Протокол NMEA и точность местоопределения портативных GPS-навигатора

Московский авиационный институтКафедра «Радиолокация и радионавигация»А.В.БруханскийПротокол NMEAи точность местоопределенияпортативных GPS-навигаторовМетодические указания к лабораторной работепо курсу «Радионавигационные системы»Москва 20102Навигационный приемник eXplorist XL фирмыMagellanПри выполнении лабораторной работы используется навигационныеприемники «eXplorist XL» и более компактной модели «eXplorist 200» фирмыMagellan, Технические характеристики навигатора eXplorist XL приведены втаблице 1.Таблица 1Количесто приемных каналовВремя старта (холодный/горячий)Точность местопределения (95% 2D СКО)Точность с дифф.

подсистемой EGNOSТочность измерения скорости (СКО)Количество путевых точекКоличество маршрутов/точек в маршрутеЕмкость путевого журнала (Tracklog), точекПамять встроеннаяПамять дополнительнаяТип экранаРзрешение экрана (высота х ширина), пикс.Размер экрана (высота х ширина), ммПодсветка экранаВозможность подключения выносной антенныВозможность подключения к компьютеруГабариты прибора, смВес прибора, г.ПитаниеВремя автономной работы, ч.Поддержка диф. поправок WAAS/EGNOS1460 c / 20 c7 м.3 м.1,8 км/чнеогр.неогр.неогр.64 МбКарты SD16 цветов, TFT220 x 17671 x 53,3++16,2 x 7,3 x 3,33474 АА19+Внешний вид устройства и форматы отображения навигационнойинформации приведены на рис.

1 и рис 2.3Рис. 1. Форматы отображения состояния спутников навигационных данныхРис. 2. Форматы отображения навигационной карты и главного меню4Через систему меню навигатора можно получить доступ ко всейинформации хранящейся в энергонезависимой памяти навигатора и установитьрежимы следования по маршруту и записи следа (трека) движения. Для целейучебного эксперимента в помещении лаборатории является полезнойвозможность эмуляции движения навигатора с заданной скоростью позаданному курсу или по автоматически задаваемому треугольному маршруту изтекущей точки.

Вид экрана навигатора в режиме эмуляции движения в районеЛенинградского проспекта представлен на рисунке 3.Рис. 3. Форматы отображения навигационной карты в режиме эмуляции движенияПриемные и переизлучающие антенныОдной из главных трудностей проведения экспериментов соспутниковыми навигационными устройствами в закрытом помещении являетсяневозможность прямого приема сигналов навигационных спутников и спутникапередачи дифференциальных поправок системы EGNOS.

Кроме тогозначительная часть портативных навигационных приемников, в том числе инавигаторы Magellan eXplorist, не имеют входов для подключения внешнейантенны. Выходом из такой ситуации является установка одной или несколькихприемных навигационных антенн на крыше здания и связанной с нимипереизлучающей антенны в помещении лаборатории.5Спутниковые навигационные антенны диапазонов L1 и L2 выпускаютнесколько фирм, среди которых Trimble (Траймбл), Magellan (Магеллан) иTopcon (Топкон).

Для приема сигналов навигационных спутников влаборатории кафедры использована антенна PG-A5 фирмы Топкон. Внешнийвид антенны показан на рисунке 4. Это легкая высокоточная антенна дляспутниковых сигналов как системы GPS, так системы ГЛОНАСС.Коэффициент усиления антенны (30 дБ) достаточен для последующегопереизлучения принятых сигналов без дополнительного линейного усилителя.Антенна помещена во влагозащитный корпус и сохраняет своихарактеристики в диапазоне температур от –40 до +55 градусов.Рис. 4. Активная приемная антенна PG-A5 фирмы TopconРис.

5. Переизлучающая антенна типа Choke Ring фирмы Topcon6На рисунке 5 показана переизлучающая антенна той же фирмы. Антеннаимеет широкую диаграмму направленности, и установлена за панелямиподвесного потолка лаборатории спутниковой навигации.Изучение протокола NMEA обмена данныминавигационных электронных устройствОбмен данными между навигационными устройствами и навигационнымиустройствами и компьютерами традиционно осуществляется по протоколуNMEA (National Marine Electronics Association protocol), практически ставшемумеждународным стандартом.

Обмен данными в рамках протокола NMEAосуществляется именованными сообщениями (сентенциями) размером до 80буквенно-цифровых символов. Так, например, сообщение RMC содержитминимальный рекомендованный набор данных о положении, скоростипотребителя, дате и времени. Сообщение GLL – значения широты долготы ивремени. Сообщение GSA – содержит список всех спутников, использованныхпри вычислении позиции и значения их геометрических факторов (DOP)суммарного, в горизонтальной плоскости и вертикального.Стандартные сообщения, посылаемые приемниками системы GPS,начинаются с префикса GP. Оригинальные сообщения приемников частныхкомпаний начинаются с префикса P (Proprietary), за которым следуеттрехбуквенное сокращение названия фирмы: MGN – Magellan (ныне Thalesnavigation), GRM – Garmin и т.д.Далее приведены форматы сообщений, посылаемых навигатором MagellaneXplorist.GPRMC - рекомендованный минимальный набор данных.

Cодержитнабор PVT данных (position, velocity, time - позиция, скорость, время).$GPRMC,180301.45,A,5546.8890,N,03733.3533,E,22.4,090.4,190608,10,E*45RMC – Recommended minimum specific GNSS data180301.45 – UTC время, 18:03:01.45А – статус (А- активный - valid, V- игнорировать - invalid)5546.8890,N – широта, 55 градусов 46.8890 минут северной широты03733.3533,Е – долгота, 37 градусов 33.3533 минут восточной долготы22.4 – скорость, в узлах относительно земли (1 узел = 1.852 км/ч)090.4 – направление движения, в градусах190608 – дата, 19 июня 2008 года10,E – магнитное склонение в градусах (E = East, W = West)*45 – шестнадцатеричная контрольная сумма7GPGLL - данные широты, долготы и времени$GPGLL,5546.8890,N,03733.3533,E,180300.431,A,*31GLL – GPS Latitude / Longitude5546.8890,N – широта, 49 градусов 16.45 минут СШ03733.3533,E – долгота, 123 градуса 11.12 минут ВД180300.431 – время фиксации UTC, 18:03:00.431А – тип данных, (А – активные, V - игнорировать)*45 – шестнадцатеричная контрольная суммаGPGSA – информация об активных спутниках и DOP.

Содержитсписок спутников, используемых в подсчете позиции и значениягеометрических факторов DOPs, определяющих точность подсчете позиции.$GPGSA,A,3,04,05,,09,12,,,24,,,,,2.5,1.3,2.1*39GSA – GPS Satellites ActiveА – тип выбора между 2D и 3D решениями,Автоматический (A-auto, M-manual)3 – тип решения, 3D решение (1 – нет решения, 2 – 2D решение, 3 – 3Dрешение)04,05,,09,12,,,24,,,,, – номера спутников (PRN коды), используемыхвподсчете позиции (12 полей)2.5 – пространственный геометрический фактор, PDOP1.3 – горизонтальный геометрический фактор, HDOP2.1 – вертикальный геометрический фактор, VDOP*39 – шестнадцатеричная контрольная суммаGPGSV – информация о видимых спутниках.

В составе одногосообщения передаются данные только для 4-х спутников, всего от 1 до 3сообщений.$GPGSV,3,1,10,12,68,277,40,09,53,192,36,05,51,280,46,04,41,106,45*7EGSV - GNSS Satellites in View3 – количество сообщений GSV в пакете1 – номер сообщения в пакете (от 1 до 3)10 – количество видимых спутников12 – номер спутника68 – угол возвышения спутника на небосводе в градусах277 – азимут спутника в градусах40 – отношение сигнал/шум принимаемого сигнала, дБ09 – номер следующего спутника53, 192, 36 – угловые положения и сигнал/шум этого спутника и т.д.8VTG – вектор путевой скорости$GPVTG,054.7,T,034.4,M,005.5,N,010.2,K*48VTGVector Track made good and Ground speed054.7,T истинное направление линии пути (градусы)034.4,M направление пути по магнитному компасу005.5,N путевая скорость в узлах (knots)010.2,K путевая скорость в км/ч*48контрольная суммаGGA – информация о трехмерном местоположение и точности$GPGGA,123519,4807.038,N,01131.000,E,1,08,0.9,545.4,M,46.9,M,,*47GGAGlobal Positioning System Fix Data123519время фиксации координат 12:35:19 UTC4807.038,N Широта 48°07.038' N01131.000,E Долгота 11°31.000' E1 способ местоопределения:0 = ошибка местоопределения1 = GPS2 = дифференциальная GPS (DGPS)3 = захват сигналов точного времени (PPS)4 = режим статического RTK (Real Time Kinematic)5 = кинематический режим RTK6 = оценка методом счисления пути7 = режим ручного ввода8 = режим эмуляции08 Количество сопровождаемых спутников0.9 Горизонтальный геометрический фактор, HDOP545.4,M Высота в метрах над уровнем моря46.9,M Высота геоида над эллипсоидом WGS84(пустое поле) время с момента обновления поправки DGPS(пустое поле) номер станции передачи поправок DGPS*47шестнадцатеричная контрольная суммаPMGNST – состояние устройства фирмы Magellan (Magellan statusmessage)$PMGNST,01.05,3,T,534,05.0,+03327,00*40ST status information01.05 номер версии устройства3режим местоопределения 2D или 3DTкоординаты определены (True), F – не определены (False)534 информация о состоянии устройства05.0 оставшееся время работы от батарей, часы+03327 информация о состоянии устройства00 номер спутника, данные которого анализируются9Передача навигационной информации в компьютер попротоколу NMEAДля проведения эксперимента по передаче навигационных данных вкомпьютер навигатор подключается к нему по USB-интерфейсу.На рисунках 5 и 6 показаны пример регистрации навигационных данных,поступающих от навигатора по USB-кабелю в персональный компьютер.Навигатор eXplorist XL поддерживает три формата сообщений в рамкахпротокола NMEA – форматы APA, XTE и GSA.