Fly4free.pl

Kilka screenów z flightradar na lotnisku w San Jose (SJO)

_________________
Pozdrawiam

Marek

samolocik sobie stoi z włączonym transponderem ADS-B i rzuca pozycją na mapie.
Podobnie wygląda to z każdym obiektem wyposażonym w GPS - o ile się porusza, łatwo wyliczyć kolejna pozycję, mając poprzednią oraz kierunek i prędkość, ale jeśli obiekt stoi, błędy są właśnie takie, jak na powyższych obrazkach.

Dobrze wiedzieć. Dzięki.

_________________
Pozdrawiam

Marek

Odbiorniki GPS są z roku na rok coraz lepsze.
Nie wynika to bynajmniej z polepszania się sygnału GPS - ten jest niezmiennie taki sam.

Dzieje się tak, gdyż parametry odbiornika GPS zależą głównie od prędkości zastosowanego procesora i algorytmu.
Algorytmu ulepszać wiecznie się nie da, ale procesory ARM odmładzają się niemal co chwilkę.
I tak pierwsze GPS-y pobierały kilkaset mA a dzisiejsze zadowolą się nawet kilkoma.
Do tego są jak samolot do trzmiela - oba mają skrzydła ale w zasadzie to na tyle podobieństw.

Niby sprawa jest prosta - satelita nadaje sygnał ze swoją sygnaturą oraz niezwykle dokładnym czasem wysłania próbki.
Kiedy odbiornik odbierze i zweryfikuje 3 takie sygnały, znając swój lokalny czas równie dokładnie, to pomierzy odległości i ma wyliczoną pozycję.

Jednak w praktyce nie ma on lekkiego życia - to, co odbiera, to tylko szum, mniej lub bardziej zakłócony przez lokalne nadajniki i wszelkiego rodzaju emitery fal, sygnał odbity czasem wielokrotnie od budynków i wzmocniony potężną dawką śmieci w eterze.
Skąd więc ma użyteczny sygnał?
Otóż posiada on taką bazę danych widma szumu i porównuje to, co odebrała antena z próbkami z pamięci.
Porównanie widm pozwala na wyłonienie prawdopodobnie dobrej treści, potem jeszcze trzeba ją uwiarygodnić w kolejnych próbkach i można przejść do trybu "mam fixa, podaję aktualną pozycję".

Skąd więc nagle dobre i pewne wskazania GPS po uzyskaniu fixa?
Ano jesteśmy trochę oszukiwani, tak dla naszego komfortu.
Odbiornik ma tabelę z odebranymi danymi z ostatnich sekund plus nowe wyniki.
A co najważniejsze dla niego, ma prędkość i kierunek poruszania się.
I tak, o ile ostanie poprzednie wyniki były stabilne i powtarzalne, nie ma w kolejnym pomiarze wiele do roboty:
- jeśli nowe dane są mocne, to tylko potwierdzają poprzednie wyliczenia i dają podstawę do kolejnych
- jeśli nie ma wystarczającej ilości danych (np. jest tylko pomiar z 1 satelity), to wylicza się prawdopodobną pozycję skorygowaną o pomiary, które są aktualne
- jeśli nie ma nic, to podaje się tylko teoretyczną pozycję i włącza timer (np. 3 pomiary) po którym w przypadku ewidentnego braku danych odbiornik ogłosi brak fixa
Niektóre GPS-y mają wbudowany czujnik przyspieszenia, który dodatkowo mierzy kierunek i prędkość poruszania się - potrafią wtedy zachować informację o pozycji nawet wewnątrz budynków - o ile przy wkroczeniu do tego budynku miału poprawne wyliczenia.

Kiedy obiekt stoi, wszystkie w/w przypadki się przeplatają.
Niestety prędkość i kierunek są wyliczane błędnie z różnicy pomiędzy poprzednią pozycją a aktualnie wyliczoną.
I stąd są te szpilki i powroty na mapie.

W latach 90 wyliczenie tego wszystkiego trwało wieki.
Przełomowym chipem był Sirf a w zasadzie Sirf III na początku nowego wieku - potrafił porównać widmo sygnału do 2000 próbek na sekundę.
A dzisiaj wyścig technologiczny czyni cuda - procesory o wydajności domowych komputerów sprzed kilku lat są już używane w zabawkach za kilka USD.
Im więcej próbek porówna procesor, tym, szybciej wyliczy pozycję.
Liczy się także liczba satelitów - pamiętajmy, że trzeba wszystkie wyniki liczyć w tym samym czasie.
Stąd podawane parametry, z ilu satelitów potrafi skorzystać GPS - SIRF III miał ich bodajże 12, dzisiaj standardem jest 64 a może więcej.

W wielu Smartfonach już nawet nie stosuje się dedykowanego chipa, tylko wydziela w głównym procesorze obszar do wyliczeń GPS (Mediatek). A problemy z bazą danych EPO to właśnie historia z próbkami widm, które pomagają procesorowi odnaleźć prawidłowe dane (inna pomocą jest lokalizacji po stacjach bazowych GSM/BTS - A-GPS - daje on procesorowi wstępne położenie i informację, jakie satelity są nad nim i w jakiej odległości, łatwiej mu potem porównywać dane odbierane do spodziewanych)

Ogólnie warto zmieniać GPS co kilka lat, bo nowe generacje są nieporównywalnie lepsze od poprzednich.
Ale i tak błąd przy nieruchomym obiekcie jest nieuchronny - bez poprawek radiowych nie da się tego wyeliminować.
Do poprawek są stosowane naziemne nadajniki radiowe i można mieć geodezyjną dokładność, tyle, że w samolocie taka technologia nie zawsze może być użyta, bo np. w Brazylii może naziemnych nadajników po prostu nie być.
Poza tym nie ma to większego sensu, bo od momentu, kiedy ruch jest przewidywalny, momentalnie obliczenia GPS są dokładne niemal do metra. A na płycie lotniska pozycja GPS nie potrzebna.
Ale to już chyba i tak za obszerny komentarz, więc na tym zakończę.

Dziękuję za wszechstronne wyjaśnienie sprawy.
Żeby nie zmieniać tytułu posta zamieszczam kolejnych kilka screen shootów, tym razem z obiektu ruchmego:

_________________
Pozdrawiam

Marek

Dobry wykład, ale pominąłeś chyba dwa ważne źródła niedokładności GPS. Pierwsze to jakość samego czujnika odbierającego sygnał i jego niedokładność, generująca błędy, które możnaby nazwać przsunięciami czasowymi. Niedokładnośc czujnika powoduje, że czas odczytania sygnał może się różnić od czasu faktycznego dotarcia sygnał do obiektu, wszystko opiera się na precyzyjnych różnicach czasowych, więc minimalne różnice na czujniku generują błąd przekładający się nawet na kilkadziesiąt metrów różnicy. Druga sprawa to precyzja wewnętrznego zegara, zegar jest kluczem do określenia pozycji, jeśli całość opiera się na różnicach czasowych to idealne wskazania otrzymamy tylko jak oba zegary będą chodziły idealnie tak samo. W nadajniku GPS jest zegar atomowy i on dawałby gwarancje tego samego czasu, ale koszt takiego zegara jest liczony w tysiącach dolarów.

Jakbym miał uszeregować do wpływa na cenę odbiornika GPS to nadałbym taką kolejność :
1. zegar
2. czujnik
3. algorytm (jeśli dana firma używa własnego, autorskiego algorytmu)
4. procesor

Dlatego są odbiorniki kosztujące 100zł i takie kosztujące 2000zł, choć dla zwykłego użytkownika, w podstawowej funkcjonalności nie dadzą żadnej różnicy. Są też profesjonalne odbiorniki, które potrafią określać położenie z dokładnością do kilkudziesięciu centymetrów nawet, niektórzy reklamują i kilka centymetrów. Wojskowe, która dodatkowo operują na innym sygnale (nadawanym na 2 częstotliwościach, co pozwala niwelować błędy i niedokładności spowodowane czynnikami zewnętrznymi, niezależnymi od odbiornika), podobno potrafią osiągąć dokładność liczoną w milimetrach.

Dziękuję bardzo za lajki - no w życiu nie spodziewałem się, że tyle osób to interesuje
Dzięki Kiew za komentarz.

Nie do końca się z nim zgadzam, ale to głównie dlatego, że temat ślizga się wokół GPS ogólnie, bez sprecyzowania, o jakiej klasie urządzeń dyskutujemy.
Ja zacząłem od GPS w A320 a potem szybko przeszedłem do GPS, których używamy na co dzień.
Bo w sumie to chyba więcej warta wiedza.

Odbiornik GPS nie ma czegoś takiego, jak czujnik, chociaż oczywiście rozumiem, o co Ci chodziło.
Ma po prostu część radiową, służącą do odbioru sygnału, no i część cyfrową, do jego analizy.
Dobra część radiowa to podstawa - od anteny, przez wzmacniacz w-cz (chyba nazywa się to LPA że niby Low Power Amplifier, nie wiem czemu, ale jak szukałem części do moich projektów to pod taką nazwą był scalak do aktywnej antenki GPS). po tor p-cz.
Bo wprawdzie nośna sygnału GPS to jakieś 10GHz (mikrofale, podobny zakres jak w kuchence) to po demodulacji otrzymuje się częstotliwość 1,5GHz, czyli zbliżoną do tych z technologii telewizyjnych.radiowych, bo taka jest po prostu stabilniejsza i łatwiejsza do odczytu.

Czy w takim procesie mogą nastąpić istotne opóźnienia? Wątpię.
Jedyne, co przychodzi mi do głowy to mocne harmoniczne spowodowane złym zestrojeniem układu - to mogłoby powodować trudności w odczycie, bo taka harmoniczna tłumiłaby sygnał główny - wprawdzie są oczywiście filtry środkowoprzepustowe i nie wpuszczą harmonicznych dalej, ale sam sygnał główny ulegnie osłabieniu. Jednak nie ma to wiele wspólnego z czasem - takie mam zdanie.

A mocny procek więcej porówna wzorów widma i szybciej jakieś tam dane uzyska.
Więc w tanich GPS sprzed dekady mamy kilkanaście razy mniejszą wydajność i kilkanaście razy większy pobór prądu - na tę zależność pragnąłem zwrócić uwagę.

Tanie GPS nie mają wcale wbudowanego zegara czasu rzeczywistego.
Aktualną godziną i datę biorą też z satelitów a potem pewien algorytm (metoda przybliżania czy jakoś tak) pozwala im na powolne ustalenie własnego, lokalnego czasu, który wystarczy jako wzorzec.
Wykorzystują potem lokalny, sprzętowy timer w procesorze (wzbudzany przez kwarc, w procku wewnętrzny podział częstotliwości itd.)
Nie mają niestety zegara atomowego a szkoda, bo faktycznie byłoby dokładniej
Po screenach z A320 widać, że ten GPS z samolotu też nie ma żadnej magii w swoich bebechach.

Coś tam o praktycznym działaniu GPS wiem, zmarnowałem na to z 10 lat, heh.
Do niedawna bawiłem się nawet w produkcję malutkiego GPS na USB, powodowany brakiem takowego do tableta z Androidem.
Był banalnie prosty i malutki - mała antenka narysowana na PCB, gotowy chip GPS L70 wielkości 5x5mm i konwerter FT232.
Robiłem to dla pasji, sprzedając za kilkadziesiąt zł, ale więcej było szewskiej pasji z niekumatymi klientami, niż radości z wprowadzenia "GPS pod strzechy"

Natomiast głównie produkowałem dość zaawansowane urządzenia z GPS i GSM do stałego monitoringu obiektów i nieco udało mi się programowo przybliżać pozycję nieruchomego obiektu - po prostu uśredniałem ją, żeby klient nie widział takiej kreskówki jak na zdjęciach od autora wątku

Technologia GPS jest dość leciwa, więc trochę nie umiem uwierzyć, że Amerykanie na swojej militarnej częstotliwości mają pomiary do cm.
Kiedyś na początku to wprowadzali celowe błędy do danych cywilnych, żeby zmniejszyć dokładność pozycjonowania do 100m.
Ale potem łaskawie odpuścili wiedząc, że ruscy już mają Glonass a inni pewnie też by chcieli (np. Chińczycy)
Natomiast z pewnością geodeci mają dokładność do 1-2 cm, używając poprawek radiowych DGPS.

Pozdrawiam wszystkich pasjonatów technologii

Hm, ja się na studiach bawiłem GPS-ami w czasach, gdy mało kto o nich jeszcze słyszał. My się bawiliśmy na dokładnościach rzędu 3-4 mm w pracach naukowych (na przykład przemieszczenia dużych obiektów czy wypiętrzanie się gór), a wtedy dopiero pojawiały się pierwsze komercyjne odbiorniki z dokładnościami kilkunastu metrów. Z tym całym GPS to jest w ogóle najciekawsze to, że on niezbyt nadaje się do pomiaru samego położenia, za to całkiem nieźle do różnicy położeń. Więc jeśli mierzymy z punktu A i B i jest to długość boiska, to geodeci wolą stosować tradycyjne metody, bo one mają dokładność względną, zależną od długości ciągu. Ale już przy odległości kilku kilometrów GPS ma wciąż ten sam błąd pomiaru wektora i tu już tradycyjne odpadają.
No i teraz wystarczy postawić gdzieś na punkcie o znanych współrzędnych (punkt osnowy geodezyjnej) odbiornik, który współpracuje z naszym, transmituje mu poprawki itd. i już tym sposobem nasz podaje całkiem dokładną pozycję. Oczywiście tylko w pewnym obszarze, bo gdzie indziej jest inna konstelacja satelitów, warunki itd.
W tych naukowych zastosowaniach przyjmowało się, że żeby pomiar danego punktu miał dokładności milimetrowe, potrzeba 1-3 godzin, ale przy pomiarach przemieszczeń gór to i na trzy doby się zostawiało. A potem jeszcze tzw. post-processing, czyli uwzględnianie różnych poprawek, choćby perturbacji ruchu satelitów i ciał niebieskich, które wcześniej były predykowane, a dopiero potem Amerykanie wgrywają prawdziwe dane. Zresztą gdy ja studiowałem, to na sygnał były jeszcze powprowadzane wojskowe zniekształcenia.
I tak człowiek się uczył tego latami, a świat poszedł naprzód i dziś pewnie niewiele z tego jest istotne...