эксплуатацию 27 декабря 2012 года, как навигационная система для Азиатско-Тихоокеанского региона. Из выведенных на орбиту 16-ти спутников, задействованы 11, а остальные 5 выполняют резервную функцию. Количество спутников будет увеличиваться вплоть до 2020 года и когда система заработает в полную мощность, начнется её использование по всей Земле.
Лекция по анатомии мобильных устройст
в.
Навигация (GPS, ГЛОНАСС и др.) в смартфонах и планшетах. Источники ошибок. Методы
тестирования.
Еще совсем недавно в торговых сетях можно было купить устройства под названием "Навигаторы". Главная функция этих устройств полностью соответствовала их названию, и выполняли они её, как правило, хорошо.
В то время в мире практически единственной нормально работающей системой навигации была американская GPS (Global Positioning System), и её хватало на все потребности. Собственно, слова "навигация" (навигатор) и GPS были в то время синонимами.
Всё изменилось, когда производители КПК (карманных компьютеров), а затем смартфонов и планшетов, стали встраивать в свои устройства поддержку навигации. Физически она реализовывалась в виде встроенных приемников навигационных сигналов. Иногда поддержку навигации можно было найти даже в кнопочных телефонах.
С этого момента всё изменилось. Навигаторы, как
отдельные устройства, почти исчезли и из производства, и из продажи. Потребители
в массовом порядке перешли на использование смартфонов и планшетов в качестве
навигаторов.
Тем временем были успешно запущены в эксплуатацию еще две системы
навигации - российская ГЛОНАСС и китайская Beidou (Бэйдоу,
BDS).
Но это не значит, что в качестве навигации что-то стало лучше. Функция навигации в этих устройствах (смартфонах и планшетах) стала уже не основной, а одной из многих.
В результате многие пользователи стали замечать, что для целей навигации не все смартфоны "одинаково полезны".
Вот здесь мы и подходим к проблеме определения источников ошибок в навигации, включая вопрос и о роли недобросовестности производителей устройств в этом вопросе. Печально, но факт.
Но прежде чем винить производителей во всех грехах, разберемся сначала с источниками ошибок в навигации. Ибо производители, как мы выясним далее, виноваты не во всех грехах, а только в половине. :)
Ошибки в навигации можно разделить на два основных класса: вызванные внешними относительно устройства навигации причинами, и внутренними.
Начнем с внешних причин . Они возникают, в основном, из-за неравномерности атмосферы и естественной технической погрешности средств измерений.
Их примерный вклад таков:
Преломление сигнала в ионосфере
± 5 метров;
- Колебания орбиты спутника
± 2.5 метра;
- Ошибка часов спутника
± 2 метра;
- Неравномерность тропосферы
± 0.5 метра;
-
Влияние отражений от предметов
± 1 метр;
- Погрешности измерения в приемнике ± 1
метр.
Эти погрешности имеют случайный знак и направление, поэтому итоговая погрешность рассчитывается в соответствии с теорией вероятностей как корень из суммы квадратов и составляет 6.12 метра. Это не значит, что погрешность всегда будет такой. Она зависит от количества видимых спутников, их взаимного расположения, а наиболее всего - от уровня отражений от окружающих предметов и влияния препятствий на ослабление сигналов спутников. В результате погрешность может быть как выше, так и ниже приведенной "усредненной" величины.
Ослабление сигналов от спутников может наступать, например, в следующих случаях:
- при нахождении внутри помещения;
- при нахождении между близко расположенными высокими объектами
(между высотными зданиями, в узком горном ущелье и т.п.);
- при нахождении в лесу. Как показывает опыт, плотный высокий лес
может значительно затруднять навигацию.
Эти проблемы связаны с тем, что высокочастотные радиосигналы распространяются подобно свету – то есть только в пределах прямой видимости.
Иногда навигация, пусть и с ошибками, может работать и на отраженных от препятствий сигналах; но при многократном переотражении они становятся настолько слабыми, что навигация с ними работать перестает.
Теперь переходим к "внутренним" причинам ошибок в навигации; т.е. которые создаются самим смартфоном или планшетом.
Собственно, проблем здесь только две. Во-первых, слабая чувствительность навигационного приемника (или проблемы с антенной); во-вторых, «кривой» софт смартфона или планшета.
Перед рассмотрением конкретных примеров поговорим о способах проверки качества навигации.
Методы тестирования навигации .
1. Тестирование навигации в «статике» (при неподвижном положении смартфона/планшета).
Такая
проверка позволяет определить следующие параметры:
- скорость первоначального определения координат при «холодном
старте» (засекается по часам);
- список навигационных систем, с которыми работает данный смартфон/планшет (GPS,
ГЛОНАСС и т.д.);
- расчетную точность определения координат;
- скорость определения координат при «горячем старте».
Эти параметры можно определить как с помощью обычных навигационных программ, так и с помощью специальных тестовых программ (что удобнее).
Правила тестирования в «статике» очень просты: тестирование должно делаться на открытом пространстве (широкая улица, площадь, поле и т.п.) и при отключенном интернете . При нарушении последнего требования время «холодного старта» может значительно ускориться за счет прямого скачивания орбит спутников из интернета (A-GPS, assisted GPS) вместо их определения по сигналам с самих спутников; но уже будет «не честно», поскольку это уже не будет чистая работа самой системы навигации.
Рассмотрим пример работы программы тестирования навигации AndroiTS (существуют и аналоги):
(кликнуть для
увеличения)
На только что представленной картинке видно, что смартфон работает с тремя навигационными системами: американской GPS, российской ГЛОНАСС и китайскойBeidou (BDS ).
В нижней части скриншота видны успешно определенные координаты текущего места. Величина одного градуса по широте – примерно 100 км, соответственно, цена единицы младшего разряда – 10 см.
Величина одного градуса по долготе – разная для разного географического положения. На экваторе она тоже составляет около 100 км, а вблизи полюсов уменьшается до 0 (у полюсов меридианы сближаются).
Справа от колонки с обозначением государственной принадлежности спутников идет колонка с номерами спутников. Эти номера к ним жестко привязаны и не меняются.
Далее идут колонки с цветными столбиками. Величина столбиков означает уровень сигнала, а цвет - их использование системой навигации или не использование. Неиспользуемые спутники обозначены серыми столбиками. Цвет используемых зависит от их уровня сигнала.
Следующая колонка - это тоже уровень сигнала от навигационных спутников, но уже в цифрах ("условных единицах").
Затем идет колонка с зелеными галочками и красными прочерками - это повтор информации о том, используется спутник или нет.
В верхней строке словом "ON" обозначен статус состояния навигации; в данном случае это означает, что в настройках смартфона разрешено определение координат и они определены. Если же там указан статус "WAIT" , то определение координат разрешено, но необходимое количество спутников еще не найдено. Статус "OFF" означает, что в настройках смартфона определение координат запрещено.
Затем кружочком с концентрическими окружностями и цифрой 5 обозначена расчетная точность определения координат в данный момент - 5 м. Эта величина рассчитывается, исходя из количества и "качества" используемых спутников и предполагает, что обработка данных от спутников в смартфоне делается без ошибок; но, как увидим далее, это не всегда так.
По мере движения спутников все эти данные должны меняться, но координаты (в нижней строке) должны меняться незначительно.
К сожалению, данное приложение не показывает время, затраченное на первоначальное определение координат ("холодный старт"), да и другие подобные приложения - тоже. Это время надо "засекать" вручную. Если время «холодного старта» составило менее минуты, то это – отличный результат; до 5 минут – хороший; до 15 минут – средний; более 15 минут – плохой.
Для определения скорости «горячего старта» достаточно выйти из программы тестирования и через несколько минут снова зайти. Как правило, за время запуска тестовой программы она успевает определить координаты и сразу же предъявляет их пользователю. Если же задержка с предъявлением координат при «горячем старте» превышает 10 секунд, то это уже подозрительно долго.
Эффект быстрого определения координат при «горячем старте» связан с тем, что система навигации запоминает последние вычисленные орбиты спутников и ей не надо заново их определять.
Итак, с тестированием навигации в «статике» разобрались.
Переходим ко 2-ому пункту тестирования навигации - в движении.
Главное предназначение навигации – привести нас в правильное место в процессе движения, и без проверки в движении тест был бы неполным.
В процессе движения с точки зрения навигации существуют три типа местности: открытая местность, городская застройка и лес.
Открытая местность – это идеальные условия навигации, здесь проблем нет (разве только у совсем "отстойных" устройств).
Городская застройка в большинстве случаев характеризуется наличием высокого уровня отражений и небольшим снижением уровня сигнала.
Лес «работает» наоборот – существенное ослабление сигнала и небольшой уровень отражений.
Для начала посмотрим на образец почти "идеального" трека:
На картинке изображены два трека: туда/обратно (так будет и далее почти на всех картинках). Такие картинки позволяют сделать достоверный вывод о качестве навигации, так как можно сличить два почти одинаковых трека между собой и с дорогой. На этой картинке всё хорошо – колебания трека находятся в пределах естественной погрешности. В верхней части адекватно прорисован проезд по разные стороны кольцевого перекрестка. В некоторых местах заметно расхождение между треками, вызванное, вероятно, отражениями сигнала от водной поверхности и от металлических конструкций моста через реку. А в некоторых - почти идеальное совпадение.
Теперь разберем несколько типовых случаев "проблемных" треков.
Посмотрим на трек GPS смартфона, на который повлияло снижения уровня сигнала в высоком лесу:
Расхождение треков друг с другом и с дорогой заметное, но далеко не катастрофическое. В данном случае точность навигации в смартфоне снизилась в пределах "естественной убыли" для таких условий. Такой смартфон надо признать подходящим для навигационных целей.
В правой части скриншота хорошо заметны расхождения треков между собой и дорогой. Такие расхождения в условиях подобной "колодцеобразной" застройки почти неизбежны, и в данном случае никак не свидетельствуют против тестируемого смартфона.
Теоретически, чем больше систем навигации поддерживает смартфон (планшет), тем
больше спутников он использует для навигации и тем меньше должна быть ошибка.
Практически же это не всегда так. Довольно часто из-за "кривого"
софта смартфон не может правильно состыковать данные от разных систем и в
результате возникают аномальные ошибки. Рассмотрим несколько примеров.
Возьмем, например, такой трек:
На только что приведенном скриншоте виден иглообразный выброс, который не мог быть следствием каких-то помех: путь проходил через малоэтажную застройку без густых лесопарковых насаждений. Данный выброс целиком на совести "кривого" софта.
Но это были еще "цветочки". Бывают смартфоны, где аномальные ошибки навигации - это уже не "цветочки", а "ягодки":
При записи данного трека аномальные ошибки "кривого" софта соединились с
ослаблением сигналов в высоком лесу. В результате получился трек, по которому
просто невозможно догадаться, что путь туда и обратно был пройден по одной и той
же тропинке трезвым человеком. :)
А густой пучок линий в верхней части - это "путь" неподвижно
лежащего смартфона во время привала. :)
Есть еще один вид аномальных ошибок, связанный с паузой в потоке данных, поступающих от навигационного приемника к вычислительной части смартфона:
На этой картинке видно, что часть пути (примерно 300 м) прошла по прямой линии, притом частично прямо по воде. :)
В данном случае смартфон просто соединил прямой линией точки пропажи и появления потока координат. Их пропажа могла быть связана как с уменьшением количества видимых спутников ниже критического числа, так и с "кривым" софтом и даже аппаратными проблемами (хотя последнее и маловероятно).
В случае же полного пропадания сигналов от спутников, навигационные программы обычно не соединяют прямыми линиями точки пропажи и появления, а оставляют просто "пустое место" (получается разрыв в треке):
На этой картинке виден разрыв трека в том месте, где часть пути прошла по подземному переходу с полным пропаданием видимости всех спутников.
После изучения причин и характерных ошибок навигации, пора перейти к выводам .
Наилучшая навигация, как и следовало ожидать, бывает у смартфонов и планшетов "высоких" брендов. С ними проблемы в виде аномальных ошибок пока что не обнаруживались. И, разумеется, чем больше систем навигации поддерживает устройство, тем лучше. Правда, поддержка китайской Beidou пока имеет смысл при использовании устройства в регионах и странах, расположенных недалеко от Поднебесной. Китайская система навигации не глобальная, а "местная" (на данный момент). Так что поддержки GPS и ГЛОНАСС будет вполне достаточно.
Если же смартфон или планшет имеют не слишком "именитое" происхождение, то проблемы с навигацией могут быть, а могут и не быть. Перед его боевым применением рекомендуется его протестировать как в статике, так и в движении в различном окружении, чтобы впоследствии он не преподнес какой-либо неприятный сюрприз. В большинстве случаев мобильные устройства с поддержкой одной только GPS приносят меньше проблем, хотя и точность у них ниже, чем у многосистемных.
К сожалению, при выборе смартфона (планшета) с хорошей навигацией ориентироваться по обзорам устройств в интернете довольно сложно. Подавляющее число IT- порталов игнорируют проверку навигации в движении и в сложных условиях. Такую проверку делают только на данном портале () и еще буквально на паре других.
В заключение надо сказать, что навигационными средствами сейчас оборудуются не только смартфоны и планшеты, но и многие другие устройства. Они устанавливаются, например, в фотоаппаратах, видеокамерах, GPS- трекерах, автомобильных видеорегистраторах, смарт-часах, некоторых специализированных типах устройств, и даже в электронной системе налогообложения водителей российских большегрузов "Платон".
Ваш Доктор
.
20.01.2017
Статьи и Лайфхаки
Содержание :1.
2.
3.
4.
В описании характеристик, среди использующихся в мобильных устройствах навигационных систем вроде, GPS и ГЛОНАСС, в последнее время можно встретить еще одну. О том, что же такое Beidou (Бэйдоу) и для чего она используется в смартфоне, мы и расскажем.
Что представляет собой Beidou
Как и было сказано выше, Beidou – это китайская спутниковая навигационная система, аналог американской GPS и , а также еще не дошедшего до стадии активного коммерческого использования европейского проекта Galileo.Свое название получила в честь китайского варианта имени созвездия Большой Медведицы.
Состоит система из спутниковой группировки и сети наземных станций, большая часть которых находится на территории Китая. Однако в последнее время идет интенсивное расширение: наземные базы появились в следующих странах и регионах:
- Россия.
- Пакистан.
- Сингапур.
- Австралия.
- Африка.
- Европа.
Тем не менее, пока что Beidou по размерам своего покрытия не может считаться глобальной системой и относится к региональным, так же, как, например, индийская IRNSS.
На каком принципе работает Beidou
Как и в любой другой современной навигационной системе, местоположение устройства определяется при помощи измерения скорости прохождения радиосигнала к нему от расположенного на спутнике или наземной станции передатчика.
Дальше вступает в действие тривиальная геометрия: поскольку скорость распространения электромагнитных волн в атмосфере постоянна, имея координаты минимум трех источников, система определяет точку, где находится устройство, с погрешностью менее чем 1 метр.
Какие устройства поддерживают эту систему
В первую очередь, это гаджеты китайских производителей, предназначенные для китайского же рынка. Например, поддержка использования Beidou имеется в таком недорогом (около 5 тыс. рублей) смартфоне, как .В то же время в аппаратах, предназначенных для других рынков, эта система может и отсутствовать. Например, для устройств, предназначенных для продажи россиянам, вместо Beidou могут установить ГЛОНАСС.
Кроме того, этой системой оснащают свои устройства многие другие производители Юго-Восточной Азии. Она имеется в смартфонах таких брендов, как , хотя и далеко не в каждой модели.
А вот в таких известных топовых гаджетах, как Google Pixel или Iphone X модуль Beidou отсутствует, в то время как с ГЛОНАСС они работать способны.
Как определить, имеется ли поддержка Beidou в вашем смартфоне
Для этого можно воспользоваться приложением AndroiTS GPS Test, загрузить которое можно с . Среди прочих вкладок в нем имеется список спутников, с которыми может взаимодействовать смартфон.
Национальная принадлежность каждого из них отмечена флажком соответствующей страны. Если в списке есть красные китайские флажки – значит, Beidou в нем тоже имеется.
При этом каких-либо действий владельца для пользования этой системой предпринимать не требуется. Китайские спутники будут использоваться для повышения точности определения координат наравне с сателлитами ГЛОНАСС и GPS при обращении к навигации соответствующих приложений.
Как уверяют создатели Beidou, к 2020 году она должна стать полноценной глобальной навигационной системой, ничуть не уступающей своим американским и российским конкурентам. Произойдет ли это в действительности, покажет будущее: поживем – увидим.
