Описание работы устройства

Модули серии «ГеоС» отличаются от других устройств этого класса следующими основными функциями:

· одновременная обработка всех видимых космических аппаратов GPS и ГЛОНАСС;

· поддержка SBAS;

· автономный и дифференциальный режимы;

· чувствительность по слежению до -160 дБм/Вт;

· потребляемая мощность при обнаружении не более 106 мВт;

· расширенный диапазон напряжения питания модуля 1, 7-3, 6 В;

· встроенная схема питания активной антенны с монитором состояния антенны и защитой от короткого замыкания;

· расширенный диапазон напряжения питания антенны 1, 8-3, 6 В;

· встроенная flash-память для хранения альманахов и настроек приемника;

· два режима энергосбережения — RELAXED FIX и FIX-BY-REQUEST.

Модели серии «ГеоС» в настоящее время выпускаются в двух модификациях:

· «ГеоС-3» — SMD-модуль (поверхностный монтаж, пайка), 2хRS232, размеры 22, 1× 15, 9× 2, 8 мм (рис. 1);

Рисунок 3.Внешний вид модуля «ГеоС-3»

· «ГеоС-3М» — SMD-модуль (поверхностный монтаж, пайка), 2хRS232, размеры 14, 3× 13, 7× 2, 6 мм, аналоговая часть, цифровая часть, flash-память и ПАВ-фильтр объединены в одном корпусе (СвК GS3) (рис. 2).

Рисунок 4.Внешний вид модуля «ГеоС-3»

Модули серии «ГеоС» относятся к классу аппаратных приемников параллельного типа, в которых сигналы от спутников различных СНС обрабатываются независимо, отдельными блоками. Аналоговый сигнал от спутника, принятый входной антенной, поступает на блок приема RF front-end, в котором происходит усиление и первичная обработка аналогового сигнала. Далее сигнал передается на АЦП, где преобразуется в цифровую форму. После этого сигнал поступает в цифровой блок модуля, включающий в себя аппаратный коррелятор и мощный процессор, который координирует работу составляющих ГНСС с внешними устройствами и между собой.

Модуль может работать как с пассивными, так и с активными совмещенными ГЛОНАСС/GPS-антеннами. Цепь питания антенны модуля имеет встроенный монитор, который отслеживает состояние антенны и выдает его в бинарном сообщении «0х21» или NMEA-сообщении $GPSGG, RQUERY. На рис. 3 показаны два параллельных канала обработки сигналов спутников: GPS и ГЛОНАСС. Структурно оба канала аналогичны. Однако блоки обработки, фильтры и АЦП у этих двух каналов разные.

Модуль «Геос-3» имеет ОЗУ и flash-память, которые позволяют хранить мгновенные данные, полученные со спутников, и в дальнейшем обрабатывать их повторно с учетом корректирующих сигналов вспомогательных датчиков и системы SВАS. В ОЗУ сохраняются эфемериды и другие данные, необходимые для реализации теплого/горячего старта. Часы реального времени (RTC) и ОЗУ цифровой части продолжают функционировать при выключении основного напряжения питания. Во flash-памяти хранится программный код, настройки и конфигурация модуля, альманахи КНС и другие важные данные. «Геос-3» имеет два напряжения питания: VDD — 1, 8 В и VDD_IO — 1, 7-3, 6 В.

В модулях серии «ГеоС-3» имеется функция самотестирования, позволяющая каждую секунду проводить контроль работоспособности следующих узлов: антенна, PPL (аналоговая часть), усиление сигналов ГЛОНАСС и GPS, RTC, резервное ОЗУ.

Приемники «ГеоС» имеют два независимых последовательных порта, которые используются для организации обмена с внешними устройствами. Оба порта программируются индивидуально (скорость приема/передачи, количество стоповых бит, бит четности, бит нечетности, всегда «0», всегда «1»). Настройка портов производится через бинарное сообщение «0х41» или через NMEA-сообщения $GPSGG, BDR и $GPSGG, STOP. Темп выдачи выходных данных может быть установлен равным 1, 2, 5 или 10 Гц.

В дифференциальном режиме в приемник поступают дифференциальные поправки в соответствии со стандартом RTCM SC104 v2.3 — сообщения 1, 3, 31. Дифференциальные поправки принимаются по порту 1. Соответствие номера порта и типа информационного протокола устанавливается бинарным сообщением «0х50».

В модулях «ГеоС» поддерживаются два информационных протокола — бинарный и NMEA. Данные в обоих протоколах выдаются приемником одновременно, каждый по своему порту. По умолчанию, в порт 0 выдаются данные бинарного протокола, а в порт 1 — NMEA. При этом протоколы не привязаны жестко к портам и их можно менять. Для переключения в NMEA-протокол из бинарного используется пакет «0х46». Для переключения в бинарный протокол из NMEA используется сообщение SWPROT. Возможны пять комбинаций распределения информационных протоколов по портам 0 и 1 (таблица 1).

Таблица 2. Распределение протоколов обмена по портам «ГеоС-3»

Бинарный протокол содержит детальный набор выходных данных, включая «сырую» измерительную информацию, альманахи и эфемериды. Этот протокол используется для программирования режимов работы модуля и его портов. Кроме того, через него производится формирование установок, запросов на выдачу данных, команд управления, а также обновление встроенного ПО приемника. Протокол включает в себя как входные, так и выходные сообщения. Подробно бинарный протокол модуля «ГеоС-3» описан в.

NMEA-протокол модуля поддерживает следующие стандартные сообщения:

· GGA — данные местоположения;

· GLL — географические координаты широта/долгота;

· GNS — данные местоположения GNSS;

· GSA — геометрический фактор ухудшения точности и активные спутники;

· GSV — видимые спутники;

· RMC — минимальный рекомендованный набор данных;

· VTG — скорость и курс относительно Земли;

· ZDA — время и дата.

Стандартные сообщения NMEA формируются по умолчанию в соответствии с версией NMEA 0183 v2.x. При этом в сообщении преамбула только «GP». Сообщение GNS не формируется.

Кроме того, в модулях предусмотрена выдача сообщений в стандарте NMEA 0183 v3.x. В данном варианте в сообщении указываются преамбулы «GP», «GN», «GL» в зависимости от типа используемой спутниковой системы. Кроме того, формируется GNS-сообщение. Если приемник работает в совмещенном режиме (GPS+ГЛОНАСС), то преамбула «GN» добавляется к сообщениям GGA, GNS, GSA, GLL, RMC, VTG, ZDA. При этом формируются две строки GSA отдельно для ГЛОНАСС и GPS.

Если приемник работает в режиме только GPS, то преамбула «GP» добавляется к сообщениям GGA, GNS, GSA, GLL, RMC, VTG, ZDA. Если приемник работает в режиме только ГЛОНАСС, то преамбула «GL» добавляется к сообщениям GGA, GNS, GSA, GLL, RMC, VTG, ZDA. Сообщение GSV всегда делится на две части. Первыми передаются данные по спутникам GPS с преамбулой «GP», потом по спутникам ГЛОНАСС с преамбулой «GL».

На рис. 4 показана структура сообщений «GSV — видимые спутники». Этот вид сообщения по умолчанию включен в заводских настройках модулей «ГеоС».

Рисунок 5.Структура сообщений «GSV — видимые спутники»

В одном GSV-сообщении передается информация не более чем для четырех спутников. При этом в каждом из кадров передается ID-номер спутника, угол места, азимут и SNR. Информация о других спутниках передается в другом сообщении. Количество сообщений и номер каждого из них содержится в первых двух полях.

Следует обратить внимание на тот факт, что третий параметр в сообщении GSV «Общее количество видимых спутников» означает только то, что в данный момент времени приемник может наблюдать именно такое количество спутников. Однако этот параметр не определяет количество спутников, данные которых учитываются при расчете координат. Может случиться такая ситуация, что половина из всех видимых спутников будет находиться в «неудобной» геометрии, и сигналы от них будут слабые или искаженные.

Параметр, определяющий количество спутников, по которым ведется расчет геодезических данных, называется «Количество спутников в решении». Этот параметр выводится в сообщении «GSA — геометрический фактор ухудшения точности и активные спутники». Он определяется исходя из геометрии расположения видимых спутников и качества их сигналов. Именно по этим критериям определяются спутники, которые будут участвовать в решении. Формат сообщения GSA показан на рис. 5.

Рисунок 6.Формат сообщения GSA

Ручное управление (М) используется, когда пользователь задает приемнику 2D-режим (двумерной навигации) или 3D- (трехмерной навигации). В автоматическом режиме (А) приемник сам переключает режимы работы 2D/3D.

Для спутников GPS используются номера с 1 по 32. Для WAAS используются номера с 33 по 64. Номера 65-96 зарезервированы для спутников ГЛОНАСС. Согласно стандарту NMEA v2.x, сообщение GSA может выдавать до 12 спутников в решении включительно. Если количество спутников больше 12, то часть из них не будет отображена в этом сообщении. В случае, когда ГЛОНАСС и GPS используются совместно, передаются два отдельных сообщения, одно по спутникам GPS, другое по ГЛОНАСС. При использовании NMEA v3.x количество спутников в сообщении не ограничивается.

В модуле «ГеоС-3» поддерживаются также и нестандартные сообщения NMEA, с помощью которых можно изменять формат сообщений и программировать порты, такие, например, как: SWPROT (переключение в бинарный протокол); SAVEFL (сохранение альманахов во flash); CSTART (холодный старт); WSTART (теплый старт) и др. Функция самотестирования позволяет каждую секунду проводить контроль работоспособности PPL (аналоговой части), антенны, усиления сигналов ГЛОНАСС и GPS, RTC, резервного ОЗУ.

С целью энергосбережения модуль «ГеоС-3» может работать в следующих режимах ограниченной функциональности:

· «Выключен» — приемник обесточен. Целевая функция получения навигационных данных (ЦФПНД) не выполняется. Ток по цепи VDD — 200 мкА.

· «Резерв» — приемник обесточен. ЦФПНД не выполняется. Ток по цепи VBAT 8 мкА.

· «Обнулен» — питание подано. ЦФПНД не выполняется. Ток по цепи VDD 19 мА.

· «Активен» — питание подано. ЦФПНД выполняется. Ток по цепи VDD 59 мА.

· «Сон» — питание подано. ЦФПНД не выполняется. Ток по цепи VDD 5, 5 мА.

Подробное описание работы модулей «ГеоС-3» в режиме энергосбережения приведено в.

Для запуска модуля «ГеоС» в работу в минимальной конфигурации достаточно подключить питание и антенну. При этом на выходы TX0, TX1 будут поступать навигационные данные, полученные приемником в бинарном и NMEA-протоколах (уровни сигналов TTL).

Следует подчеркнуть, что модули «ГеоС-3», кроме обязательной сертификации, имеют также сертификат ВНИИФТРИ, который удостоверяет, что модули семейства «ГеоС-3» прошли все необходимые метрологические испытания и внесены в реестр средств измерения.